JP4722930B2 - ２つの溶接部分のすみ肉による溶接方法およびこのための傾斜先細り縁領域を有する溶接部分 - Google Patents

Description

本発明は、特に感受性の高いパワー半導体構造要素の金属冷却体を導体路と溶接するための、２つの溶接部分のすみ肉による溶接方法に関するものである。さらに、本発明は、本方法を実行するために適している特殊な溶接部分の形態に関するものである。

ドイツ特許公開第１９９１２４４３号から、少なくとも１つの半導体構造要素を有する電気構造ユニットが既知であり、この電気構造ユニットにおいては、例えば打抜き格子として形成された導体路が、パワー半導体構造要素の金属冷却体とすみ肉により溶接される。これにより、確実な電気接点が達成され且つ同時にパワー半導体構造要素の損失熱の導体路への放出が保証される。パワー半導体構造要素の冷却体は通常構造要素の接続接点と結合されているので、当該接続接点がさらに当該導体路と電気的に結合される必要がないという利点がさらに得られる。

パワー半導体構造要素を導体路と溶接するとき、溶接過程により、できるだけ少ない熱量をパワー半導体構造要素の冷却体に伝達させることが必要であり、その理由は、もしそうでない場合、冷却体上に配置されている半導体チップの損傷または破壊の危険性が存在するからである。

本出願人により従来実行されてきた溶接方法に関連する問題点を簡単に説明するために、以下にこの溶接方法を図１ａおよび１ｂの図によって詳細に説明する。
図１ａに示されているように、例えば打抜き格子の形の導体路とすることができる第１の溶接部分１が、その下側で、第２の溶接部分３の上側と接触させられる。第２の溶接部分は、例えばパワー半導体構造要素の金属冷却体とすることができる。

溶接は、例えばレーザ溶接により、第１の溶接部分１の右縁において行われるものとする。このために、溶接エネルギーは、レーザ・ビーム５により、第１の溶接部分の縁領域において第１の溶接部分内に投入される。第２の溶接部分３はパワー半導体構造要素の冷却体であるので、半導体チップの損傷または破壊を回避するために、溶接エネルギーはできるだけ少量のみが第２の溶接部分３内に流入されるように配慮されなければならない。したがって、レーザ・ビームは、第１の溶接部分１に関して、スポット幅ω₀に対応する直径を有するレーザ・ビームが、直径ω₀のその全スポットが、第１の溶接部分１の上部コーナーの範囲内に存在するように位置決めされる。実験により、レーザ・ビームが第１および第２の溶接部分１、３間の接触面となす角度が、好ましくは５０−８０°の範囲内にあるべきであることがわかった。レーザ・ビーム５が接触面となす角度が９０°以上の場合、第１の溶接部分１の縁と第２の溶接部分３の表面との間に、希望のすみ肉は形成されないであろう。

完成した溶接結合が図１ｂに示されている。第１の溶接部分の上部のコーナー領域ないしは縁領域は、レーザ・ビーム５による溶接エネルギーの流入によって溶解されている。この場合、レーザ・ビームを、直接、第１の溶接部分１の縁と第２の溶接部分３の表面との間のコーナー領域内に向けることができなかったので、この結果、第１の溶接部分１の上部の縁領域ないしはコーナー領域全体が溶解されなければならなかった。この場合、第１の溶接部分１の縁領域全体が溶解されるのみならず、溶解された第１の溶接部分の縁に隣接する第２の溶接部分３の十分な領域もまた、第１の溶接部分１の材料と共に溶解され且つそれと溶着されるように、溶接エネルギーは多量に且つ長い時間保持されなければならない。

完成したすみ肉溶接形状が図１ｂに示されている。上部コーナーの必要な溶解およびできるだけ少なく使用される溶接エネルギーのために、しばしば外観的に好ましくない溶接形状が得られることがあり、その理由は、比較的大きな材料流れが必要となるからである。

さらに、レーザ・ビームに対する溶接部分の位置決めは、第１の溶接部分の直角コーナーのためにきわめてむずかしくなる。図１において第１の溶接部分１を僅かに左へシフトしただけでも、この結果、レーザ・ビームはその溶接エネルギーを感受性の高い第２の溶接部分３の付近またはそれ自身にもさらに多量に流入させることになるであろう。これは絶対に回避されなければならない。

さらに、レーザ・ビーム５に対する第１の溶接部分１の僅かな位置変化が、第１の溶接部分１の縁領域の溶解において、著しく異なる材料流れを形成することになる。したがって、外観的に好ましい均一な溶接継目を形成することは困難である。

したがって、この従来技術から出発して、第１の溶接部分と熱感受性の高い第２の溶接部分との溶接もまた可能にし、且つ同時に溶接エネルギーの流入点位置に対する第１の溶接部分の位置決めに関してより低い精度で可能な、２つの溶接部分のすみ肉による溶接方法を提供することが本発明の課題である。さらに、このために適切な溶接部分を提供すること、並びに少なくとも１つのパワー半導体構造要素の冷却体と溶接すみ肉により結合されている導体路を有する電気構造ユニットを提供することが本発明の課題である。

本発明は、この課題を、請求項１ないしは４および１１の特徴により解決する。
本発明は、溶接過程の間に、溶接エネルギーが、第１の溶接部分の縁から所定の距離を有するエネルギー供給領域内における、第１の溶接部分の、当接面とは反対側の面のみに供給されることによって、第１および第２の溶接部分間のすみ肉を形成するための溶接エネルギーは提供可能であるという知見から出発している。これにより、より低い位置決め精度が可能になり、その理由は、溶接エネルギーは、図１ａおよび１ｂにより説明されたように、その一部がもはや第１の溶接部分の垂直側面に供給されることがないからである。驚くべきことに、実験により、エネルギーの供給が、第１の溶接部分の縁から所定の距離を有するエネルギー供給領域内において行われるときでも、溶接が可能であることがわかった。第１の溶接部分の厚さの関数として、確かに、エネルギー供給領域の範囲内の第１の溶接部分の厚さ内の全材料が溶解されるほどに多量のエネルギーが供給されなければならないが、エネルギー供給領域内の第１の溶接部分のこの厚さはそれに対応して選択可能である。より低い位置決め精度のほかに、本発明の方法により、エネルギー供給領域と第１の溶接部分の本来の縁との間の材料が完全且つ良好な溶接継目を形成するための供給材料の機能を受け持つことが可能であるという利点が達成される。

溶接エネルギーの供給は一方向に行われ、この場合、形成されるべきすみ肉の延長線に対して直角な方向成分が、第１および第２の溶接部分の当接面の接触面と、５０−８０°の範囲内の溶接角度を形成することが好ましい。

本発明の好ましい実施形態においては、溶接エネルギーは例えばパルス状の溶接レーザにより供給される。所定の長さの溶接継目を形成するために、この場合、それぞれその中でエネルギーの流入が行われる点状ないしはスポット状領域に対して、溶接部分をシフトすることが必要であることは明らかである。

本発明により、第１の溶接部分は、エネルギー供給領域を含むその縁領域内に、すみ肉を形成するための溶接過程に好ましい構造を備えている。
この構造は、例えば、縁領域が、接触面に直角で且つすみ肉の方向に直角な平面内において、先細り断面を有するように選択されたものとしてもよい。例えば、縁領域の表面が、エネルギー供給領域および材料供給領域を含む斜面を有するものとしてもよい。溶接エネルギーの点状の流入または場合により線状であってもよい流入は、このとき、上記の方法で、好ましくはエネルギーの流入方向が斜面に直角なように行うことができる。

本発明の他の実施形態により、縁領域内の溶接部分が、エネルギー供給領域の範囲内において、または溶接部分の内側領域の方向にエネルギー供給領域に隣接する範囲内において、第１の溶接部分の内側領域よりも薄く形成されるようにすることもできる。これにより、エネルギーの流入位置と、第１の溶接部分の、縁領域から離れた領域との間に比較的高い熱伝達抵抗が得られることが達成される。したがって、流入溶接エネルギーは縁領域に集中されたままである。

同時に、より薄い領域に続くエネルギー供給領域および／またはより薄い領域に続く材料供給領域が、第１の溶接部分の当該より薄い領域よりも厚く形成されていてもよい。この構造は、例えば、第１の溶接部分の縁領域内に切込部または凹部を設けることによって形成されることができる。溶接エネルギーの流入は、このとき、凹部の底面に対してのみならずより厚い縁の領域内において行われてもよい。いずれの場合においても、より薄い領域は、熱エネルギー流れを低減させる熱伝達抵抗として働く。

すみ肉を有利に形成するための構造は、第１の溶接部分において、冷間加工法例えば打出し法により形成されてもよい。溶接部分が打抜き部分として形成される場合、打抜き工具がそのせん断刃に後続して対応打出し領域を有することにより、打出し法を打抜き法と同じ作業ステップにおいて行うことができる。第１の溶接部分は、材料供給領域の材料が第１の溶接部分の残りの材料とは異なる材料供給領域を有していてもよい。この材料は、例えばより低い軟化温度または融解温度を有していても、またはその形状的な構造に関してのみでなく、材料組成および強度等のその他のパラメータに関してもまた、溶接継目の形成に対して有利に働く材料を含んでいてもよい。

本発明のその他の実施形態が従属請求項から得られる。
以下に本発明を図面に示されている実施例により詳細に説明する。

図２ａの側面図は第１の溶接部分１を略図で示し、第１の溶接部分１は、その下側が第２の溶接部分３の上側と当接している。第１の溶接部分１は例えば打抜き格子の形の導体路とすることができ、打抜き格子は、パワー半導体構造要素として形成されている第２の溶接部分３と溶接されるものとする。側面図は、この場合、パワー半導体構造要素の冷却体を示すものとする。

溶接は例えばレーザ・ビーム５によるエネルギーの流入によって行うことができ、レーザ・ビーム５はスポット幅ω₀の直径を有している。したがって、エネルギーの流入は、図２ａに示されているように、直径ω₀のほぼ円形のスポット内において行われる。溶接過程を既知の方法よりも改善するために、溶接部分１はその縁領域（図２ａの右側に示されている）内において、溶接部分１の縁の方向に先細りする斜面を有している。斜面７は第１の溶接部分１と第２の溶接部分３との間にすみ肉を形成するための溶接過程に好ましい構造を示している。

図２ａに示されているように、レーザ・ビーム５によるエネルギーの流入方向は斜面７に対して例えば直角とすることができる。所定の長さのすみ肉を形成するために、レーザ・ビーム５と第１および第２の溶接部分１、３との間の相対運動が行われなければならないことは明らかである。エネルギーの流入は、エネルギー供給領域の下側の第１の溶接部分の全範囲（図示の実施例において、斜面７に向かうレーザ・ビーム５のスポットに対応する）と、およびさらにこの範囲に隣接する、第２の溶接部分３の表面内の材料の部分範囲とが溶解するように選択されるべきであることは明らかであり、この場合、両方の溶接部分１、３の溶解された材料範囲は相互に溶着し且つすみ肉１１を形成する。図２ｂは、同様に側面図において、すみ肉１１により溶接された溶接部分１、３を示す。

溶接エネルギーを、第１の溶接部分１の表面上の、第１の溶接部分１の縁から所定の距離を有するエネルギー供給領域内に投入することにより、エネルギーの流入位置に対する溶接部分１、３の位置決め精度に関する低い厳密性が得られる。さらに、エネルギー供給領域と第１の溶接部分の縁との間の領域は材料供給領域として働く。この場合、エネルギーの流入およびそのための構造９は、好ましくは全材料供給領域が溶接過程の間に溶解し且つすみ肉１１を共に形成するように相互に調整されるべきである。このようにして、場合により必要となるであろう追加材料の供給は不要となる。

図３は第１の溶接部分１′の縁領域内の代替構造９′を示す。縁領域９′は、図３に示す溶接部分１′の場合、下向きに斜めに伸長する側壁を有する凹部を含む。レーザ・ビーム５によるエネルギーの流入は、例えば、スポット幅ω₀を有するレーザのスポットが凹部の外側側壁の範囲内に存在するように行うことができる。このようにして、レーザ・スポットの範囲内において、第１の溶接部分１′の底部内で比較的少ない材料のみが溶解されるにすぎないことが達成される。第１の溶接部分１′の縁領域内の凹部の、レーザ・スポットの左側即ち溶接部分１′の内側方向の薄い底部は、エネルギーの流入位置から、第１の溶接部分１′の（内側の）より厚い領域方向への熱伝達に関して、比較的大きい熱伝達抵抗として働く。

図３に示されているように、図３においてエネルギー供給領域の右側に続く材料供給領域は、同様により厚く形成されていてもよい。材料供給領域の厚みないしは材料の量は、溶接過程を実行するための、ないしはすみ肉を形成するための特殊な要求に適合されるようにできる。

図３において、同時に、材料供給領域が残りの溶接部分１′の材料とは異なる材料から形成されてもよいことが教示されている。異なる材料からなるこのような材料供給領域は、例えば、めっき等により形成されてもよい。

図１は、既知のレーザ溶接方法を実行するための第１および第２の溶接部分の略側面図を示す。 図２は、本発明による溶接方法を実行するための第１および第２の溶接部分の略側面図を示す。 図３は、第１の溶接部分の他の実施形態を有する、図２に類似の略側面図を示す。

符号の説明

１、１′ 第１の溶接部分
３ 第２の溶接部分
５ レーザ・ビーム
７ 斜面
９、９′ 構造
１１ すみ肉
α 溶接角
ω₀ スポット幅

Claims (18)

1. 第１の部材（１）を第２の部材（３）上に重ね合わせて溶接する溶接方法であって、
   前記第１の部材（１）が互いに対向する第１の面及び第２の面と第１の縁とを有し、前記第２の部材（３）が、前記第２の面に当接する第３の面を有し、
   （ａ）前記第１の部材（１）の前記第１の縁が前記第２の部材（３）の第３の面上に配置されるように、前記第１の部材の前記第２の面を前記第２の部材の前記第３の面上に重ね合わせる段階と、
   （ｂ）前記第１の部材の前記第１の面のみに、前記第１の縁から所定の距離離れた領域においてレーザ・ビームを供給する段階であって、
   （ｉ）前記レーザ・ビームの供給方向は、前記第１の部材の内部を向く方向であり、且つ、前記第１の部材の前記第２の面及び前記第２の部材の前記第３の面と９０°より小さい溶接角（α）を形成し、および、
   （ｉｉ）前記第１の部材（１）の前記レーザ・ビームが供給される領域から前記第１の縁までの領域が溶解されるとともに、前記第２の部材（３）の前記第１の部材（１）が溶解する領域に当接する領域が溶解され、前記第１の部材（１）及び前記第２の部材（３）の溶解された領域が相互に溶着されるまでの間、前記レーザ・ビームを供給する、
   前記段階と、
   を含む溶接する溶接方法。
2. 前記溶接角（α）が５０−８０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１の溶接方法。
3. 前記レーザ・ビームがパルス状の溶接レーザにより供給されることを特徴とする請求項１または２の溶接方法。
4. 前記第１の部材（１）は、前記第１の縁に向かって厚さが減少する構造（９）を備え、前記レーザ・ビームは前記構造（９）上に照射されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかの溶接方法を実行するための第１の部材。
5. 前記第１の部材（１）は、
   第１の厚さを有する第１の部分と、
   前記第１の部分よりも前記第１の縁に近い側にあり、且つ、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する構造（９’）とを有し、
   前記レーザ・ビームは前記構造（９’）に供給されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかの溶接方法を実行するための第１の部材。
6. 前記第１の部材（１）は、前記構造（９’）よりも更に前記第１の縁に近い側にあり且つ前記第２の厚さよりも厚い第３の厚さを有する第２の部分を更に有することを特徴とする、請求項５に記載の第１の部材。
7. 前記構造（９；９’）が、冷間加工法により形成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかの第１の部材。
8. 前記冷間加工法は、打出し法であり、
   前記第１の部材（１）が打抜き部分として形成されていることと、および、前記構造（９；９’）を形成するための打出し法が前記第１の部材（１）の打抜きと共に１つの作業ステップ内において行われることとを特徴とする請求項７の第１の部材。
9. 導体路を有する電気構造ユニットにおいて、
   前記導体路は、少なくとも１つのパワー半導体構造要素の冷却体と、溶接により、請求項１ないし３のいずれかの溶接方法によって結合され、
   前記導体路が、請求項４ないし８のいずれかの第１の部材（１）として形成され、および前記第２の部材（３）としてのパワー半導体の冷却体と溶接される、
   導体路を有する電気構造ユニット。
10. 第１の板状部材（１）を第２の部材（３）上に重ね合わせて溶接する溶接方法であって、
    前記第１の板状部材（１）が互いに対向する第１の面及び第２の面と第１の縁とを有し、前記第２の部材（３）が、前記第２の面に当接する第３の面を有し、
    （ａ）前記第１の板状部材（１）の前記第１の縁が前記第２の部材（３）の第３の面上に配置されるように、前記第１の板状部材の前記第２の面を前記第２の部材の前記第３の面上に重ね合わせる段階と、
    （ｂ）前記第１の板状部材の前記第１の面のみに、前記第１の縁から所定の距離離れた領域においてレーザ・ビームを供給する段階であって、
    （ｉ）前記レーザ・ビームの供給方向は、前記第１の板状部材の内部を向く方向であり、且つ、前記第１の板状部材の前記第２の面及び前記第２の部材の前記第３の面と９０°より小さい溶接角（α）を形成し、および、
    （ｉｉ）前記第１の板状部材（１）の前記レーザ・ビームが供給される領域から前記第１の縁までの領域が溶解されるとともに、前記第２の部材（３）の前記第１の板状部材（１）が溶解する領域に当接する領域が溶解され、前記第１の板状部材（１）及び前記第２の部材（３）の溶解された領域が相互に溶着されるまでの間、前記レーザ・ビームを供給する、
    前記段階と、
    を含む溶接する溶接方法。
11. 前記溶接角（α）が５０−８０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１０の溶接方法。
12. 前記レーザ・ビームがパルス状の溶接レーザにより供給されることを特徴とする請求項１０または１１の溶接方法。
13. 前記第１の板状部材（１）は、前記第１の縁に向かって厚さが減少する構造（９）を備え、前記レーザ・ビームは前記構造（９）上に照射されることを特徴とする、請求項１０ないし１２のいずれかの溶接方法を実行するための第１の板状部材。
14. 前記第１の板状部材（１）は、
    第１の厚さを有する第１の部分と、
    前記第１の部分よりも前記第１の縁に近い側にあり、且つ、前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有する構造（９’）とを有し、
    前記レーザ・ビームは前記構造（９’）に供給されることを特徴とする、請求項１０ないし１２のいずれかの溶接方法を実行するための第１の板状部材。
15. 前記第１の板状部材（１）は、前記構造（９’）よりも更に前記第１の縁に近い側にあり且つ前記第２の厚さよりも厚い第３の厚さを有する第２の部分を更に有することを特徴とする、請求項１４に記載の第１の板状部材。
16. 前記構造（９；９’）が、冷間加工法により形成されていることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれかの第１の板状部材。
17. 前記冷間加工法は、打出し法であり、
    前記第１の板状部材（１）が打抜き部分として形成されていることと、および、前記構造（９；９’）を形成するための打出し法が前記第１の板状部材（１）の打抜きと共に１つの作業ステップ内において行われることとを特徴とする請求項１６の第１の板状部材。
18. 導体路を有する電気構造ユニットにおいて、
    前記導体路は、少なくとも１つのパワー半導体構造要素の冷却体と、溶接により、請求項１０ないし１２のいずれかの溶接方法によって結合され、
    前記導体路が、請求項１３ないし１７のいずれかの第１の板状部材（１）として形成され、および前記第２の部材（３）としてのパワー半導体の冷却体と溶接される、
    導体路を有する電気構造ユニット。

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