CN113618237A - 焊接构造、带金属片的布线基板以及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的焊接构造具备相互重叠且被焊接的第1金属部件和第2金属部件。所述第1金属部件具有孔，所述第2金属部件具有作为所述第2金属部件中的在因激光的热熔融之后再次凝固而成的部分的焊核部。所述第1金属部件中的所述孔的周边部覆盖所述焊核部，所述焊核部的一部分通过所述孔而露出。

Description

焊接构造、带金属片的布线基板以及焊接方法
本申请是2020年3月24日向进入中国国家阶段的申请号为201880061937.6、发明名称为“焊接构造、带金属片的布线基板以及焊接方法”这一申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及焊接构造、带金属片的布线基板以及焊接方法。
本申请基于2017年12月28日在日本申请的特愿2017-253541号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
以往，公知有一种如专利文献1所示那样使第1金属部件与第2金属部件重叠并向两部件的界面照射激光的焊接方法。在焊接后，第1金属部件与第2金属部件被固定并且电连接。
专利文献1：日本国特开平10-334956号公报
在这种焊接方法中，接合强度以及电阻方面尚有改善的余地。
发明内容
本发明是考虑这样的情况而完成的，其目的在于，使焊接构造中的接合强度提高并使电阻减少。
为了解决上述课题，本发明的第1方式所涉及的焊接构造具备相互重叠且被焊接的第1金属部件和第2金属部件，上述第1金属部件具有孔，上述第2金属部件具有作为在因热熔融之后再次凝固而成的部分的焊核部，上述第1金属部件中的上述孔的周边部覆盖上述焊核部，上述焊核部的一部分通过上述孔而露出。
这里，也可以在沿着上述第1金属部件与上述第2金属部件重叠的上下方向的剖视图中，在上述第2金属部件中的上述焊核部与非熔融部的边界包含有朝向上述上下方向中的第1金属部件侧凸起的突状界面。
本发明的第2方式所涉及的带金属片的布线基板具备：可挠性印刷电路基板，具有配线图案、和夹着该配线图案的基材及表护层；以及金属片，被焊接于上述配线图案，上述配线图案具有孔，上述金属片具有作为在因热熔融之后再次凝固而成的部分的焊核部，上述配线图案中的上述孔的周边部覆盖上述焊核部，上述焊核部的一部分通过上述孔而露出。
本发明的第3方式所涉及的焊接方法具有：准备工序，将主要成分为铜并形成有孔的第1金属部件重叠于主要成分为铝的第2金属部件的上表面；和照射工序，从上方向上述孔的附近照射激光来将上述第1金属部件与上述第2金属部件焊接，在俯视时，上述照射工序中的上述激光的轨迹为跨过上述孔的漩涡状。
本发明的第4方式所涉及的焊接方法具有：准备工序，将形成有孔的第1金属部件重叠于第2金属部件的上表面；固定工序，利用夹具固定上述第1金属部件和上述第2金属部件；以及照射工序，通过形成于上述夹具的夹具孔从上方向上述孔的附近照射激光，来将上述第1金属部件与上述第2金属部件焊接，在俯视时，上述照射工序中的上述激光的轨迹是从位于上述孔的外侧的第1点到位于上述孔的内侧的第2点的环状，在将上述孔的直径表示为D1、将上述夹具孔的直径表示为D2、将上述孔的中心轴线与上述第1点之间的距离表示为R1、并将上述中心轴线与上述第2点之间的距离表示为R2时，满足0＜R2＜D1÷2＜R1＜D2÷2。
也可以在第4方式所涉及的焊接方法中，上述第1金属部件的主要成分是铜，第2金属部件的主要成分是铝，在俯视时，上述轨迹是漩涡状。
根据本发明的上述方式，能够使焊接构造中的接合强度提高，并使电阻减少。
附图说明
图1A是对本实施方式所涉及的焊接方法进行说明的简要图。
图1B是对紧接着图1A的工序进行说明的图。
图1C是对紧接着图1B的工序进行说明的图。
图1D是对紧接着图1C的工序进行说明的图。
图2是图1C的II方向向视图。
图3是本实施方式所涉及的焊接构造的剖视图。
图4A是本实施方式所涉及的带金属片的布线基板的俯视图。
图4B是图4A的IV-IV剖面向视图。
图5是对接合强度的试验方法进行说明的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本实施方式所涉及的焊接方法、焊接构造以及带金属片的布线基板进行说明。此外，本发明并不限定于以下的实施方式。
(方向定义)
在本实施方式中，对用于将图1A所示那样的薄膜状的第1金属部件11焊接于第2金属部件20的焊接方法等进行说明。第1金属部件11被重叠在第2金属部件20的表面(上表面)。以下，将第1金属部件11与第2金属部件20重叠的方向称为上下方向。另外，沿着上下方向，将第1金属部件11侧称为上方，将第2金属部件20侧称为下方。
另外，将通过第1金属部件11中的后述的孔11a的中心并沿着上下方向的直线称为中心轴线C(参照图2、图3)。将在从上下方向观察的俯视时与中心轴线C交叉的方向称为径向。
第1金属部件11形成为薄膜状。第2金属部件20的形状并不特别限定，但可以是膜状、板状、块状等。第1金属部件11和第2金属部件20的材质相互不同。优选第1金属部件11的熔点高于第2金属部件20的熔点。第1金属部件11例如由以铜为主要成分的金属(铜合金)形成。第2金属部件20例如由以铝为主要成分的金属(铝合金)形成。
(焊接方法)
图1A～图1D是本实施方式所涉及的焊接方法的说明图，表示了沿着上下方向的剖面。在将第1金属部件11与第2金属部件20焊接的情况下，首先如图1A所示，将第1金属部件11重叠于第2金属部件20的上表面(准备工序)。此时，在第1金属部件11预先形成孔11a。优选孔11a的形状为圆形或者大致圆形。在本实施方式中，将孔11a的内径(直径)表示为孔直径D1。孔直径D1例如是0.5mm左右。
接下来，如图1B所示，利用夹具31、32将第1金属部件11和第2金属部件20固定(固定工序)。更详细而言，利用上侧夹具31和下侧夹具32在上下方向上夹住第1金属部件11和第2金属部件20。在上侧夹具31形成有夹具孔31a。在本实施方式中，将夹具孔31a的内径(直径)表示为夹具孔直径D2。夹具孔直径D2例如是1mm，大于孔直径D1。上侧夹具31相对于第1金属部件11的位置被决定为夹具孔31a与孔11a的中心在俯视时大致一致。通过上侧夹具31和下侧夹具32以规定的压力夹持第1金属部件11和第2金属部件20，使得各部件的相对位置固定。
接下来，如图1C所示，从焊接用的激光装置33使激光L朝向下方射出，并照射在孔11a的附近(照射工序)。激光L通过上侧夹具31的夹具孔31a而照射在第1金属部件11或者第2金属部件20。此时，激光L的照射位置以描绘图2所示那样的规定的轨迹T的方式进行移动。
图2是图1C的II方向向视图。图2的虚线表示激光L的轨迹T。本实施方式中的轨迹T是在俯视时从位于孔11a的径向外侧的第1点X1开始到位于孔11a的径向内侧的第2点X2结束的与孔11a大致同心的漩涡状。以下，将作为漩涡状的轨迹T的间距表示为间距P。另外，在俯视时，将孔11a的中心轴线C与第1点X1之间的距离表示为外半径R1，将中心轴线C与第2点X2之间的距离表示为内半径R2。轨迹T也可以说是内周的直径为2×R2且外周的直径为2×R1的大致环状。其中，孔直径D1、夹具孔径D2、外半径R1以及内半径R2被设定为满足以下的算式(1)。
0＜R2＜D1÷2＜R1＜D2÷2…(1)
通过照射激光L，使得第1金属部件11和第2金属部件20局部熔融。由此，如图1D所示，在第2金属部件20出现非熔融部21和焊核(nugget)部(熔融部)22的边界。另外，在第1金属部件11与第2金属部件20的界面形成共晶部A。这里，非熔融部21是指第2金属部件20中的通过激光L的热没有熔融的部分。焊核部22是指第2金属部件20中的通过激光L的热熔融之后再次凝固的部分。共晶部A是指第1金属部件11和第2金属部件20熔融而混合并以共晶状态凝固的部分。非熔融部21、焊核部22以及共晶部A的形状能够通过在进行了焊接之后例如切断该部分、或者进行X射线拍摄来确认。
(焊接构造)
接下来，使用图3对通过上述焊接方法获得的焊接构造1进行说明。图3是图1D中的焊核部22周边的放大图。如图3所示，在焊核部22与非熔融部21的界面包含有朝向上方凸起的突状界面21a。突状界面21a位于焊核部22的径向上的中央部。这是由于如上所述那样激光L的轨迹T在俯视时为大致环状。更详细而言，由于没有在图2中的中心轴线C的附近照射激光L，所以越是第2金属部件20中的与中心轴线C接近的部分则越未被赋予热而越不熔融。另外，由于从上方照射激光L，所以越是第2金属部件20中的位于下方的部分则热越不传递而越不熔融。因此，形成图3所示那样的突状界面21a。
通过形成这样的突状界面21a，难以在非熔融部21与焊核部22的界面产生剥离，能够提高接合强度。并且，焊核部22局部地进入至第1金属部件11的孔11a的径向内侧，成为嵌合于孔11a的形状。由此，能够进一步提高第1金属部件11与第2金属部件20的接合强度。
焊核部22的一部分通过孔11a而露出。另外，焊核部22局部地进入至第1金属部件11的下方。换言之，第1金属部件11中的孔11a的周边部从上方覆盖焊核部22。在本实施方式中，将第1金属部件11中的覆盖焊核部22的部分称为重叠(overlap)部11b。之所以形成重叠部11b是因为第1金属部件11的熔点高于第2金属部件20的熔点。更详细而言，若如图2所示那样向第1金属部件11照射激光L，则第1金属部件11的温度上升，但通过该热传递，使得第2金属部件20的温度也上升。而且，由于熔点较低的第2金属部件20比第1金属部件11早熔融，所以在第1金属部件11保持固体的状态下，位于其下方的第2金属部件20变成液体。通过变成了液体的第2金属部件20凝固，由此成为重叠部11b覆盖焊核部22的状态。
这样，通过形成重叠部11b，使得第1金属部件11与第2金属部件20被焊接的界面的面积变大，能够进一步提高焊接强度。
其中，焊接后的孔11a的内径(以下，称为焊接后孔直径D1’)大于孔直径D1。这是因为第1金属部件11中的孔11a附近的部分熔融，与第2金属部件20混合而形成共晶部A。遍及孔11a的内周面和重叠部11b的下表面形成共晶部A。共晶部A由于脆且强度低，所以优选很薄。在本实施方式中，通过调整上述的尺寸P、R1、R2、D1等，能够容易地控制共晶部A的厚度。
(带金属片的布线基板)
本实施方式的焊接构造1例如能够用于图4A、图4B所示那样的带金属片的布线基板2。带金属片的布线基板2具备可挠性印刷电路基板(FPC：Flexible Printed circuit)10和金属片(第2金属部件)20。
如图4B所示，可挠性印刷电路基板10具备配线图案(第1金属部件)11、和夹着该配线图案11的基材13及表护层12。在图4A、图4B的例子中，在表护层12和基材13设置有矩形的开口12a、13a。而且，配线图案11通过这些开口12a、13a而露出。在配线图案11中的通过开口12a、13a而露出的部分形成有多个孔11a。另外，该露出的部分朝向下方挠曲，并且通过基材13的开口13a重叠在金属片20的上表面。
通过如上述那样将配线图案11与金属片20局部重叠并使用图1A～图1D所示的接合方法，能够将配线图案11与金属片20焊接而将它们电连接。另外，通过在多个孔11a的周边分别进行焊接，能够提高接合强度，并减小电阻。
实施例
接下来，使用实施例来对孔11a的有无对接合强度和电阻造成的影响进行说明。
在本实施例中，使用图1A～图1D所示的接合方法，制成了图4A所示那样的带金属片的布线基板2。但是，在一部分的样本中，在焊接前没有在第1金属部件(配线图案)11形成孔11a。下述表1的“无孔”表示了在焊接前没有形成孔11a的样本。下述表1的“有孔”表示了在焊接前形成有孔11a的样本。
[表1]
Figure BDA0003191750620000061
在本实施例中，使激光L的轨迹T为图2所示那样的螺旋状。轨迹T的起点是位于孔11a的径向外侧的第1点X1，终点是位于孔11a的径向内侧的第2点X2。即，轨迹T为从孔11a的外侧朝向内侧的螺旋状。对于激光L的轨迹T而言，间距P是0.04mm，外半径R1是0.375mm，内半径R2是0.155mm。作为激光装置33，使用了最大输出为300W的光纤激光器。在描绘轨迹T的移动中使用了振镜扫描仪。
表1的激光输出表示相对于上述最大输出的比率，在本实施例中为70％～80％。激光L描绘轨迹T时的扫描速度为600mm/s。夹具孔径D2是1mm。第1金属部件11是厚度为0.035mm的铜箔。在“有孔”样本中，将图4A所示那样的配置的共计10个孔11a形成于第1金属部件11。各个孔直径D1是0.5mm。第2金属部件20是厚度为1mm的铝板(A1050)。其中，“无孔”的样本中的条件除了没有形成孔11a之外与“有孔”的样本中的条件相同。
在上述条件中，有孔的样本中的焊接后孔直径D1’(参照图3)为0.85～0.9mm。
(电阻值)
表1所示的“电阻值”是针对各样本测定了图4A所示的点P1与点P2之间的电阻的结果。点P1与点P2之间的间隔为10mm。
如表1所示，在无孔的样本中电阻值的平均是0.35mΩ，在有孔的样本中电阻值的平均为0.23mΩ。这样，通过预先形成孔11a，能够将电阻减少大约34％。
(接合强度)
表1所示的“接合强度”是针对各样本使用图5所示那样的拉伸试验机测定了接合强度后的结果。更详细而言，用第1夹块K1夹持可挠性印刷电路基板10，并用第2夹块K2夹持金属片20。而且，将使第1夹块K1和第2夹块K2以10mm/分钟的速度分离时的拉力的最大值记录为接合强度。
如表1所示，在无孔的样本中接合强度的平均是2.76kgf，在有孔的样本中接合强度的平均是3.47kgf。这样，通过预先形成孔11a，能够使接合强度提高大约26％。可认为这是因为通过预先形成孔11a而获得图3所示那样的焊接构造，在第1金属部件11与第2金属部件20之间、或者焊核部22与非熔融部21之间难以产生剥离。
如以上说明那样，根据本实施方式的焊接方法，具有：准备工序，将形成有孔11a的第1金属部件11重叠于第2金属部件20的上表面；和照射工序，从上方向孔11a的附近照射激光L来将第1金属部件11与第2金属部件20焊接。而且，在俯视时，照射工序中的激光L的轨迹T是从位于孔11a的外侧的第1点X1到位于孔11a的内侧的第2点X2(跨过孔11a)的环状。由此，获得图3所示那样的焊接构造1。
而且，在焊接构造1中，孔11a的周边部覆盖第2金属部件20的焊核部22。由此，第1金属部件11与第2金属部件20接合的界面的面积增加，能够使接合强度提高。另外，如实施例所示，能够使第1金属部件11与第2金属部件20之间的电阻减少。
另外，在如图3所示沿着上下方向的剖视时，在第2金属部件20中的焊核部22与非熔融部21的边界包含有朝向上方凸起的突状界面21a。由此，可抑制在非熔融部21与焊核部22之间产生剥离，能够更可靠地提高接合强度。
另外，由于通过第1金属部件11的熔点高于第2金属部件20的熔点，使得第2金属部件20比第1金属部件11早熔融，所以易于形成第1金属部件11的重叠部11b。
另外，通过激光L的轨迹T在俯视时是漩涡状，能够通过调整作为焊接的参数的P、R1、R2、D1等而容易地控制共晶部A的厚度。
另外，通过将上述那样的焊接方法或者焊接构造1应用于带金属片的布线基板2，能够提高配线图案11与金属片20的接合强度，并且能够减少配线图案11与金属片20之间的电阻。
此外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够施加各种变更。
例如，上述实施方式的焊接方法和焊接构造1也可以用于带金属片的布线基板2以外的用途。
另外，也可以使激光L的轨迹T从孔11a的径向内侧(第2点X2)朝向径向外侧(第1点X1)。
另外，也可以通过使轨迹T例如成为以中心轴线C为中心的放射状，而整体为大致环状。
另外，在不脱离本发明主旨的范围内能够适当地将上述的实施方式中的结构要素置换为公知的结构要素，另外，也可以适当地组合上述的实施方式、变形例。
附图标记说明
1…焊接构造；2…带金属片的布线基板；10…可挠性印刷电路基板；11…第1金属部件(配线图案)；11a…孔；12…表护层；13…基材；20…第2金属部件(金属片)；22…焊核部；21a…突状界面。

Claims (3)

1.一种焊接方法，其特征在于，具有：
准备工序，将主要成分为铜并形成有孔的第1金属部件重叠于主要成分为铝的第2金属部件的上表面；和
照射工序，从上方向所述孔的附近照射激光来将所述第1金属部件与所述第2金属部件焊接，
在俯视时，所述照射工序中的所述激光的轨迹是跨过所述孔的漩涡状。
2.一种焊接方法，其特征在于，具有：
准备工序，将形成有孔的第1金属部件重叠于第2金属部件的上表面；
固定工序，利用夹具固定所述第1金属部件和所述第2金属部件；以及
照射工序，通过形成于所述夹具的夹具孔从上方向所述孔的附近照射激光，来将所述第1金属部件与所述第2金属部件焊接，
在俯视时，所述照射工序中的所述激光的轨迹是从位于所述孔的外侧的第1点到位于所述孔的内侧的第2点的环状，
在将所述孔的直径表示为D1、将所述夹具孔的直径表示为D2、将所述孔的中心轴线与所述第1点之间的距离表示为R1、并将所述中心轴线与所述第2点之间的距离表示为R2时，
满足0＜R2＜D1÷2＜R1＜D2÷2。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，
所述第1金属部件的主要成分是铜，所述第2金属部件的主要成分是铝，
在俯视时，所述轨迹是漩涡状。
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