JP2011240346A - 接合方法および接合装置ならびに接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することを目的とする。
【解決手段】レーザ光１の吸収により加熱された加圧ツール２を用いて、一方の部材を押しつぶしながらレーザ照射し、２つの部材を接合することにより、接合面積を拡大した状態で熱拡散接合をさせることが可能となるため、簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の照射により第１部材と第２部材とを接合する接合方法および接合装置ならびに接合体に関する。

従来から、リード等の被ボンディング体と電極パッド等とのレーザ接合に関する技術が色々と提案されている。その一つとして、レーザ光を中実透明部材からなる光導波路で被ボンディング部材の表面に照射して、被ボンディング体を直接レーザで加熱して発熱させると共に加圧して電極パットと被ボンディング体を接合する方法が提案されている。

以下、従来の接合方法について図９を用いて説明する。
図９は従来の接合方法および接合装置を説明する概略断面図である。
例えば、図９に示すように、超音波ホーン１１６にとりつけられた透明なボンディングツール１１５の上端面１１７からレーザ光を導入し、レーザ出口でもある加圧面１１８で板状のリード１０３をレーザ光による加熱アシストすると共に、電極パット１０５とリード１０３を超音波ホーン１１６から入力する超音波による摩擦熱で、効率良く接合し、接合品質をあげることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２５９２２０号公報

しかしながら、従来のレーザアシストによる超音波ホーンによる接合方法では、下記の問題があった。
まず、接合される部材は通常銅板や金メッキ板等のレーザの高反射体であることが多く、これらの材料はレーザが表面で殆ど反射してあまり加熱されないので熱による接合品質はあがらない。そこでレーザ光を強くして接合される部材の温度をあげようとすると反射したレーザ光が周囲に多く飛び散り、周辺の熱に弱い樹脂パッケージ等にダメージを起こしたり、レーザ発振器にレーザが戻り、戻り光でレーザ発振器が破損することがあった。

また、レーザのみならず高価で大きな超音波ホーンが必要であるため、装置が複雑になるばかりか、摩擦によって加圧部の形状が変化することもあり、接合品質が安定しないという問題も発生していた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みて、簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の接合装置は、レーザ光の一部を吸収し、前記レーザ光の残りを透過して第１部材に照射する加圧ツールと、前記第１部材と第２部材とが載置される保持台とを有し、前記第１部材を前記加圧ツールと前記第２部材とで挟みこんだ状態で、前記加圧ツールを介して前記レーザ光を前記第１部材に照射すると共に、前記加圧ツールで前記第１部材を加圧することにより、前記第１部材を加熱、加圧して押しつぶし、前記第１部材と前記第２部材との接触面積を拡大した状態で前記第１部材と前記第２部材とを熱拡散接合させることを特徴とする。

また、前記加圧ツールの加圧面または前記保持台表面に、予め前記保持台より熱伝導率が低い材料をコートすることが好ましい。
さらに、本発明の接合方法は、保持台上に第２部材を載置し、前記第２部材上に第１部材を載置する工程と、レーザ光の一部を吸収し、前記レーザ光の残りを透過する加圧ツールと前記第２部材とで前記第１部材を挟みこむ工程と、前記加圧ツールを介して前記レーザ光を前記第１部材に照射すると共に、前記加圧ツールで前記第１部材を加圧する工程とを有し、前記レーザ光の一部を吸収することにより加熱された前記加圧ツールの熱と圧力により前記第１部材を押しつぶしながら、前記第１部材と前記第２部材とを熱拡散接合させることを特徴とする。

また、前記加圧ツールの前記レーザ光の吸収率が１０〜４０％であることが好ましい。
また、前記第１部材は樹脂がコートされたワイヤであり、前記加熱によって前記樹脂が熱分解した後、前記ワイヤと前記第２部材とを接合することができる。

また、前記加圧ツールの加圧面または前記保持台表面に、前記保持台より熱伝導率が低い材料または前記樹脂がコートされていることが好ましい。
また、前記レーザ光の照射を、前記レーザ光のパワーを徐々に上げるように行うことが好ましい。
また、前記加圧の前に、前記第２部材の前記第１部材に接触する面に対する裏面を加熱することが好ましい。

また、前記レーザ光の照射の際に、前記第１部材の加熱部の周囲に不活性ガスを供給することが好ましい。
また、前記第２部材として前記第１部材より融点の低い材料を用い、前記加熱によって前記第２部材のみを融解させ、前記第１部材を前記第２部材に埋め込んで接合しても良い。

また、前記第２部材が錫ないし錫合金であり、前記第１部材がワイヤであっても良い。
また、前記第１部材を載置する際に、前記第１部材より融点の低い材料の半田を介して前記第２部材上に前記第１部材を載置し、前記加熱によって前記半田のみを融解させ、前記第１部材を前記半田に埋め込んで接合しても良い。

また、前記加熱に際し、前記第１部材と前記加圧ツールの界面で発生する前記レーザ光の戻り光も用いても良い。
さらに、本発明の接合体は、前記接合方法で接合された接合体であって、前記第１部材であるワイヤと前記第２部材である金属板とが接合され、前記ワイヤと前記金属板との接合界面における前記ワイヤの表面粗さが、前記ワイヤの加圧面の表面粗さより粗いことを特徴とする。

また、前記接合方法で接合された接合体であって、前記第１部材であるワイヤと前記第２部材とが接合され、前記第２部材に埋め込まれた前記ワイヤ表面の一部が前記第２部材から露出しても良い。

レーザ光の吸収により加熱された加圧ツールを用いて、一方の部材を押しつぶしながらレーザ照射し、２つの部材を接合することにより、接合面積を拡大した状態で熱拡散接合をさせることが可能となるため、簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することが可能となる。

実施の形態１における接合方法を示す工程断面図 実施の形態１の接合方法における接合中の熱伝導を説明する図 実施の形態１におけるビームモードを説明する図 実施の形態２における加圧ツールを介したレーザ照射を説明する図 実施の形態３における接合方法を示す工程断面図 実施の形態４における接合方法を示す工程断面図 実施の形態５における接合体の構成を説明する図 実施の形態６における接合体の構成を説明する図 従来の接合方法および接合装置を説明する概略断面図

まず、発明の要点について説明する。
本発明に係わる接合方法は、第１部材と第２部材とを接合する際に、レーザ光を１０〜４０％吸収して発熱する熱伝導性の良いセラミック系加圧部材と銅板等の第２部材とで銅ワイヤ等の第１部材を挟み込んだ状態で、加圧部材にレーザを照射して、加圧部材を通過したレーザ光によって、第１部材と第２部材を加熱すると同時に、レーザ光で加圧部材を加熱し、加圧部材からの伝熱で第１部材を加熱して軟化させた上で加圧することにより、第１部材を扁平状に変形させ、第１部材と第２部材の接触面積を増加させて接合するものである。

これにより、加圧部材からの伝熱で第１部材を加熱することにより第１部材を軟化させた状態で第１部材を加圧して扁平状に変形させることで、第１部材と第２部材の接触面積が増加するので、第２部材への熱伝導量を増やすことができ、第１部材と第２部材とを強固に熱拡散接合させることができ、強固で安定した高品質の接合が実現できる。

この時、銅ワイヤ等の第１部材が扁平状に変形して第２部材への熱伝導が増加すると共に、通過したレーザ光を９５％以上反射する銅を第１部材として用いる場合には、接合界面におけるレーザ光反射にて、加圧部材の加圧面を再加熱する構成とすることもできる。

この構成により、第２部材への熱伝導による放熱効果を補い安定した接合が可能となる。また、レーザを一部通過する加圧部材は通過しながらレーザパワーが減衰するため、どうしても加圧面での温度上昇が低下するが、これを補ういわゆるダブルパス加熱となり、セラミック系加圧部材の熱勾配による歪を減らし長寿命化させることにより、接合品質を長期に渡り安定させることができる。

また、第１部材として樹脂コートされた銅ワイヤを用いることができ、レーザ光を吸収して発熱する加圧部材からの加熱によりコートされた樹脂が熱分解した後、ワイヤと第２部材とを接合する。

この場合、ポリウレタン線やエナメル線の被覆をレーザ部分吸収により発熱したセラミック系加圧部材からの熱伝導と熱線、更に通過したレーザ光により、コートされた樹脂を一気に気化させ、樹脂こげがないピュアな銅線をむきださせ品質の高い安定した接合ができる。

また、加圧部材の加圧面または、第２部材を支える保持台表面に、接合部の温度が周囲に逃げる事を防ぎ、接合部の温度が高熱になるように、熱伝導率が低い材料または、樹脂コートされたワイヤと同質の樹脂を予めコートすることも可能である。

加圧を受ける第２部材の保持表面を、予めポリウレタン等が気化した樹脂と同じ樹脂コート等の低熱伝導体でコートすることにより、第２部材の熱が奪われることを抑制し、強固で安定した接合品質が維持できる。

また、加圧部材へレーザ光を照射する時のレーザパワーにおいて、加熱部材の熱伝導時間に合わせて、時間が許せる限り全体が均質な温度になるように徐々にレーザパワーをあげる等、第１部材の加圧部材による変形開始前の第１のレーザパワーより、変形開始後の第２のレーザパワーの方が大きくしても良い。

レーザパワーを徐々にあげていくことにより、加圧部材がレーザ光出口側へ熱伝導するのに必要な時間を確保することができ、レーザ光入口側との極端な温度差を防止すると共に、加圧部材から第１部材に放熱していくことにより、加圧部材のレーザ光入口面での急激な温度上昇による溶融を防止できるので安定した接合品質が維持できる。

また、第１部材が第２部材を加熱してから接合界面の温度が接合に必要な温度に達する時間を短縮するために、予め第２部材の第１部材に接触する面と反対の面をレーザやヒータ等で加熱することも可能である。

第１部材に対し、第２部材が遥かに大きくて、第１部材からの伝熱による加熱だけでは、熱拡散接合を起こすのに必要な温度が得られない場合でも、第２部材をアシスト加熱することにより強固で高品質な接合が維持できる。

さらに、加圧部材を通過したレーザ光によって加熱される第１部材の加熱部の周囲に不活性ガスを供給することもできる。
加圧部材のレーザ受光面に窒素ガス等の不活性ガスをふきつけることにより、セラミックの酸化を防止して長寿命化するばかりでなく、レーザ部分透過型のセラミックといえども、レーザ受光面が最も高熱になるので、その高熱部を不活性ガスで冷却でき、また溶融防止でき、さらにセラミック系加圧部材のレーザ出入口の温度勾配を減らすことができるので、熱疲労を削減でき長期に渡り安定した接合品質が維持できる。

上述した接合方法で接合された第１部材であるワイヤと第２部材である金属板とを接合した接合体であって、ワイヤの加圧変形部の表面あらさが、レーザ光による熱影響を受け、非加圧部の表面あらさより荒い接合体とする。

このような接合体によると、ワイヤがレーザ光を一部吸収して加熱された加圧部材にて押しあてられることで形成されたエッジにより、透過したレーザ光の集光効果で、押し当てられて形成されたエッジ部の曲率が加圧部材より大きくなるか、表面荒さが小さくなることにより、接合体自体の引張強度が高くなり、高い接合品質が得られる。

また、加圧部材からの伝熱で第１部材を加熱し、第１部材より融点が低い第２部材を軟化させて第１部材を第２部材に埋め込むように接合しても良い。
レーザ光を一部吸収する加圧部材と半田等の第２部材とでリード線等の第１部材を挟み込み、加熱部材にレーザを照射して、加圧部材を通過したレーザ光によって、第１部材と第２部材を加熱すると同時に、レーザ光で加圧部材を加熱し、加圧部材からの伝熱で第１部材を加熱し、第１部材であるリード線より融点が低い半田等の第２部材を軟化させて第１部材を第２部材に埋め込んでいくことにより、接触不良の無い高い品質の接合ができる。

この時、第２部材として半田等の錫ないし錫合金を用い、第１部材としてポリウレタン等で被膜された銅ワイヤ等のリード線を用い、被膜分解温度まで第２部材を第１部材からの伝熱で昇温させても良い。

また、第２部材が錫ないし半田であり、第１部材がポリウレタン等被覆されたリード線であって、第２部材を加圧部材からの熱伝導と通過レーザ光よりポリウレタン等の被覆材の融点より高く加熱しすることにより、被覆が剥げ、表面酸化があまり進んでいない銅線を半田内に埋め込むことにより接触不良の無い高い品質の接合ができる。

上述した接合方法で接合された第１部材であるワイヤと第２部材とを接合した接合体であって、第２部材に埋め込まれたワイヤ表面の一部が、第１部材に接触しながら押されて第２部材に埋め込まれる為、第１部材の一部が外部に露出している接合体とすることも可能である。

前記第２の接合方法で接合された第１部材であるワイヤと第２部材との接合体であって、被接合体が錫ないし錫合金であり、ワイヤが塑性変形せずに接合または、被接合体に埋め込まれ、加圧部材の表面形状が転写されるので、外観検査により、埋め込みや被覆の剥離等が確認でき、高い接合品質を外観で確認できる。

以下、図面を用いて本発明の各実施の形態について説明する。
本発明は、２つの部材を接合する際に、レーザ光を一部透過し、一部を吸収する加圧ツールを用い、第１の部材を加圧ツールと第２の部材とで挟みこんで圧力を加えながら、加圧ツールを介して部材にレーザ光を照射することにより、レーザ光の吸収により加圧ツールが加熱され、加圧ツールからの圧力と熱とにより第１の部材を押しつぶすことにより、第１の部材と第２の部材との接触面積を拡大した状態で、レーザ光の照射による発熱を加えて、第１の部材と第２の部材とを熱拡散接合するものである。

以下の各実施の形態では、銅線と銅板、あるいはフレキ基板のランドどうしの接合等を例に、様々な部材を接合する本発明の接合方法等を説明する。
（実施の形態１）
以下まず、図１〜図３を用いて、実施の形態１について説明する。

図１は実施の形態１における接合方法を示す工程断面図、図２は実施の形態１の接合方法における接合中の熱伝導を説明する図、図３は実施の形態１におけるビームモードを説明する図である。

本実施の形態における接合方法では、図１に示すように、レーザ光１を一部吸収する加圧ツール２と銅板３でポリウレタン線４を挟み込み、加圧ツール２にレーザ光１を照射して、加圧ツール２を通過したレーザ光６によって、ポリウレタン線４と銅板３を加熱すると同時に、レーザ光１で加圧ツール２を加熱し、加圧ツール２からの伝熱でポリウレタン線４を加熱変形させながら、ポリウレタン被覆７を溶融・気化させて表面が酸化されていない銅線８をむきださせ、銅線８を加圧と加熱により扁平させて銅板３との接触面積を増加させ、銅線８と銅板３を熱拡散接合している。このように、銅線８や銅板３がレーザ光１をほとんど反射するとしても、加圧ツール２がレーザ光１の一部を吸収して加熱されるので、照射されるレーザ光１と加圧ルール２からの熱により、銅線８が十分に高温となり、容易な方法で、熱拡散結合に必要な温度に銅線８を熱することができる。同時に、加圧ツール２によって銅線８を加圧するので、高温で軟化した銅線８を扁平状に変形させることができ、銅線８と銅板３との接合面積を向上させることができ、容易に接合強度を向上させることができる。

なお、５は加圧ツール２からの加圧力を受ける保持台である。
ここで、加圧ツール２として、レーザ光を部分吸収するセラミックスを材料として用いることができ、セラミック材料としてはレーザの吸収率が１０〜４０％になる配合が適しており、ツールのサイズや形状により最適な吸収率は変わり、加圧対象からの戻り光を加味して、全体が出来るだけ均質に加熱できるように最適な設計パラメータとして吸収率を定める。

以下、接合工程を図１（ａ）から図１（ｄ）を用いて説明する。
図１（ａ）は加圧状態でレーザ照射開始時の図である。通常のセラミックではレーザ照射面９でレーザ光１の大半を吸収ないし反射するが、加圧ツール２はレーザ光１を部分的にしか吸収しない。従って、加圧面１０までレーザ光１の例えば半分以上が通過し全体を加熱できるので加圧面１０を１０００℃以上等の高温にすることができる。また、ポリウレタン線４の周囲の銅板３も少し加熱される。

本実施の形態では銅線８の融点近くまで加圧ツール２の加圧面１０が加熱されるため、銅線８が熱と圧力により変形を開始する。
図１（ｂ）では、ポリウレタン線４が変形する途中で、被膜７が溶融・気化し、銅線８がむき出しになる。その状態で加熱が進行するので、直接銅板３が加熱される。

図１（ｃ）に示すように、更なるレーザ光１照射で銅線８は温度上昇し、軟化点を超え扁平体１１になり、銅板３との接触面積１２が増加して熱抵抗が減り、銅板３が効率良く加熱され銅板３の接合界面１３も扁平体１１と同等な温度まで上昇する。

最後に、図１（ｄ）にて接合界面１３における銅線８と銅板３とが共に融点に近くなると熱拡散接合起きる。このように、図１（ｂ）から熱拡散接合が開始し、図１（ｄ）にて熱拡散接合が完了している。

なお、熱拡散接合を起こすには、扁平体１１と銅板３との接合界面１３で銅原子が相互に熱拡散移動を起こして一体化させる為に高圧を印加することが必要である。そして、銅線８および銅板３の表面には凹凸形成されているが、凹凸の凸部どうしが接触し、その接触部には高圧が印加されるので共に変形して一体化する為、接触部で熱拡散接合が起きる。

ここで、保持台５に熱が奪われると、銅板３の接合界面１３の温度が銅の融点近くまで上昇せず極端に接合強度が低下するので、保持台５には予めポリウレタンコート等断熱材１４をコートしておく方が好適である。

なお、保持台５も予め加熱しておくと、銅板３も熱拡散接合を起こすのに必要な温度に達しやすくなり、より良好な接合が早くできるのは自明である。
また、加圧ツール２を長時間高温条件下にさらすと加圧ツール２の劣化が促進される。そこで、本接合工程においてポリウレタン線４と銅板３の温度上昇に時間を要するので、レーザ１のパワーを徐々に上げていくことが可能となり、加熱ツール１のレーザ照射面９と加圧面１０との温度勾配を小さくすることができ、加圧ツール２のレーザ照射面９の温度上昇を抑えることができるので加熱ツール２の長寿命化がはかれる。図において、図１（ａ）〜（ｄ）に行くにつれレーザ１を濃く示しており、この濃さはレーザパワー強度Ｐｔの変化を示している。

また、加圧ツール２に照射するレーザ１の照射面９におけるビームモードとして、レーザ強度Ｐが照射面９の中心に行く程強くなるガウシアンモード（図２（ａ））、レーザ強度Ｐが均一なトップハット（図２（ｂ））、あるいは、中心部のレーザ強度Ｐが低くなるドーナッツ状（図２（ｃ））等を用いることが可能である。この中で、中心部のレーザ強度Ｐが低いドーナッツ状のビームモードを用いると、照射面９の中心部分の温度の上昇が抑制され、加圧ツール２の寿命を長くすることができ、好適である。

なお、レーザ１の照射幅ＮＡは加圧面１０の最も長い部分の長さとほぼ同じになるように調整するのが効率良く、側面からのレーザ漏れを少なくできるので、周辺の樹脂等のダメージを起こしにくく好適である。

ここで、銅線８がポリウレタン線４である場合を例に説明したが、被膜７を形成しない銅線であっても本発明の接合方法および接合装置を同様に適応することが可能である。また、以下の各実施の形態においても同様である。

図３はポリウレタン線４と銅板３との接合における生産開始時と安定生産時の熱伝導の状態変化を示す。
図３（ａ）は生産開始時であり、被接合部材が銅の場合は、銅のレーザの反射率が９５％以上あるため、銅ワイヤ２０からの反射レーザ光により主に加圧ツール２からの熱伝導で扁平された銅ワイヤ２０の加圧受け面１６が加熱され、更に扁平された銅ワイヤ２０の熱伝導で銅板３の表面１７が融点近くまで加熱されて熱拡散接合が起きるが、この時、保持台５に熱を奪われることになり、レーザ１のパワーをあげ、より高温に加熱ツール２の温度をあげる必要がある。

図３（ｂ）に示すような安定生産にはいった状態でも、ポリウレタン被膜７（図１参照）が気化し、気化したポリウレタン蒸気である気化物３４が拡散して、加圧ツール２や保持台５に付着していき、接合品質が変化する懸念がある。そのため、図３（ｃ）に示すように、加圧ツール２に付着したポリウレタン１９を所定ショット毎にペーパを自動的にかけることで除去し、接合品質を安定化することが好ましい。さらに、保持台５に付着したポリウレタン層は銅板３との断熱材１４として作用するため、接合温度の低化を抑制でき、生産開始して１００ショットを超えるあたりから、接合強度が一段と高くなり、より安定することが観察された。よって、保持台５あるいは加圧ツール２は新品時から予めポリウレタンやシリコン等の保持台５より熱伝導率の低い材料をコートすることが好適である。

なお、加圧ツール２はペーパかけで先端がすり減る心配があったが、ポリウレタン層１９が残る状態で自動的にペーパかけをすることにより、摩耗なく殆どメンテフリーにできる。尚、ポリウレタン層１９はレーザ光を殆ど透過するので、通過したレーザ光の影響の変化は殆どない。

また、加圧ツール２のレーザ受光面２７の酸化による劣化を防止するために、不活性ガスをレーザ受光面２７に吹きつけながらレーザ照射することが好適である。
（実施の形態２）
次に、図４を用いて実施の形態２の接合方法および接合装置について説明する。

図４は実施の形態２における加圧ツールを介したレーザ照射を説明する図である。
図４（ａ）は加圧ツール２の１実施例の具体形状である。レーザ１を効率良く受光する為に、レーザスポット２４より大きな受光面には加熱ツール２を保持する為のツバ２５を有し、レーザ１の透過部より少し大きな光導波路２２を途中に形成することで、光ファイバのように壁面反射される為、加圧面１０以外の周囲２３へのレーザ漏れを殆どなくし、周囲の樹脂等へのレーザによるダメージをなくしている。

図４（ｂ）は加圧ツール２を通過したレーザ光は、通常の加工に用いる近赤外の８００ｎｍ〜１１００ｎｍでは銅板表面で９８％近く反射される為、扁平体１１になった銅線８と銅板３からの反射で殆どのレーザ光が戻り、加圧ツール２の加圧面１０を戻りレーザ光２６で再レーザ加熱することになり、発熱量が倍近くに増加して効率良く加熱できることを示している。

図４（ｃ）、（ｄ）のＰ−Ｘグラフはツバ５からレーザ照射方向への位置Ｘ（ｍｍ）におけるレーザ吸収量Ｐ（Ｗ）の変化を示しており、図４（ｄ）のＡ部は戻りレーザ光２６によりレーザ吸収量Ｐ（Ｗ）が増加していることを示す。

このようにレーザ光１は戻り光の多くは加圧ツール２に吸収されて再加熱に使われるので、周辺に漏れるレーザ光は極めて小さくなり、特殊なレーザ安全カバーを設けなくてもＪＩＳ６８０２：２００５のＣＬＡＳＳ１Ｍ等のレーザ安全基準を容易に満足させることができる。

なお、ピンフォトダイオード２８でレーザ漏れ２９を常時監視しておき、万一、加圧ツール２が破損してレーザ光が漏れた場合は、レーザ安全レベルを超える前にレーザを停止するようにすることも可能である。
（実施の形態３）
次に図５を用いて実施の形態３の接合方法について説明する。

図５は実施の形態３における接合方法を示す工程断面図である。
図５は、上記各実施の形態において、レーザ光１を一部吸収する加圧ツール２と基板３０のランド３１とでプリコート半田３２とポリウレタン線４を挟み込み、加圧ツール２にレーザ光１を照射して、加圧ツール２を通過したレーザ光６によって、ポリウレタン銅線４とプリコート半田３２を加熱してポリウレタン被膜７を溶融物３３と気化物３４に分解させると共に、レーザ光１で加圧ツール２を加熱し、加圧ツール２を介して銅線８とプリコート半田３２を加熱してポリウレタン被膜７を完全に除去し、銅線８より融点が低いプリコート半田３２を軟化・溶融させて銅線８をそのままの形状でプリコート半田３２に埋め込んでいく接合方法を示す。

図５（ａ）は加圧とレーザ照射を開始した時の図であり、図５（ｂ）の様に加圧・レーザ照射が進むにつれ、ポリウレタン被膜７は溶融物３３と気化物３４に分解していきながら、剥きだされた銅線８が軟化を始めたプリコート半田３５にくい込み始める。

図５（ｃ）は、ポリウレタン被膜７が完全に除去されて銅線８が剥きだしになり、半田融点より十分に温度が高い状態に加熱された状態で、表面酸化が余り進んでいない銅線８が溶融半田３６内に埋め込まれた状態を示す。この時、銅と半田は合金接合をしている。

図５（ｄ）はレーザ光１の照射を終え、加圧ツール２を戻した状態であり、この状態で、プリコート半田３５は加圧ツール形状が転写された形状を有する固化半田３７になる。この時、埋め込まれた銅線３８の加圧された表面が外から見えるので、ポリウレタン被膜７が剥離しているかをＸ線断面検査しなくても外観検査できるので高品質の接合の維持確認ができる。

なお、加圧ツール２を戻し始めた時にもレーザ照射しつづけることにより、通過したレーザ光で表面を再半田溶融して埋め込まれた銅線３８を半田で覆い隠すこともできる。
（実施の形態４）
次に図６を用いて実施の形態４の接合方法について説明する。

図６は実施の形態４における接合方法を示す工程断面図である。
図６は加圧ツール２で２つのフレキ基板５０、５３を加圧・加熱して接合する１実施例である。

図６において第１部材であるフレキ基板５０のランド５１、第２部材であるフレキ基板５３のランド５４に予めリフロー時に形成したプリコート半田５２である。
なお、フレキ基板５０、５３の樹脂シート５５、５７は６００〜１５００ｎｍの通常の半導体レーザの波長に対してレーザ透過性とレーザ部分吸収特性を有する。

次に接合工程を図６（ａ），図６（ｂ）を用いて説明する。
図６（ａ）は加圧ツール２がフレキ基板５３とでフレキ基板５０を挟み込む際に、レーザ１を加圧ツール２に照射する直前の図である。

図６（ｂ）は加圧ツール２がレーザ光１を部分吸収して、半田融点以上に高温になると共に、加圧ツール２を通過したレーザ光は、フレキ基板５３の樹脂シート５７で部分吸収されると共に、熱伝導と透過したレーザ光でランド５１を半田溶融に十分な温度に上昇させ、更にプリコート半田された半田５２とランド５４、樹脂シート５５とをレーザ光と熱伝導と放射熱で加圧状態にて加熱するので、プリコート半田５２が溶融し２つのランド５１と５３とを半田で接合する。

なお、樹脂シート５５，５７は自ら発熱し、ランド５１，５４を加熱するので濡れ性が向上し、高品質の半田接合ができる。
また、加圧する前にレーザ光１を照射し始めて加圧ツール２、フレキ基板５０，５３を予熱して良いし、別の方法でフレキ基板５０，５３を加熱してからレーザ照射を始めても良く、フレキ基板５０，５３を予熱することによりロバストかつ簡単に接合できる。

更に加圧ツール２に熱電対５６の様な温度センサーを組み込むことにより、正確に温度管理もできるので、通常のレーザ半田で問題になるフレキ基板のこげを防止して、極めて品質の高い接合を安定維持できる。

なお、２つのフレキ基板５３，５０を入れ替えてもフレキ基板５３と５０のランドどうしが半田接合されるのは自明である。
（実施の形態５）
次に、上記各実施の形態の接合装置あるいは接合方法を用いた接合体について、図７を用いて説明する。

図７は実施の形態５における接合体の構成を説明する図であり、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）はＲ部の拡大図である。
図７は、銅版３にポリウレタン線４を接合した接合体を示しており、ポリウレタン線４の接合箇所近傍は加熱により皮膜７が除去され、剥き出しになった銅線８は加圧により変形して扁平部４６が形成されている。扁平部４６は加圧ツール２により十分に薄く扁平に変形している部分である。

以上のように、銅線の接合箇所を扁平にすることにより、接合面積を拡大した状態で熱拡散接合をさせることが可能となるため、簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することが可能となる。また、接合部分の温度を接合材の融点より高くすることが容易となり、液面形状での接合が可能となるため、傷や微細なクラックの少ない高品質な接合体を形成することが可能となる。

なお、本加熱方法では、加圧ツール２のエッジ部ｒにレーザ光１が集光するため、ｒの曲率も大きくなり、表面が溶融して表面あらさが小さくなり、破断強度が大きくなるのでより信頼性の高い強固な接合が実現できる。

溶融した被覆７は気化すると同時に収縮し銅線８のむきだし部と収縮したポリウレタン収縮部６５として観察されている。
加圧ツール２のｒ部は内部を通過したレーザ光を凸レンズの様にＲ部に集光するので、扁平部４６は銅板３の接合界面４７で既に熱拡散接合が起きる融点近傍まで温度上昇しており、Ｒ部は部分的に銅の融点を超え、滑らかなＲを有する液面形状になり、傷や微細なクラックがなくＲ部の引張強度が増すので、接合体としての品質が向上する。
（実施の形態６）
次に、上記各実施の形態の接合装置あるいは接合方法を用いた接合体の別の構成について、図８を用いて説明する。

図８は実施の形態６における接合体の構成を説明する図であり、実施の形態３の接合方法で接合したポリウレタン線４とプリコート半田３５との接合体の実施例を示す。
実施の形態６の接合体は、プリコート半田３５に埋め込まれた銅線３８の表面の一部のむき出し部４３が外部から観察できることが特徴である。

なお、実施の形態としては、以下の様に種々の形態でも良い。
以上の実施の形態として同種金属である銅どうしの接合を銅の融点以下の半田を用いて熱拡散接合している例を示したが、銅とニッケル等異種金属を接合する場合でも、半田の融点より高い融点の材料どうしを熱拡散接合ができる。また、加圧ツール２を高温にすることで、銅の融点を超える温度に加熱することで、半田を用いずに、溶融した銅に銅線を埋め込むように溶接しても良いし、同様に異種金属でも加圧状態で融点ないし、融点を超えるまで加熱できる場合には、溶融した一方の金属に他方の金属を埋め込むように接合できる。勿論、ポリウレタン等の被覆がなくても接合できる。

また、樹脂やガラス等の非金属でも、一方を加圧状態で融点近傍に達することができる場合には、加圧＋熱で接合できる。
また、第２部材としてポリウレタン被覆線で説明したが、エナメル線等の絶縁被覆でも良く、また薄板でも接合に加熱ツール２から必要な温度を供給すれば接合できる。

また、プリコート半田に銅線を挟んで加圧ツールで加熱と加圧をする例を示したが、プリコート半田の代わりに半田メッキや錫メッキでも良いし、銅線以外の金属でも、合金接合しない金属でも機械的に埋め込まれているので電気伝導は確保されているので接合として有効である。

本発明は、簡便な構成で、レーザ反射率が高い金メッキや銅などの様々な接合材料をも、高速かつ高品質・高安定に接合することができ、レーザ光の照射により第１部材と第２部材とを接合する接合方法および接合装置ならびに接合体等に有用である。

１・・・レーザ光
２・・・加圧ツール
３・・・銅板
４・・・ポリウレタン線
５・・・保持台
６・・・レーザ光
７・・・被覆
８・・・銅線
９・・・レーザ照射面
１０・・・加圧面
１１・・・扁平体
１３・・・接合界面
１４・・・断熱材
１５・・・ポリウレタン層
１６・・・面
１７・・・面
１９・・・ポリウレタン
２０・・・銅ワイヤ
２２・・・光導波路
２４・・・レーザスポット
２５・・・ツバ
２６・・・戻りレーザ光
２７・・・レーザ受光面
２８・・・ピンフォトダイオード
２９・・・レーザ漏れ
３０・・・基板
３１・・・ランド
３２・・・プリコート半田
３３・・・溶融物
３４・・・気化物
３５・・・プリコート半田
３６・・・溶融半田
３７・・・固化半田
３８・・・銅線
４６・・・扁平部
４７・・・接合界面
５０、５３・・・フレキ基板
５１、５４・・・ランド
５２・・・半田
５５，５７・・・樹脂シート
５６・・・熱伝対
６５・・・ポリウレタン収縮部
１０３・・・リード
１０５・・・電極パット
１１５・・・ボンディングツール
１１６・・・超音波ホーン
１１７・・・上端面
１１８・・・加圧面

Claims (16)

1. レーザ光の一部を吸収し、前記レーザ光の残りを透過して第１部材に照射する加圧ツールと、
   前記第１部材と第２部材とが載置される保持台と
   を有し、前記第１部材を前記加圧ツールと前記第２部材とで挟みこんだ状態で、前記加圧ツールを介して前記レーザ光を前記第１部材に照射すると共に、前記加圧ツールで前記第１部材を加圧することにより、前記第１部材を加熱、加圧して押しつぶし、前記第１部材と前記第２部材との接触面積を拡大した状態で前記第１部材と前記第２部材とを熱拡散接合させることを特徴とする接合装置。
2. 前記加圧ツールの前記レーザ光の吸収率が１０〜４０％であることを特徴とする請求項１記載の接合装置。
3. 前記加圧ツールの加圧面または前記保持台表面に、予め前記保持台より熱伝導率が低い材料をコートすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の接合装置。
4. 保持台上に第２部材を載置し、前記第２部材上に第１部材を載置する工程と、
   レーザ光の一部を吸収し、前記レーザ光の残りを透過する加圧ツールと前記第２部材とで前記第１部材を挟みこむ工程と、
   前記加圧ツールを介して前記レーザ光を前記第１部材に照射すると共に、前記加圧ツールで前記第１部材を加圧する工程と
   を有し、前記レーザ光の一部を吸収することにより加熱された前記加圧ツールの熱と圧力により前記第１部材を押しつぶしながら、前記第１部材と前記第２部材とを熱拡散接合させることを特徴とする接合方法。
5. 前記加圧ツールの前記レーザ光の吸収率が１０〜４０％であることを特徴とする請求項４記載の接合方法。
6. 前記第１部材は樹脂がコートされたワイヤであり、前記加熱によって前記樹脂が熱分解した後、前記ワイヤと前記第２部材とを接合することを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の接合方法。
7. 前記加圧ツールの加圧面または前記保持台表面に、前記保持台より熱伝導率が低い材料または前記樹脂がコートされていることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
8. 前記レーザ光の照射を、前記レーザ光のパワーを徐々に上げるように行うことを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかに記載の接合方法。
9. 前記加圧の前に、前記第２部材の前記第１部材に接触する面に対する裏面を加熱することを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれかに記載の接合方法。
10. 前記レーザ光の照射の際に、前記第１部材の加熱部の周囲に不活性ガスを供給することを特徴とする請求項４〜請求項９のいずれかに記載の接合方法。
11. 前記第２部材として前記第１部材より融点の低い材料を用い、前記加熱によって前記第２部材のみを融解させ、前記第１部材を前記第２部材に埋め込んで接合することを特徴とする請求項４〜請求項１０のいずれかに記載の接合方法。
12. 前記第２部材が錫ないし錫合金であり、前記第１部材がワイヤであることを特徴とする請求項１１記載の接合方法。
13. 前記第１部材を載置する際に、前記第１部材より融点の低い材料の半田を介して前記第２部材上に前記第１部材を載置し、前記加熱によって前記半田のみを融解させ、前記第１部材を前記半田に埋め込んで接合することを特徴とする請求項４〜請求項１０のいずれかに記載の接合方法。
14. 前記加熱に際し、前記第１部材と前記加圧ツールの界面で発生する前記レーザ光の戻り光も用いることを特徴とする請求項４〜請求項１３のいずれかに記載の接合方法。
15. 請求項４〜請求項１４のいずれかに記載の接合方法で接合された接合体であって、
    前記第１部材であるワイヤと前記第２部材である金属板とが接合され、
    前記ワイヤと前記金属板との接合界面における前記ワイヤの表面粗さが、前記ワイヤの加圧面の表面粗さより粗いことを特徴とする接合体。
16. 請求項１１記載の接合方法で接合された接合体であって、
    前記第１部材であるワイヤと前記第２部材とが接合され、
    前記第２部材に埋め込まれた前記ワイヤ表面の一部が前記第２部材から露出することを特徴とする接合体。

Images