(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下板上に、該下板よりも熱伝導率が高い材料からなる上板を重ね、上板側からレーザを照射して上・下板を接合するレーザ接合方法において、前記上板に、予め凹穴を形成し、該凹穴を中心にレーザを照射して上・下板を接合するレーザ接合方法であって、
前記下板が、半導体装置の樹脂ハウジング内に配置された基板上の鉄系材料からなるパッドであり、前記上板が、前記樹脂ハウジングに一体成形された銅系材料からなるバスバーであることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項２】
上板の凹穴の底面に照射パターンが形成されるようにレーザを照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合方法。
【請求項３】
上板に形成する凹穴を底面に向かって次第に縮径するテーパ穴とし、該テーパ穴の壁面に沿う部分に照射パターンの周辺が重なるようにレーザを照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合方法。
【請求項４】
上板の凹穴が、予め上板に開けた下孔を中心にポンチを押込んで成形されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ接合方法。
【請求項５】
レーザの照射中、その照射部から発生するプラズマ光をモニタリングし、該プラズマ光の光強度変化から接合品質を判定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザにより上・下二枚の板体を重ね溶接するレーザ接合方法に係り、より詳しくは熱伝導率、レーザ反射率等の異なる異種材料からなる金属板同士の接合に向けて好適なレーザ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、樹脂ハウジング内に電子回路（基板）を納めた半導体装置には、ハウジングとバスバーとを一体成形し、ハウジングから延出したバスバーの端部をハウジング内に配置された基板に重ねて接合するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような半導体装置において、その基板とバスバーとの接合には種々の方法が用いられているが、最近では、接合強度のより一層の向上を図るため、基板上に鉄系材料からなるパッド（電極）を設けて、このパッドにバスバーをレーザ接合することが行われている。
【０００３】
ところで、上記バスバーは、通常、純銅、真鍮等の銅系材料からなっており、上記した鉄系材料のパッドと比べると、レーザ反射率および熱伝導率が著しく高くなっている。このため、パッド上にバスバーを重ねてバスバー側からレーザを照射すると、上板となるバスバーの加熱溶融に非常に高いエネルギー密度のレーザが必要になり、設備の大型化および消費エネルギーの増大が避けられないようになる。また、バスバーの加熱溶融を促進するため、エネルギー密度を無理に高くすると、レーザがバスバーを貫通して下板となるパッドに到達すると同時に、エネルギーオーバーとなってパッドが過熱されてしまい、パッドに孔が明く現象が起きやすくなる。また、前記バッドのように下板が鉄系材料からなる場合は、下板に含まれる低沸点成分が激しくガス化し、ブローホールとして接合部に残り易くなる。
【０００４】
そこで、上記したごとき異種材料からなる下板と上板とをレーザ接合する場合は、例えば、図８に示されるように、下板１に重ねる上板２に、予め小径の透孔（貫通孔）３を形成し、この貫通孔３を中心にレーザＬを照射して、上板２の溶融を促進させることが試みられている（特許文献２の第８図参照）。しかし、レーザのエネルギーは、通常ガウシアン分布となって、その中心部が高エネルギー密度となっているので、前記したレーザ接合方法では、高エネルギー密度のレーザ中心部が、貫通孔３を透過して直接下板１に照射されることになり、上記したと同様に下板１側でエネルギーオーバーとなって、下板１に孔明きが発生しすくなる。
【０００５】
一方、上記した特許文献２には、図９に示されるように、上板２に比較的大径の透孔（貫通孔）３を形成して、この貫通孔３内に上板２と同質材料の小片４を複数入れ、貫通孔中心にその周辺を含めてレーザＬを照射して、このレーザＬを小片４の間隙を通して下板１も到達させて、上板２、小片４および下板１をバランスよく加熱溶融することが提案されている。しかし、このようなレーザ接合方法では、貫通孔３内に入れる小片４の大きさや個数を厳密に管理しないと、下板１に到達するレーザＬの光量が増して下板１が過熱されしまい、下板１に孔明きが発生する危険がある。また、この場合は、貫通孔３に一様に小片５を入れる面倒な作業も必要になり、作業性の悪化も避けられない。
【０００６】
また、上記した特許文献２には、図１０（ａ）に示されるように、レーザＬを異形の凸レンズ５によりリング状の照射パターンに整形し、エネルギー密度の高いリング状部分を上板２に形成した透孔（貫通孔）３の周縁部に照射して、上板２および下板１をバランスよく加熱溶融することが提案されている。しかし、この場合は、高価な異形の凸レンズ５が必要になるため、装置にかかるコスト負担が大きくなる。また、このように孔の周縁部を加熱溶融する場合は、同図（ｂ）に示されるように、融合部６の裏側に陰ができて下板１との融合が不十分になる虞があり、所望の接合強度を得るのが困難になる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−６４３９８号公報
【特許文献２】特開昭５７−９１８９５号公報（第１図、第５図、第８図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記したレーザにより異種金属同士を重ね溶接する際に生じる種々の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、レーザ反射率や熱伝導率の異なる異種金属同士を高品質にかつ効率よく重ね溶接することができるレーザ接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、下板上に、該下板よりも熱伝導率が高い材料からなる上板を重ね、上板側からレーザを照射して上・下板を接合するレーザ接合方法において、前記上板に、予め凹穴を形成し、該凹穴を中心にレーザを照射して上・下板を接合する方法であって、前記下板が、半導体装置の樹脂ハウジング内に配置された基板上の鉄系材料からなるパッドであり、前記上板が、前記樹脂ハウジングに一体成形された銅系材料からなるバスバーであることを特徴とする。
【００１０】
このように行うレーザ接合方法においては、少なくとも凹穴の底の薄肉部分を中心に上板が加熱されるので、レーザ照射のエネルギー密度を特別高くしなくても上板の加熱溶融が促進され、レーザが直接下板に照射されないこともあって、下板側でエネルギーオーバーになることはなくなる。そして、下板側でエネルギーオーバーになることがなくなる結果、下板における孔明きが防止され、さらには、下板が鉄系材料からなっていても、低沸点成分が激しくガス化することはなく、接合部におけるブローホールの発生も抑制される。
【００１１】
本発明においては、上板の凹穴の底面に照射パターンが形成されるようにレーザを照射するようにしてもよく、この場合は、凹穴の底の薄肉部が集中的に加熱溶融されるので、上板の加熱溶融がより一層促進される。
【００１２】
本発明においてはまた、上板に形成する凹穴を底面に向かって次第に縮径するテーパ穴とし、該テーパ穴の壁面に沿う部分に照射パターンの周辺が重なるようにレーザを照射するようにしてもよく、この場合は、テーパ穴の壁面に沿う部分も加熱溶融されて凹部に形成される溶融金属の量が増すので、上板と下板との融合がより一層促進される。
【００１３】
本発明において、下板および上板の材種は任意であるが、下板が鉄系材料からなり、上板が銅系材料からなる構成とすることができる。銅系材料のレーザ反射率、熱伝導率は鉄系材料に比べて著しく高くなるが、本発明によれば、このような組合せでも、円滑にレーザ接合することができる。この場合、下板が、半導体装置の樹脂ハウジング内に配置された基板上のパッドであり、上板が、前記ハウジングに一体成形されたバスバーである構成とすることができる。
【００１４】
本発明において、上板の凹穴を形成する方法は任意であるが、量産性およびコストを考慮すれば、プレス成形によって形成するのが望ましい。この場合、予め上板に開けた下孔を中心にポンチを押込んで成形するのが望ましい。これは、下孔なしで成形すると、凹穴の開口縁に応力が集中してクラックが発生するためであり、前記したように下孔を中心にピンチを押し込んだ場合は、応力集中が緩和されてクラック発生が防止される。
【００１５】
本発明はさらに、上記したレーザの照射中、その照射部から発生するプラズマ光をモニタリングし、該プラズマ光の光強度変化から接合品質を判定するようにしてもよい。レーザ照射中、万一下板に孔明きが発生し、あるいは下板に含まれる低沸点成分のガス化が激しく起こると、レーザ照射部から発生するプラズマ光の高強度が大きく変化するので、このプラズマ光をモニタリングすることで、接合不具合を確実に把握することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るレーザ接合方法によれば、レーザ反射率または熱伝導率が高い材料を上板として重ね溶接する際、レーザ照射のエネルギー密度を特別高くする必要はなく、設備や消費エネルギーに要するコスト負担が大幅に低減する。また、下板側がエネルギーオーバーとなることもなくなるので、高品質の接合部を安定して得ることができる。
また、上記特有の効果から、例えば、鉄系材料からなる基板上のパッドと銅系材料からなるバスバーとの接合を必要とする半導体装置の製造に向けて極めて有用となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態を示したものである。本第１の実施形態は、鉄系材料からなる下板１０上に銅系材料からなる上板１１を重ね、上板１１側からレーザＬを照射して両者を重ね溶接するもので、上板１１の上面側には、予め凹穴１２が形成されている。本実施形態において、上板１１に形成する凹穴１２の大きさは、レーザ照射に必要かつ十分な大きさの面積を確保でき、なおかつ接合に必要かつ十分な量の融合部１３を確保できれば任意であるが、一例として、上板１１の板厚が１ｍｍの場合、その直径Ｄは２〜２.５ｍｍ程度、その深さＨは０.２〜０.５ｍｍ程度にそれぞれ設定される。
【００１９】
レーザ接合に際しては、図１（ａ）に示されるように、下板１０に上板１１を重ねてセットした後、上板１１の凹穴１２の底面に照射パターンが形成されるようにレーザＬを照射する。このレーザ照射により、凹穴１２の底の薄肉部分１２ａが集中的に加熱されて溶融し、その熱を受けて下板１０も加熱溶融する。そして、同図（ｂ）に示されるように、下板１０と上板１１との合せ部には、両者の材料が融合した融合部１３が形成され、その後、前記融合部１３が凝固することで、下板１０と上板１１とは確実に接合される。
【００２０】
ところで、銅系材料からなる上板１１は、鉄系材料からなる下板１０に比べて、レーザ反射率および熱伝導率が著しく高くなっており、上板１１に凹穴１２が存在しない場合は、上板１１の加熱溶融に大きなエネルギー密度のレーザが必要になる。しかし、本実施形態においては、上記したように凹穴１２の底の薄肉部分１２ａを中心に上板１１が加熱されるので、レーザ照射のエネルギー密度をそれほど高くしなくても上板１１の加熱溶融が促進され、したがって、下板１０にレーザＬが到達してもエネルギーオーバーになることはない。また、前出図８に示したようにレーザＬが直接下板１０に照射されることもないので、この面からも、下板１０側でエネルギーオーバーになることはない。この結果、下板１０が過熱されることはなくなり、下板１０における孔明きが防止される。また、下板１０の鉄系材料に含まれる低沸点成分のガス化も抑制され、このガス化に起因するブローホールの発生も抑制される。
【００２１】
図２は、本発明の第２の実施形態を示したものである。本第２の実施形態の特徴とするところは、同図（ａ）に示されるように、上板１１に形成する凹穴を底面に向かって次第に縮径するテーパ穴１２´とし、このテーパ穴１２´の壁面に沿う部分に照射パターンの周辺が重なるようにレーザＬを照射するようにした点にある。なお、下板１０が鉄系材料からなり、上板１１が銅系材料からなる点は、第１の実施形態と同じである。
【００２２】
本第２の実施形態においては、テーパ穴１２´の底の薄肉部分１２ａに加え、テーパ穴１２´の壁面に沿う部分もレーザＬによって加熱溶融するので、凹穴内に形成される溶融金属の量が増し、その熱を受けて下板１０も効率よく加熱溶融する。そして、図２（ｂ）に示されるように、下板１０と上板１１との合せ部には、両者の材料が融合した融合部１３が広範に形成され、その後、前記融合部１３が凝固することで、下板１０と上板１１とは確実に接合される。また、このレーザ接合に際し、下板１０側でエネルギーオーバーになることがないことは、第１の実施形態と同様であり、結果として下板１０における孔明きが防止されるとともに、下板１０側における低融点成分のガス化が抑制される。
【００２３】
図３は、本レーザ接合方法を半導体装置の製造に適用した場合の１つの実施形態を示したものである。本実施形態において、半導体装置２０は、樹脂ハウジング２１とバスバー２２とを一体成形した後、ハウジング２１から延出したバスバー２２の端部をハウジング２１内に配置した基板２３上のパッド２４に重ねてレーザ接合することにより製造される。この半導体装置において、その基板２３上のパッド２４は鉄系材料から、そのバスバー２２は銅系材料からそれぞれなっており、したがって、パッド２４は上記した下板１０（図１、２）に、バスバー２２は上記した上板１１（図１、２）にそれぞれ相当している。
【００２４】
バスバー２２は、図４に示されるように、ここではクランク形状をなしており、その一端部には、予め上記した凹穴１２（図１）または１２´（図２）に相当する凹穴２５が形成されている。バスバー２２は、前記凹穴２５を設けた側と反対側端部がハウジング２１と一体成形され、この状態で、凹穴２５を設けた側の端部が、基板２３上のパッド２４に下面をわずか接触させる状態に位置決めされるようになっている。
【００２５】
上記バスバー２２に凹穴１５を形成するには、コスト安に量産できることから、プレス成形を用いるのが望ましい。この場合、ポンチを単に押込むと、成形された凹穴２５の開口縁に応力が集中してクラックＣが発生する虞があるので、図５に示す方法を採用するのが望ましい。
【００２６】
図５中、３０はポンチ、３１は下型であり、ポンチ３０の先端にはバスバー２２の端部に押し込まれる突起３２が形成され、下型３１にはバスバー２２を受ける凹部３３が形成されている。凹穴２５の成形に際しては、同図（ａ）に示されるように、予めバスバー２２の端部に下孔３４を開けておく。そして、同図（ｂ）に示されるように、前記下孔３４が開けられたバスバー２２の端部を下型３１の凹部３３内にセットし、ポンチ３０を下降させる。すると、ポンチ３０の先端の突起３２が前記下孔３４を中心にバスバー２２に次第に押し込まれ、これに応じてバスバー２２の材料が孔３４の中心側へ塑性流動するとともに、側方へ膨出する。そして遂には、同図（ｃ）に示されるように、ポンチ３０の肩部３０ａがバスバー２２の上面に接して、バスバー２２の先端部全体が押し潰され、これによって所定形状の凹穴２５が成形される。前記したようにポンチ３０の押し込みに応じてバスバー２２の材料が下孔３４の中心側へ塑性流動するので、応力集中が緩和され、これによって上記したクラックＣ（図４）の発生が防止される。
【００２７】
上記バスバー２２と基板２３上のパッド２４とをレーザ接合するためのレーザ接合装置は、一例として、図６に示されるように構成されている。同図において、４０はレーザトーチ、４１はレーザ発振器（例えば、ＹＡＧレーザ発振器）であり、レーザトーチ４０内には、レーザ発振器４１から伝送されたレーザＬをレーザトーチ４０の先端から出射させるための反射ミラー４２や図示を略す光学レンズが配設されている。前記バスバー２２とパッド２４とのレーザ接合に際しては、レーザトーチ４０を適宜のハンドリング手段（ロボット等）により前記樹脂ハウジング２１（図３）内に直立姿勢で装入し、レーザトーチ４０の先端を上板となるバスバー２２の上面に当接させて、バスバー２２を下板となるパッド２４に押圧する。そして、この状態でレーザＬを前記バスバー２２に予め形成した凹穴２５（図４）を中心に照射し、図１、２に示したと同様の形態でバスバー２２とパッド２４とをレーザ接合する。
【００２８】
ところで、上記したレーザ接合においては、バスバー２２とパッド２４の成分変化、凹穴２５を含めたバスバー２２の寸法的なバラツキなどの要因で、溶接状況が変動し、場合によっては、下板となるパッド２４に前記孔明きが生じ、あるいは低沸点成分の激しいガス化が起こる。一方、レーザ照射部で発生する光は、図７に示されるように波長１０００〜１２００ｎｍのレーザ反射光の他、波長５００〜６００ｎｍのプラズマ光と波長１３００〜１７００ｎｍ遠赤外光とを含んでいる。このうち、プラズマ光および遠赤外光は、前記孔明き発生の有無や低沸点成分のガス化の程度によって大きく変化する。なお、遠赤外光は、融合部１３（図１、２）から発生するもので、該融合部１３の表面温度に応じて変化する。そこで、本実施形態においては、同じく図６に示されるように、レーザ接合装置に、レーザ照射部で発生したプラズマ光および遠赤外光をモニタリングし、レーザ接合品質を判定するモニタリング装置５０を付設している。
【００２９】
より詳しくは、上記モニタリング装置５０は、レーザ照射部（融合部１３）で発生したレーザ反射光、プラズマ光および遠赤外光を照射用レーザＬの光軸と同軸で集光する２つの集光レンズ５１，５２と、後側の集合レンズ５２を透過した光を反射する反射ミラー５３と、前記光に含まれるプラズマ光を分岐するハーフミラー５４と、このハーフミラー５４から直進した光から遠赤外光を分岐するハーフミラー５５と、プラズマ光および遠赤外光を光強度を検出する検出部５６と検出部５６で検出結果に基づいて溶接不具合を判定する判定手段（パソコン）５７とを備えている。検出部５６は、前記２つのハーフミラー５４および５５に対応して２系列設けられており、各系列は、特定波長の光を透過するバンドパスフィルタ５８Ａ，５８Ｂと、集光レンズ５９Ａ，５９Ｂと、光電変換素子としてのフォトダイオード６０Ａ，６０Ｂと、光の信号レベルを増幅するアンプ６１Ａ，６１Ｂとからなっている。
【００３０】
上記モニタリング装置５０においては、レーザ照射部で発生した光の中から、専用のハーフミラー５４、５５によってプラズマ光と遠赤外光とが抽出され、それぞれの強度が検出部５６で検出される。したがって、予めプラズマ光および遠赤外光の強度レベルと接合品質（孔明き、ブローホール等）との相関を求め、判定手段５７に、これらプラズマ光および遠赤外光に対応する適当な強度レベルのしきい値を設定しておくことで、孔明き発生の有無や低沸点成分のガス化の程度を把握することができる。このようにすることで、後にＸ線による内部検査が不要になり、その分、品質保証に要するコスト負担が軽減する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るレーザ接合方法の第１の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係るレーザ接合方法の第２の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明に係るレーザ接合方法を半導体装置の製造に適用した場合の１つの実施形態を示す側面図である。
【図４】半導体装置の製造で用いるバスバーの形状を示す斜視図である。
【図５】図４に示したバスバーに対する凹穴の成形工程を示す工程図である。
【図６】レーザ接合品質を判定するためのモニタリング装置の構造を模式的に示す系統図である。
【図７】レーザ照射から発生する光の波長分布を示すグラフである。
【図８】異種金属同士の重ね溶接に適用した従来のレーザ接合方法の一例を模式的に示す断面図である。
【図９】異種金属同士の重ね溶接に適用した従来のレーザ接合方法の他の例を模式的に示す断面図である。
【図１０】異種金属同士の重ね溶接に適用した従来のレーザ接合方法の、さらに他の例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  下板
１１  上板
１２  凹穴
１２ａ  薄肉部
２１  樹脂ハウジング
２２  バスバー
２３  基板２３
２４  基板上のパッド
３０  ポンチ
３４  下孔
５０  モニタリング装置
Ｌ    レーザ
【図１】
0004739063.tif 000002
【図２】
0004739063.tif 000003
【図３】
0004739063.tif 000004
【図４】
0004739063.tif 000005
【図５】
0004739063.tif 000006
【図６】
0004739063.tif 000007
【図７】
0004739063.tif 000008
【図８】
0004739063.tif 000009
【図９】
0004739063.tif 000010
【図１０】
0004739063.tif 000011