JP2009226420A

JP2009226420A - レーザ溶接方法

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Publication number: JP2009226420A
Application number: JP2008072630A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takenaka; 正幸竹中; Shinji Imada; 真嗣今田; Hiroshi Kasugai; 浩春日井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: JP4539743B2

Abstract

【課題】金属製の第１および第２の部材を重ね合わせ第１の部材の表面側よりレーザを照射して、両部材を接合するレーザ溶接方法において、低いレーザエネルギーで溶接可能としつつ、レーザの熱による第１の部材に施したメッキの爆飛やスパッタを抑制するのに適したレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】金属製の第１および第２の部材１１、１２を重ね合わせ第１の部材１１の表面側よりレーザＬを照射して、両部材１１、１２を接合するレーザ溶接方法において、両部材１１、１２の重ね合わせを行う前に、第１の部材１１、第２の部材１２にそれぞれ第１のメッキ２１、第２のメッキ２２を施すとともに、第１のメッキ２１は、第２のメッキ２２よりもレーザの吸収率が高く且つ第２のメッキ２２よりも融点が同等かそれよりも高いものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製の第１および第２の部材を重ね合わせ第１の部材の表面側よりレーザを照射して、両部材を接合するレーザ溶接方法に関する。

従来より、この種のレーザ溶接方法としては、ともに表面にメッキが施された金属製の第１の部材と金属製の第２の部材とを重ね合わせ、第１の部材の表面側よりレーザを照射して、第１の部材の表面からこれら両部材の界面を超え第２の部材の内部へ渡る溶融部を形成することにより、これら両部材を接合する方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

そして、この特許文献１に記載の方法では、レーザ照射面を有する第１の部材に施すメッキを、第２の部材のメッキよりもレーザ吸収率が高いものにすることでレーザエネルギー効率を向上させて、溶接を行っている。この溶接方法によれば、レーザ照射溶融部の爆被を抑制できるとされている。
特開平７−２１４３６９号公報

しかしながら、上記従来の溶接方法では、第１の部材のメッキよりも第２の部材のメッキの方が融点が高いものである。そのため、レーザ照射側の第１の部材が、たとえばＩＣパッケージのリード等のような厚い部材であると、レーザ吸収率の高いメッキを施しても、溶融させるために、より高エネルギーが必要になり、やはり、第１の部材に施したメッキの爆飛が発生してしまう恐れがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、金属製の第１および第２の部材を重ね合わせ第１の部材の表面側よりレーザを照射して、両部材を接合するレーザ溶接方法において、低いレーザエネルギーで溶接可能としつつ、レーザの熱による第１の部材に施したメッキの爆飛やスパッタを抑制するのに適したレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、金属製の第１および第２の部材（１１、１２）を重ね合わせ第１の部材（１１）の表面側よりレーザを照射して、両部材（１１、１２）を接合するレーザ溶接方法において、両部材（１１、１２）の重ね合わせを行う前に、第１の部材（１１）、第２の部材（１２）にそれぞれ第１のメッキ（２１）、第２のメッキ（２２）を施すとともに、第１のメッキ（２１）は、第２のメッキ（２２）よりもレーザの吸収率が高く且つ第２のメッキ（２２）よりも融点が同等かそれよりも高いものとすることを特徴とする。

それによれば、レーザ照射側の第１の部材（１１）に対して照射するレーザのエネルギーを低くしやすくなり、しかも、第１のメッキ（２１）のレーザの熱に対する耐性が従来よりも向上される。よって、本発明によれば、低いレーザエネルギーで溶接可能としつつ、レーザの熱による第１のメッキ（２１）の爆飛を抑制するのに適したレーザ溶接方法を提供できる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、第１のメッキ（２１）は、その表面が粗化処理されたＮｉよりなるものであり、第２のメッキ（２２）は、第１のメッキ（２１）よりも表面粗度が小さなＮｉであるものにできる。

または、請求項３に記載の発明のように、第１のメッキ（２１）はその表面が粗化処理されたＮｉよりなるものであり、第２のメッキ（２２）は、Ｓｎであるものとしてもよい。

また、請求項４に記載の発明では、第１の部材（１１）の表面のうちレーザが当たる領域であるレーザ照射領域（１１ａ）内には、第１のメッキ（２１）と、第１のメッキ（２１）よりもレーザの吸収率が低い低吸収率メッキ（２３）とを、これら両メッキ（２１、２３）が平面的に混在するように形成することを特徴とする。それによれば、溶融部（３０）の凝固割れが発生しにくくなり、好ましい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法を示す工程図である。この図１では、（ａ）、（ｂ）の順に工程を実施していくものであり、各ワークの断面構成を示してある。本実施形態では、最終的に図１（ｂ）に示される溶接構造体Ｓ１を形成するものである。

本実施形態のレーザ溶接方法では、金属製の第１の部材１１と金属製の第２の部材１２とを重ね合わせ、第１の部材１１の表面側よりレーザＬを照射して、第１の部材１１の表面からこれら両部材１１、１２の界面を超え第２の部材１２の内部へ渡る溶融部３０を形成することにより、これら両部材１１、１２を接合する。

第１の部材１１および第２の部材１２は、その重ね合わされる部分がともに板状をなすものであり、これらは、一般的な端子、リードフレーム、バスバーなどに適用されるものである。第１の部材１１は銅または銅系合金よりなり、第２の部材１２は銅、銅系合金または鉄系合金よりなる。

ここで、重ね合わされる前の第１の部材１１、第２の部材１２の表面には、それぞれ第１のメッキ２１、２２が設けられている。第１のメッキ２１のレーザ吸収率は第２のメッキ２２のレーザ吸収率よりも大きく、第１のメッキ２１の融点は第２のメッキ２２の融点と同じか、もしくは高いものである。

たとえば、第１のメッキ２１は、第１の部材１１側から粗化されたＮｉメッキ、Ｐｄメッキ、Ａｕメッキの３層が積層されたＡｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキや、あるいは、１層の粗化されたＮｉメッキよりなる。

これらＡｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキ、および、１層の粗化Ｎｉメッキは、一般的な電気メッキや無電解メッキにより形成される。また、当該メッキの表面の粗化度合は、薬液や温度などのメッキ条件を制御することで調整可能なことは公知である。

ここで、Ａｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキにおける膜厚は、たとえば粗化Ｎｉメッキが数μｍ、Ｐｄメッキが数十ｎｍ、Ａｕメッキが数〜１０ｎｍ程度である。また、１層の粗化Ｎｉメッキの膜厚は、たとえば数μｍ程度である。

また、第２のメッキ２２としては、たとえば第１のメッキ２１よりも表面粗度の小さなＮｉメッキやＳｎメッキが挙げられる。これらメッキは一般的な電気メッキや無電解メッキにより形成され、膜厚はたとえば数μｍ程度である。

第１のメッキ２１の方が第２のメッキ２２よりもレーザ吸収率を大きくなるようにすることは、たとえば、第１のメッキ２１の方がレーザを吸収しやすい色調とすることでも可能であるが、本実施形態では、両メッキ２１、２２の表面粗度に差異を設けることにより実現している。

この表面粗度は、一般的な表面粗さで表すことができるが、たとえばＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で撮影した表面の画像をコンピュータソフトなどで画像処理するという、公知の方法で求められた単位面積当たりの比表面積である。この比表面積が大きいということは、メッキ表面の凹凸の数やサイズが大きいことであり、表面粗度が大きいことである。

そして、上述したようにメッキ条件を制御して、第１のメッキ２１の表面粗度を第２のメッキ２２の表面粗度よりも大きくすることにより、第１のメッキ２１のレーザ吸収率を第２のメッキ２２のレーザ吸収率よりも大きくしている。このレーザ吸収率が大きいということは、より少ないレーザパワーにて溶接できることにつながる。

また、第１のメッキ２１の融点を第２のメッキ２２の融点と同じにすることは、これら両メッキ２１、２２の材質をともにＮｉより構成すればよい。また、第１のメッキ２１の融点を第２のメッキ２２の融点よりも高いものにするときは、第１のメッキ２１の材質をＮｉとし、第２のメッキ２２の材質をＳｎとすればよい。

さらには、同じ材質でも電気メッキの方が無電解メッキよりも融点が高くなることを利用してもよい。この場合、両メッキ２１、２２の材質をともにＮｉより構成し、第１のメッキ２１を電気メッキにより形成された粗化Ｎｉメッキ、第２のメッキ２２を無電解メッキで形成されたＮｉメッキとすれば、第１のメッキ２１の方が融点が高くなる。

このように、本実施形態では、第１の部材１１、第２の部材１２にそれぞれ第１のメッキ２１、第２のメッキ２２を施すとともに、第１のメッキ２１は、第２のメッキ２２よりもレーザ吸収率が高く且つ融点が同等以上であるものとし、その後、図１（ａ）に示されるように、両部材１１、１２を重ね合わせる。

そして、第１の部材１１の表面側よりレーザＬを照射する。このレーザＬはＹＡＧレーザなど一般的なレーザ溶接に用いられるものと同様である。それにより、第１の部材１１の表面側から、第１のメッキ２１、第１の部材１１、第２のメッキ２２、第２の部材１２が溶けていき、図１（ｂ）に示されるように、これら各部が溶け合った溶融部３０が形成される。

この溶融部３０は、第１の部材１１の表面から両部材１１、１２の界面を超え第２の部材１２の内部へ渡って連続的に形成されている。そして、この溶融部３０の形成に伴い、第１の部材１１と第２の部材１２とが接合される。以上が本実施形態のレーザ溶接方法である。

この溶接方法によれば、レーザ照射側の第１のメッキ２１を第２のメッキ２２よりもレーザ吸収率が高いものとしているため、レーザ照射側の第１の部材１１に対して照射するレーザＬのエネルギーを低くしやすくなる。

また、レーザ照射側の第１のメッキ２１を第２のメッキ２２よりも融点が同等かそれよりも高いものとしているため、第１のメッキ２１のレーザＬの熱に対する耐性が従来よりも向上される。よって、本溶接方法によれば、低いレーザエネルギーで溶接可能としつつ、レーザＬの熱による第１のメッキ２１の爆飛を抑制することが可能となる。

また、図１（ｂ）に示されるように、本実施形態では、溶接構造体Ｓ１のうち両部材１１、１２の溶接部以外の部位において、第１の部材１１にＡｌよりなるボンディングワイヤ４０が接続されている。このワイヤ４０は一般的なワイヤボンディング法により形成されるものである。

このように第１の部材１１にボンディングワイヤ４０が接続されている場合には、第１の部材１１の第１のメッキ２１の粗化度合が大きすぎると、逆にボンディング性が劣る可能性がある。そこで、本発明者は、第１のメッキ２１の粗化度合とボンディング性とを考慮して、好ましい粗化の範囲を実験的に求めた。

まず、第１の部材１１の表面に、電気メッキによって上記Ａｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキよりなる第１のメッキ２１を形成した。ここで、この第１のメッキ２１の粗化度合として上記した比表面積Ｓａを用い、当該比表面積Ｓａを変えたＡｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキを形成した。さらに、各比表面積のものに対して、Ａｌワイヤ４０をワイヤボンディングにより接続した。

このように作成したサンプルについて、比表面積に対するレーザ溶接エネルギー、および、比表面積に対するＡｌワイヤ４０の引っ張り強度を求めた。レーザ溶接エネルギーは、上記図１に示されるように溶接可能なレーザＬのエネルギーであり、当該エネルギーが小さいほどレーザ吸収率が大きいことを意味する。また、当該ワイヤ引っ張り強度が大きいほど、ワイヤ接合強度が優れボンディング性が良いことを意味する。

図２は、上記Ａｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキよりなる第１のメッキ２１の比表面積Ｓａを横軸にとり、レーザ溶接エネルギー（単位：Ｊ）を左縦軸、ワイヤ引っ張り強度（単位：Ｎ）にとり、これらの関係を示すグラフである。なお、比表面積が１．０とは、まったく凹凸のない鏡面状態である。

図２に示されるように、比表面積すなわち表面粗度が大きくなるほど、レーザ溶接エネルギーすなわちレーザ吸収率が大きくなることがわかる。これは、メッキの表面粗度が大きくなると、メッキ表面の色調がレーザを吸収しやすい黒色に近づくためであると推定される。

また、表面粗度が大きくなるほど、ワイヤ引っ張り強度すなわちワイヤボンディング性が低下することがわかる。このように表面粗度およびレーザ吸収率の関係と、表面粗度およびボンディング性の関係とはトレードオフの関係にあるが、このことを考慮して、本発明者は、第１のメッキ２１の比表面積は１．２〜１．７が好ましいと考える。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の要部を示す概略平面図であり、溶接前の第１の部材１１におけるレーザ照射側の表面を示している。なお、図３においては、第１の部材１１の表面に形成されている第１のメッキ２１と低吸収率メッキ２３との識別を容易にするため、便宜上、低吸収率メッキ２３の表面に斜線ハッチングを施してある。

ここで、図３では、第１の部材１１の表面に、当該表面のうちレーザＬが当たる領域であるレーザ照射領域１１ａが、破線の丸で示されている。一般にレーザＬは、ある大きさの径を有する光線であり、レーザＬが当たる領域は当該光線の径と同じ径を有する略円形の領域となる。

そして、本溶接方法では、両部材１１、１２が重ね合わされる前において、第１の部材１１の表面のうちレーザ照射領域１１ａ内に、第１のメッキ２１と、第１のメッキ２１よりもレーザ吸収率が低いメッキである低吸収率メッキ２３とを、これら両メッキ２１、２３が平面的に混在するように形成する。その後は、上記第１実施形態と同様に、重ね合わせ、溶接を行う。

ここでは、図３に示されるように、レーザ照射領域１１ａ内において中央部に低吸収率メッキ２３が円形に形成され、その外側に第１のメッキ２１が同心円状に形成されている。この低吸収率メッキ２３は、たとえば電気メッキや無電解メッキにより形成され第１のメッキ２１よりも表面粗度の小さいＮｉメッキである。また、両メッキ２１、２３の形成は、マスキングなどにより形成領域を区画することで容易である。

なお、この低吸収率メッキ２３は第１のメッキ２１よりもレーザ吸収率が低いものであればよく、第１のメッキ２１の融点、第２のメッキ２２のレーザ吸収率および融点との関係については、特に限定されない。

この低吸収率メッキ２３による作用について、図４を参照して説明する。図４において（ａ）は上記実施形態のようにレーザ照射領域１１ａに第１のメッキ２１のみ存在する場合であり、この場合、溶融部３０の深さを溶融部３０の幅で割った比であるアスペクト比が大きくなる。すなわち、この場合、溶融部３０が急峻な形状となり、溶融部３０に凝固による「割れ」が発生する可能性がある。

それに対して、本実施形態のように、レーザ照射領域１１ａ内にレーザ吸収率の異なる第１のメッキ２１と低吸収率メッキ２３とを混在させることにより、溶融部３０に凝固割れが発生しにくくなることが実験的に確認された。このメカニズムは、以下のように推定される。

本実施形態では、レーザ照射時には、レーザ吸収率の高い第１のメッキ２１は比較的早く溶融し、レーザ吸収率の低い低吸収率メッキ２３はそれに比べ比較的遅く溶融する。このように溶融速度に差が生じると、図４（ｂ）に示されるように、第１のメッキ２１のみの場合に比べて溶融部３０が幅方向に拡がって形成され、溶融部３０の形状の急峻性が緩和される。そのため、本実施形態では、溶融部３０の凝固割れが発生しにくくなると考えられる。

なお、この低吸収率メッキ２３の配置形態は上記図３に限定されるものではない。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にその他の種々の例を示しておく。ここで、この図５においても、第１のメッキ２１と低吸収率メッキ２３との識別を容易にするため、便宜上、低吸収率メッキ２３の表面に斜線ハッチングを施してある。

図５（ａ）に示される例では、レーザ照射領域１１ａ内において低吸収率メッキ２３が複数の配列された円として形成され、その隙間に第１のメッキ２１が形成されている。図５（ｂ）に示される例では、レーザ照射領域１１ａ内において第１のメッキ２１が複数の配列された円として形成され、その隙間に低吸収率メッキ２３が形成されている。また、図５（ｃ）に示される例では、第１のメッキ２１と低吸収率メッキ２３とを上記図３とは逆の位置関係としている。

（他の実施形態）
なお、第１のメッキ２１のレーザ吸収率が第２のメッキ２２のレーザ吸収率よりも大きく、第１のメッキ２１の融点が第２のメッキ２２の融点と同じか、もしくは高いものであればよく、第１のメッキ２１、第２のメッキ２２は、上記した材質や厚さに限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法を示す工程図である。Ａｕ／Ｐｄ／粗化Ｎｉメッキの比表面積Ｓａと、レーザ溶接エネルギーおよびワイヤ引っ張り強度との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の要部を示す概略平面図である。低吸収率メッキによる作用を示す概略断面図である。吸収率メッキの配置形態のその他の種々の例を示す概略平面図である。

符号の説明

１１第１の部材
１１ａレーザ照射領域
１２第２の部材
２１第１のメッキ
２２第２のメッキ
２３低吸収率メッキ
３０溶融部

Claims

金属製の第１の部材（１１）と金属製の第２の部材（１２）とを重ね合わせ、前記第１の部材（１１）の表面側よりレーザを照射して、前記第１の部材（１１）の表面からこれら両部材（１１、１２）の界面を超え前記第２の部材（１２）の内部へ渡る溶融部（３０）を形成することにより、これら両部材（１１、１２）を接合するレーザ溶接方法において、
前記両部材（１１、１２）の重ね合わせを行う前に、前記第１の部材（１１）、前記第２の部材（１２）にそれぞれ第１のメッキ（２１）、第２のメッキ（２２）を施すとともに、前記第１のメッキ（２１）は、前記第２のメッキ（２２）よりも前記レーザの吸収率が高く且つ前記第２のメッキ（２２）よりも融点が同等かそれよりも高いものとすることを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１のメッキ（２１）は、その表面が粗化処理されたＮｉよりなるものであり、前記第２のメッキ（２２）は、前記第１のメッキ（２１）よりも表面粗度が小さなＮｉであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記第１のメッキ（２１）はその表面が粗化処理されたＮｉよりなるものであり、前記第２のメッキ（２２）は、Ｓｎであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記第１の部材（１１）の表面のうち前記レーザが当たる領域であるレーザ照射領域（１１ａ）内には、前記第１のメッキ（２１）と、前記第１のメッキ（２１）よりも前記レーザの吸収率が低い低吸収率メッキ（２３）とを、これら両メッキ（２１、２３）が平面的に混在するように形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法。