JP2013539908A - ディスクリート電子部品の組立およびパッケージング方法 - Google Patents

Abstract

電子部品アセンブリは、半導性インク、絶縁性インクおよび導電性インクのうちの少なくとも１つを備える印刷された部品構造を備える。その部品構造は基板上に配置される。部品構造は少なくとも１つの接触領域を形成するとともに、その接触領域に又はその近傍に配置された接続リード線を備える。電気的絶縁性材料による少なくとも１つの層が部品構造を囲む。基板および電気的絶縁性材料による層のうちの少なくとも１つはパッケージング材料を備える。部品構造は、ポリエチレンなどの絶縁性パッケージング材料による層に固定された、紙や別の軟質材料などの基板上に印刷しても良い。あるいは、基板自体が絶縁性パッケージングであっても良い。硬質や軟質の基板を用いた変形例が可能であり、電子部品アセンブリの各種実施例も開示されている。

Description

本発明は、電子部品、特にディスクリート部品の製造方法およびその方法によって製造される部品（コンポーネント）に関する。

エレクトロニクス分野において、機能性インクの印刷には長い伝統がある。例えば、プリント回路基板上に配線や抵抗をスクリーン印刷するために、顔料系インクが用いられる。これらの用途で用いられる厚膜インクは、展色剤（vehicle）と、ナノメートル範囲での寸法を実現できる銀およびカーボンの顔料とで構成される。

多くの機能性材料の印刷は、伝統的に、スクリーン印刷といった従来の印刷技術により行われてきた。最近の開発では、回路の受動部品だけでなく能動部品の印刷も目的とされている。一例として、国際公開第２００４／０６８５３６号に開示されるようなナノ粒子シリコンの印刷があり、この印刷によれば、太陽電池やトランジスタのようなデバイスに半導体層を提供する。

印刷エレクトロニクスの既知の用途における目的は、個々の部品を完全な回路に統合すること、あるいは、個々の部品を大きなデバイスを形成する個々の部品の配列として統合することである。個々の部品の配列としては、ディスプレイを駆動するために用いられるトランジスタの配列や、完全なモジュールを形成する太陽電池の配列などがある。これらの用途において、工程の単純化、生産スケールの拡大および製造コストの低減を目指して、印刷やそれに関連する技術によって得られる利点は一般的な知識である。

本発明の目的は、これらの利点をディスクリート電子部品の製造まで広げることにある。

本発明によれば、ある電子部品の製造方法が提供される。その製造方法は、半導性インク、絶縁性インクおよび導電性インクのうちの少なくとも１つを備える部品構造を、少なくとも１つの接触領域を形成するように基板上に印刷する工程と、少なくとも１つの接触領域に又はその近傍に接続リード線を配置する工程と、部品構造を囲むように、電気的絶縁性材料による少なくとも１つの層を塗布する工程とを有し、基板および電気的絶縁性材料による層のうちの少なくとも１つはパッケージング材料を備える。

さらに本発明によれば、ある電子部品アセンブリが提供される。その電子部品アセンブリは、ａ．半導性インク、絶縁性インクおよび導電性インクのうちの少なくとも１つを備える印刷された部品構造であって、少なくとも１つの接触領域を形成する部品構造と、ｂ．少なくとも１つの接触領域に又はその近傍に配置された接続リード線と、ｃ．部品構造を囲む電気的絶縁性材料による少なくとも１つの層とを備え、基板および電気的絶縁性材料による層のうちの少なくとも１つはパッケージング材料を備える。

パッケージング材料は、これに限定されないが、ポリエステル又はポリエチレンなどのポリマーフィルムを備えることが好ましい。

パッケージング材料は、囲い（enclosure）を形成しても良く、あるいは基板に塗布されるカバー部材であっても良い。

電子部品は、厚膜又は薄膜のデバイスであっても良く、また、厚膜又は薄膜のトランジスタ、フォトダイオード、太陽電池、太陽光電池モジュール、抵抗器、サーミスタ、ダイオード、コンデンサ又は別のディスクリート部品などであっても良い。

好ましい例示的な実施形態において、電子部品は、２０１０年９月１３日に本願の出願人により出願された南アフリカ特許出願第２０１０／０６５３２号「印刷温度センサ（Printed Temperature Sensor）」に記述されるような負の温度係数を有する（NTC）サーミスタなどのサーミスタであっても良い。

基板および絶縁性材料による層は、シートやフィルム材料の場合、平面的であることが好ましい。

基板および絶縁性材料による層のうちの少なくとも１つは、本明細書に開示される軟質材料であっても良い。

軟質の基板材料として、比較的小さな圧縮力により塑性的又は弾性的に変形可能であるものが好ましい。また、弾性材料をショアＡ硬度１００以下の軟質材料と定義しても良い。塑性材料は、ブリネル硬さが通常３０以下の軟質材料でも良い。硬質材料を、ショアＢ硬度１００以上の硬さを有するもの、あるいはブリネル硬さが８０を超えるものと定義しても良い。硬度の中間値を有する材料は、付与される外力に依存して比較的軟質であるものと見なしても良い。本発明の目的のために、軟質材料をショアＡ硬度１００以下の材料と定義される。

大気温度での印刷技術によって生産される電子部品において、基板材料は例えば、紙シート、カード、ボール紙、金属箔、プラスチックシート材料、ポリマーフィルム、又は印刷可能な表面を有する他のあらゆる適切な材料であっても良い。

本発明の別の実施形態では、基板は、本明細書に定義される硬質材料であっても良い。

例えば、基板は、金属シート、アルミナおよび粘土をベースとする材料を有する焼結セラミックシート、石英およびサファイアなどの結晶性セラミック材料、シリコン又はシリコンカーバイドのようなシート又はウェハ半導体材料、あるいはガラスシートであっても良い。

電子部品アセンブリは、基板表面と絶縁性材料による層との間に、少なくとも１つの他の材料による層であって本明細書で定義される軟質材料を有する層を備えていても良い。

好ましい実施形態では、パッケージング材料は、熱可塑性のポリマー材料によるシート又はフィルムであっても良い。

電子部品アセンブリは、ディッピングや溶射・噴射（spraying）などあらゆる既知の技術を用いることなどにより塗布されるポリマー封止媒体で保護するようにしても良い。

本発明は、パッケージング材料による容器又は包装と、本明細書で定義される電子部品アセンブリとを備えるパッケージングにも及ぶ。

本発明の一例による電子部品の拡大模式図 本発明の方法により製造される印刷シリコンNTCサーミスタの一実施形態の模式平面図 本発明の方法により製造される印刷シリコンNTCサーミスタの一実施例の模式平面図 図３のＮＴＣサーミスタの抵抗―温度特性を示すグラフ 本発明の方法により製造される印刷カーボン抵抗器の２つの例の写真 本発明の方法により製造される２つのコンデンサの写真 本発明の方法により製造される平行プレートコンデンサの写真

抵抗の温度係数が負であるサーミスタは、一般的にNTCサーミスタとして知られる。NTCサーミスタでは、温度が上昇すると、電気抵抗が指数関数的に減少する。

本発明のサーミスタに概ね類似する種類の現行のディスクリートサーミスタは、化合物半導体材料の粉末とグラスフリットのようなバインダ材料とを有するペーストにより構成される。このペーストは、セラミック基板上に印刷されるスクリーンか、素地（green body）を形成する鋳型（cast）のいずれかであり、後に高温で焼結されることで、巨大な層又は半導体材料の本体を形成する。厚膜のサーミスタの場合には、熱処理中の歪みのせいで、メタライゼーションの前に正確な抵抗を得るための材料のトリミングが常に必要となる。製造過程では、使用される基板やパッケージング材料上での場所の制限があったため、紙やポリマーフィルムといった軽量で柔軟な材料の使用が不可能であった。

本発明は本質的に、平面基板上にシリコン構造を印刷することおよびその構造を少なくとも１つの接続リード線とともに２つの平面パッケージング材料層間にパッケージングすることによるディスクリート電子部品の製造に関する。ここでの接続リード線は、２つのパッケージング材料層の間からデバイスの外へ出ている。

製造される部品やデバイスの典型的なものは、南アフリカ特許出願第２０１０／０６５３２号に開示されたアーキテクチャのうちの１つによるシリコンインクを用いて印刷される、負の温度係数を有する（NTC）サーミスタである。しかしながら、本明細書に開示されたアセンブリおよびパッケージングの方法は、平坦な（flat）又は平面の（planar）基板上に配置された、他のあらゆる薄膜の、厚膜の又は印刷されたサーミスタにも適用可能である。開示された同じ方法はさらに、限定されない例として、薄膜の又は厚膜のトランジスタ、フォトダイオード、太陽電池、太陽光電池モジュール、抵抗器、ダイオードあるいはコンデンサといった他のあらゆる薄膜の、厚膜の又は印刷された電子部品のアセンブリおよびパッケージングにも適用可能である。

図面を参照すると、図１は、本発明の方法による電子部品アセンブリおよびそのパッケージングの模式図である。上述した印刷方法により、平坦な又は平面の基板１０上に電子部品が配置されて、導電性の接触パッド（contact pad）１４、１６を形成する。１組の接続リード線１８、２０又はワイヤ１８、２０が設けられ、リード線の露出端部は、図示されるように接触パッドに又はその近傍に配置される。

図１には、パッケージング材料による層１２が示されている。絶縁性材料による層２２によって基板１０は層１２に固定される。しかしながら、基板１０又は層２２のいずれかは（あるいはその両方は）電子部品に適用されるパッケージング材料の一部を形成しても良く、その場合、パッケージング材料による絶縁層１２が余分になることもある。

ある実施形態では、電子部品および接触パッドは基板１０上に配置されて、容器（container）の外装パッケージングを形成する基板１０と層２２が互いに取り付けられる。これにより、印刷された部品である接触パッド１４、１６が、基板と外装パッケージングから付与される圧力によって接続リード線１８、２０の端部に接触した状態にて保持される。

基板１０と絶縁性材料による層２２との間又はリード線と絶縁性材料との間に、さらなる支持又は絶縁性の材料を備えても良い。これらの材料は、基板や外装パッケージングと同じ材料であっても良く、機械的サポートを提供するために厚くしても良い。そのような材料は例えば、紙シート、カード、ボール紙、又はポリエチレンのような別の軟質材料などがある。

あるいは、電子デバイスを、パッケージング材料の内部表面に印刷しても又は直接的に配置しても良く、これにより基板を形成する。

軟質の基板材料として、小さな圧縮力の下で塑性的に又は弾性的に変形するものが好ましい。大気温度での印刷技術によって生産される電子部品において、基板材料は例えば、紙シート、カード、ボール紙、金属箔、プラスチックシート材料、ポリマーフィルム、又は他のあらゆる、好ましくは印刷可能な表面を有した、適切な材料であっても良い。

基板材料が硬質又は非圧縮性である場合、基板表面に接触する少なくとも１つの材料が、上述した物理的特性を有する軟質のものであっても良い。製造過程で使用されうる硬質の又は剛体の材料は、これらに制限されないが、金属シート、アルミナおよび粘土をベースとする材料を有する焼結セラミックシート、石英およびサファイアなどの結晶性セラミック材料、シリコン又はシリコンカーバイドのようなシート又はウェハ半導体材料、並びにガラスシートを有するものであっても良い。

電子部品が１つ以上の集積電極を有する場合には、それぞれの電極に少なくとも１つの接触パッドが対応するように、電子部品の外側領域に接触パッドを形成するように電極が外側に延びて配置されることが好ましい。そのような配置の一例が図２に模式的に示されている。図２は、開示された方法により製造される印刷ＮＴＣサーミスタの一実施形態を示す。平行な導電性トラック２４、２６の形態を有する２つの電極が、基板材料のシート２８上にらせん状に配置されるとともに、印刷されたシリコン層３０を有する半導体トラックによって接続又はブリッジされる。図示された配置において、２つのトラック２４、２６が外側に延びることで、部品の対向する縁部上に、比較的広い接触パッド３２、３４を形成する。接触パッド３２、３４上には、接続リード線３６、３８のそれぞれの端部が配置される。完成したアセンブリは、外装パッケージング材料４０による２つのシートの間にて保持される（図２は最下層のみを示す）。

接触パッドは、あらゆる適切な既知の厚膜若しくは薄膜の方法を用いて配置しても良く、好ましくは、集積電極と同じ材料を備える。好ましい実施形態では、印刷可能な銀のスクリーン印刷ペーストが用いられる。あるいは、グラファイト、フラーレン、金、銅若しくはアルミニウムを含むインク、又は、粒子状若しくは粒子凝集体状の他のあらゆる導電材料を含むインクを適用しても良い。PEDOT：PSSなどの有機材料をベースとするインクが、導電パターンを印刷するために用いられるものとして知られているが、この目的のために推奨されているものでない。

好ましくは、パッケージング材料の外側表面に予め、ロゴ、デザイン、グラフィックや製品情報が印刷されている。あるいは、そのような印刷を部品の製造およびパッケージングの後に実施しても良い。

好ましい実施形態では、外側パッケージング材料は熱可塑性の高分子フィルムや高分子シートであり、組み立てられた部品を、熱的ラミネーションによって封止するとともに機械的に安定させることができる。

あるいは、外側パッケージングは接着剤で接着されても良く、あるいは金属材料の場合にははんだ付け又は溶接されていても良い。

外側パッケージングが剛体又は半剛体の場合には、ねじ、ステープル、ボルト、リベット又はあらゆる類似の機械的な締め具を用いて閉じても良い。

好ましい実施形態では、接触リード線は単一ストランド（single strand）の金属ワイヤである。あるいは、マルチストランド（multi-strand）のねじり若しくは編み上げのワイヤ又はフラットリボンを用いても良い。リード線の材料としては、銅ワイヤや銀で覆われた銅ワイヤが好ましい。しかしながら、銀、金、ニッケル、錫、アルミニウム、クロムなどの金属、又はインバー（invar）、青銅、ニクロムなどのこれらの組み合わせや合金を用いても良い。

好ましい実施形態では、リード線は、接触パッドに接触する位置に、パッケージングの封止により生じる機械的圧力によって保持される。あるいは、付加的な機械的安定のために、リード線を接触パッドにはんだ付け又は溶接しても良い。

機械的安定を得る別の方法は、接着剤を用いてリード線を接触パッドに接着することである。この接着剤は、永久的な接着を形成するために用いても良く、又はパッケージングの封止前にリード線を所定位置に保持するために用いても良い。リード線はその後、接触パッドに電気的に接触するようにして機械的外力によって保持される。電気的接続を良好にするために、接着剤に金属が充填されても良く、又は他の導電性の接着剤であっても良い。

好ましい方法においては、組み立てられた部品を、積層（lamination）およびラベル付けの後に切断しても良い。しかしながら、組立および封止の前に、部品パーツのうちのいくつか又はその全てを等しく切断又はトリミングしても良い。

封止およびトリミングの後に、組み立てられた部品をディッピングや溶射・噴射などあらゆる既知の技術を用いてポリマー封止媒体で保護するようにしても良い。

実施例１
図３は、８０ｇ／ｍ^２の普通紙シートの基板４２上に印刷された一連のNTCサーミスタの一例を示す。サーミスタデバイスは、デュポンの５０００銀導体（Du Pont 5000 silver conductor）が印刷された２つの同心電極４４、４６からなり、これらは印刷シリコンリング４８によって接続又はブリッジされている。接触部とシリコンリングの両方がスクリーン印刷によって配置されている。使用されるシリコンインクにおいて、重量の８８％は、アクリル接着剤とともに、国際公開第２００９／１２５３７０号に記載の方法により２５０３グレード冶金シリコン（2503 grade metallurgical silicon）から圧延されたシリコンナノ粒子で構成されている。印刷されたデバイスの全体のサイズは、１５ｍｍ±１０ｍｍである。

本実施例では、完成したサーミスタを組み立てる前に紙基板４２がトリミングされている。絶縁された０．５ｍｍのマルチストランド銅ワイヤで構成された１組の接続リード線５０、５２の端部は、パッケージング材料（図示せず）による外側絶縁層から付与される圧力によってそれぞれが単独で接触パッド５４、５６上に保持されている。外側絶縁層は、１００ミクロンのポリエステル積層フィルムで構成されており、印刷されたサーミスタの周囲３方向へ少なくとも１０ｍｍ外側に延び、また、接続リード線の方向に少なくとも１００ｍｍ外側に延びる。

テストのために、接続リード線の露出部分が水から出るようにしてデバイスを水槽に入れる。電気ホットプレート上の水槽を加熱することにより温度を変化させつつ、デジタル温度計を用いて水の温度を記録する。デバイスの抵抗は、Keithley社のデジタルマルチメータ２０００型を用いて直接的に測定される。

図４は、上述した種類の一般的なデバイスにおける温度特性に対する抵抗を、アレニウスのスケールでプロットした場合の一例を示す。サーミスタは、絶対温度に反比例して抵抗が指数関数的に変化する少なくとも２つの温度領域を示す。

実施例２
図５は、本発明の方法により製造された印刷カーボン抵抗器の２つの例の写真である。それぞれの抵抗器は、基板である１６０ｇｓｍの普通紙ボード上に、デュポンの５０００銀導体を用いてスクリーン印刷された２つの銀接触パッドを備える。独自の成分を有するカーボンベースのインクにより構成された抵抗トラックを、スクリーン印刷により２つの接触パッドの間に付与する。抵抗値は、接触部間の距離の変化やトラックの幅および厚みによって決定される。図示の例においては、抵抗トラックの寸法はそれぞれ２０ｍｍ×２ｍｍと１５ｍｍ×２ｍｍである。フルーク社の１１１マルチメータにより測定された抵抗はそれぞれ６０ｋΩと４０ｋΩである。同軸上に配置された接続リード線は０，５ｍｍの銅ワイヤから形成され、１組の外側積層レイヤの間に保持される。外側積層レイヤのそれぞれは、エチルビニルアセテート（ethyl vinyl acetate）による熱的接着剤で接着された１２５ミクロンのPETシートを備える。デバイスの構造を見るために、透明なパッケージングが用いられている。表面実装のための同様の部品が接続リード線なしで製造される。この場合、印刷された接触部を有する基板の一部が外側パッケージングから突出しても良く、これにより適切なリード線を後で接続することができる。

実施例３
図６は、本発明の方法により製造された低価格で類似の２つのコンデンサの写真である。前述の例では、デバイスの構造を見るために透明なものが積層されていた。４つの銀電極による２つの櫛型セット（interdigitated sets）が、１６０ｇｓｍの紙ボード上にデュポンの５０００銀導体を用いてスクリーン印刷されている。電極の寸法は７．０ｍｍ×０．７５ｍｍであるとともに、長端に沿って０．２５ｍｍ間隔で互いに離れている。電極のセットのそれぞれは平行な状態にて、接触パッドとして機能する広い銀トラックに接続されている。組立前において、デバイスの静電容量は、Peak Atlas LCR４０メータで計測したところ、２．０±０．２pFであった。２つの平行な０．５ｍｍの銅接続リード線が接触パッドに適用されるとともに、外側積層レイヤによって所定位置に保持される。外側積層レイヤは、エチルビニルアセテートの接着剤により熱的に接着された１２５ミクロンの２つのPETシートを備える。組立後において、外側パッケージングは、基板材料に加えて、デバイスの導電材料の一部を形成する。組立られたデバイスの最終的な静電容量は、４．０±０．２pFである。

実施例４
図７は、本発明により製造されたパラレルプレートコンデンサの写真である。実施例２、３のように、基板材料は１６０ｇｓｍの紙ボードであり、外側パッケージングは、エチルビニルアセテートの接着剤により熱的に接着された１２５ミクロンの２つのPETシートを備える。１０ｍｍ四方の平面電極を備え、４ｍｍ直径の接触パッドに対して２ｍｍ幅で接続する第１の銀のレイヤが、デュポンの５０００銀導体を用いてスクリーン印刷されている。延長・接触パッドを露出させた状態にて、１５ｍｍ四方の導電材料（デュポンの８１６５）が平面電極上にスクリーン印刷されている。次に、反対方向に延びるとともに接触パッドを備える第２の銀のレイヤが導電材料上にスクリーン印刷されている。これにより、第２の平面電極が第１の平面電極上に直接的に配置される。図示の例では、０．５ｍｍ直径の銅接続リード線が接触パッドに適用されるとともに、外側パッケージングによって所定位置に固定される。あるいは、表面実装型のデバイスが望まれる場合には、接触パッドをパッケージングから突出させるようにしても良い。本設計におけるコンポーネントの静電容量は、Peak Atlas LCR４０メータで計測したところ、組立前が３００±３０pFで、組立後が４００±４０pFである。

Claims (15)

1. 電子部品を製造する方法であって、
   ａ．半導性インク、絶縁性インクおよび導電性インクのうちの少なくとも１つを備える部品構造を、少なくとも１つの接触領域を形成するように基板上に印刷する工程と、
   ｂ．前記少なくとも１つの接触領域に又はその近傍に接続リード線を配置する工程と、
   ｃ．前記部品構造を囲むように、電気的絶縁性材料による少なくとも１つの層を塗布する工程とを有し、
   ｄ．前記基板および電気的絶縁性材料による前記層のうちの少なくとも１つはパッケージング材料を備える、電子部品の製造方法。
2. ａ．半導性インク、絶縁性インクおよび導電性インクのうちの少なくとも１つを備える印刷された部品構造であって、少なくとも１つの接触領域を形成する部品構造と、
   ｂ．前記少なくとも１つの接触領域に又はその近傍に配置された接続リード線と、
   ｃ．前記部品構造を囲む電気的絶縁性材料による少なくとも１つの層とを備え、
   ｄ．前記基板および電気的絶縁性材料による前記層のうちの少なくとも１つはパッケージング材料を備える、電子部品アセンブリ。
3. 前記パッケージング材料は、ポリマーフィルムを含む、請求項２に記載の電子部品アセンブリ。
4. 前記ポリマーフィルムは、ポリエステル又はポリエチレンを含む、請求項３に記載の電子部品アセンブリ。
5. 前記パッケージング材料は、囲いを形成する、請求項２から４のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
6. 前記パッケージング材料は、前記基板に塗布されるカバー部材である、請求項２から４のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
7. 前記基板および電気的絶縁性材料による前記層は、平面的である、請求項２から６のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
8. 前記基板および電気的絶縁性材料による前記層のうちの少なくとも１つは、本明細書で定義される軟質材料である、請求項２から７のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
9. 前記基板は、紙シート、カード、ボール紙、金属箔、プラスチックシート材料又はポリマーフィルムを備える、請求項８に記載の電子部品アセンブリ。
10. 前記基板は、本明細書で定義される硬質材料である、請求項２から８のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
11. 前記基板は、金属シート、アルミナおよび粘土をベースとする材料を有する焼結セラミックシート、石英およびサファイアなどの結晶性セラミック材料、シリコン若しくはシリコンカーバイドのようなシート又はウェハ半導体材料、又はガラスシートを有する、請求項１０に記載の電子部品アセンブリ。
12. 前記基板の表面と絶縁性材料による前記層との間に少なくとも１つの他の材料による層を備え、前記少なくとも１つの他の材料による層は、本明細書で定義される軟質材料を備える、請求項２から１１のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
13. 前記パッケージング材料は、熱可塑性のポリマー材料によるシート又はフィルムである、請求項２から８のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
14. 塗布されるポリマー封止媒体によって保護される、請求項２から８のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリ。
15. パッケージング材料による容器又は包装と、請求項１から１４のいずれか１つに記載の電子部品アセンブリとを備える、パッケージング。

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