JP2008119729A - Laser beam welding method - Google Patents
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Description
この発明は、重ね合わされた2枚の溶接板材をレーザ溶接する場合において、溶接時に発生するスパッタ(被溶接部材の飛散)を抑制し、溶接面積を拡大し溶接強度を大きくできるレーザ溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser welding method capable of suppressing spatter (scattering of members to be welded) generated during welding, expanding a welding area, and increasing welding strength when laser welding two superposed welding plate materials.
図5は、従来のレーザ溶接方法を示す工程図であり、同図(a)は溶接前の溶接板材の要部断面図、同図(b)は溶接後の溶接板材の要部断面図である。
図5(a)において、下部溶接板材52の上面に上部溶接板材51を重ね合わせ、上部溶接板材51の表面よりレーザ光53を照射する。レーザ光53が上部溶接板材51の表面に照射されると、照射部分でレーザ光53が吸収され、熱エネルギに変換されることにより溶接が進行する。
5A and 5B are process diagrams showing a conventional laser welding method, in which FIG. 5A is a cross-sectional view of the main part of the welded plate material before welding, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the main part of the welded plate material after welding. is there.
In FIG. 5A, the upper
図5(b)において、レーザ光53を照射することにより、照射部分の金属が溶融・再凝固することにより溶融・再凝固部54が形成される。この場合、レーザ光53のパワー(エネルギー)が小さいと、上部溶接板材51の下部溶接板材52に対する溶け込みが少なく、溶接強度(接合強度)は低くなる。また、この部分に電流を流した場合には抵抗が大きい為に配線としての損失が大となる。
In FIG. 5B, by irradiating the
溶接強度を大きくしようとして、レーザ光53のパワーを大きくして溶接した場合、図6に示すような状態となる。すなわち、下部溶接板材52に対する上部溶接板材53の溶け込み深さは充分確保されるが、入熱過多な状態(過剰に発熱する状態)となり上部溶接板材51の溶融部がスパッタされて溶融部材が飛散してしまい溶融・再凝固部54の領域が減少する。また、このようにスパッタ55が生じるとレーザ光57のパワーはスパッタ55を発生するのに消費され、溶融させるのに十分なパワーが消費されなくなる。そのため、溶融部がスパッタされた後の溶融・再凝固部54では溶接面積S3が十分に広がらず溶接強度が低くなり、電流を流した場合にも電気抵抗が大きいために好ましくない。
When welding is performed by increasing the power of the
このような状態は溶接板材が厚い場合に顕著に現れる。例えば低融点材料であるNiめっき銅板の場合、上部溶接板材51の厚さが1.0mmを超えるとスパッタ55の発生が多くなる。
これを避けるために、レーザ光53が照射される箇所の上部溶接板材51に薄板加工部57(肉厚の薄い箇所)を形成し、この薄板加工部57の凹部58にレーザ光53を照射してパワーを過度に大きくしなくても溶融が十分行われるレーザ溶接方法が開示されている(特許文献1、特許文献2)。この薄板加工部57が形成された上部溶接板材51の要部断面図は図7(a)に示すように、レーザ光53が照射される面に薄板加工部57として凹部58が形成され、この面と反対の裏面59は平坦になっている。
In order to avoid this, a thin plate processed portion 57 (thin thickness portion) is formed in the upper
前記の図5に示したように、上部溶接板材51の厚みが厚い場合は、レーザ溶接のときに、大きなパワーが必要になり、スパッタ55の発生が起こり、溶接強度が低下する。
また特許文献1、2に開示されている図7のような方法でも、図7(a)に示すように、上部溶接板材51の裏面59が平坦なため、レーザ光53による熱60が過度に広がり溶融が不完全となり、図7(b)に示すように溶接面積S4を十分大きくできない場合がる。溶接面積S4が小さいと溶接強度が低下してしまう。
As shown in FIG. 5 described above, when the thickness of the upper
7 as disclosed in
一方、レーザ光53のパワーを大きくして十分溶融させようとすると、図8で示すようにスパッタ55が発生して溶接面積S5を十分大きくとれなくなるという不具合を生じる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、スパッタの発生を抑制して溶接面積が大きくでき、その結果、接合強度を大きくできるレーザ溶接方法を提供することにある。
On the other hand, if the power of the
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a laser welding method capable of increasing the welding area by suppressing the generation of spatter and, as a result, increasing the joining strength.
前記の目的を達成するために、上部溶接板材と下部溶接板材を重ね合わせてレーザ溶接する方法において、レーザ光が照射される上部溶接板材に該上部溶接板材の厚さより薄い薄板加工部を形成し、該薄板加工部がレーザ光照射側に凹部、該凹部と対向する裏面側に凸部を有し、該凸部を前記下部溶接板材に接触させて前記上部溶接板材と前記下部溶接板材を重ね合わせ、前記レーザ光を前記凹部に照射して前記上部溶接板材と前記下部溶接板材をレーザ溶接する。 In order to achieve the above-mentioned object, in a method of laser welding by superposing an upper welded plate material and a lower welded plate material, a thin plate processed portion thinner than the thickness of the upper welded plate material is formed on the upper welded plate material irradiated with laser light. The thin plate processed portion has a concave portion on the laser beam irradiation side, and a convex portion on the back surface opposite to the concave portion, and the convex portion is brought into contact with the lower welding plate material, and the upper welding plate material and the lower welding plate material are overlapped. In addition, the laser beam is irradiated to the concave portion, and the upper welding plate material and the lower welding plate material are laser-welded.
また、前記上部溶接板材と下部溶接板材の材質が、互いに低融点材料であるとよい。
また、前記低融点材料が、Niメッキ銅であるとよい。
また、前記薄板加工部の厚さが、前記上部溶接板材の前記薄板加工部が形成されない箇所の厚より薄いとよい。
また、前記薄板加工部の厚さが、1mm以下であるとよい。
Moreover, the material of the said upper welding plate material and a lower welding plate material is good in a mutually low melting point material.
The low melting point material may be Ni plated copper.
Moreover, the thickness of the said thin plate process part is good to be thinner than the thickness of the location in which the said thin plate process part of the said top weld plate material is not formed.
The thickness of the thin plate processed portion is preferably 1 mm or less.
また、前記下部溶接部材が少なくとも半導体装置のヒートスプレッダであり、前記上部溶接板材が前記半導体装置の外部導出端子であるとよい。 The lower welding member may be at least a heat spreader of a semiconductor device, and the upper welding plate may be an external lead-out terminal of the semiconductor device.
この発明によれば、上部溶接板材のレーザ光が照射される箇所(溶接箇所)に薄板加工部を形成し、この薄板加工部のレーザ光照射面を凹部とし裏面を凸部とすることにより、レーザ光のパワーを最適化し、スパッタの発生を抑制し、溶接面積を大きくすることで溶接強度を大きくできるレーザ溶接方法を提供することができる。 According to the present invention, by forming a thin plate processed portion at the location where the laser beam of the upper welded plate material is irradiated (welded location), by making the laser light irradiation surface of the thin plate processed portion a concave portion and the back surface a convex portion, It is possible to provide a laser welding method capable of increasing the welding strength by optimizing the power of laser light, suppressing the generation of spatter, and increasing the welding area.
発明の実施の形態は、2枚の溶接板材を重ね合わせてレーザ溶接する場合に、レーザ照射される側の溶接板材のレーザ照射箇所の肉厚を薄くし(薄板加工部を形成し)、この箇所の照射面側に凹部を形成し、反対の裏面側に凸部を形成して、この凸部が接するように2枚の溶接板材を重ね合わせてレーザ溶接することである。こうすることで、レーザ光のパワーを最適化できて、スパッタの発生を抑制しながら、溶接面積を拡大できて溶接強度を大きくできる。以下の実施例にて具体的に説明する。 In the embodiment of the present invention, when two welding plate materials are overlapped and laser welding is performed, the thickness of the laser irradiation portion of the welding plate material on the laser irradiation side is reduced (a thin plate processed portion is formed). A concave portion is formed on the irradiation surface side of the portion, a convex portion is formed on the opposite back surface side, and two welding plate materials are overlapped and laser-welded so that the convex portion is in contact. By doing so, the power of the laser beam can be optimized, and the welding area can be expanded and the welding strength can be increased while suppressing the generation of spatter. This will be specifically described in the following examples.
図1は、この発明の第1実施例のレーザ溶接方法を示す工程図であり、同図(a)は溶接前の上部、下部溶接板材の要部断面図、同図(b)は溶接後の上部、下部溶接板材の要部断面図である。
上部溶接部板材1のレーザ照射箇所には薄板加工部2が形成され、この薄板加工部レーザ照射面側には凹部4が形成され、この凹部4と対向するように薄板加工部2の裏面(上部溶接板材の凹部に対向する裏面)に凸部6が形成されている。
FIG. 1 is a process diagram showing a laser welding method according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1 (a) is a cross-sectional view of the main parts of the upper and lower welded plates before welding, and FIG. It is principal part sectional drawing of the upper part and lower part welding plate material.
A thin
この薄板加工部の厚さL2(最小箇所の厚さ)を元の板厚(薄板加工部が形成されていない箇所の厚さ:上部溶接板材1の厚さL1)よりも薄くすることが特徴である。例えば、上部、下部溶接板材1、9が低融点材料であるNiめっき銅板の場合には、上部溶接板材1の厚さが1.5mm、薄板加工部の厚さL2を1.0mm以下とする。こうすることでレーザ光7のパワーを所定値にすることで、スパッタの発生を抑制しながら、溶接面積S1を大きくして溶接強度を高めることができる。さらに詳細に説明する。
The thickness L2 (thickness of the minimum portion) of the thin plate processed portion is made thinner than the original plate thickness (thickness of the portion where the thin plate processed portion is not formed: thickness L1 of the upper welded plate material 1). It is. For example, in the case where the upper and lower
図1(a)に示すように、下部溶接板材9の上面に薄板加工部2を形成した上部溶接板材1を重ね、この上部溶接板材1の薄板加工部2上面よりレーザ光7を照射する。以下に具体的な一例を説明する。
上部、下部溶接板材1、9にNiめっき銅板を用いて、薄板加工部2の直径を1mm程度、薄板加工部の厚さL2を0.5mm程度、上部溶接板材の厚さL1を0.8mm程度、下部溶接板材の厚さL3を1mm程度にした場合、このレーザ光7のスポット径D(焦点の直径)を0.2mm〜0.6mm、レーザ光7のパワーを1kW〜10kWの範囲(パワー密度が3〜5MW/cm2程度)で所定の値を選択することで、スパッタを抑制しながら、溶接面積S1を大きくできて、大きな溶接強度を得ることができる。尚、スポット径Dを0.2mm未満にするとレーザ光7のパワー密度が大き過ぎてスパッタが発生し、0.6mmを超えるとレーザ光7のパワー密度が小さ過ぎて十分溶融しなくなる。
As shown in FIG. 1 (a), the upper
Using Ni-plated copper plates for the upper and lower
前記の例は薄板加工部の厚さL2が0.5mm程度の場合であるが、この厚さL2が1.0mm以下であれば、レーザ光7のパワー密度を3〜5MW/cm2程度にすることで、スパッタを抑制しながら、溶接面積を大きくできて、大きな溶接強度を得ることができる。
図1(b)において、薄板加工部2を形成した上部溶接板材1と下部溶接板材9に溶融・再凝固部8が形成される。従来、スパッタが発生していたような厚板の上部溶接板材1でも、レーザ光7が照射される箇所(溶接箇所:薄板加工部2)を薄くすることで、スパッタの発生が抑制され、充分な溶接強度を確保することが可能となる。
The above example is a case where the thickness L2 of the thin plate processed portion is about 0.5 mm. If the thickness L2 is 1.0 mm or less, the power density of the laser light 7 is set to about 3 to 5 MW / cm 2 . By doing so, while suppressing spatter, the welding area can be increased and a large welding strength can be obtained.
In FIG. 1 (b), a melting / resolidifying portion 8 is formed on the upper
つぎに、本発明の実施例における薄板加工部の形成方法について説明する。
図2は、薄板加工部を形成する方法であり、同図(a)は平面形状が四角形で底部が平坦な場合、同図(b)は平面形状が円形で底部が平坦な場合、同図(c)は平面形状が円形で底部が半球状の場合である。この薄板加工部2がレーザ溶接を行う箇所であり、この箇所のみ薄板化されている。
Next, a method for forming the thin plate processed portion in the embodiment of the present invention will be described.
2A and 2B show a method of forming a thin plate processed portion. FIG. 2A shows a case where the planar shape is a square and the bottom is flat, and FIG. 2B shows a case where the planar shape is a circle and the bottom is flat. (C) is a case where the planar shape is circular and the bottom is hemispherical. This thin
図2(a)において、底部が平坦で平面形状が四角形の凹部13aを形成した支持台12a上に上部溶接板材1aを載せ、角柱状加工治具11aにより上部溶接板材1aの表面を加圧し、塑性変形させることにより、加圧した部分のみが薄板化され、薄板加工部2aが形成される。薄板加工部2aの底面は凸部6aが形成され、上部溶接板材1aの表面は四角状の圧痕で凹部4aが形成される。
In FIG. 2 (a), the upper welded plate material 1a is placed on the
図2(b)において、前述した図2(a)の角柱状加工治具11aの代わりに円柱状加圧治具11bと底部が平坦で平面形状が円形の凹部13bを形成した支持台12bを用いた場合である。この場合も薄板加工部2bの底面は平坦であり、円柱状加工治具11bで加圧するために上側溶接板材1bの表面には円状の圧痕が形成される。尚、図中の4bは上部溶接板材1bの表面側に形成した凹部、6bは裏面側に形成した凸部である。
In FIG. 2 (b), instead of the prismatic processing jig 11a of FIG. 2 (a) described above, a cylindrical pressure jig 11b and a
図2(c)において、前述した図2(a)及び図2(b)の加工治具11a、11bの代わりに円柱状加工治具11c(先端は半球状)と底部が半球状で平面形状が円形の凹部13cを形成した支持台12cを用いた場合である。前記のようにすることで、レーザ溶接部(薄板加工部2a、2b、2c)の厚さを薄くすることでスパッタを抑制しながら、溶接面積の拡大を図ることができる。
In FIG. 2 (c), instead of the processing jigs 11a and 11b shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), a cylindrical processing jig 11c (having a hemispherical tip) and a hemispherical bottom and a planar shape. Is a case where the
図2では、薄板加工部部2a、2b、2cを点状に形成した場合について述べたが、溶接点数が多数の場合には、工数削減の観点から、複数の溶接部を一度に溶接できるように薄板加工部2a、2b、2cの凹部4a、4b、4cの面積の広くするとよい。
図3は、上側溶接板材の薄板加工部である凸部を帯状とした場合であり、同図(a)は凹部の底面が平坦な場合、同図(b)は凹部の底面が半球状の場合である。
In FIG. 2, the case where the thin plate processed
FIG. 3 shows a case where the convex portion, which is a thin plate processed portion of the upper welded plate material, has a band shape. FIG. 3A shows a case where the bottom surface of the concave portion is flat, and FIG. 3B shows a case where the bottom surface of the concave portion is hemispherical. Is the case.
図3(a)において、帯状加工治具11dにより薄板加工部2dが帯状に形成され、その薄板加工部2dの底面は平坦となっている。
図3(b)において、半球状加工治具11eにより薄板加工部2eが帯状に形成されその底面が半球状である。尚、前記の帯状はこれに限るものではなく、溶接箇所を複数個形成できる面積であれば任意の形状の凹部として構わない。
In FIG. 3A, the thin
In FIG.3 (b), the thin
薄板加工部を帯状とすることにより、例えば、溶接する箇所が例えば10箇所ある場合には、点状の薄板加工部を10箇所を上部溶接板材に形成する必要があるが、図3に示したように帯状の薄板加工部2d、2eとすれば、1回の加工で薄板加工部2d、2eを形成できて、製造コストを低減できる。
また多数の点状の薄板加工部2a、2b、2cを形成する場合、同時に複数個の薄板加工部2a、2b、2cを形成することはできるが、この場合には溶接箇所が特定されてしまうので製品毎に異なる上部溶接板材1a、1b、1cが必要となり製造コストが高くなる。
By forming the thin plate processed portion into a strip shape, for example, when there are 10 locations to be welded, it is necessary to form 10 spot-shaped thin plate processed portions on the upper welded plate material as shown in FIG. Thus, if it is set as the strip | belt-shaped thin
Moreover, when forming many point-like thin-plate processed
一方、図3の場合には、薄板加工部1d、1eの任意の箇所に溶接できるので製品が異なっても同一の上部溶接板材1d、1eが利用できるので製造コストを安くできる利点がある。尚、図中の4d、4eは上部溶接板材1d、1eに形成した凹部である。
図4は、ヒートスプレッダを有する半導体装置の要部断面図である。半導体チップ46の図示しない上部電極上に電気伝導と熱伝導に優れたNiめっき銅板のヒートスプレッダ33が半田48付けされ、このヒートスプレッダ33にNiめっき銅板の上部溶接板材(外部導出端子31)がレーザ溶接されている。また、表面回路パターン43もNiめっき銅板の上部溶接板材(外部導出端子31)がレーザ溶接されている。
On the other hand, in the case of FIG. 3, since welding can be performed at an arbitrary location of the thin plate processed
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device having a heat spreader. A
上部溶接板材である外部導出端子31のレーザ光が照射される箇所は、図1に示すような表面側が凹部で裏面側が凸部の薄板加工部が施される。このような薄板加工部を設けることで、上部溶接部材である外部導出端子へのレーザ光の照射で発生した熱が下部溶接部材であるヒートスプレッダ33に過度に広がらず、比較的低いパワーで外部導出端子31とヒートスプレッダ33が適度の範囲で溶融して溶融・再凝固部33が形成されるため、スパッタの発生が抑えられ、所望の溶接面積が得られて強固な溶接強度が得られる。
As shown in FIG. 1, the surface of the external lead-out terminal 31, which is the upper welding plate material, is irradiated with a thin plate processed portion having a concave portion on the front side and a convex portion on the back side. By providing such a thin plate processed portion, the heat generated by the irradiation of the laser beam to the external lead terminal which is the upper welding member is not excessively spread to the
外部導出端子31をヒートスプレッダ33にレーザ溶接した後で、半導体チップを含むセラミクス41の上部を樹脂モールド34する。この樹脂モールド34することでヒートスプレッダ33および外部導出端子31が固定化され、線熱膨張係数の大きな銅を材料として使用しても各部材の移動がなくヒートサイクルなどの過酷な熱ストレスが印加された場合でも、従来ゲルを用いていたときには確保できなかった溶接箇所の信頼性が確保できるようになった。
After the external lead-out
尚、図中の42は裏面銅箔、43、44、45は表面回路パターン、47ははんだ、49はアルミワイヤである。 In the figure, 42 is a copper foil on the back surface, 43, 44 and 45 are front surface circuit patterns, 47 is solder, and 49 is an aluminum wire.
1 上部溶接板材
2 薄板加工部
3 レーザ照射面
4 凹部
5 裏面
6 凸部
7 レーザ光
8 溶融・再凝固部
9 下部溶接板材
L1 上部溶接板材の厚さ
L2 薄板加工部の厚さ(最小箇所の厚さ)
L3 下部溶接板材の厚さ
D スポット径(焦点の直径)
S1 溶接面積
DESCRIPTION OF
L3 Lower weld plate thickness D Spot diameter (focus diameter)
S1 Welding area
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