JP5671213B2 - Method of joining conductors to metallic glass layer - Google Patents
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Description
本発明は、金属ガラス層への導線の接合方法に関するものである。 The present invention relates to a method for joining a conductive wire to a metallic glass layer.
近年、金属ガラス層(金属ガラス薄膜、金属ガラス基板など)を用いた金属ガラス応用デバイスとして、例えば、圧力センサ、MEMS(micro electro mechanical systems)スイッチ、静電アクチュエータ、水素検知素子、キャパシタなどが各所で研究開発され(例えば、特許文献1〜6)、また、金属ガラス基板同士の接合方法が各所で研究開発されている(例えば、特許文献7)。
In recent years, for example, pressure sensors, MEMS (micro electro mechanical systems) switches, electrostatic actuators, hydrogen detectors, capacitors, etc., have been used as metal glass applied devices using metal glass layers (metal glass thin films, metal glass substrates, etc.). (For example,
ところで、金属ガラス層は導電性を有しているので、配線用の導線を金属ガラス層に接合して電気的に接続することが考えられるが、金属ガラスに導線を接合する技術については開発されていなかった。ここにおいて、金属ガラスは強力な表面酸化皮膜を有しており、低温での接合が難しい難低温接合性の材料であり、金属ガラスに導線を半田付けする実験を行ったが、金属ガラスは、Zr,Ti,Alなどの、安定な酸化物を形成する元素が添加されており、良好な濡れ性を得ることが不可能であった。 By the way, since the metallic glass layer has conductivity, it is conceivable to electrically connect the conductive wire for wiring to the metallic glass layer. However, a technique for joining the conductive wire to the metallic glass has been developed. It wasn't. Here, the metallic glass has a strong surface oxide film, and is a material having a low-temperature joining property that is difficult to join at low temperature, and an experiment of soldering a conductive wire to the metallic glass was conducted. Elements that form stable oxides such as Zr, Ti, and Al were added, and it was impossible to obtain good wettability.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、金属ガラス層に導線を安定して接合することができる金属ガラスへの導線の接合方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the joining method of the conducting wire to the metal glass which can join a conducting wire to the metallic glass layer stably.
請求項1の発明は、金属ガラス層に導線を接合する金属ガラス層への導線の接合方法であって、金属ガラス層における接合表面に対して導線を押し付け導線に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス層と導線とを接合するようにし、導線としてボンディングワイヤを用い、金属ガラス層と導線との接合を超音波ワイヤボンディングにより行うようにし、金属ガラス層がZrまたはTiを成分として含む金属ガラス層であり、ボンディングワイヤとしてAl系ボンディングワイヤを用いることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、導線に超音波エネルギを与えることによって金属ガラス層における接合表面の酸化物が超音波振動により除去され(導線の材料によっては導線における接合表面の酸化物も超音波振動により除去され)、直接結合や、金属ガラス層の接合表面への導線のアンカー効果(機械的嵌合力の増大により密着度を向上させる働き)が促進されるから、金属ガラス層に導線を安定して接合することができる。 According to the present invention, by applying ultrasonic energy to the conductive wire, the oxide on the bonding surface in the metallic glass layer is removed by ultrasonic vibration (depending on the material of the conductive wire, the oxide on the bonding surface of the conductive wire is also removed by ultrasonic vibration. In addition, direct bonding and the anchor effect of the conductive wire to the bonding surface of the metal glass layer (the function of improving the adhesion by increasing the mechanical fitting force) are promoted, so the conductive wire is stably bonded to the metal glass layer. can do.
また、この発明によれば、金属ガラス層において導線との所望の接合強度を確保するために必要な接合面積を小さくすることができる。 Further, according to this invention, it is possible to reduce the bonding area required to ensure the desired bonding strength between the conductor in the metallic glass layer.
また、この発明によれば、常温下での超音波振動により金属ガラス層の接合表面の酸化物が容易に除去され、金属ガラス層と導線とが、より強固に接合される。さらに、Al系ボンディングワイヤおよび金属ガラス層の親和力の高い成分間の直接結合、金属間化合物生成による金属接合や、Al系ボンディングワイヤと金属ガラス層の接合表面における金属ガラスの酸化物との反応により生成される複合酸化物による接合も行われる。 Further, according to this invention, the oxide bonding surface of the metallic glass layer is easily removed by ultrasonic vibration at room temperature, and a metallic glass layer and the conductor are joined more firmly. Furthermore, by direct bonding between the high affinity components of the Al-based bonding wire and the metallic glass layer, metal bonding by the formation of intermetallic compounds, and the reaction between the bonding bonding surface of the Al-based bonding wire and the metallic glass layer with the oxide of the metallic glass. Joining by the produced complex oxide is also performed.
また、この発明によれば、酸化されやすく安定な酸化皮膜を有する金属ガラス層に対して常温で導線を接合することができるので、金属ガラス層を結晶化させることなく接合できる。 Moreover, according to this invention, since a conducting wire can be joined at normal temperature to a metal glass layer having a stable oxide film that is easily oxidized, the metal glass layer can be joined without crystallization.
請求項2の発明は、金属ガラス層に導線を接合する金属ガラス層への導線の接合方法であって、金属ガラス層における接合表面に対して導線を半田により接合するようにし、導線における接合部位を囲んでいる半田に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス層と導線とを半田により接合することを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、半田に超音波エネルギを与えることによって金属ガラス層における接合表面の酸化物が超音波振動により除去され、かつ、金属ガラス層の接合表面への半田のアンカー効果が促進されるから、金属ガラス層に導線を安定して接合することができる。 According to this invention, by applying ultrasonic energy to the solder, the oxide on the bonding surface in the metal glass layer is removed by ultrasonic vibration, and the anchor effect of the solder on the bonding surface of the metal glass layer is promoted. Thus, the conductive wire can be stably bonded to the metal glass layer.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、金属ガラス層と導線とを接合する前に、金属ガラス層における接合表面の酸化物を除去することを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、金属ガラス層と導線との接合前に、金属ガラス層における接合表面の酸化物が除去されるので、金属ガラス層と導線との良好な接合を得ることができるとともに、超音波エネルギを与える時間の短縮を図れる。 According to this invention, since the oxide on the bonding surface in the metal glass layer is removed before the bonding between the metal glass layer and the conductive wire, a good bonding between the metal glass layer and the conductive wire can be obtained, and The time for applying the sonic energy can be shortened.
請求項4の発明は、請求項1または請求項2の発明において、金属ガラス層と導線とを接合する前に、金属ガラス層における接合表面にアンカー効果促進用の凹凸形状を形成することを特徴とする。
The invention of claim 4 is the invention of
この発明によれば、金属ガラス層と導線との接合前に、金属ガラス層における接合表面にアンカー効果促進用の凹凸形状が形成されるので、接合時のアンカー効果が促進され、金属ガラス層と導線との良好な接合を得ることができるとともに、超音波エネルギを与える時間の短縮や超音波のパワーの低減を図れる。 According to this invention, since the concave and convex shape for promoting the anchor effect is formed on the joining surface of the metallic glass layer before joining the metallic glass layer and the conductive wire, the anchor effect at the time of joining is promoted, and the metallic glass layer and It is possible to obtain a good bond with the conducting wire, shorten the time for applying ultrasonic energy, and reduce the ultrasonic power.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、金属ガラス層と導線との接合を還元雰囲気で行うことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, the metallic glass layer and the conductive wire are joined in a reducing atmosphere.
この発明によれば、接合時の表面酸化物の形成が抑制され、金属ガラス層と導線との良好な接合を得ることができる。 According to this invention, formation of the surface oxide at the time of joining is suppressed, and favorable joining of the metallic glass layer and the conducting wire can be obtained.
請求項6の発明は、金属ガラス層に導線を接合する金属ガラス層への導線の接合方法であって、金属ガラス層における接合表面に対してアルミニウム膜を形成してから、当該アルミニウム膜の表面にアルミニウム系ボンディングワイヤもしくは金ボンディングワイヤもしくは銅ボンディングワイヤからなる導線を押し付け導線に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス層と導線とを接合することを特徴とする。 The invention of claim 6 is a method of joining a conductive wire to a metallic glass layer for joining a conductive wire to a metallic glass layer, wherein an aluminum film is formed on a joining surface in the metallic glass layer, and then the surface of the aluminum film The metallic glass layer and the conductive wire are bonded by pressing a conductive wire made of an aluminum-based bonding wire, a gold bonding wire or a copper bonding wire to give ultrasonic energy to the conductive wire.
この発明によれば、金属ガラス層との親和性が高い材料(金属間化合物を形成しやすい材料、もしくは、金属ガラスの酸化物と反応しやすい材料)により形成され、且つ、導線と接合可能なアルミニウム膜を金属ガラス層の接合表面に形成してから、当該アルミニウム膜の表面にアルミニウム系ボンディングワイヤもしくは金ボンディングワイヤもしくは銅ボンディングワイヤからなる導線を押し付け導線に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス層と導線とを接合するので、金属ガラス層に導線を安定して接合することができる。 According to the present invention, it is formed of a material having a high affinity with the metal glass layer (a material that easily forms an intermetallic compound or a material that easily reacts with an oxide of the metal glass) and can be joined to a conductive wire. After the aluminum film is formed on the bonding surface of the metal glass layer, a metal glass layer is formed by pressing a lead made of an aluminum-based bonding wire, a gold bonding wire or a copper bonding wire against the surface of the aluminum film and applying ultrasonic energy to the lead. Since the lead wire and the lead wire are joined, the lead wire can be stably joined to the metal glass layer.
請求項1,2,6の発明では、金属ガラス層に導線を安定して接合することができるという効果がある。
In invention of
本実施形態では、金属ガラス層を備えた金属ガラス応用デバイスの一例として、図2に示す構成の静電容量型トランスデューサについて説明してから、金属ガラス層への接合方法について説明する。 In this embodiment, as an example of a metallic glass application device having a metallic glass layer, a capacitive transducer having the configuration shown in FIG. 2 will be described, and then a bonding method to the metallic glass layer will be described.
図2に示す構成の静電容量型トランスデューサは、静電容量型のマイクロホンであって、金属ガラス基板1を用いて形成され当該金属ガラス基板1の一表面側(図2における上面側)に可動電極14を兼ねるダイヤフラム部11が形成されたトランスデューサ用基板Aと、トランスデューサ用基板Aに矩形枠状の絶縁層からなるスペーサ30を介して対向配置されたシリコン窒化膜からなる固定板部20と、固定板部20における可動電極14側に形成された固定電極24とを備え、固定板部20と固定電極24との積層体からなる固定電極部には当該固定電極部と可動電極14との間の空間と当該固定電極部における当該空間側とは反対側の外部空間とを連通させる複数のアコースティックホール(図示せず)が貫設されている。なお、本実施形態では、金属ガラス基板1が金属ガラス層を構成している。
The capacitive transducer having the configuration shown in FIG. 2 is a capacitive microphone that is formed using the
上述のトランスデューサ用基板Aは、ダイヤフラム部11の平面形状が矩形状(本実施形態では、正方形状)であり、全周が矩形枠状のフレーム部13に連続一体に連結されている。なお、トランスデューサ用基板Aのダイヤフラム部11は、金属ガラス基板1の他表面に凹所5を設けることにより形成されている。
In the above-described transducer substrate A, the planar shape of the
上述の静電容量型トランスデューサでは、可動電極14と固定板部20に設けられた固定電極24とでコンデンサが形成されるから、ダイヤフラム部11が音波の圧力を受けることにより可動電極14と固定電極24との間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。したがって、可動電極14を兼ねるダイヤフラム部11に連続一体のフレーム部13の一部をパッド部として、当該パッド部と固定電極24に配線25を介して電気的に接続されたパッド26との間に直流バイアス電圧を印加しておけば、上記パッド部とパッド26との間には音波の圧力に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波を電気信号に変換することができる。また、上述の静電容量型トランスデューサは、上記固定電極部に上記アコースティックホールが形成されているので、例えばダイヤフラム部11が音波の圧力を受けて振動する際に上記空間の媒質である空気により過度に制動を受けないようにすることができ、広い周波数帯域にわたる平坦な周波数特性と広いダイナミックレンジとを得ることが可能となる。
In the above-described capacitance type transducer, since the capacitor is formed by the
また、上述の静電容量型のマイクロホンでは、ダイヤフラム部11が金属ガラス基板1の一部により構成されている。
ここにおいて、金属ガラス層たる金属ガラス基板1の材料である金属ガラスとしては、Cuを主成分とする金属ガラス(Cu60Zr30Ti10またはCu45Zr35Al15Ag5)やNiを主成分とする金属ガラス(Ni60Nb20Ti10Zr10)を採用しているが、これに限らず、金属ガラス層の所望の特性に応じて、例えば、Zr、Ti、Fe、Ni、Pdなどのいずれかを主成分とする金属ガラスを採用してもよい。
Further, in the electrostatic capacitance type microphone described above, that has a
In here, as a metallic glass which is the material of the metallic glass layer serving as a
ところで、上述の静電容量型トランスデューサは、例えば、図1に示すように、ガラスエポキシ樹脂などからなる絶縁性基材41の一表面側に静電容量型トランスデューサに電気的に接続される導体パターン42,43が形成された実装基板40に実装して用いる。
By the way, the above-mentioned capacitance type transducer is a conductor pattern electrically connected to the capacitance type transducer on one surface side of an
ここにおいて、実装基板40は、静電容量型トランスデューサの金属ガラス基板1の凹所5に対応する部位に音波導入用の開口部45が形成されており、静電容量型トランスデューサは、金属ガラス基板1の上記他表面がダイボンド材(例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など)からなる接合部70を介して絶縁性基材41と接合され、フレーム部13の上記一部からなる上記パッド部がボンディングワイヤからなる導線(第1の導線)2を介して実装基板40の一方の導体パターン42と電気的に接続され、パッド26が図示しないボンディングワイヤからなる第2の導線を介して実装基板40の他方の導体パターン43と電気的に接続される。
Here, the
以下、金属ガラス層たる金属ガラス基板1に導線2を接合する金属ガラス基板1への導線2の接合方法について図1を参照しながら説明する。
Hereinafter, the joining method of the conducting
本実施形態では、図1に示すように、金属ガラス基板1における接合表面(上記パッド部の表面)に対して導線2を押し付け導線2に超音波ツール3から超音波エネルギを与えることにより金属ガラス基板1と導線2とを接合するようにしている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
ここにおいて、本実施形態では、導線2としてボンディングワイヤを用い、金属ガラス基板1と導線2との接合を超音波ワイヤボンディングにより行うようにしているので、金属ガラス基板1において導線2との所望の接合強度を得るために必要な接合面積(上記パッド部とみなす部分の表面積)を小さくすることができる。また、導線2たるボンディングワイヤとしては、Al系ボンディングワイヤを用いており、常温下での超音波振動により金属ガラス基板1の接合表面1aの酸化物(酸化皮膜)が容易に除去され、金属ガラス基板1と導線2とが、より強固に接合される。また、本実施形態では、Al系ボンディングワイヤからなる導線2および金属ガラス基板1の親和力の高い成分同士の直接結合、金属間化合物生成による金属接合や、Al系ボンディングワイヤからなる導線2と金属ガラス基板1の接合表面における金属ガラスの酸化物との反応により生成される複合酸化物による接合も行われる。また、酸化されやすく安定な酸化皮膜を有する金属ガラス基板1に対して常温で導線2を接合することができるので、金属ガラス基板1を結晶化させることなく接合できる。ここで、Al系ボンディングワイヤとしては、例えば、1%Si−Al線や、1%Mg−Al線などで、線径が100μm〜300μmのものを用いればよい。このようにAl系ボンディングワイヤを用いる場合には、上述の超音波ツール3として、周知のウェッジツールを用いればよく、超音波ツール3に超音波を水平方向に印加して超音波振動を付加することにより、導線2に超音波エネルギを与えればよい。この場合の接合条件は、例えば、超音波のパワーを2〜4W、超音波の周波数を20〜100kHz、荷重を1.96〜3.92N、超音波の印加時間を100〜500ms、それぞれの範囲で適宜設定し、接合温度を常温とすればよい。ここで、接合強度は、ワイヤプル試験により評価し、2.5〜5.0N程度で導線2は破断するが、導線2と金属ガラス基板1との接合界面での破断は起こらず、強固な接合が得られていることが確認された。なお、Al系ボンディングワイヤは、Alの純度が高くなるほど硬度が小さくなるので、Alの純度が高いAlボンディングワイヤを用いる場合には、アンカー効果が期待され、また、1%Si−Alボンディングワイヤや、1%Mg−Alボンディングワイヤなどの硬度が大きなAl系ボンディングワイヤを用いる場合には、複合酸化物あるいは金属ガラス基板1の接合表面1aの酸化皮膜の除去効果が期待される。
Here, in this embodiment, since a bonding wire is used as the conducting
以上説明した本実施形態の金属ガラス基板1への導線2の接合方法では、導線2に超音波エネルギを与えることによって金属ガラス基板1における接合表面1aの酸化物が超音波振動により除去(破壊)され(導線2の材料によっては導線2における接合表面の酸化物が超音波振動により除去され)、直接結合や、金属ガラス基板1の接合表面1aへの導線2のアンカー効果が促進されるから、金属ガラス基板1に導線2を安定して接合することができる(強固に接合することができる)。また、導線2としてAl系ボンディングワイヤを用いることにより、難低温接合性の金属ガラス基板1のガラス転移温度未満で当該金属ガラス基板1の特性を損なうことなく、100〜500ms程度の極短時間の接合時間(ここでは、超音波の印加時間と同じ)で強度の高い接合を実現できる。
In the bonding method of the
ところで、金属ガラス層たる金属ガラス基板1への導線2の接合方法としては、図3に示すように、金属ガラス基板1における接合表面1aに対して導線2を半田80により接合するようにし、導線2における金属ガラス基板1との接合部位(導線2における実装基板40側の端部とは反対側の端部であって金属ガラス基板1の厚み方向で金属ガラス基板1の接合表面1aに重なっている部位)を囲んでいる半田80に超音波ツール3から超音波エネルギを与えることにより金属ガラス基板1と導線2とを半田80により接合する方法もある。ここにおいて、接合条件としては、半田80として例えばSn−Zn−Sb系半田を用い、超音波の周波数を20〜100kHz、接合温度を200〜300℃の範囲でそれぞれ適宜設定すればよい。
By the way, as a method for joining the
金属ガラス基板1における接合表面1aに対して導線2を半田80により接合する接合方法によれば、半田80に超音波エネルギを与えることによって金属ガラス基板1における接合表面1aの酸化物が超音波振動により除去され、かつ、金属ガラス基板1の接合表面1aへの半田80のアンカー効果が促進されるから、金属ガラス基板1に導線2を安定して接合することができる(この場合、導線2は半田80と接合され、半田80が金属ガラス基板1の接合表面1aと接合されるので、導線2は半田80を介して金属ガラス基板1に接合される)。
According to the joining method in which the
ところで、上述の接合方法において、金属ガラス層たる金属ガラス基板1と導線2とを接合する前に、金属ガラス基板1における接合表面1aの酸化物(酸化皮膜)を物理的処理(例えば、Arなどのプラズマ照射)や化学的処理(酸洗浄など)により除去するようにすれば、金属ガラス基板1と導線2との接合前に、金属ガラス基板1における接合表面1aの酸化物が除去されるので、金属ガラス基板1と導線2との良好な接合を得ることができるとともに、超音波エネルギを与える時間の短縮や超音波のパワーの低減を図れ、接合工程での静電容量型トランスデューサの破損をより確実に防止することが可能となる。なお、接合表面1aの酸化物を除去する物理的処理は、Arなどのプラズマ照射に限らず、金属ガラス応用デバイスの構造などに応じて適宜方法を採用すればよく、例えば、研削や研磨でもよい。
By the way, in the above-mentioned joining method, before joining the
また、上述の接合方法において、金属ガラス基板1と導線2とを接合する前に、金属ガラス基板1における接合表面1aにアンカー効果促進用の凹凸形状をスパッタ法などにより形成するようにすれば、金属ガラス基板1と導線2との接合前に、金属ガラス基板1における接合表面1aにアンカー効果促進用の凹凸形状が形成されるので、接合時のアンカー効果が促進され、金属ガラス基板1と導線2との良好な接合を得ることができるとともに、超音波エネルギを与える時間の短縮を図れ、接合工程での静電容量型トランスデューサの破損をより確実に防止することが可能となる。なお、アンカー効果促進用の凹凸形状を形成する方法はスパッタ法に限らず、金属ガラス応用デバイスの構造などに応じて適宜方法を採用すればよく、例えば、サンドブラストや研磨でもよい。
Further, in the above-described joining method, before joining the
また、以上説明した接合方法において、金属ガラス基板1と導線2との接合を還元雰囲気(例えば、水素雰囲気、窒素雰囲気、真空雰囲気、窒素ブロー状態)で行うようによれば、接合時の表面酸化物(例えば、金属ガラス基板1、導線2、半田80それぞれの表面酸化物)の形成が抑制され、金属ガラス基板1と導線2との良好な接合を得ることができる。
Further, in the bonding method described above, when the
ところで、金属ガラス層たる金属ガラス基板1への導線2の接合方法としては、図4に示すように、金属ガラス基板1における接合表面1aに対してアルミニウム膜90を例えばスパッタ法により形成してから、当該アルミニウム膜90の表面にアルミニウム系ボンディングワイヤもしくは金ボンディングワイヤもしくは銅ボンディングワイヤからなる導線2を押し付け導線2に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス基板1と導線2とを接合するようにしてもよい。この場合の接合条件は、上述の図1の例と同様に、例えば、超音波のパワーを2〜4W、超音波の周波数を20〜100kHz、荷重を1.96〜3.92N、超音波の印加時間を100〜500ms、それぞれの範囲で適宜設定し、接合温度を常温とすればよい。
By the way, as a method for bonding the
この接合方法によれば、金属ガラス基板1との親和性が高い材料(金属間化合物を形成しやすい材料、もしくは、金属ガラスの酸化物と反応しやすい材料)により形成され、且つ、導線2と接合可能なアルミニウム膜(望ましくは、Siを添加したアルミニウム膜であるAl−Si膜や、Cuを添加したアルミニウム膜であるAl−Cu膜)90を金属ガラス基板1の接合表面1aに形成してから、当該アルミニウム膜90の表面にアルミニウム系ボンディングワイヤもしくは金ボンディングワイヤもしくは銅ボンディングワイヤからなる導線2を押し付け導線2に超音波エネルギを与えることにより金属ガラス基板1と導線2とを接合するので、金属ガラス基板1に導線2を常温で安定して接合することができる。ここで、金属ガラス基板1の接合表面1aにアルミニウム膜を形成する前に、金属ガラス基板1における接合表面1aにアンカー効果促進用の凹凸形状をスパッタ法などにより形成するようにしてもよい。
According to this bonding method, a material having high affinity with the metal glass substrate 1 (a material that easily forms an intermetallic compound or a material that easily reacts with an oxide of metal glass) and the conductor 2 A bondable aluminum film (desirably, an Al—Si film which is an aluminum film to which Si is added or an Al—Cu film which is an aluminum film to which Cu is added) 90 is formed on the
なお、上述の実施形態では、金属ガラス基板1が金属ガラス層を構成しているが、金属ガラス層は、金属ガラス応用デバイスの構造に応じて適宜構成されるものであり、例えば、金属ガラス薄膜により構成されてもよい。また、金属ガラス応用デバイスは、静電容量型トランスデューサに限定するものではなく、例えば、圧力センサ、MEMSスイッチ、静電アクチュエータ、水素検知素子、キャパシタ、温度ヒューズ用抵抗(一定温度以上で結晶化してぼろぼろになる)などでもよい。
In the above-described embodiment, the
1 金属ガラス基板(金属ガラス層)
1a 接合表面
2 導線
3 超音波ツール
80 半田
90 アルミニウム膜
1 Metal glass substrate (metal glass layer)
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