(57)【要約】 【課題】第１銅部材と第２銅部材とを、スパッタを発生させることなく、ＹＡＧレーザ光によって高品質に容易にレーザ溶接できる銅部材のレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】表面側に電解ニッケルメッキ膜２４が露出する第１銅部材２０と、表面側に低融点金属メッキ膜２７が露出する第２銅部材２１とを、第１銅部材２０裏面と第２銅部材２１の表面とで接触させ、ＹＡＧレーザ光３０を第１銅部材２０の表面側の電解ニッケルメッキ膜２４に、該電解ニッケルメッキ膜２４は溶融することなく、第１銅部材２０の銅の母材２３から第２銅部材２１の銅の母材２５の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分３２を溶融する照射条件で照射する。【選択図】  図１
2010069489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅の母材に施された電解ニッケルメッキ膜が表面側に露出する第１銅部材と、銅の母材又は銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が表面側に露出する第２銅部材とを、前記第１銅部材の裏面と前記第２銅部材の表面とで接触させ、前記第１銅部材の電解ニッケルメッキ膜にＹＡＧレーザ光を、前記第１銅部材と前記第２銅部材との接触部に対向する位置で照射することによって前記第１銅部材と前記第２銅部材とを溶融してレーザ溶接する銅部材のレーザ溶接方法において、
前記ＹＡＧレーザ光を前記第１銅部材の電解ニッケルメッキ膜に、該電解ニッケルメッキ膜は溶融することなく、前記第１銅部材の銅の母材から前記第２銅部材の銅の母材の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分を溶融する照射条件で照射することを特徴とする銅部材のレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第１銅部材の裏面側には、前記銅の母材が露出するか又は前記銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出することを特徴とする銅部材のレーザ溶接方法。
【請求項３】
請求項２において、前記第２銅部材の表面側には、前記銅の母材が露出するか又は前記銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出することを特徴とする銅部材のレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第２銅部材の裏面側には、前記接触部と対向する位置に凹部が形成されていることを特徴とする銅部材のレーザ溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記低融点金属はスズ又は銀であることを特徴とする銅部材のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１銅部材と第２銅部材とをＹＡＧレーザ光によって溶接する銅部材のレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーモジュール等の大電流回路のリード、バスバー及びヒートスプレッダ等には導電率が高く、かつ熱伝導性のよい銅材が多用されている。パワー半導体モジュールの銅製パッケージの表面側に銅材からなるリードフレームをＹＡＧレーザ光でレーザ溶接することが開発されている。
【０００３】
銅材のＹＡＧレーザ光の吸収率は低く、レーザ溶接をコントロールしにくい。しかしながら、銅材の表面にニッケルメッキ膜を施すことにより吸収率は３倍程度向上する。非特許文献１では、ニッケルメッキの膜質によるＹＡＧレーザ光によるレーザ溶接への影響を把握するために、銅の母材に無電解ニッケルメッキ膜を表面側で施された第１銅部材と銅の母材に電解ニッケルメッキ膜を表面側で施された第２銅部材とを無電解ニッケルメッキ膜にＹＡＧレーザ光を照射してレーザ溶接する場合と、銅の母材に電解ニッケルメッキ膜を表面側で施された第１銅部材と銅の母材に電解ニッケルメッキ膜を表面側で施された第２銅部材とをＹＡＧレーザ光を電解ニッケルメッキ膜に照射してレーザ溶接した場合について、溶接面積、スパッタの発生等の比較がなされている。そして、無電解ニッケルメッキ膜の融点８９０℃が、電解ニッケルメッキ膜の融点１４５０℃より低いことに起因して、銅の母材に無電解ニッケルメッキ膜を施した場合の方が電解ニッケルメッキ膜を施した場合より溶接面積が広く、かつスパッタの発生が抑制されると記載されている。
【非特許文献１】吉原克彦、後藤  友彰，「パワーモジュールを対象とした銅材料のレーザ接合技術」，マイクロ接合フォーラム（ＦＭＪＰ２００８）講演概要集，産報出版株式会社，平成２０年４月１１日，ｐ．１９−２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、図４に示すように、銅の母材１２に無電解ニッケルメッキ膜１３ａを表面側で施された第１銅部材１１と、銅の母材１４にスズ（Ｓｎ）メッキ膜１５を表面側で施された第２銅部材１６とを、第１銅部材１１の裏面と第２銅部材１６の表面とで接触部１８で接触させた状態で、ＹＡＧレーザ光１０を無電解ニッケルメッキ膜１３ａに照射して両銅部材を試験的にレーザ溶接した。そして、この場合も、スパッタの発生が多いという試験結果を得た。
【０００５】
即ち、発明者が試験的に行ったＹＡＧレーザ光１０によるレーザ溶接では、図４（１）に示すように、第１銅部材１１と第２銅部材１６とが接触された状態で、ＹＡＧレーザ光１０が第１銅部材１１の無電解ニッケルメッキ膜１３に向けて照射されると、図４（２）のように、ＹＡＧレーザ光１０を照射された第１銅部材１１の無電解ニッケルメッキ膜１３がＹＡＧレーザ光１０を吸収して発熱し溶融１３ｃする。このとき、無電解ニッケルメッキ膜１３はリン（Ｐ）を含むので、沸点が２８０℃と低いリンが蒸発してスパッタが発生した。
【０００６】
ＹＡＧレーザ光１０の照射を続けると、図４（４）のように、第１銅部材１１の銅の母材１２から第２銅部材１６の銅の母材１４の表面側から所定深さに至るまでの溶融部分１７がレーザにより溶融し、第１銅部材１１と第２銅部材１６の金属の合金が溶融部分１７の接触部１８部分で形成されてレーザ溶接が完了する。
【０００７】
しかしながら、前述のようにスパッタが発生し、金属異物が第１銅部材１１や第２銅部材１６の表面に取り付けられた電子部品や配線等に付着し電子制御装置等の機能に悪影響を与えることがある。また、レーザ溶接が良好に行われたか否かの品質確認は破壊試験で行っていたので、全数確実に品質確認することが困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、かかる従来の不具合を解消するためになされたもので、第１銅部材と第２銅部材とを、スパッタを発生させることなく、ＹＡＧレーザ光によって高品質に容易にレーザ溶接できる銅部材のレーザ溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、銅の母材に施された電解ニッケルメッキ膜が表面側に露出する第１銅部材と、銅の母材又は銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が表面側に露出する第２銅部材とを、前記第１銅部材の裏面と前記第２銅部材の表面とで接触させ、前記第１銅部材の電解ニッケルメッキ膜にＹＡＧレーザ光を、前記第１銅部材と前記第２銅部材との接触部に対向する位置で照射することによって前記第１銅部材と前記第２銅部材とを溶融してレーザ溶接する銅部材のレーザ溶接方法において、前記ＹＡＧレーザ光を前記第１銅部材の電解ニッケルメッキ膜に、該電解ニッケルメッキ膜は溶融することなく、前記第１銅部材の銅の母材から前記第２銅部材の銅の母材の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分を溶融する照射条件で照射することである。
【００１０】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記第１銅部材の裏面側には、前記銅の母材が露出するか又は前記銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出することである。
【００１１】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、前記第２銅部材の表面側には、前記銅の母材が露出するか又は前記銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出することである。
【００１２】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第２銅部材の裏面側には、前記接触部と対向する位置に凹部が形成されていることである。
【００１３】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記低融点金属はスズ又は銀であることである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、第２銅部材と接触部で接触された第１銅部材の銅の母材に施された電解ニッケルメッキ膜にＹＡＧレーザ光を、該電解ニッケルメッキ膜は溶融することなく、前記第１銅部材の銅の母材から前記第２銅部材の銅の母材の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの間を溶融する照射条件で照射する。
【００１５】
これにより、電解ニッケルメッキ膜は溶融しないので、スパッタが発生することなく第１銅部材と第２銅部材とをＹＡＧレーザ光でレーザ溶接することができる。従って、金属異物が第１銅部材や第２銅部材に飛散して例えば電子部品や配線に付着し、電子制御装置の機能に悪影響を与えることを防止できる。
【００１６】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、前記第１銅部材の裏面側には、銅の母材が露出するか又は銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出しており、電解ニッケルメッキ膜より融点が低いので、ＹＡＧレーザ光が照射される電解ニッケルメッキ膜が溶融しない状態で、前記第１銅部材を裏面側まで溶融することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、前記第２銅部材の表面側には、銅の母材が露出するか又は銅の母材に施された低融点金属メッキ膜が露出しており、電解ニッケルメッキ膜より融点が低いので、ＹＡＧレーザ光が照射されて発熱する電解ニッケルメッキ膜が溶融しない状態で、前記第１銅部材の銅の母材から前記第２銅部材の銅の母材の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの間を溶融することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、前記第２銅部材の裏面側には、前記接触部と対向する位置に凹部が形成されているので、レーザ溶接時の第２銅部材の銅の母材の溶融がこの凹部底面まで至っているか否かを識別することによってレーザ溶接の良否を判定することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、前記第１銅部材、前記第２銅部材に施された前記低融点金属メッキ膜は、スズ又は銀のメッキ膜であるので、前記第１銅部材、前記第２銅部材のワイヤボンディングや電子部品等のはんだ付けを高品質で容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態に係る銅部材のレーザ溶接方法を図面に基づいて説明する。図１（１）に示すように、リード等の第１銅部材２０とリードやスプレッダ等の第２銅部材２１とが、第１銅部材２０の裏面と第２銅部材２１の表面とで接触部２２で接触される。第１銅部材２０は銅の母材２３に電解ニッケルメッキ膜２４が表面側に施されたものであり、電解ニッケルメッキ膜２４が表面側に露出している。第１銅部材２０の裏面側には、低融点金属メッキ膜２６を施してもよく、施さなくてもよい。電気ニッケルメッキ膜２４や低融点金属メッキ膜２６が施してあると、ワイヤボンディングや電子部品等のはんだ付けを高品質で容易に行うことができる。
【００２１】
第２銅部材２１は銅の母材２５に低融点金属メッキ膜２７が表面側に施されたものであり、低融点金属メッキ膜２７が表面側に露出している。なお、第２銅部材２１は銅の母材２５に低融点金属メッキ膜２７が施されていないものでもよく、この場合は銅の母材２５が表面側に露出している。従って、第２銅部材２１は、銅の母材２５が表面側に露出するか又は銅の母材２５に施された低融点金属メッキ膜２７が表面側に露出したものである。
【００２２】
第２銅部材２１の裏面側も、低融点金属メッキ膜２８を施してもよく、施さなくてもよい。第２銅部材２１に低融点金属メッキ膜２８が施してあると、ワイヤボンディングや電子部品等のはんだ付けを高品質で容易に行うことができる。第２銅部材２１の裏面側には、接触部２２と対向する位置に凹部２９が形成されている。低融点金属メッキ膜２６〜２８は、スズ又は銀メッキ膜とするのがよい。
【００２３】
第１銅部材２０の電解ニッケルメッキ膜２４に波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光３０が、第１銅部材２０と第２銅部材２１との接触部２２に対向する位置で照射される。図２に示すように、銅のＹＡＧレーザ光の吸収率は約８％と低く、レーザ溶接のコントロールがしにくい。しかし、第１銅部材２０の表面側で銅の母材２３に施された電気ニッケルメッキ膜２４はＹＡＧレーザ光の吸収率が２４％程度であるので、レーザ溶接を良好にコントロールすることができて品質の高いレーザ溶接を容易に行うことができる。
【００２４】
ＹＡＧレーザ光３０は、第１銅部材２０の表面側の電解ニッケルメッキ膜２４に、該電解ニッケルメッキ膜２４は溶融することなく、第１銅部材２０の銅の母材２３から第２銅部材２１の銅の母材２５の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分３２を溶融する照射条件で照射される。照射条件はＹＡＧレーザ光３０の強さ（ワット）と照射時間で決められる。ＹＡＧレーザ光３０の照射条件は、電解ニッケルメッキ膜２４の温度がその融点１４５０℃より低い例えば１４００℃になるまでの間に第１銅部材２０の銅の母材２３から第２銅部材２１の銅の母材２５の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分３２の温度が銅の融点１０８４℃より高くなるようにすることである。即ち、ＹＡＧレーザ光３０が電解ニッケルメッキ膜２４に照射されると、図１（２）のように、先ず電解ニッケルメッキ膜２４の被照射部分３１が発熱する。電解ニッケルメッキ膜２４の被照射部分３１が発熱して高温になると、図１（３）のように、被照射部分３１から第１銅部材２０の銅の母材２３に熱が伝導され、被照射部分３１の下方部分３３が昇温される。照射時間が所定時間になると、図１（４）のように、電解ニッケルメッキ膜２４の被照射部分３１の温度がその融点１４５０℃より低い例えば１４００℃になった状態で、第１銅部材２０の銅の母材２３から第２銅部材２１の銅の母材２５の表面側から少なくとも所定深さに至るまでの溶融部分３２の温度が熱伝導で銅の融点１０８４℃より高くなり、第２銅部材２１の裏面側に形成された凹部２９の底面も溶融されて変形する。そして、第１銅部材２０と第２銅部材２１の金属の合金が溶融部分３２の接触部２２部分で形成さえレーザ溶接が完了する。
【００２５】
このとき、ＹＡＧレーザ光３０が照射されている電解ニッケルメッキ膜２４の被照射部分３１は溶融しないので、スパッタの発生がない状態で、第１銅部材２０と第２銅部材２１とを高品質にレーザ溶接することができる。また、スズ、銀等の低融点金属のメッキ膜２６、２７が、第１銅部材２０の裏面側で銅の母材２３に、又は第２銅部材２１の表面側で銅の母材２５に施された場合に、銅より融点が低い低融点金属のメッキ膜２６、２７が銅の母材２３、２５より先に溶けても、ＹＡＧレーザ光３０が直接照射されるわけではなく、熱伝導で溶けるのでスパッタは発生しない。しかし、無電解ニッケルメッキのようにリン（Ｐ）を含むと蒸発してスパッタが発生する可能性があるので、低融点金属はリン（Ｐ）を含まないものとする。このように、スパッタによって金属異物が第１銅部材２０や第２銅部材２１に飛散することがないので、例えば第２銅部材２１に設けられた電子部品や配線に金属異物ｇ付着して電子制御装置の機能に悪影響を与えることを防止できる
【００２６】
なお、上記実施の形態では、第１銅部材２０の銅の母材２３に電解ニッケルメッキ膜２４を表面側の全域に亘って施しているが、図３に示すように、ＹＡＧレーザ光３０が照射される被照射部分３１のみに電解ニッケルメッキ膜２４を施すようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施の形態に係る銅部材のレーザ溶接方法を示す図。
【図２】銅及び電解ニッケルメッキ膜のＹＡＧレーザ吸収率を示す図。
【図３】第１銅部材の被照射部分のみに電解ニッケルメッキ膜を施した例を示す図。
【図４】従来の銅部材のレーザ溶接方法を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
２０…第１銅部材、２１…第２銅部材、２２…接触部、２３，２５…銅の母材、２４…電解ニッケルメッキ膜、２６〜２８…低融点金属メッキ膜、２９…凹部、
３０…ＹＡＧレーザ光、３１…被照射部分、３２…溶融部分。
【図１】
2010069489.tif 000003
【図２】
2010069489.tif 000004
【図３】
2010069489.tif 000005
【図４】
2010069489.tif 000006