(57)【要約】【課題】加圧接合時に要する接合荷重の異なる接合部を有する積層構造体を一度の加熱接合処理で接合することができる積層構造体接合治具及び積層構造体の接合方法を提供する。【解決手段】積層構造体３０を高温下に配置して加圧接合する積層構造体接合治具１０において、積層構造体３０にそれぞれ当接可能とされた第１押圧部材１３及び第２押圧部材１４ａと、圧縮された際に第１押圧部１３を積層構造体３０に向かって付勢するバネ部材１５と、該バネ部材１５を圧縮するとともに第２押圧部材１４ａを積層構造体３０に向かって加圧する加圧手段２０と、バネ部材１５が所定量圧縮された際に加圧手段２０によるバネ部材１５の圧縮を規制するストッパー部材１４ｂとを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造体を高温下に配置して加圧接合する積層構造体接合治具であって
前記積層構造体にそれぞれ当接可能とされた第１押圧部材及び第２押圧部材と、
圧縮された際に前記第１押圧部を前記積層構造体に向かって付勢するバネ部材と、
前記バネ部材を圧縮するとともに前記第２押圧部材を前記積層構造体に向かって加圧する加圧手段と、
前記バネ部材が所定量圧縮された際に前記加圧手段による前記バネ部材の圧縮を規制するストッパー部材とが設けられたことを特徴とする積層構造体接合治具。
【請求項２】
前記積層構造体は、基板の上面に第１部品及び第２部品がそれぞれ配置されてなり、
これら第１部品及び前記第２部品を上方に向けた状態で前記積層構造体が載置される基台が設けられ、
前記第１押圧部材が前記積層構造体の前記第１部品に上方から当接するとともに、前記第２押圧部材が前記積層構造体の前記第２部品に上方から当接し、
前記バネ部材がその圧縮方向を上下方向に向けて前記第１押圧部材上に配置されるとともに、前記ストッパー部材が前記第２押圧部材上に配置され、
前記バネ部材の上端が前記ストッパー部材の上端よりも上方に延びており、
前記加圧手段が、前記バネ部材と前記ストッパー部材との上方に亙って配されて上下方向に変位可能とされるとともに、前記バネ部材の上端及び前記ストッパー部材の上端に当接する加圧板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体接合治具。
【請求項３】
前記第２押圧部材に上下方向に貫通する貫通孔が形成され、
該貫通孔内に前記第１押圧部材が収容されていることを特徴とする請求項２に記載の積層構造体接合治具。
【請求項４】
前記積層構造体は、基板の下面に第１部品が配置されるとともに上面に第２部品が配置されてなり、
圧縮方向を上下方向に向けた前記バネ部材の下端及び前記ストッパー部材の下端が固定される基台が設けられ、
前記第１押圧部材が、前記バネ部材の上端に固定されるとともに、前記積層構造体の前記第１部品に下方から当接し、
前記第２押圧部材が、前記積層構造体の前記第２部品に上方から当接し、
前記バネ部材が圧縮された際に、前記積層構造体における基板の下面に前記ストッパー部材の上端が当接可能とされ、
前記加圧手段が、前記第２押圧部材の上方に配されて上下方向に変位可能とされるとともに、前記第２押圧部材に当接する加圧板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体接合治具。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の積層構造体接合治具を用いて前記積層構造体を加圧接合する積層構造体の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばセラミック基板と金属基板とを積層して形成した積層構造体を、高温下で加圧接合する際に使用される積層構造体接合治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック基板の上下面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の金属回路や放熱板等の金属基板がそれぞれ接合されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性を安定して得ることができる。
【０００３】
このような回路基板においてセラミック基板と一対の金属基板とを接合するには、これらをろう材を介して接触させて積層構造体を形成した後、該積層構造体に一定の圧力をかけた状態で高温下に設置する手法が知られており、このような手法を行なう積層構造体接合治具が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
この積層構造体接合治具においては、上記積層構造体を一対の挟持部材で挟み込んで加圧状態とした後、一対の挟持部材を固定して積層構造体を拘束する。そして、積層構造体接合治具ごと積層構造体を加熱炉中で加熱することで、ろう材を溶融させ、セラミック基板と金属基板とを互いに接合させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１６２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記のような回路基板として、セラミック基板の上下面に接合される一対の金属基板のうち下面側の一方の金属基板がセラミック基板よりも大面積とされたものが知られている。この回路基板においては、下面側の金属基板の剛性を確保するために、該金属基板におけるセラミック基板側の面の外縁部に金属製の補強枠がろう付けにて接合されている。
【０００７】
このような回路基板においては、補強枠が配置された接合部とセラミック基板及び他方の金属基板が配置された接合部とでは、通常、加圧接合時に要する接合荷重が異なったものとされる。したがって、これらを挟持部材で挟み込んで同時に加圧接合をすることはできない。
【０００８】
したがって、従来、上記枠体を備えた回路基板を製造するに際しては、第１段階目として、セラミック基板と一対の金属基板との接合部の加圧接合をした後、第２段階目として、裏面側の金属基板と補強枠との接合部の加圧接合をしていた。
【０００９】
しかしながら、このように２段階での加圧接合を行なった場合、１段階目で加圧接合した接合部が２段階目において再度熱されることにより、熱変形が生じ、場合によっては剥離してしまうことがあった。また、生産の効率化の観点からは、加圧接合を二度に分散させるのではなく、セラミック基板、一対の金属体及び補強枠を一度に加圧接合できることが望ましい。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、加圧接合時に要する接合荷重の異なる接合部を有する積層構造体であっても、一度に加圧接合することができ、接合箇所の剥離を防止するとともに生産効率を向上させることが可能な積層構造体接合治具及び積層構造体の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明に係る積層構造体接合治具は、積層構造体を高温下に配置して加圧接合する積層構造体接合治具であって前記積層構造体にそれぞれ当接可能とされた第１押圧部材及び第２押圧部材と、圧縮された際に前記第１押圧部を前記積層構造体に向かって付勢するバネ部材と、前記バネ部材を圧縮するとともに前記第２押圧部材を前記積層構造体に向かって加圧する加圧手段と、前記バネ部材が所定量圧縮された際に前記加圧手段による前記バネ部材の圧縮を規制するストッパー部材とが設けられたことを特徴としている。
【００１２】
このような特徴の積層構造体接合治具によれば、加圧手段によりバネ部材が圧縮されると、第１押圧部材には当該バネ部材の圧縮の付勢力による加圧力が作用する。そして、バネ部材が所定量圧縮されると、ストッパー部材によりバネ部材の圧縮が規制される。この状態になると、加圧手段がバネ部材及び第２押圧部材を加圧しても、バネ部材が圧縮されることはないため、第１押圧部材に与えられる加圧力が増加することはなく、第２押圧部材への加圧力のみが増加することになる。これにより、第１押圧部材と第２押圧部材とに異なる加圧力を与えることができる。  
なお、高温下とは、例えばろう材を溶融させてセラミック基板と金属基板とを接合する際の温度状態を示している。
【００１３】
また、本発明に係る積層構造体接合治具においては、前記積層構造体は、基板の上面に第１部品及び第２部品がそれぞれ配置されてなり、これら第１部品及び前記第２部品を上方に向けた状態で前記積層構造体を載置する基台が設けられ、前記第１押圧部材が前記積層構造体の前記第１部品に上方から当接するとともに、前記第２押圧部材が前記積層構造体の前記第２部品に上方から当接し、前記バネ部材がその圧縮方向を上下方向に向けて前記第１押圧部材上に配置されるとともに、前記ストッパー部材が前記第２押圧部材上に配置され、前記バネ部材の上端が前記ストッパー部材の上端よりも上方に延びており、前記加圧手段が、前記バネ部材と前記ストッパー部材との上方に亙って配されて上下方向に変位可能とされるとともに、前記バネ部材の上端及び前記ストッパー部材の上端に当接する加圧板を備えていることを特徴としている。
【００１４】
このような特徴の積層構造体接合治具においては、第１部品及び第２部品がそれぞれ別個独立した第１押圧部材及び第２押圧部材により押圧される構成のため、これら第１部品及び第２部品の基板からの高さが異なる場合であっても両方に荷重を与えることができる。
また、加圧板が下方に変位して第２押圧部材及びバネ部材に接触することで、第２部品にはストッパー部材を介した直接的な加圧力が及ぶとともに第１部品にはバネ部材の収縮による加圧力が及ぶ構成のため、第１部品と第２部品に及ぶ加圧力を異なるものとすることができる。この第１部品に及ぶ加圧力は、バネ部材のバネ定数を調整することにより適宜変更することができる。
また、バネ部材の上端がストッパー部材の上端よりも上方に延びているため、加圧板が下方に変位すると、最初にバネ部材に接触してバネをある程度収縮させた後、加圧板がストッパー部材に接触することになる。
このように加圧板がストッパー部材に接触した段階においてはバネ部材が圧縮された状態にあるため、第１押圧部材に対してはバネ部材の付勢力による加圧力が与えられる。また、この状態でさらに加圧板を下方に変位させようとしても、ストッパー部材の存在により該加圧板が下方に変位することはない。したがって、バネ部材がそれ以上収縮されることはなく、第１押圧部材に与えられる加圧力の大きさはストッパー部材の上端と同様の位置まで収縮したバネ部材の付勢力の大きさに固定される。
これに対し、第２押圧部材には加圧板による加圧力がストッパー部材を介して直接的に与えられることになるため当該加圧板の加圧力に応じた任意の荷重を与えることができる。
即ち、第１部品に対してはバネ部材のバネ定数及び圧縮度に応じた荷重を与えることができ、第２部品には加圧手段による直接的な荷重を与えることができる。これにより、第１部品の接合部と第２部品の接合部とを異なる任意の荷重によって加圧接合することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明に係る積層構造体接合治具においては、前記第２押圧部材に上下方向に貫通する貫通孔が形成され、該貫通孔内に前記第１押圧部材が収容されていることを特徴としている。
【００１６】
このような特徴の積層構造体接合治具によれば、セラミック基板の上下面に配置された一対の金属基板のうち一方の金属基板に補強枠が配置された積層構造体を加圧接合する場合において、セラミック基板及び他方の金属基板を第１部品とするとともに補強枠を第２部品として、これら第１部品と第２部品との接合部を異なる荷重でもって同時に押圧することができる。
したがって、補強枠を備えた回路基板を一度の加圧接合処理にて製造することが可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る積層構造体接合治具においては、前記積層構造体は、基板の下面に第１部品が配置されるとともに上面に第２部品が配置されてなり、圧縮方向を上下方向に向けた前記バネ部材の下端及び前記ストッパー部材の下端が固定される基台が設けられ、前記第１押圧部材が、前記バネ部材の上端に固定されるとともに、前記積層構造体の前記第１部品に下方から当接し、前記第２押圧部材が、前記積層構造体の前記第２部品に上方から当接し、前記バネ部材が所定量圧縮された際に、前記積層構造体における基板の下面に前記ストッパー部材の上端が当接可能とされ、前記加圧手段が、前記第２押圧部材の上方に配されて上下方向に変位可能とされるとともに、前記第２押圧部材に当接する加圧板を備えているものであってもよい。
【００１８】
このような特徴の積層構造体接合治具によれば、基板の下面に第１部品が配置されるとともに基板の上面に第２部品が配置された積層構造体において、基板と第１部品との接合部、基板と第２部品との接合部にそれぞれ異なる荷重をかけて加圧接合することができる。
即ち、加圧板が下方に変位して第２押圧部材に当接して加圧すると、該加圧板による加圧力は、積層構造体を介して第１押圧部材に伝わり、即ち、積層構造体が第２押圧部材と第１押圧部材とによって挟持された状態となる。
この状態で加圧板を下方に変位させていくと、第１押圧部材の下方に配置されたバネ部材が圧縮されていき、第１部材と基板との接合部、第２部材と基板との接合部には、それぞれバネ部材の圧縮の付勢力による加圧力が及ぶ。
そして、さらに加圧板を下方に変位させていくと、バネ部材が所定量圧縮された際に積層構造体における基板の下面がストッパー部材の上端に当接する。この状態においては、さらに加圧板を下方に変位させようとしても、ストッパー部材の存在により加圧板が下方に変位することはなく、バネ部材がそれ以上収縮されることはない。これにより、第１部品に与えられる加圧力の大きさはストッパー部材の上端と同様の位置まで収縮したバネ部材の付勢力の大きさに固定される。
一方、基板がストッパーに当接した状態においては、基板及び第２部品が第２押圧部材とストッパー部材とによって挟持された状態となる。これにより、第２部品と基板との接合部には、それまでのバネ部材の圧縮の付勢力による加圧力に加えて、その後の加圧板による加圧力を直接的に及ぼすことができる。
即ち、第１部品に対してはバネ部材のバネ定数及び圧縮度に応じた荷重を与えることができ、第２部品には当該バネ部材による荷重に加えて加圧手段による直接的な荷重を与えることができる。これにより、第１部品の接合部と第２部品の接合部とを異なる任意の荷重によって加圧接合することが可能となる。
【００１９】
本発明に係る積層構造体の接合方法は、上記いずれかの積層構造体接合治具を用いて前記積層構造体を加圧接合することを特徴とする。
このような特徴の積層構造体の接合方法によれば、積層構造体の２つの接合部をそれぞれ異なる任意の荷重によって加圧接合することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の積層構造体基板接合治具及び積層構造体の接合方法によれば、第１押圧部材がバネ部材を介して加圧されるとともに第２押圧部材が直接的に加圧されるように構成したことで、加圧接合時に要する接合荷重の異なる第１部品及び第２部品を有する積層構造体に対して、一度に加圧接合処理を施すことができる。
したがって、再加熱による接合箇所の剥離を防止することができるとともに、生産効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態の積層構造体接合治具の縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ断面図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態の積層構造体接合治具により加圧状態で拘束される積層構造体の縦断面図、（ｂ）は当該積層構造体の平面図である。
【図４】第１実施形態の積層構造体接合治具において第１押圧部材及び第２押圧部材のそれぞれが積層構造体を押圧している状態を示す図である。
【図５】他の積層構造体の縦断面図である。
【図６】第２実施形態の積層構造体接合治具の縦断面図である。
【図７】第２実施形態の積層構造体接合治具において第１押圧部材及び第２押圧部材のそれぞれが積層構造体を押圧している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る積層構造体接合治具の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態の積層構造体接合治具を示す縦断面図、図２は図１におけるＡ断面図である。
この積層構造体接合治具１０は、詳しくは図３に示すような積層構造体３０を高温下で加圧接合して回路基板を製造する際に使用される。
【００２３】
本実施形態の積層構造体３０は、図３に示すように、基板としての下部金属基板３１と、第１部品としての各６つのセラミック基板３２及び上部金属基板３３と、第２部品としての補強枠３４とから構成されている。即ち、積層構造体３０は、基板上に、第１部品及び第２部品が配されて構成されているのである。
【００２４】
下部金属基板３１はアルミニウム等の金属からなる矩形板状をなしており、水平面上に配置される。また、セラミック基板３２は、例えば板厚が例えば０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからかなる矩形板状をなし、上記下部金属基板３１上に６つが整列して積層されている。さらに、上部金属基板３３は、下部金属基板３１同様、アルミニウム等の金属からなる矩形板状をなしており、各セラミック基板３２上にそれぞれ積層されている。
【００２５】
そして、補強枠３４は、上記セラミック基板３２及び上部金属基板３３の板厚の合計量よりも大きい厚みを有し、下部金属基板３１の外周縁部に沿って該下部金属基板３１の上面に積層されている。
【００２６】
なお、これら部材の接触箇所、即ち、下部金属基板３１とセラミック基板３２との間、セラミック基板３２と上部金属基板３３との間、および、下部金属基板３１と補強枠３４との間には、それぞれろう材としてのＡｌ−Ｓｉ合金の薄板が介在されている。
【００２７】
この積層構造体３０においては、下部金属基板３１及びセラミック基板３２、セラミック基板３２及び上部金属基板３３の各接合箇所が合わせて第１接合部３０ａとされている。即ち、基板と第１部品とに係る接合部が第１接合部３０ａとされているのである。
また、下部金属基板３１と補強枠３４との接合箇所は枠状をなし、第２接合部３０ｂとされている。即ち、基板と第２部品とに係る接合部が第２接合部３０ｂとされているのである。これにより、積層構造体３０においては、６つの第１接合部３０ａ及びこれら第１接合部３０ａを包囲する枠状の第２接合部３０ｂが存在することになる。
【００２８】
また、これら第１接合部３０ａと第２接合部３０ｂの加圧接合に要する接合荷重は異なるものとされており、各部材を加圧接合する際には、第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂにそれぞれ適した接合荷重を与える必要がある。
【００２９】
さらに、第１接合部３０ａの積層方向の厚み、即ち、下部金属基板３１の下面と上部金属基板３３の上面との距離と、第２接合部３０ｂの積層方向の厚み、即ち、下部金属基板３１の下面と補強枠３４の上端の距離とは、互いに異なるものとされ、後者の方が前者よりも大きいものとされている。したがって、これら第１接合部３０ａと第２接合部３０ｂとを同一の板部材によって挟持して加圧することはできない。
【００３０】
本実施形態の積層構造体接合治具１０は、上記のように、加圧接合時に要する接合荷重及び積層方向の厚みの異なる第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂを同時に加圧接合する際に使用されるものであり、図１及び図２に示すように、ベース１１と、載置台１２と、第１押圧部材１３と、枠押圧部材１４と、バネ部材１５と、支柱部材１６と、加圧手段２０とから構成されている。
【００３１】
ベース１１は、積層構造体接合治具１０の土台となる部材であって、一定の板厚を有する板状をなし、その板厚方向を上下に向けて配置される。
【００３２】
載置台１２は、上記ベース１１よりも正面視の面積が小さく一定の板厚を有する板状をなし、ベース１１上に積層されて固定されている。この載置台１２の上面には上記積層構造体３０がその下部金属基板３１の下面を接触させて載置される。
なお、上記ベース１１と載置台１２とで、基台１７が構成されている。
【００３３】
第１押圧部材１３は、上記のように載置台１２上に載置された積層構造体３０における各第１接合部３０ａ上、即ち、各上部金属基板３３の上面に亙って配置される部材であって、本実施形態においては、第１押圧板１３ａとバネ受板１３ｂとから構成されている。
【００３４】
第１押圧板１３ａは、積層構造体３０における６つの上部金属基板３３をカバーできる程度の大きさの上面及び下面を備えた板状の部材であり、この第１押圧板１３ａの下面が６つの上部金属基板３３上に接触するとともに、上面には第１押圧板１３ａよりも上面及び下面の面積が大きい板状をなすバネ受板１３ｂが一体に積層固定されている。このバネ受板１３ｂには、後述するバネ部材１５の下端が固定されている。
【００３５】
枠押圧部材１４は、載置台１２上に載置された積層構造体３０における第２接合部３０ｂ上、即ち、補強枠３４の上端全面に亙って接触するように構成された部材であり、第２押圧部材１４ａとストッパー部材１４ｂとから形成されている。
【００３６】
第２押圧部材１４ａは、一定の板厚を有する板状をなし、その上面及び下面の中央を板厚方向に沿って貫通する貫通孔（孔部）１４ｃが形成されている。この貫通孔１４ｃの大きさは、上記第１押圧部材１３における第１押圧板１３ａの外周が一定の間隔を空けて嵌り込む程度とされている。これにより第２押圧部材１４ａは、その下面が積層構造体３０の補強枠３４の上端のみに接触する枠状をなすことになり、この枠状の内側に、積層構造体３０の上部金属基板３３の上面のみに接触する第１押圧板１３ａが位置することになる。即ち、第２押圧部材１４ａの上下方向に貫通する貫通孔１４ｃ内に第１押圧板１３ａが収納されているのである。
【００３７】
このような第２押圧部材１４ａの上面には、該上面の外周輪郭に沿って上方に向かって延びるストッパー部材１４ｂが固定されている。このストッパー部材１４ｂは、上下方向に延びる筒状をなしており、上下方向の寸法は、上記バネ受板１３ｂの板厚よりも大きいものとされている。
【００３８】
このようにして、載置台１２上に載置された積層構造体３０上には、補強枠３４上に配置された第２押圧部材１４ａと、該第２押圧部材１４ａの内側において６つの上部金属基板３３上に配置された第１押圧部材１３が配置されることになり、この状態において、ストッパー部材１４ｂの上端は、第１押圧部材１３の上端、即ち、バネ受板１３ｂの上面よりも上方に位置している。
【００３９】
バネ部材１５は、所定のバネ定数を有するコイルスプリングであって、その伸張方向を上下方向に向けた状態で、バネ受板１３ｂ上に６つが配置されている。これらバネ部材１５の下端はバネ受板１３ｂの上面に固定されており、上端はストッパー部材１４ｂよりも上方に延びている。これによって、バネ部材１５の上端の高さが枠押圧部材１４よりも高所に位置することになる。
【００４０】
支柱部材１６は、鉛直方向に沿って延びる柱状の部材であって、一端側がベース１１上に固定されて、他端側は上記バネ部材１５よりも上方に延びるように一対が設けられている。このような支柱部材１６には、そのバネ部材１５よりも上方の部分に加圧手段２０が設けられている。
【００４１】
加圧手段２０は、加圧板２１と、固定板２２と、締結部材２３と、ガイド支柱２４と、荷重バネ２５とから構成されている。
【００４２】
加圧板２１は、一定の厚みを有する板状をなす部材であって、その板厚方向を上下方向に一致させた状態でバネ部材１５の上方に配置されている。また、この加圧板２１は上記一対の支柱部材１６に貫通されている。これによって、加圧板２１は、水平面との平行を維持した状態で上下方向にスライド移動可能とされている。
【００４３】
固定板２２は、一定の厚みを有する板状をなす部材であって、加圧板２１のさらに上方において該加圧板２１と平行に配置されている。この固定板２２は、加圧板２１と同様に、一対の支柱部材１６に貫通されており、これによって該固定板２２は、加圧板２１との平行状態が維持され、さらに、上下方向に沿ってスライド移動可能とされている。
【００４４】
締結部材２３は、支柱部材１６における固定板２２のさらに上方において、支柱部材１６に対して外嵌固定可能とされ、これにより、固定板２２の上方への移動を制限している。
【００４５】
ガイド支柱２４は、鉛直方向に沿って延びる柱状の部材であって、一端側が加圧板２１の上面に固定され、他端側は上記固定板２２を貫通するように４つが設けられている。即ち、加圧板２１は、上記支柱部材１６に加えてこのガイド支柱２４によって、上下方向に案内されるようにスライド移動可能とされている。
【００４６】
荷重バネ２５は、固定板２２と加圧板２１との間において、ガイド支柱２４及び支柱部材１６に外嵌されるように配置されたコイルスプリングであって、上下方向に伸縮可能とされている。
【００４７】
なお、この積層構造体接合治具１０を構成するベース１１及び載置台１２からなる基台１７と、第１押圧部材１３と、枠押圧部材１４と、バネ部材１５と、支柱部材１６と、加圧手段２０は、加熱時に生じる熱膨張を抑制するために、線膨張係数が０．３×１０−６／℃と小さいカーボンコンポジットから構成されていることが好ましい。
【００４８】
以上のような本実施形態の積層構造体接合治具１０においては、基台１７の載置台１２上に載置された積層構造体３０に対して、第１押圧部材１３及び第２押圧部材１４ａが配されて、加圧手段２０と第１押圧部材１３との間にバネ部材１５が介在されるとともに、加圧手段２０と第２押圧部材１４ａとの間にストッパー部材１４ｂが介在された構成をなしている。
【００４９】
上記積層構造体接合治具１０によって積層構造体３０を加圧状態で拘束するには、まず加圧手段２０の固定板２２を下方に向かって変位させる。すると、荷重バネ２５を介して、加圧板２１も下方に移動する。
その後、加圧板２１がバネ部材１５の上端に接触し、さらに固定板２２を下方に変位させると、該固定板２２の変位による荷重により荷重バネ２５及びバネ部材１５が圧縮されていき、その後、加圧板２１の加圧面２１ａがストッパー部材１４ｂの上端に接触する。
【００５０】
このように加圧面２１ａがストッパー部材１４ｂの上端に接触した段階においては、バネ部材１５が圧縮された状態にあるため、第１押圧部材１３にはバネ部材１５の付勢力に応じた加圧力が与えられる。
なお、この状態でさらに加圧板２１を下方に変位させようとしても、ストッパー部材１４ｂの存在により加圧板２１が変位することはない。即ち、加圧板２１の位置はストッパー部材１４ｂの上端にて固定される。したがって、バネ部材１５がこれ以上圧縮されることはないため、第１押圧部材１３に与えられる加圧力は、この圧縮状態のバネ部材１５の付勢力の大きさに固定される。
【００５１】
そして、固定板２２をさらに下方に向かって変位させると、荷重バネ２５が圧縮されていくことによる荷重を加圧板２１がストッパー部材１４ｂに直接的に伝達する。これにより、加圧板２１がストッパー部材１４ｂに接触した後の加圧手段２０による加圧力は全てストッパー部材１４ｂを介して第２押圧部材１４ａに伝達されることになる。したがって、固定板２２の変位に応じて、第２押圧部材１４ａに任意の加圧力を与えることができる。そして、所望の加圧力を与えた段階で、締結部材２３を支柱部材１６に外嵌固定することで固定板２２の上方向への移動を制限し、第２押圧部材１４ａに与えられる加圧力を固定する。
このようにして、図４に示すように、第１押圧部材１３及び第２押圧部材１４ａにそれぞれ加圧力が与えられることにより、積層構造体３０における第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂを加圧状態にして該積層構造体３０を拘束することができる。
【００５２】
そして、上記のように積層構造体３０を加圧して拘束した状態に維持した積層構造体接合治具１０を、６００〜６５０℃程度の温度条件とした熱処理炉等に入れて加圧接合をおこなう。
【００５３】
このように積層構造体３０を加圧した状態で、熱処理炉等に入れることにより、積層構造体３０のろう材が溶融し、これによって第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂがそれぞれ接合される。
【００５４】
本実施形態の積層構造体接合治具１０においては、積層構造体３０の第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂがそれぞれ別個独立した第１押圧部材１３及び第２押圧部材１４ａにより押圧される構成のため、積層方向の厚みの異なる第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂを加圧状態として拘束することができる。
【００５５】
また、上記のように、第１押圧部材１３に対してはバネ部材１５のバネ定数と加圧板２１がストッパー部材１４ｂに接触した状態における圧縮量とに応じた付勢力を加圧力として与えることができる。したがって、バネ部材１５のバネ定数及びストッパー部材１４ｂの上端とバネ部材１５の上端の高低差を調整することで、第１押圧部材１３に任意の加圧力を与え、第１接合部３０ａを適切な接合荷重で拘束することができる。
【００５６】
一方、第２押圧部材１４ａに対しては、加圧板２１がストッパー部材１４ｂに接触した後は、加圧手段２０による加圧力が直接的に第２押圧部材１４ａに与えられるため、固定板２２の変位を調整して加圧手段２０の加圧力を調整することで第２押圧部材１４ａに任意の荷重を与えることができる。これにより、第２接合部３０ｂを適切な接合荷重で拘束することができる。
【００５７】
また、上記のように、第１押圧部材１３及び第２押圧部材１４ａに対して任意の加圧力を与えることができるため、第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂに対してそれぞれ異なる荷重を与えることができる。
【００５８】
以上から、本実施形態の積層構造体接合治具１０においては、加圧接合時に要する接合荷重及び積層方向の厚みの異なる第１接合部３０ａ及び第２接合部３０ｂを、それぞれ適した接合荷重にて同時に拘束することができるため、下部金属基板３１上にセラミック基板３２及び上部金属基板３３と補強枠３４とが積層された積層構造体３０を一度の加圧接合処理にて接合することが可能となる。
【００５９】
したがって、下部金属基板３１、セラミック基板３２、上部金属基板３３及び補強枠３４からなる積層構造体３０が接合されてなる回路基板を一度の加圧接合処理にて製造することができる。よって、二度の加熱処理が行われることによる剥離の発生を回避することができるとともに、生産効率を向上させることが可能となる。
【００６０】
なお、本実施形態においては、積層構造体接合治具１０により下部金属基板３１上にセラミック基板３２及び上部金属基板３３と補強枠３４とが積層された積層構造体３０を接合する場合について説明したが、積層構造体接合治具１０を例えば、図５に示すような、水冷式のヒートシンク４１上に回路基板４２が積層された積層構造体４０の接合を行なうためにも使用することができる。
【００６１】
この積層構造体４０においては、ヒートシンク４１は、上部が開口する箱状をなすケーシング４１ａの上端にその開口を閉塞する蓋板４１ｂが積層され、さらに、該蓋板４１ｂ上に、セラミック基板４２ａの上下面に一対の金属基板４２ｂ，４２ｃが配置された回路基板４２が積層されている。そして、それぞれの接合箇所にはろう材が介在されており、セラミック基板４２ａと一対の金属基板４２ｂ，４２ｃ、蓋板４１ｂと下方の金属基板４２ｂの各接合箇所が合わせて第１接合部４０ａとされ、蓋板４１ｂとケーシング４１ａとの接合箇所が第２接合部４０ｂとされている。
即ち、この積層構造体４０では、基板としてのケーシング４１ａ上に、第２部品としての蓋板４１ｂと第１部品としての回路基板４２とが配置された構成とされており、第１部品に係る接合部が第１接合部４０ａとされ、第２部品に係る接合部が第２接合部４０ｂとされている。
【００６２】
このような積層構造体４０においては、第１接合部４０ａと第２接合部４０ｂとの加圧接合に要する接合荷重は互いに異なるものとされており、また、その積層方向の厚みも異なるものとなっている。そこで、本実施形態の積層構造体接合治具１０を用いることにより、第１押圧部材１３により第１接合部４０ａを、第２押圧部材１４ａにより第２接合部４０ｂをそれぞれ加圧することで、これら第１接合部４０ａと第２接合部４０ｂとを加圧状態にて拘束することができる。したがって、第１接合部４０ａと第２接合部４０ｂとを同時に加圧接合して、ヒートシンク４１及び回路基板４２からなるパワーモジュールを一度の加圧接合処理にて製造することが可能となる。
【００６３】
次に本発明のの第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図６は第２実施形態の積層構造体接合治具を示す縦断面図、図７は図６におけるＡ断面図である。
この積層構造体接合治具５０は、積層構造体７０を高温下で加圧接合して回路基板を製造する際に使用される。
【００６４】
第２実施形態の積層構造体７０は、図６及び図７に示すように、基板としての下部金属基板７１の上面に、第２部品としてのセラミック基板７２と上部金属基板７３との積層体が積層され、上記下部金属基板７１の下面に第１部品としてのフィン７４が積層された構造をなしており、上述のパワーモジュールを製造する積層構造体４０の一部を構成している。即ち、積層構造体７０は、基板の上面に第２部品が配されるとともに、基板の下面に第１部品が配されて構成されているのである。
【００６５】
下部金属基板７１はアルミニウム等の金属からなる矩形板状をなしており、水平面上に配置される。また、セラミック基板７２は、例えば板厚が例えば０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからかなる矩形板状をなし、上記下部金属基板３１上に積層されている。さらに、上部金属基板７３は、下部金属基板７１同様、アルミニウム等の金属からなる矩形板状をなしており、各セラミック基板７２上にそれぞれ積層されている。そして、フィン７４は、上面が下部金属基板７１の下面に接合される平坦状をなすとともに、下方を向く面は流体が通過する凹凸状に形成されており、アルミニウム等の金属から構成されている。
【００６６】
なお、この積層構造体７０においては、下部金属基板７１の上下面の面積がセラミック基板７２及びフィン７４の上下面の面積よりも大きく形成されており、これにより、下部金属基板７１は、その外周部がセラミック基板７２及びフィン７４の外周部からフランジ状をなすように延在している。
【００６７】
また、これら部材の接触箇所、即ち、下部金属基板７１とセラミック基板７２との間、セラミック基板７２と上部金属基板７３との間、および、下部金属基板７１とフィン７４との間には、それぞれろう材としてのＡｌ−Ｓｉ合金の薄板が介在されている。
【００６８】
この積層構造体７０においては、下部金属基板７１及びフィン７４との接合箇所が第１接合部７０ａとされている。即ち、基板と第１部品とに係る接合部が第１接合部７０ａとされているのである。
また、下部金属基板７１とセラミック基板７２及び上部金属基板７３の接合箇所は合わせて第２接合部７０ｂとされている。即ち、基板と第２部品とに係る接合部が第２接合部７０ｂとされているのである。
これら第１接合部７０ａと第２接合部７０ｂとは、互いに積層方向に重なるように配置されている。
【００６９】
また、これら第１接合部７０ａと第２接合部７０ｂの加圧接合に要する接合荷重は異なるものとされており、各部材を加圧接合する際には、第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂにそれぞれ適した接合荷重を与える必要がある。
【００７０】
第２実施形態の積層構造体接合治具５０は、上記のように、加圧接合時に要する接合荷重の異なる第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂを同時に加圧接合する際に使用されるものであり、図６及び図７に示すように、基台５１と、バネ部材５５と、第１押圧部材５３と、ストッパー部材５２と、支柱部材５６と、第２押圧部材５４と、加圧手段６０とから構成されている。
【００７１】
基台５１は、積層構造体接合治具１０の土台となる部材であって、一定の板厚を有する板状をなし、その板厚方向を上下に向けて配置される。
【００７２】
バネ部材５５は、所定のバネ定数を有するコイルスプリングであって、その圧縮方向を上下方向に向けた状態で、下端が基台５１に固定されるように３つが配置されており、この状態における上端の高さは３つのバネ部材５５において同様とされている。
【００７３】
第１押圧部材５３は、３つのバネ部材５５の上端に亙って配される板状をなす部材であって、その上面及び下面が水平面と略平行をなすように配置されている。この第１押圧部材５３の上面には、上述した積層構造体７０が載置されて、該積層構造体７０のフィン７４の下面が当接する。
【００７４】
ストッパー部材５２は、上下方向に延びる筒状のであって、基台５１において上記３つのバネ部材５５を包囲するように立設固定されている。このストッパー部材５２の上端５２ａには、積層構造体７０の下部金属基板７１の下面が当接可能とされている。
【００７５】
ここで、ストッパー部材５２の上端５２ａの基台５１からの高さと、バネ部材５５上に配置された第１押圧部材５３の上面の基台５１からの高さとを比較すると、バネ部材５５が第１押圧部材５３の重量により圧縮された状態において、ストッパー部材５２の上端５２ａの方が第１押圧部材５３の上面よりも低く設定されており、又は、第１押圧部材５３の上面の方がストッパー部材５２の上端５２ａよりも低く、かつ、その高低差がフィン７４の厚みよりも小さくなるように設定されている。
【００７６】
第２押圧部材５４は、一定の板厚を有する板状をなし、水平面に平行な上面及び下面のうち下面が、第１押圧部材５３上に配置された積層構造体７０の最上面、即ち、上部金属基板７３の上面に当接する。これにより、積層構造体７０は、その最下面が第１押圧部材５３に当接するとともに最上面が第２押圧部材５４に当接し、即ち、第１押圧部材５３と第２押圧部材５４とで挟持された状態となる。
【００７７】
支柱部材５６は、鉛直方向に沿って延びる柱状の部材であって、一端側が基台５１上に固定されて、他端側は上記第２押圧部材５４よりも上方に延びるように一対が設けられている。このような支柱部材５６には、その第２押圧部材５４よりも上方の部分に加圧手段２０が配置されている。
【００７８】
加圧手段６０は、加圧板６１と、固定板６２と、締結部材６３と、荷重バネ６４とから構成されている。
【００７９】
加圧板６１は、一定の厚みを有する板状をなす部材であって、その板厚方向を上下方向に一致させた状態で第２押圧部材５４の上方に配置されている。また、この加圧板６１は上記一対の支柱部材１６に貫通されている。これによって、加圧板６１は、水平面との平行を維持した状態で上下方向にスライド移動可能とされている。
【００８０】
固定板６２は、一定の厚みを有する板状をなす部材であって、加圧板６１のさらに上方において該加圧板６１と平行に配置されている。この固定板６２は、加圧板６１と同様に、一対の支柱部材５６に貫通されており、これによって該固定板６２は、加圧板６１との平行状態が維持され、さらに、上下方向に沿ってスライド移動可能とされている。
【００８１】
締結部材６３は、支柱部材５６における固定板６２のさらに上方において、支柱部材５６に対して外嵌固定可能とされ、これにより、固定板６２の上方への移動を制限している。
【００８２】
荷重バネ２５は、固定板２２と加圧板２１との間に介在するように２つが配置されたコイルスプリングであって、上下方向に伸縮可能とされている。
【００８３】
以上のような本実施形態の積層構造体接合治具１０においては、積層構造体７０の第１部品（フィン７４）に第１押圧部材５３が当接し、第２部品（セラミック基板７２及び上部金属基板７３）に第２押圧部材５４が当接し、第１押圧部材５３と基台５１との間にバネ部材５５が配置され、第２押圧部材５４の上方に加圧板６１を備えた加圧手段６０が位置している。
【００８４】
上記積層構造体接合治具５０によって積層構造体３０を加圧状態で拘束するには、まず積層構造体７０をフィン７４が第１押圧部材５３の上面に接するように該第１押圧部材５３上に載置し、さらに、この状態の積層構造体７０の上面、即ち、上部金属基板７３上に第２押圧部材５４を配置する。これにより、積層構造体７０が第１押圧部材５３及び第２押圧部材５４に挟持された状態となる。
なお、この状態では、第１押圧部材５３に積層構造体７０の重量が加わりバネ部材５５が多少圧縮されるが、積層構造体７０の下部金属基板７１がストッパー部材５２の上端５２ａに接することはない。
【００８５】
そして、加圧手段６０の固定板６２を下方に向かって変位させる。すると、荷重バネ６４を介して、加圧板６１も下方に移動する。
その後、加圧板６１が第２押圧部材５４の上面に接触し、さらに固定板６２を下方に変位させると、該固定板２２の変位による荷重により荷重バネ６４の圧縮とともにバネ部材５５が圧縮される。即ち、荷重バネ６４による圧縮力、即ち加圧手段６０による加圧力が、加圧板６１、第２押圧部材５４、積層構造体７０及び第１押圧部材５３を介してバネ部材５５に垂直荷重として伝達され、これによりバネ部材５５が荷重バネ６４の圧縮とともに圧縮される。
【００８６】
このようにバネ部材５５が圧縮されていくと、積層構造体７０には該バネ部材５５の圧縮の付勢力と同等の荷重が及ぶこととなる。即ち、第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂにバネ部材５５の付勢力が圧縮力として作用する。
【００８７】
そして、さらに加圧板６１を下方に変位させていくと、バネ部材５５が所定量圧縮された際に、積層構造体７０における下部金属基板７１の下面がストッパー部材５２の上端５２ａに当接する。この状態においては、加圧板６１をさらに下方に変位させようとしても、ストッパー部材５２の存在により加圧板６１が下方に変位することはなく、バネ部材５５がそれ以上収縮されることはない。
【００８８】
これにより、第１接合部７０ａ、即ち、下部金属基板７１とフィン７４との接合部に与えられる加圧力の大きさは、ストッパー部材５２の上端５２ａと同様の高さまで収縮したバネ部材５５の付勢力の大きさに固定される。
【００８９】
一方、積層構造体７０の下部金属基板７１がストッパー部材５２に当接した状態においては、図７に示すように、下部金属基板７１とセラミック基板７２及び上部金属基板７３とが第２押圧部材５４とストッパー部材５２とによって挟持された状態となる。これにより、第２接合部７０ｂには、それまでのバネ部材５５の圧縮の付勢力による加圧力に加えて、その後の加圧板６１による加圧力を直接的に及ぼすことができる。
【００９０】
そして、所望の加圧力を与えた段階で、締結部材６３を支柱部材５６に外嵌固定することで固定板６２の上方向への移動を制限し、第２押圧部材５４に与えられる加圧力を固定する。
このようにして、図７に示すように、第１押圧部材５３及び第２押圧部材５４にそれぞれ加圧力が与えられることにより、積層構造体７０における第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂを加圧状態にして該積層構造体７０を拘束することができる。
【００９１】
そして、上記のように積層構造体７０を加圧して拘束した状態に維持した積層構造体接合治具５０を、６００〜６５０℃程度の温度条件とした熱処理炉等に入れて加圧接合をおこなう。
【００９２】
このように積層構造体７０を加圧した状態で、熱処理炉等に入れることにより、積層構造体７０のろう材が溶融し、これによって第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂがそれぞれ接合される。
【００９３】
本実施形態の積層構造体接合治具５０においては、第１接合部７０ａに対してはバネ部材５５のバネ定数及び圧縮度に応じた荷重を与えることができ、第２接合部７０ｂには当該バネ部材５５による荷重に加えて加圧手段６０による直接的な荷重を与えることができる。これにより、第１接合部７０ａと第２接合部７０ｂとを異なる任意の荷重によって加圧接合することが可能となる。
【００９４】
したがって、積層方向に重ねて配置されて加圧接合時に要する接合荷重の異なる第１接合部７０ａ及び第２接合部７０ｂを、それぞれ適した接合荷重にて同時に拘束することができるため、下部金属基板７１上面にセラミック基板７２及び上部金属基板７３が積層されるとともに下部金属基板７１の下面にフィン７４が積層された積層構造体７０を一度の加圧接合処理にて接合することが可能となる。
【００９５】
これにより、下部金属基板７１、セラミック基板７２、上部金属基板７３及びフィン７４からなる積層構造体７０が接合されてなるパワーモジュールの一部分を一度の加圧接合処理にて製造することができる。よって、二度の加熱処理が行われることによる剥離の発生を回避することができるとともに、生産効率を向上させることが可能となる。
【００９６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１及び第２実施形態の積層構造体接合治具１０，５０においては、積層構造体３０，４０，７０を加圧接合する際に用いる場合について説明したが、これに限られず、２つの接合部を有する積層構造体ならば、他の積層構造体の加圧接合にも用いることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０  積層構造体接合治具
１１  ベース
１２  載置台
１３  第１押圧部材
１３ａ       第１押圧板
１３ｂ       バネ受板
１４  枠押圧部材
１４ａ       第２押圧部材
１４ｂ       ストッパー部材
１４ｃ       貫通孔
１５  バネ部材
１６  支柱部材
１７  基台
２０  加圧手段
２１  加圧板
２２  固定板
２３  締結部材
２４  ガイド支柱
２５  荷重バネ
３０  積層構造体
３０ａ       第１接合部
３０ｂ       第２接合部
３１  下部金属基板
３２  セラミック基板
３３  上部金属基板
３４  補強枠
４０  積層構造体
４０ａ       第１接合部
４０ｂ       第２接合部
４１  ヒートシンク
４１ａ       ケーシング
４１ｂ       蓋板
４２  回路基板
４２ａ       セラミック基板
４２ｂ       金属基板
４２ｃ       金属基板
５０  積層構造体接合治具
５１  基台
５２  ストッパー部材
５２ａ       上端
５３  第１押圧部材
５４  第２押圧部材
５５  バネ部材
５６  支柱部材
６０  加圧手段
６１  加圧板
６２  固定板
６３  締結部材
６４  荷重バネ
７０  積層構造体
７０ａ       第１接合部
７０ｂ       第２接合部
７１  下部金属基板
７２  セラミック基板
７３  上部金属基板
７４  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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