(57)【要約】【課題】ワークの反りを抑制しつつ，接合作業時間の短縮が図られた接合部材の接合方法および接合装置を提供すること。【解決手段】本発明の接合方法では，まず，断熱密閉されたスペース２内にワーク１０を収容する。次に，ピストン３を下方移動させ，スペース２内を加圧し，スペース２内の温度を常温よりも高い温度としている。この雰囲気の状態を維持することで，熱硬化性樹脂であるワーク１０の接着剤１８が硬化し，樹脂ケース１１とヒートシンク１２とが接合される。次に，ピストン３を上方移動させ，スペース２内を減圧し，スペース２内の温度を常温よりも低い温度にしている。この雰囲気の状態を維持することで，ワーク１０が冷却される。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１接合部材と第２接合部材とを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合部材をワークとする接合部材の接合方法において，
断熱密閉されたスペース内にワークを収容する収容ステップと，
前記収容ステップの後に，前記スペース内を加圧する加圧ステップと，
前記加圧ステップの後に，前記スペース内を減圧する減圧ステップとを含むことを特徴とする接合部材の接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載する接合方法において，
前記加圧ステップでは，前記スペースを圧縮することによって前記スペース内を加圧し，
前記減圧ステップでは，前記スペースを膨張させることによって前記スペース内を減圧することを特徴とする接合部材の接合方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する接合方法において，
前記加圧ステップでは，加圧量および加圧時間が設定された加圧条件を取得し，当該加圧条件に従って前記スペース内を加圧し，
前記減圧ステップでは，減圧量および減圧時間が設定された減圧条件を取得し，当該減圧条件に従って前記スペース内を減圧することを特徴とする接合部材の接合方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載する接合方法において，
前記加圧ステップでは，前記スペース内に収容されたワークの温度を検出し，検出した温度が前記ワークの接着剤の硬化温度よりも高い温度である第１の温度になるまで前記スペース内を加圧し，
前記減圧ステップでは，前記スペース内に収容されたワークの温度を検出し，検出した温度が第１の温度よりも低い温度である第２の温度になるまで前記スペース内を減圧することを特徴とする接合部材の接合方法。
【請求項５】
第１接合部材と第２接合部材とを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合部材をワークとする接合部材の接合装置において，
断熱密閉されたスペースを形成し，当該スペース内にワークを収容する収容手段と，
前記スペース内を加圧する加圧手段と，
前記スペース内を減圧する減圧手段と，
前記加圧手段および前記減圧手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする接合部材の接合装置。
【請求項６】
請求項５に記載する接合装置において，
前記加圧手段は，前記スペースを圧縮することで当該スペース内を加圧し，
前記減圧手段は，前記スペースを膨張させることで当該スペース内を減圧するを特徴とする接合部材の接合装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載する接合装置において，
加圧量および加圧時間が設定された加圧条件と，減圧量および減圧時間が設定された減圧条件とを記憶する記憶手段を有し，
前記制御手段は，前記加圧条件を基に前記加圧手段を制御し，前記減圧条件を基に前記減圧手段を制御することを特徴とする接合部材の接合装置。
【請求項８】
請求項５または請求項６に記載する接合装置において，
前記スペース内に収容されたワークの温度を検出する温度検出手段を有し，
前記制御手段は，前記温度検出手段からの信号を基に，前記加圧手段および前記減圧手段を制御することを特徴とする接合部材の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，第１接合部材と第２接合部材とを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合部材の接合方法および接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車には，高耐圧・大電流用のパワーＩＣが車載されている。パワーＩＣは，使用時の発熱が大きいことから，素子からの放熱性を向上させるための構成が必要になる。そこで，パワーモジュールの構成として，一般的に，パワーＩＣを収容する樹脂ケースの外側にヒートシンクを接着し，パワーＩＣから発生した熱を効率良く外部に逃がす構成が採用されている（例えば，特許文献１）。
【０００３】
このような構成のパワーモジュールにおいて，樹脂ケースとヒートシンクとの接着にはポリイミド，エポキシ樹脂，フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が接着剤として利用される。従来，ヒートシンクの上面に塗布した熱硬化性樹脂を硬化させる方法としては，次の２方式のいずれかが採用されている。
【０００４】
（Ａ）オーブン加熱方式
オーブン加熱方式では，図５に示すように，上面に接着剤１８が塗布されたヒートシンク１２上に樹脂ケース１１を載置し，樹脂ケース１１とヒートシンク１２とを接触させるための治具１３を組み付ける。その後，治具１３ごとオーブンに投入し，接着剤１８を硬化させて樹脂ケース１１とヒートシンク１２とを接着する。
【０００５】
（Ｂ）ホットプレート加熱方式
ホットプレート加熱方式では，図６に示すように，上面に接着剤１８が塗布されたヒートシンク１２上に樹脂ケース１１を載置し，さらにヒートシンク１２がホットプレート１４と接触するように載置する。その後，加圧シリンダ１５を樹脂ケース１１側から当接させ，ヒートシンク１２をホットプレート１４に押し付ける。これにより，ヒートシンク１２が加熱され，さらに接着剤１８を硬化させて樹脂ケース１１とヒートシンク１２とを接着する。
【特許文献１】特開２００２−２０３９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来の加熱方式には，次のような問題があった。すなわち，オーブン加熱方式では，治具１３の熱容量が大きく，硬化および冷却に時間がかかる。また，治具１３を組み付けるにも手作業が必要である。そのため，接合作業にかける時間が長い。
【０００７】
また，ホットプレート加熱方式では，ヒートシンク１２を直接加熱することで，加熱時間を短縮することができる。また，治具の組付けの必要もない。しかし，ヒートシンク１２を樹脂ケース１１よりも積極的に加熱することになる。そのため，樹脂ケース１１とヒートシンク１２との間に温度差が生じた状態で接着剤１８の硬化が始まる。その結果，ワーク１０の冷却時にヒートシンク１２が樹脂ケース１１よりも縮み，ワーク１０に大きな反りが生じる。
【０００８】
本発明は，前記した従来の接合部材の接合方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，ワークの反りを抑制しつつ，接合作業時間の短縮が図られた接合部材の接合方法および接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題の解決を目的としてなされた接合部材の接合方法は，第１接合部材と第２接合部材とを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合部材をワークとする接合部材の接合方法であって，断熱密閉されたスペース内にワークを収容する収容ステップと，収容ステップの後に，スペース内を加圧する加圧ステップと，加圧ステップの後に，スペース内を減圧する減圧ステップとを含むことを特徴としている。
【００１０】
また，この課題の解決を目的としてなされた接合部材の接合装置は，第１接合部材と第２接合部材とを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合部材をワークとする接合部材の接合装置であって，断熱密閉されたスペースを形成し，当該スペース内にワークを収容する収容手段と，スペース内を加圧する加圧手段と，スペース内を減圧する減圧手段と，加圧手段および減圧手段を制御する制御手段とを有することを特徴としている。
【００１１】
本発明では，まず，収容ステップとして，断熱密閉されたスペース内にワークを収容する。次に，加圧ステップとして，当該スペース内を加圧して，スペースの内圧を上昇させる。このスペースの加圧に伴って，スペース内の温度が上昇する。この雰囲気の状態を維持することで，熱硬化性樹脂であるワークの接着剤が硬化し，第１接合部材と第２接合部材とが接合される。次に，減圧ステップとして，当該スペース内を減圧して，スペースの内圧を低下させる。このスペースの減圧に伴って，スペース内の温度が低下する。この雰囲気の状態を維持することで，ワークが速やかに冷却される。
【００１２】
本発明の接合方法では，加圧ステップでの断熱圧縮により，ワークが収容されるスペース内の内圧が上昇する。この内圧の上昇は，ワークの第１接合部材と第２接合部材とを接触させるクランプ効果を生じさせる。そのため，第１接合部材および第２接合部材を固定するための冶具等は不要である。従って，冶具の加熱／冷却に伴う接合時間の遅延はない。また，冶具を組み付ける手作業の時間もない。よって，接合工程にかかる時間は短い。
【００１３】
また，加圧ステップでは，スペースの断熱圧縮により，スペース内の雰囲気温度が上昇する。雰囲気温度の上昇は，ワーク全体を均一に加熱する。そのため，加熱時における第１接合部材と第２接合部材との温度差は小さい。その結果，冷却時におけるワークの反りも小さい。
【００１４】
また，本発明の加圧ステップでは，スペースを圧縮することによってスペース内を加圧し，減圧ステップでは，スペースを膨張させることによってスペース内を減圧することとするとよりよい。すなわち，スペースを圧縮／膨張させることでその内圧を変化させる。この方法では，スペースの圧縮／膨張に使うエネルギーが純粋に加熱エネルギーに変換され，エネルギー効率が良い。また，内圧の調節にポンプやヒータ等のエネルギー源を必要としない。よって，設備構成がシンプルである。
【００１５】
また，本発明の加圧ステップでは，加圧量および加圧時間が設定された加圧条件を取得し，当該加圧条件に従ってスペース内を加圧し，減圧ステップでは，減圧量および減圧時間が設定された減圧条件を取得し，当該減圧条件に従ってスペース内を減圧することとするとよりよい。このようにあらかじめ加圧条件および減圧条件を設定し，それらの条件に従ってスペースの内圧を制御することで，スペース内の温度あるいはワークの温度を検出する必要がない。よって，設備構成がシンプルである。
【００１６】
またあるいは，本発明の加圧ステップでは，スペース内に収容されたワークの温度を検出し，検出した温度がワークの接着剤の硬化温度よりも高い温度である第１の温度になるまでスペース内を加圧し，減圧ステップでは，スペース内に収容されたワークの温度を検出し，検出した温度が第１の温度よりも低い温度である第２の温度になるまでスペース内を減圧することとしてもよい。このように直接ワークの温度を取得し，その温度を基にスペースの内圧を制御することで，より適切な内圧制御を行うことができる。よって，接合作業時間の短縮化が図られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば，ワークの反りを抑制しつつ，接合作業時間の短縮が図られた接合部材の接合方法および接合装置が実現されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下，本発明にかかる接合部材の接合装置を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，半導体モジュールを収容する樹脂ケースとヒートシンクとを熱硬化性樹脂の接着剤を介して接合する接合装置に本発明を適用したものである。
【００１９】
［第１の形態］
［接合装置の構成］
第１の形態にかかる接合装置１００は，図１に示すように，被接合体であるワーク１０を収納し，一方を開口端とし他方を閉塞端とするシリンダ１と，シリンダ１の開口端から挿入され，シリンダ１内を断熱密閉するとともにシリンダ１内を上下方向（シリンダ１の軸方向）に移動可能に設けられたピストン３と，ピストン３の動作設定が記憶された記憶部８と，記憶部８に記憶された設定情報を取得し，ピストン３を上下方向に移動させるアクチュエータ６を制御する制御部５とを有している。
【００２０】
接合装置１００では，記憶部８にあらかじめ記憶された加圧条件および減圧条件を基に，制御部５によってピストン３の位置制御がなされる。加圧条件としては，ピストン３の位置およびその位置を維持する時間が設定される。減圧条件としても，加圧条件と同様に，ピストン３の位置およびその位置を維持する時間が設定される。
【００２１】
また，ピストン３は，シリンダ１からの取り外しが可能であり，シリンダ１の開口端からワーク１０の投入が可能である。また，ピストン３には開閉可能な貫通孔３１が設けられている。貫通孔３１を開閉するシャッタ機構も制御部５によって制御される。
【００２２】
ワーク１０は，パワーＩＣを収容する樹脂ケース１１と金属製のヒートシンク１２と熱硬化性樹脂の接着剤１８によって接合する接合体である。熱硬化性樹脂としては，ポリイミド，エポキシ樹脂，フェノール樹脂等，一般的に接着剤として利用されるものであれば適用可能である。
【００２３】
［接合の手順］
続いて，本形態の接合装置１００を利用した接合工程の動作手順について，図２および図３を参照しつつ説明する。
【００２４】
まず，「硬化前工程」として，ピストン３を取り外し，シリンダ１の開口端からシリンダ１内にワーク１０を投入する。すなわち，ワーク１０がシリンダ１内の所定の位置に載置される。このとき，ワーク１０は，冶具等による固定はなされず，樹脂ケースとヒートシンクとが接着剤を挟んで重ね合わせられた状態になっている。ワーク１０の投入後は，ピストン３を取り付け，貫通孔３１を開けた状態でピストン３を所定の位置（以下，「初期位置」とする）まで下方に移動させる。所定の位置に到達した後は，貫通孔３１を閉じ，シリンダ１内に断熱密閉されたスペース２を形成する。このときのスペース２の雰囲気は，シリンダ１外の雰囲気と同等であり，常温常圧である。
【００２５】
次に，「硬化工程」として，ピストン３を下方に移動させ，スペース２を圧縮する（圧縮プロセス）。このとき，制御部５では，記憶部８から加圧条件を取得する。そして，その加圧条件に従ってピストン３の位置を制御する。圧縮プロセスでは，断熱密閉されたスペース２を圧縮することにより，スペース２内が加圧され，それに伴って雰囲気温度が急速に上昇する。そして，スペース２内の温度上昇に伴って，シリンダ１内のワーク１０の温度も上昇する。
【００２６】
ピストン３の位置を移動させた後は，加圧条件として設定された所定の時間（すなわち，ワーク１０の接着剤が硬化し終えると予測される時間），ピストン３の位置を維持し，圧縮状態を維持する（圧縮維持プロセス）。圧縮維持プロセスでは，スペース２内の雰囲気とワーク１０との間で熱交換が行われ，雰囲気温度が徐々に下降し，ワーク温度が徐々に上昇し，ワーク１０全体が均一に加熱される。これにより，接着剤が硬化し，樹脂ケースとヒートシンクとが接合される。
【００２７】
なお，硬化工程中は，スペース２内が高圧状態になっており，ワーク１０を構成する樹脂ケースとヒートシンクとが接着剤を挟んで高圧で接触する。そのため，ワーク１０を固定するための冶具等は不要である。
【００２８】
次に，「冷却工程」として，ピストン３を上方に移動させ，スペース２を膨張させる（膨張プロセス）。このとき，制御部５では，硬化工程のときと同様に，記憶部８から減圧条件を取得する。そして，その減圧条件に従ってピストン３の位置を制御する。具体的には，ピストン３の上下方向の位置が初期位置よりも高い位置になるまでピストン３を移動させる。膨張プロセスでは，断熱密閉されたスペース２を膨張させることにより，スペース２内が減圧され，それに伴って雰囲気温度が急速に低下する。そして，スペース２内の温度低下に伴って，シリンダ１内のワーク１０の温度も低下する。
【００２９】
ピストン３を移動させた後は，減圧条件として設定された所定の時間（すなわち，ワーク１０が十分に冷却されると予測される時間），ピストン３の位置を維持し，膨張状態を維持する（膨張維持プロセス）。膨張維持プロセスでは，スペース２内の雰囲気とワーク１０との間で熱交換が行われ，雰囲気温度が徐々に上昇し，ワーク温度が徐々に低下し，ワーク１０全体が均一に冷却される。
【００３０】
次に，「硬化・冷却完了工程」として，ピストン３を初期位置に移動させ，スペース２内を硬化前工程と同じ常温常圧に戻す。ピストン３の移動後は，ピストン３の貫通孔３１を開くとともにピストン３を取り外し，シリンダ１内のワーク１０を取り出す。これにより，ワーク１０の接合作業が終了する。
【００３１】
［第２の形態］
［接合装置の構成］
第２の形態にかかる接合装置２００は，図４に示すように，シリンダ１と，ピストン３と，ワーク１０の温度を検出する温度センサ４と，温度センサ４からの信号を受信し，ピストン３を上下方向に移動させるアクチュエータ６を制御する制御部５とを有している。接合装置２００では，温度センサ４からの信号を基に，ピストン３の位置制御がなされる。この点，温度センサ４を備えず，あらかじめ記憶部８に記憶された加圧条件ないし減圧条件を基にピストン３の位置制御を行う第１の形態とは異なる。
【００３２】
［接合の手順］
続いて，本形態の接合装置２００を利用した接合工程の動作手順について説明する。まず，硬化前工程として，ピストン３を取り外し，シリンダ１の開口端からシリンダ１内にワーク１０を投入する。
【００３３】
次に，硬化工程として，ピストン３を下方に移動させ，スペース２を圧縮する（圧縮プロセス）。圧縮プロセスでは，断熱密閉されたスペース２を圧縮することにより，スペース２内が加圧され，それに伴って雰囲気温度が急速に上昇する。そして，スペース２内の温度上昇に伴って，シリンダ１内のワーク１０の温度も上昇する。
【００３４】
このとき，制御部５では，温度センサ４によってワーク１０の温度を取得する。そして，ワーク１０の温度が第１の温度（すなわち，ワーク１０の接着剤が硬化を開始する温度）となるようにピストン３の位置を制御する。スペース２内の温度が第１の温度に達した後は，所定時間（すなわち，ワーク１０の接着剤が硬化し終えるまでの時間），ピストン３の位置を維持し，圧縮状態を維持する（圧縮維持プロセス）。これにより，接着剤が硬化し，樹脂ケースとヒートシンクとが接合される。
【００３５】
次に，冷却工程として，ピストン３を上方に移動させ，スペース２を膨張させる（膨張プロセス）。具体的には，ピストン３の上下方向の位置が初期位置になるまでピストン３を移動させる。膨張プロセスでは，断熱密閉されたスペース２を膨張させることにより，スペース２内が減圧され，それに伴って雰囲気温度が急速に低下する。そして，スペース２内の温度低下に伴って，シリンダ１内のワーク１０の温度も低下する。
【００３６】
このとき，制御部５では，硬化工程のときと同様に，温度センサ４によってワーク１０の温度を取得する。そして，ワーク１０内の温度が第２の温度（本形態では，常温よりも低い温度）となるようにピストン３の位置を制御する。ワーク１０の温度が第２の温度に達した後は，所定時間（すなわち，ワーク１０が所定の温度に達するまでの時間），ピストン３の位置を維持し，膨張状態を保つ（膨張維持プロセス）。
【００３７】
次に，硬化・冷却完了工程として，ピストン３を初期位置に移動させ，スペース２内を硬化前工程と同じ常温常圧に戻す。ピストン３の移動後は，ピストン３の貫通孔３１を開くとともにピストン３を取り外し，シリンダ１内のワーク１０を取り出す。これにより，ワーク１０の接合作業が終了する。
【００３８】
第２の形態の接合装置２００では，ワーク１０の温度を直接検出している。そのため，ワーク１０が接着剤１８の硬化開始温度に達した段階で速やかに圧縮維持プロセスに切り替えることができる。また，硬化開始温度に達したタイミングを認識できることから，ワーク１０の接着剤が硬化し終えるまでの時間（圧縮状態を維持する時間）のマージンも短く設定することができる。そのため，第１の形態と比較して，接合作業時間をより短縮できる。
【００３９】
一方，第１の形態の接合装置１００では，温度センサ４を設置することなくピストン３の制御を行っている。そのため，第２の形態と比較して，設備の構造およびピストン３の制御がシンプルである。
【００４０】
以上詳細に説明したように実施の本形態の接合装置では，まず，断熱密閉されたスペース２内にワーク１０を収容している。次に，当該スペース２内をピストン３の下方移動によって加圧し，スペース２内の温度を上昇させている。この雰囲気の状態を維持することで，熱硬化性樹脂であるワーク１０の接着剤１８が硬化し，樹脂ケース１１とヒートシンク１２とが接合される。次に，当該スペース２内をピストン３の上方移動によって減圧し，スペース２内の温度を低下させている。この雰囲気の状態を維持することで，ワーク１０が速やかに冷却される。
【００４１】
実施の形態の接合装置では，断熱圧縮により，スペース２内の内圧を上昇させている。この内圧の上昇は，ワーク１０の樹脂ケース１１とヒートシンク１２とを接触させるクランプ効果を生じさせる。そのため，接合処理時，樹脂ケース１１およびヒートシンク１２を固定するための冶具等は不要である。従って，冶具の加熱／冷却に伴う接合時間の遅延はない。また，冶具を組み付ける手作業の時間もない。よって，接合工程にかかる時間は短い。
【００４２】
また，スペース２の断熱圧縮により，スペース２内の雰囲気温度を上昇させている。雰囲気温度の上昇は，ワーク１０全体を均一に加熱する。そのため，加熱時における樹脂ケース１１およびヒートシンク１２との温度差は小さい。その結果，冷却時におけるワーク１０の反りも小さい。
【００４３】
また，実施の形態の接合装置では，スペース２を圧縮／膨張させることでその内圧を変化させる。この方法では，スペース２の圧縮／膨張に使うエネルギーが純粋に加熱エネルギーに変換される。従って，エネルギー効率が良い。また，内圧の調節にポンプやヒータ等のエネルギー源を必要としない。よって，設備構成がシンプルである。
【００４４】
また，スペースを圧縮／膨張させる手段として，シリンダ１内をピストン３が上下するピストン機構を適用している。ピストン機構を適用することで，スペース２の圧縮および膨張，すなわちワーク１０の加熱と冷却とを１つの設備で行うことができ，より設備構成がシンプルになる。
【００４５】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，雰囲気を窒素，あるいは窒素と水素の混合ガス等の不活性ガスに置換して圧縮／膨張を行ってもよい。
【００４６】
また，実施の形態では，ピストン３の上下移動によってスペース２の内圧を変化させているが，これに限るものではない。例えば，シリンダ１に真空ポンプやコンプレッサを接続し，気体の出し入れによってスペース２の圧縮ないし膨張を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１の形態にかかる接合装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】第１の形態にかかる接合装置の接合手順を示す図である。
【図３】接合動作中のシリンダ内の雰囲気温度およびワーク温度を示すグラフである。
【図４】第２の形態にかかる接合装置の構成を示す概略構成図である。
【図５】オーブン加熱方式による接着例を示す図である。
【図６】ホットプレート加熱方式による接着例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１      シリンダ（収容手段）
２      シリンダ内のスペース
３      ピストン（加圧手段，減圧手段）
４      温度センサ（温度検出手段）
５      制御部（制御手段）
８      記憶部（記憶手段）
１０    ワーク
１１    樹脂ケース（第１接合部材）
１２    ヒートシンク（第２接合部材）
１８    熱硬化性樹脂の接着剤
１００  接合装置
【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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