JP6686651B2 - 金属部材の接合方法、及び接合装置 - Google Patents
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Description
(1−1.概要)
本発明の第一実施形態に係る接合装置の概要について図1を参照して説明する。接合装置は、二つの金属部材をレーザ光の照射によって接合させる装置である。図1に示すように、本実施形態において、二つの金属部材は、例えば銅によって形成される第一金属部材(リードフレーム62)と、例えばAuによって形成される第二金属部材(半導体部品50の表面の金属端子51)である。
まず、レーザ光の吸収率について図2、図3、図4に基づき説明を行なう。図2は、レーザ光の波長と、金属部材への吸収率との関係を示す一般的なグラフである。図2に示すように、本実施形態において第一金属部材として適用する銅は、常温時において、近赤外波長のレーザ光の吸収率が非常に低い材料である。
また、図4は、近赤外波長のレーザ光を、例えば、照射出力Wxで銅の表面に照射した際の、照射時間Hと、形成される酸化膜OMの膜厚αとの関係の一例を示すグラフである。
次に、接合装置10の構成について図5及び図1を参照して説明する。図5に示すように、接合装置10は、装置本体20、酸化膜形成制御部30、及び加熱接合制御部40を備える。酸化膜形成制御部30は、装置本体20を制御して、後に詳述する酸化膜形成用レーザ光L1をリードフレーム62の表面62a(照射面62a1)に照射し、酸化膜OMを形成する。
装置本体20は、レーザ発振器21、レーザヘッド22、筐体23、パワーメータ24及び加圧装置26を備える。レーザ発振器21は、レーザの種類に応じた波長及び出力で発振させて所望の酸化膜形成用レーザ光L1を生成する。酸化膜形成用レーザ光L1の波長は、0.7μm〜2.5μmの範囲にあることが好ましい。つまり、酸化膜形成用レーザ光L1は、YAGレーザに代表される近赤外波長のレーザ光であることが好ましい。
酸化膜形成制御部30は、第一レーザ光調整照射部41(レーザ光調整照射部に相当)、第一反射レーザ光検出部43、第一吸収率演算部44、及びレーザ光切り替え部45を備える。
第一レーザ光調整照射部41は、レーザ発振器21と電気的に接続され、レーザ発振器21が発振するレーザ光の波長及び出力Wを制御し照射させる。つまり、第一レーザ光調整照射部41は、レーザ発振器21を発振させてリードフレーム62(第一金属部材)の照射面62a1に酸化膜形成用レーザ光L1を第一出力W1で照射する。これにより、照射面62a1上に、酸化膜形成用レーザ光L1の第一出力W1及び照射時間Hに応じた膜厚αの酸化膜OMを形成させる(図4参照)。
次に、加熱接合制御部40について説明する。図5に示すように、加熱接合制御部40は、第二レーザ光調整照射部42、第二反射レーザ光検出部46、第二吸収率演算部47、レーザ光出力変更部48、及び加圧部49を備える。第二レーザ光調整照射部42は、酸化膜形成制御部30の第一レーザ光調整照射部41と同様の機能を有する。よって説明は省略する。
なお、上記のレーザ光出力変更部48において、第三出力W3はどのように調整してもよい。例えば、第一,第三出力W1,W3と経過時間との関係を示す図6AのグラフG1に示すように、第三出力W3を直線状に減少させてもよい。また、図6BのグラフG2に示すように、第三出力W3を曲線状に減少させてもよい。さらには、図6CのグラフのG3に示すように、第三出力W3を階段状に減少させてもよい。
次に、接合装置10を用いた接合方法について、図7のフローチャート及び図8に基づいて説明する。図7のフローチャートに示すように、接合方法は、酸化膜厚調整工程S1と、加熱接合工程S3とを備える。酸化膜厚調整工程S1は、酸化膜形成工程S10と、第一反射レーザ光検出工程S12と、第一吸収率演算工程S14と、レーザ光切り替え工程S16A,16Bと、を備える。加熱接合工程S3は、レーザ光調整照射工程S30と、第二反射レーザ光検出工程S32と、第二吸収率演算工程S34と、レーザ光出力変更工程S36A,36Bと、加圧工程S38と、を備える。
酸化膜厚調整工程S1の酸化膜形成工程S10では、例えば作業者によって、接合装置10の図略の起動ボタンが押されると、第一レーザ光調整照射部41が、レーザ発振器21を発振させ、レーザヘッド22から、酸化膜形成用レーザ光L1をリードフレーム62(第一金属部材)の表面62a(照射面62a1)上に照射する。この照射によって、照射面62a1上に、酸化膜形成用レーザ光L1の第一出力W1及び照射時間Hに応じて膜厚αの酸化膜OMが形成される。
次に、加熱接合工程S3について説明する。前述したとおり、加熱接合工程S3は、レーザ光調整照射工程S30と、第二反射レーザ光検出工程S32と、第二吸収率演算工程S34と、レーザ光出力変更工程S36A,36B,36Cと、加圧工程S38とを備える。
次に、レーザ光出力変更工程S36Bでは、演算された第三出力W3によって、加熱接合用レーザ光L3を照射するよう、第二レーザ光調整照射部42に第三出力W3に応じた指令値を送信する。つまり、第二吸収率Y2が時間の経過とともに上昇する場合には、第二吸収率Y2の上昇に応じて、第三出力W3を時間の経過とともに減少させる。
第二実施形態の接合装置について、図9を参照して説明する。上記第一実施形態の装置本体20においては、酸化膜形成用レーザ光L1を、酸化膜OMを介してリードフレーム62の表面62aに照射し、その後、リードフレーム62の表面62aの照射面62a1で反射する第一反射レーザ光L2をパワーメータ24で直接受ける態様とした。
また、上記第二実施形態には限らない。第二実施形態の変形例として、図10に示すように、ダイクロイックミラー210と、レーザヘッド22と、パワーメータ24とを配置してもよい。変形例においては、ダイクロイックミラー210は、垂直方向に光軸を有するレーザヘッド22とリードフレーム62の表面62aとの間、つまり酸化膜形成用レーザ光L1(加熱接合用レーザ光L3)の光軸上において、表面62a(照射面62a1)に対して約45度の傾きを有して配置される。なお、ダイクロイックミラー110とダイクロイックミラー210とは、酸化膜形成用レーザ光L1(加熱接合用レーザ光L3)の透過または反射の態様が異なるものとする。
上記実施形態によれば、金属部材の接合方法は、リードフレーム62(第一金属部材)の照射面62a1に加熱接合用レーザ光L3を照射して、リードフレーム62の第一接合面62bを加熱し、第一接合面62bと、第一接合面62bと当接する半導体部品50(第二金属部材)の第二接合面51aと、を接合する。接合方法は、リードフレーム62の照射面62a1に酸化膜形成用レーザ光L1を第一出力W1で照射し、照射面62a1上に、酸化膜形成用レーザ光L1の第一出力W1及び照射時間に応じた膜厚の酸化膜OMを形成する酸化膜形成工程S10と、酸化膜形成用レーザ光L1が照射面62a1で反射されて生成される第一反射レーザ光L2の出力である第二出力W2を検出する第一反射レーザ光検出工程S12と、酸化膜形成工程S10で照射される酸化膜形成用レーザ光L1の第一出力W1、及び第一反射レーザ光検出工程S12で検出される第一反射レーザ光L2の第二出力W2に基づき、リードフレーム62の照射面62a1における酸化膜形成用レーザ光L1の第一吸収率Y1を演算する第一吸収率演算工程S14と、第一吸収率Y1が所定の吸収率Ya以上であると判定された場合に、照射面62a1への酸化膜形成用レーザ光L1の照射を加熱接合用レーザ光L3に切り替えるレーザ光切り替え工程S16A,S16Bと、加熱接合用レーザ光L3に切り替えられた後、加熱接合用レーザ光L3を、照射面62a1に第三出力W3で照射し、第一接合面62bの温度を所定の接合温度Taまで加熱して第一接合面62bと第二接合面51aとを接合させる加熱接合工程S3と、を備える。
Claims (12)
- 第一金属部材の照射面に加熱接合用レーザ光を照射して前記第一金属部材の第一接合面を加熱し、前記第一接合面と、前記第一接合面と当接する第二金属部材の第二接合面と、を接合する接合方法であって、
前記接合方法は、
前記第一金属部材の前記照射面に酸化膜形成用レーザ光を第一出力で照射し、前記照射面上に、前記酸化膜形成用レーザ光の前記第一出力及び照射時間に応じた膜厚の酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化膜形成用レーザ光が前記照射面で反射されて生成される第一反射レーザ光の出力である第二出力を検出する第一反射レーザ光検出工程と、
前記酸化膜形成工程で照射される前記酸化膜形成用レーザ光の前記第一出力、及び前記第一反射レーザ光検出工程で検出される前記第一反射レーザ光の前記第二出力に基づき、前記第一金属部材の前記照射面における前記酸化膜形成用レーザ光の第一吸収率を演算する第一吸収率演算工程と、
前記第一吸収率が所定の吸収率以上であると判定された場合に、前記照射面への前記酸化膜形成用レーザ光の照射を前記加熱接合用レーザ光に切り替えるレーザ光切り替え工程と、
前記加熱接合用レーザ光に切り替えられた後、前記加熱接合用レーザ光を、前記照射面に第三出力で照射し、前記第一接合面の温度を所定の接合温度まで加熱して前記第一接合面と前記第二接合面とを接合させる加熱接合工程と、
を備える金属部材の接合方法。 - 前記所定の接合温度は、前記第一接合面と前記第二接合面とを、液相状態より低い温度で成立し固体の状態で接合が可能となる固相状態とする温度であり、
前記加熱接合工程において、前記第一接合面及び前記第二接合面は、前記固相状態において圧着方向に加圧されて接合する、請求項1に記載の金属部材の接合方法。 - 前記加熱接合工程において、前記加熱接合用レーザ光の前記第三出力は、前記酸化膜形成用レーザ光の前記第一出力よりも小さい、請求項1又は2に記載の金属部材の接合方法。
- 前記第一吸収率は、前記酸化膜の膜厚との関係において、前記膜厚の増大方向への変化に対して極大値と極小値とが交互に出現する周期性を有するとともに前記酸化膜の膜厚がゼロの場合に最も小さくなる特性を有し、
前記レーザ光切り替え工程における前記所定の吸収率は、前記周期性を有する前記膜厚との関係において、前記酸化膜の膜厚が前記ゼロを超え、はじめに前記第一吸収率が前記極大値として出現する第一極大値に対応する第一極大膜厚、及び前記第一極大値の次に前記第一吸収率が前記極大値として出現する第二極大値に対応する第二極大膜厚との間において、前記第一吸収率が前記極小値として出現する第一極小値に対応する第一極小膜厚より小さな第一膜厚範囲と、前記第一極小膜厚以上で、且つ前記第二極大膜厚を含み、前記第二極大値の次に前記第一吸収率が前記極大値として出現する第三極大値に対応する第三極大膜厚と前記第二極大膜厚との間において、前記第一吸収率が前記極小値として出現する第二極小値に対応する第二極小膜厚より小さな第二膜厚範囲と、を合わせた膜厚範囲に対応する前記第一吸収率の範囲内で設定される、請求項1−3の何れか1項に記載の金属部材の接合方法。 - 前記第一吸収率の範囲は、20%〜60%である、請求項4に記載の金属部材の接合方法。
- 前記レーザ光切り替え工程における前記所定の吸収率は、前記周期性を有する前記膜厚との関係において、前記第一膜厚範囲に対応する前記第一吸収率の範囲内で設定される、請求項4又は5に記載の金属部材の接合方法。
- 前記所定の吸収率は、前記第一極大値に設定される、請求項4−6の何れか1項に記載の金属部材の接合方法。
- 前記所定の吸収率は、40%に設定される、請求項4−6の何れか1項に記載の金属部材の接合方法。
- 前記酸化膜形成工程では、前記酸化膜形成用レーザ光が、前記照射面に直交して入射される、請求項1−8の何れか1項に記載の金属部材の接合方法。
- 前記接合方法は、
前記加熱接合工程において前記照射面に前記第三出力で照射される前記加熱接合用レーザ光が、前記照射面で反射され生成される第二反射レーザ光の出力である第四出力を検出する第二反射レーザ光検出工程と、
前記第三出力、及び前記第四出力に基づき、前記第一金属部材の前記照射面における前記加熱接合用レーザ光の第二吸収率を演算する第二吸収率演算工程と、を備え、
前記加熱接合工程では、
前記加熱接合用レーザ光の照射時間の増大に伴い変化する前記第二吸収率に基づき前記第三出力を調整する、
請求項1−9の何れか1項に記載の金属部材の接合方法。 - 第一金属部材の照射面に加熱接合用レーザ光を照射して前記第一金属部材の第一接合面を加熱し、前記第一接合面と、前記第一接合面と当接する第二金属部材の第二接合面と、を接合する接合装置であって、
前記接合装置は、
前記第一金属部材の前記照射面に酸化膜形成用レーザ光を第一出力で照射し、前記照射面上に、前記酸化膜形成用レーザ光の前記第一出力及び照射時間に応じた膜厚の酸化膜を形成するレーザ光調整照射部と、
前記酸化膜形成用レーザ光が前記照射面で反射されて生成される第一反射レーザ光の出力である第二出力を検出する第一反射レーザ光検出部と、
前記第一出力及び前記第二出力に基づき、前記第一金属部材の前記照射面における前記酸化膜形成用レーザ光の第一吸収率を演算する第一吸収率演算部と、
前記第一吸収率が所定の吸収率以上であると判定された場合に、前記照射面への前記酸化膜形成用レーザ光の照射を前記加熱接合用レーザ光に切り替えるレーザ光切り替え部と、
前記加熱接合用レーザ光に切り替えられた後、前記加熱接合用レーザ光を、前記照射面に第三出力で照射し、前記第一接合面の温度を所定の接合温度まで加熱して前記第一接合面と前記第二接合面とを接合させる加熱接合制御部と、
を備える金属部材の接合装置。 - 前記第一反射レーザ光検出部では、前記第一反射レーザ光の前記第二出力をパワーメータによって検出する、請求項11に記載の金属部材の接合装置。
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