JP5040269B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００５−７１４６５号公報 特開平１１−２１５６５２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／ｃｍ^２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。

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／ｃｍ^２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、（ａ）は溶接前の上部、下部溶接板材の要部断面図、（ｂ）は溶接後の上部、下部溶接板材の要部断面図 薄板加工部を形成する方法であり、（ａ）は平面形状が四角形で底部が平坦な場合の図、（ｂ）は平面形状が円形で底部が平坦な場合の図、（ｃ）は平面形状が円形で底部が半球状の場合の図 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、（ａ）は凹部の底面が平坦な場合の図、同図（ｂ）は凹部の底面が半球状の場合の図 ヒートスプレッダを有する半導体装置の要部断面図 従来のレーザ溶接方法を示す工程図であり、（ａ）は溶接前の溶接板材の要部断面図、（ｂ）は溶接後の溶接板材の要部断面図 レーザ光のパワーを大きくして溶接した場合の図 従来のレーザ溶接方法を示す工程図であり、（ａ）は溶接前の上部、下部溶接板材の要部断面図、（ｂ）は溶接後の上部、下部溶接板材の要部断面図 従来のレーザ溶接方法を示す別の工程図であり、（ａ）は溶接前の溶接板材の要部断面図、（ｂ）は溶接後の溶接板材の要部断面図

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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ことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記上部溶接板材と下部溶接板材の材質が、互いにＮｉメッキ銅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。
3. 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ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記薄板加工部の厚さが、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。
5. 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ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。

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