JP4813246B2 - ガラス物品への部材の接合方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス物品への部材の接合方法に関する。
従来、ガラス物品への部材の接合方法（以下、単に「接合方法」ともいう）として、陽極接合（anodic bonding）が知られている。陽極接合では、通常、ガラスと当該ガラスに接合する部材とを積層した後、全体を３００℃〜５００℃に昇温するとともに、ガラス側を陰極、部材側を陽極として、５００Ｖ〜１ｋＶ程度の電圧をガラスと部材との間に印加することにより、両者が接合される。この接合は、電圧の印加により生じた静電引力により、ガラスと部材との界面に化学結合が形成されて実現される。陽極接合は、例えば、特開2002-145676号公報（特許文献１）および特開2003-192398号公報（特許文献２）に開示されている。
特開2002-145676号公報
特開2003-192398号公報
陽極接合は、電子デバイスなどの分野において、ガラスとＳｉ（シリコン）基板との接合に広く用いられているが、陽極接合可能な部材の種類には制限があり、当該部材が、金属などの導電性部材または半導体である必要がある。
このため、接合する部材の種類に対してより選択の自由度が高い、汎用性に優れる接合方法が望まれている。
本発明のガラス物品への部材の接合方法は、ガラス物品を陽極と陰極との間に配置し、前記陽極を前記ガラス物品の表面の所定領域に接触または近接させた状態で電圧を印加することにより、前記ガラス物品を分極処理する工程と、前記分極処理したガラス物品における前記表面の前記所定領域に部材を接触させた状態で前記ガラス物品および前記部材を加熱して、前記ガラス物品の前記表面と前記部材との間に静電力を発生させる工程と、を含む、接合方法である。
本発明の接合方法では、ガラス物品と当該ガラス物品に接合する部材との間に静電力を発生させて両者の接合を行うため、導電性部材および半導体以外に、絶縁性部材もガラス物品に接合できる。このため、従来の陽極接合に比べ、接合する部材の種類に対してより選択の自由度が高い、汎用性に優れる接合方法とすることができる。
接合する部材を分極処理後のガラス物品に接触させ、両者を加熱することで、静電力を発生させることができる理由は明確ではないが、以下に示すような原理が考えられる。
まず、分極処理時の電圧の印加により、ガラス物品における陽極が接触または近接している領域（所定領域）に、負に帯電した陽イオン空乏層（通常、厚さにして数μｍ〜数十μｍ程度）が形成される。陽イオン空乏層が形成されると、電圧の印加により誘起された電界が陽極と空乏層との間に集中し、ガラス物品における陽極との接触面（近接面）、即ち空乏層の表面、に正帯電層が出現して、陽イオン空乏層とともに、強い静電場を有する二重帯電層（double charged layer）が形成される。正帯電層の形成には、電界の集中に伴って環境中から上記接触面（近接面）に取り込まれる水素イオンなどの陽イオンが寄与すると考えられる。
陽極を除去した後、接合する部材を所定領域、即ち二重帯電層、に接触させて加熱すると、正帯電層に含まれる陽イオンが熱拡散して部材の表面近傍にトラップされ、当該表面近傍が正に帯電する。一方、ガラス物品側には、分極処理により形成された空乏層が残留しているため、ガラス物品と部材との間に静電力が作用すると考えられる。
本発明の接合方法の一例を、図面を参照して説明する。
（分極処理）
最初に、図１に示すように、ガラス板１を陽極２と陰極３との間に配置し、陽極２をガラス板１の表面に接触させながら電圧を印加して、ガラス板１を分極処理する。
最初に、図１に示すように、ガラス板１を陽極２と陰極３との間に配置し、陽極２をガラス板１の表面に接触させながら電圧を印加して、ガラス板１を分極処理する。
分極処理の方法は、陽極２がガラス板１の表面に接触または近接した状態で、ガラス板１に電圧を印加できる限り特に限定されず、ガラスに対する一般的な分極処理（ポーリング処理）を応用すればよい。例えば、図１に示すように、ガラス板１を陽極２および陰極３により狭持し、陽極２および陰極３を直流電源などの電圧印加機構６に接続して、電圧を印加すればよい。ガラス板１の表面における陽極２を接触または近接させた領域を、接触領域５とする。
ガラス板１がビスマスガラスなどの導電性が比較的高いガラスである場合、陽極２は、図１に示すようにガラス板１に接触している必要がある。一方、ガラス板１がシリカガラスなどの導電性が比較的低いガラスである場合、陽極２がガラス板１に接触していることが好ましいが、陽極２は必ずしもガラス板１の表面に接触していなくてもよく、分極処理ができる程度に当該表面に近接していればよい。
陰極３は、ガラス板１の表面に接触していてもいなくてもよい。
ガラス板１に印加する電圧の大きさは特に限定されないが、例えば、１００Ｖ〜数十ｋＶ程度の範囲である。このとき、陽イオン空乏層に誘起される電界の大きさは、１×１０5Ｖ／ｍ〜１×１０7Ｖ／ｍ程度と考えられる。上記誘起される電界の大きさは、ガラス板１に印加する電圧の大きさと、陽イオン空乏層の厚さとに依存している。
ガラス板１を昇温した状態で電圧を印加し、分極処理を行ってもよく、この場合、例えば、ガラス板１の温度を、ガラスの熱ポーリングを実施する際の温度程度（通常、１００℃〜４００℃程度である）とすればよい。ガラス板１を昇温することにより、電圧の印加によるガラス板１の分極が促進される。
ガラス板１の組成は、分極処理が可能である限り特に限定されず、例えば、シリカガラスなど、アルカリ成分を含まない無アルカリガラスからなるガラス板１であってもよい。従来の陽極接合では、その接合原理上、アルカリ成分を含有するガラス物品を用いる必要があるため、本発明の接合方法によれば、陽極接合に比べて、接合するガラスの種類に対する選択の自由度をより高くできる。
陽極２の構成は、ガラス板１の表面に接触または近接しながらガラス板１に電圧を印加できる限り特に限定されず、陽極２の材料には、金属などの導電性材料または半導体を用いればよい。ガラス板１に接合する部材が導電性材料または半導体である場合、陽極２の材料と当該部材の材料とは同一であっても異なっていてもよい。
例えば、ガラス板１に接合する部材がハンダなどの低融点金属であり、ガラス板１を上記低融点金属の融点以上の温度に昇温して分極処理する必要がある場合においても、上記低融点金属とは異なる、分極処理の温度以上の融点を有する材料を陽極２として用いることができる。
陽極接合では、接合強度を確保するために接合面が強く酸化されていることは好ましくないが、本発明の接合方法では、陽極２におけるガラス板１との接触面（近接面）は酸化されていてもよい。即ち、陽極２に、ステンレス、アルミニウムなど、表面に比較的強固な酸化膜が形成されやすい金属を用いることができる。陽極接合では、接合強度を確保するために接合面が鏡面処理されている必要があるが、陽極２における上記接触面（近接面）は必ずしも鏡面である必要はない。
陰極３は、ガラス板１に電圧を印加できればよく、導電性部材または半導体からなる電極であればよい。
（接合処理）
次に、図２に示すように、接合する部材７をガラス板１の接触領域５に接触させ、接触させた状態のままガラス板１および部材７を加熱して、ガラス板１と部材７とを接合する。
次に、図２に示すように、接合する部材７をガラス板１の接触領域５に接触させ、接触させた状態のままガラス板１および部材７を加熱して、ガラス板１と部材７とを接合する。
ガラス板１の表面の所定領域（接触領域５）に陽極２を接触させた状態で分極処理を行った場合、ガラス板１に対する電圧の印加を止めた後に、陽極２をガラス板１の表面から除去すればよい。さらに昇温した状態でガラス板１の分極処理を行った場合、接合強度をより確実に確保するために、ガラス板１の温度が所定温度（通常、５０℃〜６０℃程度）に下がるまで電圧の印加を続け、所定温度に達した後に電圧の印加を止めて、その後で陽極２を除去するとよい。
本発明の接合方法では、静電力（静電引力）によりガラス板１と部材７とが接合され、また、ガラス板１に電圧を印加するための陽極２と部材７とが異なっていてもよいため、導電性部材および半導体だけではなく、絶縁性部材もガラス板１に接合できる。即ち、本発明の接合方法は、非導電体間の接合を可能とする。
接合処理における加熱の温度は、通常、１００℃〜４００℃程度であればよく、１００℃〜２００℃程度としてもよい。
ガラス板１と部材７との接合強度をより確実に確保するためには、ガラス板１と部材７との熱膨張係数差が小さいことが好ましく、この点に関しては陽極接合と同様である。しかし、本発明の接合方法では、接合時の温度が３００℃〜５００℃である陽極接合よりも接合時の温度を低くすることができ、接合強度に対する上記熱膨張係数差の影響を小さくできるため、陽極接合に比べて、接合するガラス板１および部材７の選択の自由度をより高くできる。
部材７が導電性部材または半導体である場合、部材７における接触領域５に接触させる面は酸化されていてもよく、このとき陽イオンは、部材７の酸化部分、例えば、酸化膜にトラップされると考えられる。また、部材７における接触領域５に接触させる面の平坦度は高いことが好ましいが、陽極接合のように鏡面処理されている必要はない。
本発明の接合方法では、接合処理時に電気的な接続を確保する必要がないため、陽極接合に比べて、ガラス板１に接合する部材７の形状や配置位置などの自由度を高くできる。
本発明の接合方法では、静電力に基づいてガラス板１と部材７とが接合されるため、分極処理の条件、および／または、互いの形状などを制御することにより、陽極接合に匹敵する接合強度を確保できたり、接合を保持しながら接合面における部材７の回転が可能となったりするなど、陽極接合に比べてより柔軟性に優れる接合を実現できる。なお、本発明の接合方法では、静電力によりガラス板１と部材７とが接合されている状態で、両者の界面において化学反応が進行して、ガラス板１と部材７との間に化学結合が形成されることがある。化学結合が形成されるかどうかは、ガラス板１および／または部材７の性質に依ると考えられ、例えば、部材７が金属である場合、特に、部材７が溶融した状態で接合処理を行った場合に、化学結合が形成されやすいと考えられる。
接合するガラス物品および部材の形状は、分極処理および接合処理が可能である限り特に限定されない。
本発明の接合方法について、実施例を用いてより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。
最初に、ＳｉＯ2 ６８．７モル％、Ａｌ2Ｏ3 １５．６モル％、ＺｎＯ １５．２モル％、ＭｇＯ ０．５モル％の組成となるように、ガラス原料を混合し、熔融した後に、徐冷して、上記組成を有する無アルカリのガラス組成物を作製した。作製したガラス組成物は、切断し、平板状（２０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）のガラスサンプルとした。
次に、作製した平板状のガラスサンプルの双方の主面に、Ａｌ（アルミニウム）電極を、絶縁材で被覆した金属製クリップにより当該主面に押しつけた状態で配置した。次に、形成した一対の電極と高電圧直流電源とを電気的に接続した後に、ガラスサンプルを電気炉に収容して３５０℃に昇温し、３５０℃に保持したまま一対のＡｌ電極間に４ｋＶの電圧を印加して、分極処理を行った。電圧を印加してから５分後に降温を開始し、サンプルが５０℃になった段階で電圧の印加を停止した。その後、自然放冷によりサンプルを室温まで冷却した。
次に、全体を電気炉から取り出し、上記金属製クリップを外してＡｌ電極を除去した。
次に、サンプルにおけるＡｌ電極（陽極）を接触させていた領域に、接合する部材としてパイレックスガラス（登録商標）（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの平板状）を接触させ、両者を接触させたまま１００℃に昇温して３分間保持した。その後、自然放冷させたところ、ガラスサンプルとパイレックスガラス板とは接合していた。
ここで、接合強度を確認するため、カッターナイフにより両者を互いに引き剥がそうとしたところ、引き剥がすことができなかった。次に、両者の接合体を大気雰囲気下で保管したところ、接合から１ヶ月経過した時点では、接合強度が接合時よりも低下しており、両者が接合したまま互いに位置をずらすことが可能であった。その後も大気雰囲気下における保管を続けると、さらに２ヶ月間は同様の接合状態を保持できた。一方、両者の接合体を乾燥雰囲気下で保管したところ、初期の接合状態を少なくとも３ヶ月間保持することができた。
上記と同様の試験を、ガラス組成物として、薄膜トランジスタ駆動液晶ディスプレイ（ＴＦＴ）用基板などに用いられる無アルカリガラス（組成：ＳｉＯ2 ６６．８モル％、Ｂ2Ｏ3 １０．１モル％、Ａｌ2Ｏ3 ９．７モル％、ＭｇＯ ２．１モル％、ＣａＯ ５．８モル％、ＳｒＯ2 ２．６モル％、ＢａＯ ２．６モル％、清澄剤 ０．３モル％）、および、シリカガラス（Heraeus社製、Herasil１）を用いて行ったところ、上記と同様に、ガラスサンプルとパイレックスガラス板とを接合できた。
また、同様の試験を、ガラスサンプルに接合する部材としてアルミニウム箔およびハンダを用いて行ったところ、それぞれ上記と同様に、ガラスサンプルと接合できた。
アルミニウム箔は１０×１０ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍの正方形状の箔片を、上記と同様の接合処理条件により接合した。ハンダは１０×１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの板状体を使用し、その合金組成がＳｎ ９１．２重量％、Ｚｎ ８．８重量％、Ｔｉ ０．００８重量％（液相線温度１９８℃）の場合は２５０℃にて、その合金組成がＩｎ ５２．０重量％、Ｓｎ ４８．０重量％（液相線温度１１７℃）の場合は１５０℃にて、それぞれ接合した。各々のハンダとも接合処理時は溶融状態であったが、接合処理後の冷却により固化し、ガラスサンプルと接合した状態が得られた。
本発明によれば、従来の陽極接合に比べ、接合する部材の種類に対してより選択の自由度が高い、汎用性に優れる接合方法を提供できる。
１ ガラス板（ガラス物品）
２ 陽極
３ 陰極
５ 接触領域
６ 電圧印加機構
７ 部材
２ 陽極
３ 陰極
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６ 電圧印加機構
７ 部材
Claims (7)
- ガラス物品を陽極と陰極との間に配置し、前記陽極を前記ガラス物品の表面の所定領域に接触または近接させた状態で電圧を印加することにより、前記ガラス物品を分極処理する工程と、
前記分極処理したガラス物品における前記表面の前記所定領域に部材を接触させた状態で前記ガラス物品および前記部材を加熱して、前記ガラス物品の前記表面と前記部材との間に静電力を発生させる工程と、
を含む、ガラス物品への部材の接合方法。 - 前記陽極を前記表面の所定領域に接触させた状態で電圧を印加することにより、前記ガラス物品を分極処理する請求項１に記載の接合方法。
- 前記ガラス物品を昇温した状態で電圧を印加することにより、前記ガラス物品を分極処理する請求項１または２に記載の接合方法。
- 前記部材が、絶縁性部材である請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
- 前記部材が、導電性部材または半導体である請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
- 前記静電力の発生のために、前記ガラス物品および部材を１００〜４００℃に加熱する請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
- 前記静電力の発生のために、前記ガラス物品および部材を１００〜２００℃に加熱する請求項６に記載の接合方法。
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