JP2024076250A - Laser welding method and laser welding device - Google Patents

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JP2024076250A JP2022187731A JP2022187731A JP2024076250A JP 2024076250 A JP2024076250 A JP 2024076250A JP 2022187731 A JP2022187731 A JP 2022187731A JP 2022187731 A JP2022187731 A JP 2022187731A JP 2024076250 A JP2024076250 A JP 2024076250A
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JP2022187731A
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暢康 松本
Nobuyasu Matsumoto
孝 繁松
Takashi Shigematsu
慶吾 佐藤
Keigo Sato
諒也 松本
Ryoya Matsumoto
知道 安岡
Tomomichi Yasuoka
一輝 高田
Kazuteru Takada
淳 寺田
Atsushi Terada
俊明 酒井
Toshiaki Sakai
和行 梅野
Kazuyuki Umeno
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

To obtain, for instance, a laser welding method and a laser welding device which are improved and new.SOLUTION: A laser welding method includes, for instance, a step of irradiating a first surface facing a first direction at an opposite side to a conductor of a terminal part with a laser beam to form a molten pool penetrating the terminal part from the first surface and reaching the conductor, and a step of cooling and solidifying the molten pool to form a welded part. In the step of forming the molten pool, a non-molten part of the conductor is intervened between a first portion and a tip part in an opposite direction to the first direction of the molten pool, and the first surface is irradiated with a laser beam in a condition that Dp as a depth along the first direction of the molten pool satisfies the following formula (1-1) Dp<T1+T2-Tmax...(1-1). [Here, T1 is a thickness of the terminal part along the first direction; T2 is a thickness of the conductor along the first direction; and Tmax is a maximum value of a thickness of the non-molten part causing a characteristic change of the first portion by heat conducted to the first portion from the molten pool via the non-molten part.]SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding device.

従来、内部にレーザ溶接によって接合されている導体の接続部分を有した半導体装置が、知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, semiconductor devices have been known that have conductor connection parts that are joined internally by laser welding (for example, see Patent Document 1).

特許第5633581号公報Patent No. 5633581

導体同士の溶接においては、所要の接合強度の確保は勿論のこと、導体と接した部位に熱影響を与えないようにすることは、重要である。 When welding conductors together, it is important not only to ensure the required joint strength, but also to avoid causing thermal damage to the parts that come into contact with the conductors.

そこで、本発明の課題の一つは、導体同士をレーザ溶接によって接合する場合に、例えば、当該導体と接した部位に対する熱影響を抑制することが可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ること、である。 Therefore, one of the objectives of the present invention is to provide a new and improved laser welding method and laser welding apparatus that, for example, makes it possible to suppress the thermal effects on the parts in contact with the conductors when joining the conductors by laser welding.

本発明のレーザ溶接方法は、例えば、第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接する溶接方法であって、前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、を備え、前記溶融池を形成する工程では、前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-1)
Dp<T1+T2-Tmax ・・・(1-1)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ、Tmaxは、前記溶融池から前記非溶融部を介して前記第一部位へ伝導した熱によって当該第一部位の特性変化が生じる前記非溶融部の厚さの最大値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する。
The laser welding method of the present invention is, for example, a welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the method including the steps of overlapping the terminal portion with the conductor in a state of contacting the conductor in the first direction, irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool that penetrates the terminal portion from the first surface to the inside of the conductor, and cooling and solidifying the molten pool to form a weld, wherein in the step of forming the molten pool, a non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction, and a depth Dp of the molten pool along the first direction is determined to be greater than or equal to the following formula (1-1):
Dp<T1+T2-Tmax ... (1-1)
(where T1 is the thickness of the terminal portion along the first direction, T2 is the thickness of the conductor along the first direction, and Tmax is the maximum thickness of the non-melted portion at which a change in characteristics of the first portion occurs due to heat conducted from the molten pool to the first portion via the non-melted portion). The laser light is irradiated to the first surface under the condition that satisfies the following:

前記レーザ溶接方法では、前記溶融池を形成する工程において、前記Dpが、以下の式(2-1)
Dp>Dmin ・・・(2-1)
(ここに、Dminは、前記溶接部による前記導体と前記端子部との所要の接合強度が得られる前記深さの最小値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射してもよい。
In the laser welding method, in the step of forming the molten pool, the Dp is expressed by the following formula (2-1):
Dp>Dmin ... (2-1)
The first surface may be irradiated with the laser light under the condition that Dmin is the minimum depth at which a required joining strength between the conductor and the terminal portion by the weld is obtained.

前記レーザ溶接方法では、前記Tmaxは、20[μm]であってもよい。 In the laser welding method, the Tmax may be 20 μm.

前記レーザ溶接方法では、前記Dminは、50[μm]であってもよい。 In the laser welding method, the Dmin may be 50 μm.

前記レーザ溶接方法では、前記導体は、銅系材料で作られてもよい。 In the laser welding method, the conductor may be made of a copper-based material.

前記レーザ溶接方法では、前記第一部位は、セラミックで作られ、前記Tmaxは、前記溶融池を形成する工程での前記第一部位の最高温度がセラミックの耐熱衝撃温度となる厚さであってもよい。 In the laser welding method, the first portion may be made of ceramic, and Tmax may be a thickness at which the maximum temperature of the first portion during the process of forming the molten pool is the thermal shock resistance temperature of the ceramic.

前記レーザ溶接方法では、前記回路基板は、窒化ケイ素基板であってもよい。 In the laser welding method, the circuit board may be a silicon nitride board.

前記レーザ溶接方法では、前記第一部位は、合成樹脂材料を含み、前記Tmaxは、前記溶融池を形成する工程での前記第一部位の最高温度が合成樹脂材料の耐熱温度となる厚さであってもよい。 In the laser welding method, the first portion may include a synthetic resin material, and Tmax may be a thickness at which the maximum temperature of the first portion during the process of forming the molten pool is the heat resistance temperature of the synthetic resin material.

前記レーザ溶接方法では、前記回路基板は、ガラスエポキシ樹脂基板であってもよい。 In the laser welding method, the circuit board may be a glass epoxy resin board.

前記レーザ溶接方法では、前記溶融池を形成する工程において、前記第一面への前記レーザ光の照射エネルギであるEが、次の式(3-1)
E=(Dp+C1)/C2 ・・・(3-1)
(ここに、C1,C2は係数)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射してもよい。
In the laser welding method, in the step of forming the molten pool, the irradiation energy E of the laser light on the first surface is expressed by the following formula (3-1):
E = (Dp + C1) / C2 ... (3-1)
The first surface may be irradiated with the laser light under the condition that satisfies the following formula: (where C1 and C2 are coefficients).

前記レーザ溶接方法では、前記第一面上に形成される前記レーザ光のスポットの幅が100[μm]である場合に、照射エネルギをE[J]、深さをDp[μm]としたとき、前記C1が21であり、かつ前記C2が135であってもよい。 In the laser welding method, when the width of the laser light spot formed on the first surface is 100 [μm], the irradiation energy is E [J], and the depth is Dp [μm], C1 may be 21 and C2 may be 135.

前記レーザ溶接方法では、前記レーザ光は、前記第一面上で走査され、前記レーザ光の前記第一面上での走査速度が、100[mm/s]以上かつ800[mm/s]以下であってもよい。 In the laser welding method, the laser light may be scanned on the first surface, and the scanning speed of the laser light on the first surface may be 100 mm/s or more and 800 mm/s or less.

前記レーザ溶接方法では、前記走査速度が、300[mm/s]以上かつ600[mm/s]以下であってもよい。 In the laser welding method, the scanning speed may be 300 mm/s or more and 600 mm/s or less.

前記レーザ溶接方法では、前記レーザ光は、波長が800[nm]以上の第一レーザ光と波長が550[nm]以下の第二レーザ光とを含んでもよい。 In the laser welding method, the laser light may include a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and a second laser light having a wavelength of 550 nm or less.

前記レーザ溶接方法では、前記レーザ光の波長は、400[nm]以上であってもよい。 In the laser welding method, the wavelength of the laser light may be 400 nm or more.

また、本発明のレーザ溶接方法は、例えば、第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接する溶接方法であって、前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、を備え、前記溶融池を形成する工程では、前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-2)
Dp<T1+T2-20 ・・・(1-2)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する。
Further, the laser welding method of the present invention is, for example, a welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the method including the steps of overlapping the terminal portion in a state of contact with the conductor in the first direction, irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool that penetrates the terminal portion from the first surface to the inside of the conductor, and cooling and solidifying the molten pool to form a weld, wherein in the step of forming the molten pool, a non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction, and a depth Dp of the molten pool along the first direction is determined to be smaller than the depth Dp of the molten pool as shown in the following formula (1-2):
Dp<T1+T2-20 ... (1-2)
The first surface is irradiated with the laser light under the condition that T1 is the thickness of the terminal portion along the first direction, and T2 is the thickness of the conductor along the first direction.

前記レーザ溶接方法では、前記溶融池を形成する工程において、前記Dpが、以下の式(2-2)
Dp>50 ・・・(2-2)
を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射してもよい。
In the laser welding method, in the step of forming the molten pool, the Dp is expressed by the following formula (2-2):
Dp>50 ... (2-2)
The first surface may be irradiated with the laser light under the condition that:

前記レーザ溶接方法では、前記レーザ光は、波長が800[nm]以上の第一レーザ光と波長が550[nm]以下の第二レーザ光とを含んでもよい。 In the laser welding method, the laser light may include a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and a second laser light having a wavelength of 550 nm or less.

前記レーザ溶接方法では、前記レーザ光の波長は、400[nm]以上であってもよい。 In the laser welding method, the wavelength of the laser light may be 400 nm or more.

本発明のレーザ溶接装置は、例えば、第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接する溶接方法であって、前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、を備え、前記溶融池を形成する工程では、前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-1)
Dp<T1+T2-Tmax ・・・(1-1)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ、Tmaxは、前記溶融池から前記非溶融部を介して前記第一部位へ伝導した熱によって当該第一部位の特性変化が生じる前記非溶融部の厚さの最大値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、溶接方法、を実行するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記第一面に照射する光学ヘッドと、を備える。
The laser welding apparatus of the present invention is, for example, a welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the welding method including the steps of overlapping the terminal portion with the conductor in a state of contacting the conductor in the first direction, irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool that penetrates the terminal portion from the first surface to the inside of the conductor, and cooling and solidifying the molten pool to form a weld, wherein in the step of forming the molten pool, a non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction, and a depth Dp of the molten pool along the first direction is determined to be greater than or equal to the following formula (1-1):
Dp<T1+T2-Tmax ... (1-1)
(where T1 is the thickness of the terminal portion along the first direction, T2 is the thickness of the conductor along the first direction, and Tmax is the maximum value of the thickness of the non-melted portion at which a change in characteristics of the first portion occurs due to heat conducted from the molten pool to the first portion via the non-melted portion), the laser welding apparatus performs a welding method in which the laser light is irradiated to the first surface under conditions satisfying the following:

本発明によれば、導体同士をレーザ溶接によって接合する場合に、例えば、当該導体と接した部位に対する熱影響を抑制することが可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ることができる。 The present invention provides a new and improved laser welding method and laser welding apparatus that, for example, can suppress the thermal effects on the area in contact with the conductors when joining conductors together by laser welding.

図1は、第1実施形態のレーザ溶接方法を実行するレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a laser welding apparatus that performs a laser welding method according to a first embodiment. 図2は、照射するレーザ光の波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the light absorptance of each metal material versus the wavelength of the irradiated laser light. 図3は、第1実施形態のレーザ溶接装置によって形成される加工対象の表面上でのレーザ光のスポットの形状の一例を示す模式的な平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view showing an example of the shape of a laser light spot on the surface of a processing object formed by the laser welding device of the first embodiment. 図4は、実施形態のレーザ溶接方法の手順を示す例示的なフローチャートである。FIG. 4 is an exemplary flowchart showing the steps of the laser welding method according to the embodiment. 図5は、第1実施形態のレーザ溶接方法によって形成される溶融池の例示的かつ模式的な断面図である。FIG. 5 is an exemplary schematic cross-sectional view of a molten pool formed by the laser welding method of the first embodiment. 図6は、実施形態のレーザ溶接方法におけるレーザ光による照射エネルギと溶融池の深さとの関係を示す例示的なグラフである。FIG. 6 is an exemplary graph showing the relationship between the irradiation energy of the laser beam and the depth of the molten pool in the laser welding method according to the embodiment. 図7は、第2実施形態のレーザ溶接方法を実行するレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。FIG. 7 is an exemplary schematic diagram of a laser welding apparatus that performs the laser welding method according to the second embodiment. 図8は、第2実施形態のレーザ溶接装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the diffractive optical element included in the laser welding apparatus of the second embodiment. 図9は、第2実施形態のレーザ溶接装置によって形成される加工対象の表面上でのレーザ光のスポットの形状の一例を示す模式的な平面図である。FIG. 9 is a schematic plan view showing an example of the shape of a laser light spot on the surface of a processing object formed by the laser welding device of the second embodiment.

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)のうち少なくとも一つを得ることが可能である。 Below, exemplary embodiments of the present invention are disclosed. The configurations of the embodiments shown below, and the actions and results (effects) brought about by said configurations, are merely examples. The present invention can also be realized with configurations other than those disclosed in the following embodiments. Furthermore, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of the various effects (including derivative effects) obtained by the configurations.

以下に示される実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。 The embodiments shown below have similar configurations. Therefore, according to the configuration of each embodiment, similar actions and effects based on the similar configurations can be obtained. Furthermore, below, the similar configurations are given the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted.

また、各図において、X方向を矢印Xで表し、Y方向を矢印Yで表し、Z方向を矢印Zで表している。X方向、Y方向、およびZ方向は、互いに交差するとともに直交している。Z方向は、例えば、加工対象Wの表面(加工面)の法線方向である。 In addition, in each figure, the X direction is represented by an arrow X, the Y direction is represented by an arrow Y, and the Z direction is represented by an arrow Z. The X direction, Y direction, and Z direction intersect with each other and are perpendicular to each other. The Z direction is, for example, the normal direction of the surface (machining surface) of the workpiece W.

また、本明細書において、序数は、部位や方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではないし、数を限定するものでもない。 In addition, in this specification, ordinal numbers are used for convenience to distinguish parts, directions, etc., and do not indicate priority or order, nor do they limit the number.

[第1実施形態]
[レーザ溶接装置]
図1は、第1実施形態のレーザ溶接装置100A(100)の概略構成図である。図1に示されるように、レーザ溶接装置100は、レーザ装置111,112と、光ファイバ130と、光学ヘッド120A(120)と、位置調整機構140と、を備えている。
[First embodiment]
[Laser welding equipment]
1 is a schematic diagram of a laser welding apparatus 100A (100) according to a first embodiment. As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 100 includes laser devices 111 and 112, an optical fiber 130, an optical head 120A (120), and a position adjustment mechanism 140.

レーザ装置111は、光源としてのレーザ発振器を有している。一例として、レーザ装置111は、数kWのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。また、レーザ装置111は、例えば、内部に複数の半導体レーザ素子を有し、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数kWのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。また、レーザ装置111は、ファイバレーザ、YAGレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザ光源を備えてもよい。 The laser device 111 has a laser oscillator as a light source. As an example, the laser device 111 is configured to be able to output laser light with a power of several kW. The laser device 111 may also be configured to have multiple semiconductor laser elements therein, for example, and to be able to output multi-mode laser light with a power of several kW as the total output of the multiple semiconductor laser elements. The laser device 111 may also be equipped with various laser light sources such as a fiber laser, a YAG laser, a disk laser, etc.

レーザ装置111は、例えば、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置111は、第一レーザ装置とも称され、レーザ装置111が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器とも称されうる。また、レーザ装置111が出力するレーザ光は、第一レーザ光とも称されうる。 The laser device 111 outputs laser light having a wavelength of, for example, 800 nm or more and 1200 nm or less. The laser device 111 may also be referred to as a first laser device, and the laser oscillator of the laser device 111 may also be referred to as a first laser oscillator. The laser light output by the laser device 111 may also be referred to as a first laser light.

レーザ装置112も、光源としてのレーザ発振器を有している。一例として、レーザ装置112は、内部に複数の半導体レーザ素子を有し、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数kWのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成される。 The laser device 112 also has a laser oscillator as a light source. As an example, the laser device 112 has multiple semiconductor laser elements inside and is configured to output multi-mode laser light with a power of several kW as the total output of the multiple semiconductor laser elements.

レーザ装置112は、例えば、550[nm]以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ光の波長は、400[nm]以上かつ500[nm]以下であるのが好適である。レーザ装置112は、第二レーザ装置とも称され、レーザ装置112が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器とも称されうる。また、レーザ装置112が出力するレーザ光は、第二レーザ光とも称されうる。 The laser device 112 outputs laser light with a wavelength of, for example, 550 nm or less. The wavelength of the laser light is preferably 400 nm or more and 500 nm or less. The laser device 112 may also be referred to as a second laser device, and the laser oscillator of the laser device 112 may also be referred to as a second laser oscillator. The laser light output by the laser device 112 may also be referred to as a second laser light.

光ファイバ130は、それぞれ、レーザ装置111,112から出力されたレーザ光を光学ヘッド120に導く。 The optical fiber 130 guides the laser light output from the laser devices 111 and 112 to the optical head 120.

光学ヘッド120は、レーザ装置111,112から光ファイバ130を介して入力されたレーザ光を、加工対象Wに向けて照射するための光学装置である。光学ヘッド120は、コリメートレンズ121(121-1,121-2)と、ミラー123と、フィルタ124と、ガルバノスキャナ126と、集光レンズ122と、を備えている。これらコリメートレンズ121、ミラー123、フィルタ124、ガルバノスキャナ126、および集光レンズ122は、光学部品とも称されうる。 The optical head 120 is an optical device for irradiating the laser light input from the laser devices 111 and 112 via the optical fiber 130 toward the workpiece W. The optical head 120 includes a collimator lens 121 (121-1, 121-2), a mirror 123, a filter 124, a galvanometer scanner 126, and a condenser lens 122. The collimator lens 121, the mirror 123, the filter 124, the galvanometer scanner 126, and the condenser lens 122 may also be referred to as optical components.

コリメートレンズ121は、光ファイバ130を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。 The collimating lens 121 collimates the laser light input via the optical fiber 130. The collimated laser light becomes parallel light.

ミラー123は、コリメートレンズ121-1で平行光となったレーザ光を反射する。ミラー123で反射されたレーザ光は、フィルタ124へ向かう。なお、光学ヘッド120内の光学部品のレイアウトによっては、ミラー123は不要となる。 Mirror 123 reflects the laser light that has been collimated by collimator lens 121-1. The laser light reflected by mirror 123 travels toward filter 124. Depending on the layout of the optical components in optical head 120, mirror 123 may not be necessary.

フィルタ124は、レーザ装置111が出力したレーザ光を透過し、かつレーザ装置112が出力したレーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。 Filter 124 is a high-pass filter that transmits the laser light output by laser device 111 and reflects the laser light output by laser device 112 without transmitting it.

フィルタ124を経由したレーザ光は、ガルバノスキャナ126へ向かう。ガルバノスキャナ126は、2枚のミラー126a,126bを有しており、当該2枚のミラー126a,126bの角度を制御することで、加工対象Wの表面上でのレーザ光Lの照射位置を移動し、表面上でレーザ光Lを走査することができる装置である。ミラー126a,126bの角度は、それぞれ、例えばモータを含む不図示のアクチュエータによって変更されうる。 The laser light that passes through the filter 124 travels toward the galvanometer scanner 126. The galvanometer scanner 126 has two mirrors 126a and 126b, and is a device that can control the angles of the two mirrors 126a and 126b to move the irradiation position of the laser light L on the surface of the workpiece W and scan the surface with the laser light L. The angles of the mirrors 126a and 126b can each be changed by an actuator (not shown) including, for example, a motor.

集光レンズ122は、ガルバノスキャナ126を経由したレーザ光を集光し、レーザ光L(出力光)として、加工対象Wへ照射する。光学ヘッド120から出力され加工対象Wに照射されるレーザ光には、波長が異なる二つのレーザ光、すなわちレーザ装置111が出力したレーザ光と、レーザ装置112が出力したレーザ光とが、含まれることになる。 The focusing lens 122 focuses the laser light that has passed through the galvano scanner 126 and irradiates it as laser light L (output light) onto the workpiece W. The laser light output from the optical head 120 and irradiated onto the workpiece W contains two laser lights with different wavelengths, i.e., the laser light output by the laser device 111 and the laser light output by the laser device 112.

位置調整機構140は、加工対象Wに対する光学ヘッド120の相対位置を変更可能に構成されている。 The position adjustment mechanism 140 is configured to be able to change the relative position of the optical head 120 with respect to the workpiece W.

レーザ溶接装置100は、ガルバノスキャナ126および位置調整機構140の少なくとも一方の作動により、加工対象Wの表面上で、レーザ光Lのスポットを走査することができる。ガルバノスキャナ126および位置調整機構140は、走査機構とも称されうる。 The laser welding device 100 can scan a spot of laser light L on the surface of the workpiece W by operating at least one of the galvanometer scanner 126 and the position adjustment mechanism 140. The galvanometer scanner 126 and the position adjustment mechanism 140 can also be referred to as a scanning mechanism.

[加工対象]
加工対象Wは、回路基板10に設けられた導体12と、導電部材20の端子部21と、を含む。レーザ溶接装置100による溶接処理により、導体12と端子部21とが一体化され、回路基板アセンブリ1が形成される。回路基板アセンブリ1は、導体12が設けられた回路基板10と、端子部21を有した導電部材20と、を備えている。
[Processing target]
The processing object W includes a conductor 12 provided on a circuit board 10 and a terminal portion 21 of a conductive member 20. The conductor 12 and the terminal portion 21 are integrated by a welding process using the laser welding device 100 to form a circuit board assembly 1. The circuit board assembly 1 includes the circuit board 10 provided with the conductor 12 and the conductive member 20 having the terminal portion 21.

回路基板10は、絶縁体11と、導体12と、を有している。回路基板10は、例えば、プリント配線基板である。 The circuit board 10 has an insulator 11 and a conductor 12. The circuit board 10 is, for example, a printed wiring board.

絶縁体11は、例えば、窒化ケイ素のようなセラミックや、ガラスエポキシ樹脂で作られる。すなわち、回路基板10は、例えば、セラミック基板や、ガラスエポキシ樹脂基板である。ただし、絶縁体11は、これには限定されず、他の材料で作られてもよい。 The insulator 11 is made of, for example, a ceramic such as silicon nitride or a glass epoxy resin. That is, the circuit board 10 is, for example, a ceramic board or a glass epoxy resin board. However, the insulator 11 is not limited to this and may be made of other materials.

導体12は、比較的高い導電性を有した材料で作られる。一例として、導体12は、純銅や銅合金のような銅系の金属材料で作られる。ただし、これには限定されず、導体12は、他の金属材料で作られてもよい。 The conductor 12 is made of a material having a relatively high electrical conductivity. As an example, the conductor 12 is made of a copper-based metal material such as pure copper or a copper alloy. However, the conductor 12 is not limited to this, and may be made of other metal materials.

絶縁体11は、板状の形状を有し、Z方向と交差するとともに直交している。また、絶縁体11は、面11aと面11bと、を有している。面11aは、Z方向の反対方向を向き、Z方向と交差するとともに直交している。面11bは、Z方向を向き、Z方向と交差するとともに直交している。絶縁体11は、第一部位の一例である。 The insulator 11 has a plate-like shape and crosses the Z direction and is perpendicular to it. The insulator 11 also has a surface 11a and a surface 11b. The surface 11a faces in the opposite direction to the Z direction, crosses the Z direction and is perpendicular to it. The surface 11b faces the Z direction, crosses the Z direction and is perpendicular to it. The insulator 11 is an example of a first portion.

導体12は、絶縁体11と一体化されており、Z方向に露出した面12aを有している。面12aは、Z方向を向き、Z方向と交差するとともに直交している。面12aは、面11aとは、略面一か、あるいは面11aよりZ方向に突出している。導体12のうち端子部21と溶接される部位は、絶縁体11とZ方向に重なっている。なお、導体12は、これには限定されず、回路基板10に実装された例えばスイッチング素子のような半導体装置や、電気部品、電子部品の導体であってもよい。この場合、面12aは、回路基板10に実装された半導体装置や、電気部品、電子部品の導体の面となる。 The conductor 12 is integrated with the insulator 11 and has a surface 12a exposed in the Z direction. The surface 12a faces the Z direction and crosses and is perpendicular to the Z direction. The surface 12a is approximately flush with the surface 11a or protrudes in the Z direction from the surface 11a. The portion of the conductor 12 that is welded to the terminal portion 21 overlaps with the insulator 11 in the Z direction. Note that the conductor 12 is not limited to this, and may be a semiconductor device such as a switching element mounted on the circuit board 10, or a conductor of an electrical component or electronic component. In this case, the surface 12a becomes the surface of the conductor of the semiconductor device, electrical component, or electronic component mounted on the circuit board 10.

導電部材20は、端子部21を有している。端子部21は、略一定の厚さを有した板状の形状を有し、Z方向と交差するとともに直交している。また、端子部21は、面21aと面21bと、を有している。面21aは、Z方向の反対方向を向き、Z方向と交差するとともに直交している。面21bは、Z方向を向き、Z方向と交差するとともに直交している。面21bは、第一面の一例である。 The conductive member 20 has a terminal portion 21. The terminal portion 21 has a plate-like shape with a substantially constant thickness, and intersects with and is perpendicular to the Z direction. The terminal portion 21 also has a surface 21a and a surface 21b. Surface 21a faces in the opposite direction to the Z direction, and intersects with and is perpendicular to the Z direction. Surface 21b faces in the Z direction, and intersects with and is perpendicular to the Z direction. Surface 21b is an example of a first surface.

導電部材20は、比較的高い導電性および比較的高い熱伝導性を有した材料で作られる。一例として、導電部材20は、純銅や銅合金のような銅系の金属材料で作られる。ただし、導体12は、これには限定されず、他の金属材料で作られてもよい。導電部材20は、バスバーとも称されうる。 The conductive member 20 is made of a material having relatively high electrical conductivity and relatively high thermal conductivity. As an example, the conductive member 20 is made of a copper-based metal material such as pure copper or a copper alloy. However, the conductor 12 is not limited to this and may be made of other metal materials. The conductive member 20 may also be referred to as a bus bar.

[波長と光の吸収率]
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図2は、照射するレーザ光の波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図2のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図2には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、およびチタン(Ti)について、波長と吸収率との関係が示されている。
[Wavelength and light absorption rate]
Here, the light absorptance of metal materials will be described. Fig. 2 is a graph showing the light absorptance of each metal material with respect to the wavelength of the irradiated laser light. The horizontal axis of the graph in Fig. 2 is the wavelength, and the vertical axis is the absorptance. Fig. 2 shows the relationship between wavelength and absorptance for aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), tantalum (Ta), and titanium (Ti).

材料によって特性が異なるものの、図2に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線(IR)のレーザ光(第一レーザ光)を用いるよりも、青や緑のレーザ光(第二レーザ光)を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅(Cu)や、金(Au)等においては顕著となる。 Although the characteristics differ depending on the material, it can be seen that for each metal shown in Figure 2, the energy absorption rate is higher when using blue or green laser light (second laser light) than when using general infrared (IR) laser light (first laser light). This characteristic is particularly noticeable in copper (Cu), gold (Au), etc.

使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象Wに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。 When laser light is irradiated onto a workpiece W that has a relatively low absorption rate for the wavelength used, most of the light energy is reflected and does not affect the workpiece W as heat. Therefore, a relatively high power must be applied to obtain a melted region of sufficient depth. In this case, the sudden input of energy to the center of the beam causes sublimation and the formation of a keyhole.

他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象Wに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わない熱伝導型の溶融とすることができる。 On the other hand, when laser light is irradiated onto a workpiece W that has a relatively high absorption rate for the wavelength used, most of the input energy is absorbed by the workpiece W and converted into thermal energy. In other words, since there is no need to apply excessive power, it is possible to achieve thermal conduction-type melting that does not involve the formation of a keyhole.

本実施形態では、レーザ光Lに含まれる第一レーザ光によって加工対象Wにキーホールを形成することにより、迅速に所要の深さの溶融池を形成することができる。また、レーザ光Lに含まれる第二レーザ光によって加工対象Wの当該溶融池を含む広い範囲を効率良く加熱することにより、加工対象Wの場所による急激な温度変化を抑制し、溶融池をより安定化させ、当該溶融池から周囲にスパッタが飛散するのを抑制することができる。レーザ光Lを加工対象Wの表面上で走査する場合は、第一レーザ光の照射領域に対して第二レーザ光の照射領域の少なくとも一部が走査方向の前方に位置するのが好ましい。本実施形態のような第一レーザ光と第二レーザ光とを含むレーザ光Lの照射によるレーザ溶接は、回路基板10の導体12と導電部材20の端子部21との溶接のように、周囲に導体部分が存在する加工対象Wの溶接には好適である。 In this embodiment, a keyhole is formed in the workpiece W by the first laser light included in the laser light L, so that a molten pool of the required depth can be formed quickly. In addition, by efficiently heating a wide area of the workpiece W including the molten pool by the second laser light included in the laser light L, it is possible to suppress a sudden temperature change depending on the location of the workpiece W, to further stabilize the molten pool, and to suppress the scattering of spatter from the molten pool to the surroundings. When the laser light L is scanned on the surface of the workpiece W, it is preferable that at least a part of the irradiation area of the second laser light is located forward in the scanning direction relative to the irradiation area of the first laser light. Laser welding by irradiation of the laser light L including the first laser light and the second laser light as in this embodiment is suitable for welding the workpiece W having a conductor part around it, such as welding the conductor 12 of the circuit board 10 and the terminal portion 21 of the conductive member 20.

[スポット]
図3は、面21b上に形成されたレーザ光LのスポットSの平面図である。レーザ光Lは、レーザ装置111が出力したレーザ光によるビームBm1と、レーザ装置112が出力したレーザ光によるビームBm2と、を含んでおり、面21b上には、当該ビームBm1,Bm2に対応した照射領域(パワー領域)が形成される。ビームBm2による照射領域は、ビームBm1による照射領域よりも広く、当該ビームBm1による照射領域を少なくとも部分的に含んでいる。ビームBm1による照射領域は、第一パワー領域の一例であり、ビームBm2による照射領域は、第二パワー領域の一例である。
[spot]
3 is a plan view of a spot S of the laser light L formed on the surface 21b. The laser light L includes a beam Bm1 of the laser light output by the laser device 111 and a beam Bm2 of the laser light output by the laser device 112, and an irradiation area (power area) corresponding to the beams Bm1 and Bm2 is formed on the surface 21b. The irradiation area by the beam Bm2 is wider than the irradiation area by the beam Bm1 and at least partially includes the irradiation area by the beam Bm1. The irradiation area by the beam Bm1 is an example of a first power area, and the irradiation area by the beam Bm2 is an example of a second power area.

スポットSの幅Wb(最大幅、最大直径)は、スポットS内のピーク強度の1/e以上の強度の領域の幅として定義することができる。スポットSを面21b上で走査する場合、幅Wbは、走査方向に対して直交する方向における幅として定義することができる。 The width Wb (maximum width, maximum diameter) of the spot S can be defined as the width of a region having an intensity equal to or greater than 1/ e2 of the peak intensity in the spot S. When the spot S is scanned on the surface 21b, the width Wb can be defined as the width in a direction perpendicular to the scanning direction.

[レーザ溶接方法の手順]
図4は、レーザ溶接方法の手順を示すフローチャートである。図4に示されるように、まずは、回路基板10および導電部材20を、図1に示されるように、導体12と端子部21とがZ方向に重なるとともに、端子部21が導体12に対してZ方向に接した状態に、セットする(S1)。次に、端子部21の面21bにレーザ光Lを照射することにより、面21bから端子部21を貫通して導体12内に至る溶融池を形成する(S2)。次に、溶融池を自然冷却または強制冷却によって固化する(S3)。固化した溶融池が溶接部(溶接金属)となり、当該溶接部によって導体12と端子部21とが接合され、これにより導体12と端子部21とが電気的に接続される。導体12、導電部材20、および溶接部は、電気的な回路の一部を構成する。Z方向は、第一方向の一例である。
[Laser welding method procedure]
4 is a flow chart showing the procedure of the laser welding method. As shown in FIG. 4, first, the circuit board 10 and the conductive member 20 are set in a state in which the conductor 12 and the terminal portion 21 overlap in the Z direction and the terminal portion 21 is in contact with the conductor 12 in the Z direction as shown in FIG. 1 (S1). Next, the surface 21b of the terminal portion 21 is irradiated with laser light L to form a molten pool that penetrates the terminal portion 21 from the surface 21b to the inside of the conductor 12 (S2). Next, the molten pool is solidified by natural cooling or forced cooling (S3). The solidified molten pool becomes a welded portion (welded metal), and the conductor 12 and the terminal portion 21 are joined by the welded portion, thereby electrically connecting the conductor 12 and the terminal portion 21. The conductor 12, the conductive member 20, and the welded portion constitute a part of an electrical circuit. The Z direction is an example of a first direction.

[溶融池の深さ]
図5は、S2において形成される溶融池Mの断面図である。図5に示されるように、溶融池Mは、面21bから端子部21を貫通し、導体12内に至っている。ここで、本実施形態では、S2においては、溶融池Mの先端部、すなわちZ方向の反対方向の端部Maが、絶縁体11には至らず、導体12のうち当該端部Maと絶縁体11との間の部位が、非溶融部12bとなるよう、レーザ溶接の諸条件を設定する。
[Depth of molten pool]
Fig. 5 is a cross-sectional view of the molten pool M formed in S2. As shown in Fig. 5, the molten pool M penetrates the terminal portion 21 from the surface 21b and reaches the inside of the conductor 12. Here, in this embodiment, the conditions of the laser welding are set in S2 so that the tip end of the molten pool M, i.e., the end Ma on the opposite side in the Z direction, does not reach the insulator 11, and the portion of the conductor 12 between the end Ma and the insulator 11 becomes a non-melted portion 12b.

ここで、溶融池MのZ方向に沿った深さをDp、端子部21のZ方向に沿った厚さをT1、導体12のZ方向に沿った厚さをT2、非溶融部12bのZ方向に沿った厚さをT3、とした場合、次の式(1-0)が成り立つ。
Dp=T1+T2-T3 ・・・(1-0)
発明者らの鋭意研究の結果、S12においては、絶縁体11のうち端部Maに最も近い点Pの温度が最も高くなり、当該温度は、非溶融部12bの厚さT3が薄い(小さい)ほど高くなることが判明した。このため、非溶融部12bの厚さT3を、溶融池Mから非溶融部12bを介して絶縁体11の点Pへ伝導した熱によって特性変化が生じないように厚くすれば、絶縁体11の略全体において、熱による特性変化が生じないことになる。溶融池Mの導体12との境界部分の温度は、導体12の融点であるため、非溶融部12bの厚さと点Pの温度との関係は、シミュレーションや実験により求めることができる。すなわち、シミュレーションや実験により、溶融池Mから非溶融部12bを介して絶縁体11の点Pへ伝導した熱によって当該点Pにおいて特性変化が生じる当該非溶融部12bの厚さの最大値Tmaxを求めた上で、次の式(1-1)を満たす深さDpの溶融池Mを形成すればよい。
Dp<T1+T2-Tmax ・・・(1-1)
絶縁体11が、例えば窒化ケイ素のようなセラミックである場合、最大値Tmaxは、S2における絶縁体11中の最高温度、すなわち点Pの温度が耐熱衝撃温度(例えば、約800[℃])となる厚さとすればよい。また、絶縁体11が、例えばガラスエポキシ樹脂のように合成樹脂材料を含む場合、最大値Tmaxは、S2における絶縁体11中の最高温度、すなわち点Pの温度が耐熱温度(例えば、約240[℃])となる厚さとすればよい。また、発明者らの鋭意研究により、このような条件を満たす最大値Tmaxは、20[μm]であることが判明した。この場合、式(1-1)は、次の式(1-2)となる。
Dp<T1+T2-20 ・・・(1-2)
Here, if the depth of the molten pool M in the Z direction is Dp, the thickness of the terminal portion 21 in the Z direction is T1, the thickness of the conductor 12 in the Z direction is T2, and the thickness of the non-molten portion 12b in the Z direction is T3, the following equation (1-0) holds.
Dp=T1+T2-T3 (1-0)
As a result of the inventors' intensive research, it was found that in S12, the temperature of the point P of the insulator 11 closest to the end Ma becomes the highest, and the temperature becomes higher as the thickness T3 of the non-melted portion 12b becomes thinner (smaller). Therefore, if the thickness T3 of the non-melted portion 12b is made thick so that the heat conducted from the molten pool M to the point P of the insulator 11 does not cause a change in characteristics, the heat-induced change in characteristics will not occur in almost the entire insulator 11. Since the temperature of the boundary portion of the molten pool M with the conductor 12 is the melting point of the conductor 12, the relationship between the thickness of the non-melted portion 12b and the temperature of the point P can be obtained by simulation or experiment. That is, it is sufficient to obtain the maximum value Tmax of the thickness of the non-melted portion 12b at which the characteristics change occurs at the point P due to the heat conducted from the molten pool M to the point P of the insulator 11 through the non-melted portion 12b by simulation or experiment, and then form the molten pool M with a depth Dp that satisfies the following formula (1-1).
Dp<T1+T2-Tmax ... (1-1)
When the insulator 11 is a ceramic such as silicon nitride, the maximum value Tmax may be a thickness at which the maximum temperature in the insulator 11 at S2, i.e., the temperature at point P, is the thermal shock temperature (e.g., about 800°C). When the insulator 11 includes a synthetic resin material such as glass epoxy resin, the maximum value Tmax may be a thickness at which the maximum temperature in the insulator 11 at S2, i.e., the temperature at point P, is the heat resistance temperature (e.g., about 240°C). Through intensive research by the inventors, it has been found that the maximum value Tmax that satisfies such conditions is 20 μm. In this case, formula (1-1) becomes the following formula (1-2).
Dp<T1+T2-20 ... (1-2)

さらに、深さDpについては、所要の接合強度が得られることが前提となる。すなわち、溶融池Mが固化した溶接部30による導体12と端子部21との所要の接合強度が得られる溶融池Mの深さの最小値をDminとすると、次の式(2-1)を満たす深さDpの溶融池Mを形成すればよい。
Dp>Dmin ・・・(2-1)
発明者らの鋭意研究により、このような条件を満たす最小値Dminは、典型的には50[μm]であることが判明した。この場合、式(2-1)は、次の式(2-2)となる。
Dp>50 ・・・(2-2)
Furthermore, the depth Dp is premised on the fact that a required joint strength can be obtained. In other words, if the minimum depth of the molten pool M at which the required joint strength between the conductor 12 and the terminal portion 21 by the welded portion 30 solidified from the molten pool M is defined as Dmin, then it is sufficient to form the molten pool M with a depth Dp that satisfies the following formula (2-1).
Dp>Dmin ... (2-1)
Through extensive research by the inventors, it has been found that the minimum value Dmin that satisfies these conditions is typically 50 μm. In this case, formula (2-1) becomes the following formula (2-2).
Dp>50 ... (2-2)

[照射エネルギ]
レーザ光による照射エネルギが大きくなるほど、溶融池Mの深さDpは深くなる。図6は、照射エネルギEと、深さDpとの関係を実験的に求めたグラフである。発明者らの鋭意研究により、照射エネルギEと深さDpとの間には、図6に示されるような線形性があり、一方を他方の1次関数として近似的に表せることが判明した。図6の場合、
Dp=C2×E-C1 ・・・(3-0)
(ここに、C1,C2は係数)と表すことができる。式(3-0)を変形して、照射エネルギEは、次の式(3-1)で表すことができる。
E=(Dp+C1)/C2 ・・・(3-1)
発明者らの鋭意研究により、面21b上のスポットSの幅Wbが100[μm]である場合、照射エネルギE[J]は、深さDp[μm]に応じた次の式(3-2)で表せることが判明した。
E=(Dp+21)/135 ・・・(3-2)
この場合、C1=21、C2=135である。式(3-1)、(3-2)を用いることにより、S2において、所要の深さDpを得るための照射エネルギEを決定することができる。
[Irradiation energy]
The greater the irradiation energy of the laser beam, the deeper the depth Dp of the molten pool M. Fig. 6 is a graph showing an experimentally determined relationship between irradiation energy E and depth Dp. Through intensive research by the inventors, it was found that there is a linear relationship between the irradiation energy E and depth Dp as shown in Fig. 6, and one can be approximately expressed as a linear function of the other. In the case of Fig. 6,
Dp = C2 × E - C1 ... (3-0)
(where C1 and C2 are coefficients) By modifying equation (3-0), the irradiation energy E can be expressed by the following equation (3-1).
E = (Dp + C1) / C2 ... (3-1)
Through extensive research by the inventors, it was found that when the width Wb of the spot S on the surface 21b is 100 [μm], the irradiation energy E [J] can be expressed by the following formula (3-2) according to the depth Dp [μm].
E = (Dp + 21) / 135 ... (3-2)
In this case, C1 = 21 and C2 = 135. By using the formulas (3-1) and (3-2), the irradiation energy E for obtaining the required depth Dp can be determined in S2.

[走査速度]
面21b上でレーザ光LのスポットSを走査する場合、走査速度が遅すぎると、レーザ光Lによる照射エネルギが過多となって溶融池Mが深くなり、絶縁体11の点Pにおいて特性変化が生じてしまう。逆に、走査速度が速すぎると、レーザ光Lによる照射エネルギが過少となって溶融池Mが浅くなり、溶接部30による所要の接合強度が得られなくなる。このような観点から、発明者らの鋭意研究により、式(3-1)、(3-2)を満たすような典型的なレーザ光Lの照射条件にあっては、走査速度は、100[mm/s]以上かつ800[mm/s]以下であるのが好ましく、300[mm/s]以上かつ600[mm/s]以下であるのがより好ましいことが判明した。
[Scanning speed]
When the spot S of the laser light L is scanned on the surface 21b, if the scanning speed is too slow, the irradiation energy of the laser light L becomes excessive, the molten pool M becomes deep, and a change in characteristics occurs at the point P of the insulator 11. Conversely, if the scanning speed is too fast, the irradiation energy of the laser light L becomes insufficient, the molten pool M becomes shallow, and the required joint strength of the welded portion 30 cannot be obtained. From this viewpoint, the inventors have conducted extensive research and found that, under typical irradiation conditions of the laser light L that satisfy the formulas (3-1) and (3-2), the scanning speed is preferably 100 [mm/s] or more and 800 [mm/s] or less, and more preferably 300 [mm/s] or more and 600 [mm/s] or less.

以上、説明したように、本実施形態によれば、導体12と端子部21とをレーザ溶接によって接合する場合に、例えば、絶縁体11のような導体12と接した部位に対する熱影響を抑制することが可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置100を得ることができる。 As described above, according to this embodiment, when the conductor 12 and the terminal portion 21 are joined by laser welding, it is possible to obtain a new and improved laser welding method and laser welding apparatus 100 that can suppress the thermal effects on the portion in contact with the conductor 12, such as the insulator 11.

[第2実施形態]
図7は、第2実施形態のレーザ溶接装置100B(100)の概略構成図である。図7に示されるように、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100Aが有していたレーザ装置112および当該レーザ装置112の出力したレーザ光(第二レーザ光)を伝送するためのコリメートレンズ121-2やフィルタ124のような光学部品を備えていない。また、本実施形態では、光学ヘッド120B(120)は、コリメートレンズ121とミラー123との間に、回折光学素子125(diffractive optical element、以下、DOE125と称する)を有している。これらの点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100Aと同様の構成を備えている。
[Second embodiment]
FIG. 7 is a schematic diagram of the laser welding apparatus 100B (100) of the second embodiment. As shown in FIG. 7, the laser welding apparatus 100B does not include optical components such as the laser device 112 and the collimator lens 121-2 and the filter 124 for transmitting the laser light (second laser light) outputted by the laser device 112, which were included in the laser welding apparatus 100A of the first embodiment. In addition, in this embodiment, the optical head 120B (120) has a diffractive optical element 125 (hereinafter referred to as DOE 125) between the collimator lens 121 and the mirror 123. Except for these points, the laser welding apparatus 100B has the same configuration as the laser welding apparatus 100A of the first embodiment.

DOE125は、レーザ光のビームの形状(以下、ビーム形状と称する)を成形する。図8は、DOE125の原理の概念を示す説明図である。図8に示されるように、DOE125は、例えば、周期の異なる複数の回折格子125aが重ね合わせられた構成を備えている。DOE125は、平行光を、各回折格子125aの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。DOE125は、ビームシェイパとも称されうる。 The DOE 125 shapes the shape of the laser light beam (hereinafter referred to as the beam shape). FIG. 8 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the DOE 125. As shown in FIG. 8, the DOE 125 has a configuration in which, for example, multiple diffraction gratings 125a with different periods are superimposed. The DOE 125 can shape the beam shape by bending the parallel light in a direction influenced by each diffraction grating 125a or by superimposing the light. The DOE 125 can also be called a beam shaper.

図9は、加工対象Wの面21b上に形成されたレーザ光LのスポットSの例示的かつ模式的な平面図である。図9に示されるように、DOE125の作用により、レーザ光Lは、面21b上に、複数のビームBmの照射領域を形成することができる。図9の例では、複数のビームBmは、面21b上に、中央部に少なくとも一つ(図9の例では1個)のビームBm1(Bm)により形成されるパワー領域と、その周囲を取り囲む複数の(図9の例では16個)のビームBm2(Bm)により形成される略環状のパワー領域と、を形成している。DOE125の適宜な設計により、面21b上には、図9の例に限らず、ビームの数、ビームの配置、形状、大きさ、パワー密度等のスペックが異なる種々のパワー領域を形成することができる。また、DOE125を有した構成にあっては、DOE125を有しない構成に比べて、面21b上に、より広いスポットSを形成しやすくなり、溶融池の周辺部分のより広い範囲を加熱しやすい。よって、本実施形態によっても、加工対象Wの場所による急激な温度変化を抑制し、溶融池をより安定化させ、当該溶融池から周囲にスパッタが飛散するのを抑制することができる。なお、スポットSの幅Wbは、互いに最も離れたビームBmの最も離れた外縁間の距離として定義することができる。この場合も、スポットSを面21b上で走査する場合、幅Wbは、走査方向に対して直交する方向における幅として定義することができる。 9 is an exemplary and schematic plan view of a spot S of the laser light L formed on the surface 21b of the workpiece W. As shown in FIG. 9, the laser light L can form an irradiation area of multiple beams Bm on the surface 21b by the action of the DOE 125. In the example of FIG. 9, the multiple beams Bm form a power area formed by at least one beam Bm1 (Bm) in the center on the surface 21b and a substantially annular power area formed by multiple beams Bm2 (Bm) surrounding the central area (16 beams in the example of FIG. 9). By appropriately designing the DOE 125, various power areas with different specifications such as the number of beams, beam arrangement, shape, size, and power density can be formed on the surface 21b, not limited to the example of FIG. 9. In addition, in a configuration having the DOE 125, it is easier to form a wider spot S on the surface 21b than in a configuration without the DOE 125, and it is easier to heat a wider area of the peripheral part of the molten pool. Therefore, this embodiment also suppresses sudden temperature changes depending on the location of the workpiece W, stabilizes the molten pool, and suppresses spattering from the molten pool to the surrounding area. The width Wb of the spot S can be defined as the distance between the most distant outer edges of the beams Bm that are most distant from each other. In this case, too, when the spot S scans the surface 21b, the width Wb can be defined as the width in a direction perpendicular to the scanning direction.

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック(構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。 Although the above is an example of an embodiment of the present invention, the above embodiment is merely an example and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, combinations, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the specifications of each configuration, shape, etc. (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) can be modified as appropriate.

例えば、上述した条件を満たす照射を実行できれば、レーザ光は、第一レーザ光および第二レーザ光を含まなくてもよいし、DOEによってビームモード制御されなくてもよい。 For example, as long as irradiation that satisfies the above-mentioned conditions can be performed, the laser light does not need to include the first laser light and the second laser light, and does not need to be beam mode controlled by the DOE.

1…回路基板アセンブリ
10…回路基板
11…絶縁体(第一部位)
11a…面
11b…面
12…導体
12a…面
12b…非溶融部
20…導電部材
21…端子部
21a…面
21b…面(第一面)
30…溶接部
100,100A,100B…レーザ溶接装置
111,112…レーザ装置
120,120A,120B…光学ヘッド
121,121-1,121-2…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
124…フィルタ
125…DOE(回折光学素子)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ(走査機構)
126a,126b…ミラー
130…光ファイバ
140…位置調整機構(走査機構)
Bm,Bm1,Bm2…ビーム
C1,C2…係数
Dmin…最小値
Dp…深さ
E…照射エネルギ
L…レーザ光
M…溶融池
Ma…端部(先端部)
P…点
S…スポット
S1~S3…工程
T1,T2,T3…厚さ
Tmax…最大値
W…加工対象
Wb…幅
X…方向
Y…方向
Z…方向(第一方向)
1... Circuit board assembly 10... Circuit board 11... Insulator (first part)
11a... surface 11b... surface 12... conductor 12a... surface 12b... non-melted portion 20... conductive member 21... terminal portion 21a... surface 21b... surface (first surface)
30...welded portion 100, 100A, 100B...laser welding device 111, 112...laser device 120, 120A, 120B...optical head 121, 121-1, 121-2...collimator lens 122...condenser lens 123...mirror 124...filter 125...DOE (diffractive optical element)
125a...diffraction grating 126...galvanometer scanner (scanning mechanism)
126a, 126b...mirror 130...optical fiber 140...position adjustment mechanism (scanning mechanism)
Bm, Bm1, Bm2...Beams C1, C2...Coefficient Dmin...Minimum value Dp...Depth E...Irradiation energy L...Laser light M...Molten pool Ma...End (tip)
P... point S... spot S1 to S3... process T1, T2, T3... thickness Tmax... maximum value W... processing object Wb... width X... direction Y... direction Z... direction (first direction)

Claims (20)

第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、
前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、
前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、
を備え、
前記溶融池を形成する工程では、
前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、
前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-1)
Dp<T1+T2-Tmax ・・・(1-1)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ、Tmaxは、前記溶融池から前記非溶融部を介して前記第一部位へ伝導した熱によって当該第一部位の特性変化が生じる前記非溶融部の厚さの最大値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、レーザ溶接方法。
A laser welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the method comprising:
placing the terminal portion on the conductor in a state of contact with the conductor in the first direction;
irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool extending from the first surface through the terminal portion into the conductor;
cooling the molten pool to solidify and form a weld;
Equipped with
In the step of forming the molten pool,
A non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction,
The depth Dp of the molten pool along the first direction is expressed by the following formula (1-1):
Dp<T1+T2-Tmax ... (1-1)
(wherein T1 is the thickness of the terminal portion along the first direction, T2 is the thickness of the conductor along the first direction, and Tmax is the maximum thickness of the non-melted portion at which a characteristic change in the first portion occurs due to heat conducted from the molten pool to the first portion via the non-melted portion),
前記溶融池を形成する工程では、前記Dpが、以下の式(2-1)
Dp>Dmin ・・・(2-1)
(ここに、Dminは、前記溶接部による前記導体と前記端子部との所要の接合強度が得られる前記深さの最小値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、請求項1に記載のレーザ溶接方法。
In the step of forming the molten pool, the Dp is expressed by the following formula (2-1):
Dp>Dmin ... (2-1)
2. The laser welding method according to claim 1, wherein the laser light is irradiated onto the first surface under conditions satisfying the following: (wherein Dmin is the minimum value of the depth at which a required joining strength between the conductor and the terminal portion is obtained by the welded portion).
前記Tmaxは、20[μm]である、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1 or 2, wherein Tmax is 20 μm. 前記Dminは、50[μm]である、請求項2に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 2, wherein the Dmin is 50 [μm]. 前記導体は、銅系材料で作られた、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1 or 2, wherein the conductor is made of a copper-based material. 前記第一部位は、セラミックで作られ、
前記Tmaxは、前記溶融池を形成する工程での前記第一部位の最高温度がセラミックの耐熱衝撃温度となる厚さである、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。
the first portion is made of ceramic;
3. The laser welding method according to claim 1, wherein the Tmax is a thickness at which the maximum temperature of the first portion in the step of forming the molten pool becomes a thermal shock resistance temperature of ceramic.
前記回路基板は、窒化ケイ素基板である、請求項6に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 6, wherein the circuit board is a silicon nitride board. 前記第一部位は、合成樹脂材料を含み、
前記Tmaxは、前記溶融池を形成する工程での前記第一部位の最高温度が合成樹脂材料の耐熱温度となる厚さである、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。
the first portion includes a synthetic resin material;
3. The laser welding method according to claim 1, wherein the Tmax is a thickness at which a maximum temperature of the first portion in the step of forming the molten pool becomes a heat-resistant temperature of a synthetic resin material.
前記回路基板は、ガラスエポキシ樹脂基板である、請求項8に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 8, wherein the circuit board is a glass epoxy resin board. 前記溶融池を形成する工程では、前記第一面への前記レーザ光の照射エネルギであるEが、次の式(3-1)
E=(Dp+C1)/C2 ・・・(3-1)
(ここに、C1,C2は係数)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。
In the step of forming the molten pool, the irradiation energy E of the laser beam on the first surface is expressed by the following formula (3-1):
E = (Dp + C1) / C2 ... (3-1)
3. The laser welding method according to claim 1, wherein the first surface is irradiated with the laser light under a condition satisfying: (where C1 and C2 are coefficients).
前記第一面上に形成される前記レーザ光のスポットの幅が100[μm]である場合に、照射エネルギをE[J]、深さをDp[μm]としたとき、前記C1が21であり、かつ前記C2が135である、請求項10に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 10, wherein, when the width of the spot of the laser light formed on the first surface is 100 [μm], the irradiation energy is E [J], and the depth is Dp [μm], C1 is 21 and C2 is 135. 前記レーザ光は、前記第一面上で走査され、
前記レーザ光の前記第一面上での走査速度が、100[mm/s]以上かつ800[mm/s]以下である、請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。
The laser light is scanned on the first surface,
3. The laser welding method according to claim 1, wherein a scanning speed of the laser light on the first surface is 100 mm/s or more and 800 mm/s or less.
前記走査速度が、300[mm/s]以上かつ600[mm/s]以下である、請求項12に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 12, wherein the scanning speed is 300 mm/s or more and 600 mm/s or less. 前記レーザ光は、波長が800[nm]以上の第一レーザ光と波長が550[nm]以下の第二レーザ光とを含む請求項1または2に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1 or 2, wherein the laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and a second laser light having a wavelength of 550 nm or less. 前記レーザ光の波長は、400[nm]以上である、請求項14に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 14, wherein the wavelength of the laser light is 400 nm or more. 第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、
前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、
前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、
を備え、
前記溶融池を形成する工程では、
前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、
前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-2)
Dp<T1+T2-20 ・・・(1-2)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、レーザ溶接方法。
A laser welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the method comprising:
placing the terminal portion on the conductor in a state of contact with the conductor in the first direction;
irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool extending from the first surface through the terminal portion into the conductor;
cooling the molten pool to solidify and form a weld;
Equipped with
In the step of forming the molten pool,
A non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction,
The depth Dp of the molten pool along the first direction is expressed by the following formula (1-2).
Dp<T1+T2-20 ... (1-2)
(wherein T1 is a thickness of the terminal portion along the first direction, and T2 is a thickness of the conductor along the first direction),
前記溶融池を形成する工程では、前記Dpが、以下の式(2-2)
Dp>50 ・・・(2-2)
を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、請求項16に記載のレーザ溶接方法。
In the step of forming the molten pool, the Dp is expressed by the following formula (2-2):
Dp>50 ... (2-2)
The laser welding method according to claim 16 , wherein the first surface is irradiated with the laser light under a condition that satisfies the following:
前記レーザ光は、波長が800[nm]以上の第一レーザ光と波長が550[nm]以下の第二レーザ光とを含む請求項16または17に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 16 or 17, wherein the laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and a second laser light having a wavelength of 550 nm or less. 前記レーザ光の波長は、400[nm]以上である、請求項18に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 18, wherein the wavelength of the laser light is 400 nm or more. 第一部位と当該第一部位に対して第一方向に重なった導体とを有した回路基板の当該導体と、導電部材の端子部と、を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記導体に対して前記端子部を前記第一方向に接した状態に重ねる工程と、
前記端子部の前記導体とは反対側で前記第一方向を向いた第一面に、レーザ光を照射し、前記第一面から前記端子部を貫通して前記導体内に至る溶融池を形成する工程と、
前記溶融池を冷却して固化して溶接部を形成する工程と、
を備え、
前記溶融池を形成する工程では、
前記第一部位と、前記溶融池の前記第一方向の反対方向の先端部と、の間に、前記導体の非溶融部が介在するとともに、
前記溶融池の前記第一方向に沿った深さであるDpが、以下の式(1-1)
Dp<T1+T2-Tmax ・・・(1-1)
(ここに、T1は、前記第一方向に沿った前記端子部の厚さ、T2は、前記第一方向に沿った前記導体の厚さ、Tmaxは、前記溶融池から前記非溶融部を介して前記第一部位へ伝導した熱によって当該第一部位の特性変化が生じる前記非溶融部の厚さの最大値)を満たす条件で、前記第一面に前記レーザ光を照射する、レーザ溶接方法、を実行するレーザ溶接装置であって、
前記レーザ光を出力するレーザ装置と、
前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記第一面に照射する光学ヘッドと、
を備えた、レーザ溶接装置。
A laser welding method for welding a conductor of a circuit board having a first portion and a conductor overlapping the first portion in a first direction to a terminal portion of a conductive member, the method comprising:
placing the terminal portion on the conductor in a state of contact with the conductor in the first direction;
irradiating a first surface of the terminal portion facing the first direction on an opposite side to the conductor with a laser beam to form a molten pool extending from the first surface through the terminal portion into the conductor;
cooling the molten pool to solidify and form a weld;
Equipped with
In the step of forming the molten pool,
A non-melted portion of the conductor is interposed between the first portion and a tip end of the molten pool in a direction opposite to the first direction,
The depth Dp of the molten pool along the first direction is expressed by the following formula (1-1):
Dp<T1+T2-Tmax ... (1-1)
(where T1 is a thickness of the terminal portion along the first direction, T2 is a thickness of the conductor along the first direction, and Tmax is a maximum value of a thickness of the non-melted portion at which a characteristic change in the first portion occurs due to heat conducted from the molten pool to the first portion via the non-melted portion),
A laser device that outputs the laser light;
an optical head that irradiates the first surface with a laser beam output from the laser device;
A laser welding device comprising:
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