JP5869204B2 - 光学素子用の金属トレース形成 - Google Patents

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Description

いくつかの実施形態は一般に、１個以上の光学素子を組み込んだ電気系統に関する。より具体的には、これらの実施形態は電気機器との相互結合に効率的に適合された光学素子に関する。
いくつかの従来型の機器において、光学素子（例：レンズ）は電気回路との相互結合用の金属トレースを含んでいてよい。金属トレースは、任意の公知の技術を用いて光学素子の上および／または内部に形成することができる。例えば、金属トレースは薄膜または厚膜リソグラフィを用いて堆積させることができる。しかし、リソグラフィには高価な設備および長時間のプロセスが必要である。
米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号明細書
典型的な光学素子は目立った表面特徴を含んでいないため、リソグラフィ技術はまた、金属トレースを光学素子の上に適切に整列させるための基準マークを必要とする。しかし、表面特徴が無いことおよび光学素子を構成する材料（例：ガラス）に起因して、光学素子の上に基準マークを配置することも困難である。
必要とされているのは、光学素子に金属トレースを効率的に組み込むシステムである。
少なくとも上記の問題を解決すべく、いくつかの態様により、凹部を画定する表面を含む光学素子を生成し、この表面の上に導電材料を堆積させて、堆積された導電材料の一部が凹部内に配置されるようにし、当該表面をほぼ平坦にして凹部内に配置された導電材料の一部を露出させる方法、手段および／またはプロセスステップを提供する。
光学素子の生成は、光学素子および凹部を画定する金型により光学素子を成型するステップを含んでいてよい。追加的または代替的に、導電材料の堆積には、導電材料を光学素子の上に金属溶射する前に光学素子の上にステンシルを配置するステップを含んでいてよい。
いくつかの態様において、反射材料が上記表面ではなく光学素子の上に堆積され、電気絶縁体が上記表面ではなく反射材料の上に堆積されて、導電材料が電気絶縁体の上に堆積される。これらの態様は導電材料の露出された部分を覆う半田マスクの堆積を含んでいてよく、当該半田マスクは光学素子からの光が透過できる開口部を画定する。上述の態様には更に、太陽電池の一部が開口部に被せて配置されるように太陽電池の端子が導電材料の露出部分に結合されていてよい。
他の態様において、凹部を画定する表面を含む光学素子、凹部内に配置された導電材料、および導電材料の一部に被せて配置された半田マスクが提供される。半田マスクは、光学素子からの光が透過可能な開口部を画定することができる。光学素子は、表面を含む透明部分からなり、光は開口部を通って透明部分から透過することができる。
更なる態様によれば、表面ではなく光学素子の上に反射材料が配置され、表面を除いて反射材料の上に電気絶縁体が配置されて、電気絶縁体に上に第２の導電材料が配置されていてよい。いくつかの態様は、開口部により露出された導電材料の一部に結合する端子を有する太陽電池を含んでいて、太陽電池の一部が開口部から受光すべく配置されている。
しかし、当業者は本明細書の記述を容易に他の実施形態および用途に適合させることができるため、本発明の請求項は開示する実施形態に限定されない。
以下の実施形態の構造および使用法は、同一参照番号が同一部材を指す添付の図面に示す明細書を精査すれば明らかになろう。
いくつかの実施形態による方法のフロー図である。 いくつかの実施形態による光学素子の一部の斜視図である。 いくつかの実施形態による光学素子の一部の断面図である。 いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の一部の斜視図である。 いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の一部の断面図である。 いくつかの実施形態による、ほぼ平坦化された光学素子の一部の斜視図である。 いくつかの実施形態による、ほぼ平坦化された光学素子の一部の断面図である。 いくつかの実施形態による方法のフロー図である。 いくつかの実施形態による、透明な光学素子の斜視図である。 いくつかの実施形態による、透明な光学素子の断面図である。 いくつかの実施形態による、上部に反射材料が配置された透明な光学素子の斜視図である。 いくつかの実施形態による、上部に反射材料が配置された透明な光学素子の断面図である。 いくつかの実施形態による、上部に電気絶縁体が配置された光学素子の斜視図である。 いくつかの実施形態による、上部に電気絶縁体が配置された光学素子の断面図である。 いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の斜視図である。 いくつかの実施形態による、上部に導電材料が配置された光学素子の断面図である。 いくつかの実施形態による、一部が平坦化された後の光学素子の斜視図である。 いくつかの実施形態による、一部が平坦化された後の光学素子の断面図である。 いくつかの実施形態による、光学素子の上に堆積された半田マスクの斜視図である。 いくつかの実施形態による、光学素子の上に堆積された半田マスクの断面図である。 いくつかの実施形態による、太陽電池を含む光学素子の拡大断面図である。
以下の説明は、当業者ならば誰でも記述されている実施形態を作成および使用できるように提供し、いくつかの実施形態を実行するために考えられる最良の形態を開示するものである。しかし、当業者には各種の変更が容易に行なえることは明らかであろう。
図１は、いくつかの実施形態によるプロセス１０のフロー図である。プロセス１０は、機械、ハードウェア、ソフトウェア、および手操作の任意の組合せにより実行可能である。
最初に、Ｓ１２において光学素子を生成する。光学素子は、凹部を画定する表面を含んでいて、任意の適切な材料または材料の組合せで構成されていてよい。いくつかの実施形態によれば、光学素子は光の所望の波長を操作および／または透過させるべく構成されていてよい。いくつかの実施形態によれば、光学素子は任意の数の異種材料および／または素子（例：レンズ、鏡、その他）を含んでいてよい。
光学素子は、現在公知の、または将来公知になる装置およびシステムの任意の組合せを用いて生成することができる。Ｓ１２のいくつかの実施形態には、金型内への液体または粉体の堆積、および金型の冷却、加熱および／または加圧が含まれる。金型は、上述の凹部だけでなく、光学素子も画定することができる。あるいは、光学素子が成型された後で（例えばエッチング、ミリング等により）凹部を形成してもよい。
図２はいくつかの実施形態による光学素子１００の一部の斜視図であり、図３は光学素子１００の断面図である。図２、３は、光学素子１００が任意の適当な形状または大きさであってよいことを示すために光学素子１００の一部だけを示す。素子１００は図１のＳ１２に従い生成できるが、Ｓ１２はこれに限定されない。
光学素子１００の図示する部分は、表面１１０、凹部１２０、および凹部１３０を含んでいる。本説明において表面１１０は、凹部１２０および凹部１３０を画定する素子１００の一部を含んでいる。上述のように、凹部１２０および凹部１３０は、光学素子１００の生成に用いた金型により画定しても、あるいは光学素子１００の生成後に形成してもよい。
プロセス１０に戻り、Ｓ１４において導電材料を光学素子の表面上に堆積させる。当該材料は、堆積された材料の一部が、画定された凹部内に配置されるように堆積される。導電材料は、１個以上の材料の任意の組合せで構成されていてよい。いくつかの実施形態において、導電材料はニッケルを含んでいる。更に、導電材料は、スパッタリング、化学蒸着、ゾル・ゲル技術および熱溶射（例：ツインワイヤアーク放電、プラズマ溶射）を含むがこれに限定されない現在公知の、または将来公知になる任意の適当な方法を用いて堆積することができる。
図４は、いくつかの実施形態による、Ｓ１４を実行した後の光学素子１００の斜視図である。図５は、図４に示す光学素子１００の断面図である。素子１００の表面１１０を覆う導電材料１４０を示している。
導電材料１４０は、表面１１０により画定された凹部内に配置されている。凹部１２０および１３０内の材料１４０の厚さは、表面１１０の他の一部における材料１４０の厚さより厚いが、本発明の実施形態はこれに限定されない。更に、表面１１０の他の一部における材料１４０の厚さは図５に示すように一様である必要はない。一般に、表面１１０のさまざまな部分における導電材料１４０の高さは、Ｓ１４で材料１４０の堆積に用いる技術に依存してよい。
Ｓ１６において光学素子の表面をほぼ平坦化させる。平坦化により、凹部内に配置された導電材料の一部を露出させる。Ｓ１６では化学機械研磨を用いて表面をほぼ平坦化させてよいが、本発明の実施形態はこれに限定されない。平坦化には、導電材料の上層だけでなく光学素子の表面の最上部の除去も含まれていてよい。
図６、７に、Ｓ１６のいくつかの実施形態を実行した後の素子１００を示す。図に示すように、導電材料１４０は凹部１２０および凹部１３０内に配置されていて、表面１１０の隣接部分とほぼ同一平面上にある。いくつかの実施形態によれば、導電材料１４０は電気機器および／または他の導電トレースと電気的に結合されていてよい。
図８は、いくつかの実施形態によるプロセス２００のフロー図である。プロセス２００は、機械、ハードウェア、ソフトウェアおよび手操作の任意の組合せにより実行することができる。
プロセス２００はＳ２１０から始まり、光学素子が生成される。Ｓ１２に関して述べたように、光学素子は凹部を画定する表面を含んでいて、任意の適当な材料もまたは材料の組合せで構成されていてよい。光学素子は、現在公知の、または将来公知になる装置およびシステムの任意の組合せを用いて生成することができる。
図９Ａは、いくつかの実施形態によりＳ２１０において生成された光学素子３００の斜視図であり、図９Ｂは素子３００の断面図である。光学素子３００は、Ｓ２１０において公知の方法を用いて低鉄ガラスから成型することができる。あるいは、別々の一部を接着または別途結合して素子３００を形成することができる。いくつかの実施形態によれば光学素子３００は太陽集光器の素子を含んでいてよい。
素子３００は凸面３１０、台座３２０を確定する凹部３２２、３２４、３２６、３２８、および凹面３３０を含んでいる。凹部３２２、３２４、３２６、３２８は、光学素子３００の生成に用いる金型により画定されていても、あるいは光学素子３００の生成後に形成されてもよい。いくつかの実施形態による動作の間の素子３００の各部分の目的は以下の説明から明らかになる。
Ｓ２２０において反射材料を光学素子の上に堆積させる。当該反射材料は１個以上の鏡面を形成する場合もある。反射光の波長、反射材料の光学素子への接着、およびコスト（但しこれに限定されない）を考慮しながら任意の適当な反射材料を用いてよい。反射材料は、スパッタリングまたは液相堆積により堆積することができる。
図１０Ａ、１０Ｂは各々、Ｓ２２０のいくつかの実施形態を実行した後の光学素子３００の斜視図および断面図を示す。反射材料３４０は、凸面３１０および凹面３３０上に堆積される。反射材料３４０は、スパッタリングされた銀またはアルミニウムを含んでいてよい。Ｓ２２０において台座３２０の垂直および水平面をマスキングして反射材料３４０が上部に堆積されないようにしても、あるいは上部に堆積された反射材料３４０があれば除去すべく別途処理してもよい。
次に、Ｓ２３０において光学素子の上に電気絶縁体を堆積させる。絶縁体は、任意の適当な絶縁体または絶縁体群を含んでいてよい。非限定的な例として、ポリマー、誘電体、ポリエステル、エポキシ、およびポリウレタンが含まれる。絶縁体は、現在公知の、または将来公知になる任意のプロセスにより堆積することができる。いくつかの実施形態において、絶縁体は光学素子の上に粉体コーティングされる。
Ｓ２３０のいくつかの実施形態を図１１Ａ、１１Ｂに示す。絶縁体３５０は、凸面３１０上に、より具体的には反射材料３４０の上に堆積される。再び、Ｓ２３０は絶縁体３５０が台座３２０の垂直および水平面上に堆積されないように実行される。図に示す実施形態によれば、絶縁体３４０は凹面３３０の上（すなわち、凹面３３０上に堆積された反射材料３４０の上）には堆積されない。
プロセス２００に戻り、Ｓ２４０において、導電材料のパターンを表面および電気絶縁体の上に堆積させて、堆積された導電材料の一部が画定された凹部内に配置されるようにする。導電材料は１個以上の材料（例：ニッケル、銅）の任意の組合せで構成されていてよい。Ｓ２４０においてスパッタリング、化学蒸着、熱溶射、リソグラフィ、その他の技術を用いて、導電材料を表面上および電気絶縁体の上に堆積させることができる。
図１２Ａはいくつかの実施形態に従いＳ２４０を実行した後の光学素子３００の斜視図、図１２Ｂは断面図である。導電材料３６０は、台座３２０および絶縁体３５０の一部を覆う。図１２Ｂに、凹部３２２、３２６に配置された導電材料３６０を示す。凹部３２２、３２６に配置された導電材料３６０は、絶縁体３５０の上に配置された導電材料３６０に隣接しており、従って電気的に結合されている。導電材料３６０は素子３００の上方へ一様な高さまで延びているように見えるが、この高さは一様でなくてもよい。
材料３６０と異なる、または同一である導電材料３７０が絶縁体３５０の一部を覆う。導電材料３６０と導電材料３７０は、互いを電気的に絶縁すべく隙間を画定する。図１２Ａ、１２Ｂに示すような実施形態は、電気絶縁体３５０上の図示する隙間の形状にステンシルを配置して、当該ステンシル上に示す位置に導電材料３６０、３７０を堆積させるステップを含んでいてよい。次いで図１２Ａ、１２Ｂの装置においてステンシルを除去することができる。
導電材料３６０、３７０は、素子３００に結合された光（太陽）電池により生じた電流の導電路を形成することができる。導電材料３６０および導電材料３７０はまた、米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号に記述されているように、太陽集光器配列内の隣接する太陽集光器の太陽電池を電気的に結合することができる。
Ｓ２５０において、光学素子の表面をほぼ平坦化させて、凹部内に配置された導電材料の一部を露出させる。平坦化には、化学機械的研磨その他任意の適当なシステムが含まれていてよい。上述のように、平坦化はまた、導電材料の上層だけでなく光学素子の表面の最上部の除去が含まれていてよい。
図１３Ａ、１３Ｂに、Ｓ２５０のいくつかの実施形態を実行した後の光学素子３００を示す。導電材料３６０は、凹部３２２〜３２８内に配置されたまま、電気絶縁体３５０上に堆積された導電材料３６０と電気的に結合されている。凹部３２２〜３２内に配置された導電材料３６０はまた、台座３２０の隣接部分とほぼ同一平面上にある。
いくつかの実施形態によれば、Ｓ２４０およびＳ２５０は、凹部３２２、３２４、３２６、３２８以外の表面３２０の領域に材料（例：ワックス、ポリマー）を配置するステップを含んでいてよい。当該材料は、導電材料への接着に抵抗する材料を含んでいてよい。当該材料は、表面３２０上に浸漬コーティング、接触印刷、型打ち、圧延、塗装することができる。
その後で導電材料３６０を当該材料および凹部３２２、３２４、３２６、３２８上に堆積することができる。当該材料は次いで、例えば化学ストリッピングを用いて除去することにより、当該材料に接着した任意の導電材料が除去される。
図１３Ａ、１３Ｂの装置３００を形成した後、Ｓ２６０において開口部を画定する半田マスクを、導電材料の露出部分に被せて堆積させる。半田マスクは、露出した導電部分に電気的接点をその後ハンダ付けする間、導電材料を囲む表面を保護することができる。半田マスクは、ステンシルおよびセラミック溶射を用いて堆積されても、および／または写真平板技術を用いて堆積されてもよい。
図１４Ａ、１４Ｂは各々半田マスク３８０を含む光学素子３００の斜視図および断面図を示す。半田マスク３８０は、導電材料３６０の一部を露出させる開口部３８５を画定する。半田マスク３８０は従って、導電材料３６０の他の一部を保護しながら、この露出部分に電気素子をハンダ付け可能にできる。
この点に関して、Ｓ２７０において太陽電池の端子を導電材料の露出部分に結合させる。端子は、太陽電池の一部が開口部に被せて配置されるように結合することができる。太陽電池の当該部分は、太陽電池が電流を発生させる光子を受光する領域を含んでいてよい。
図１５は、いくつかの実施形態によるＳ２７０を実行した後の素子３００の拡大断面図である。太陽電池３９０は、光学素子３００から光子を受光し、これに応答して電荷担体を生成する太陽電池（例：ＩＩＩ−Ｖ電池、ＩＩ−ＶＩ電池等）を含んでいてよい。太陽電池３９０は、任意の数の活動状態にある誘電および金属化層を含んでいて、現在公知の、または将来公知になる任意の適当な方法も用いて生成することができる。
はんだバンプ３９２、３９４は、凹部３２２、３２６内に配置された導電材料３６０に各々結合されている。はんだバンプ３９２、３９４はまた、各々太陽電池３９０の端子３９３、３９５に結合されている。いくつかの実施形態において各種のフリップチップボンディング技術を用いて、端子３９３、３９５を凹部３２２、３２６に配置された導電材料に電気的且つ物理的に結合することができる。いくつかの実施形態において、太陽電池３９０の図示しない端子が素子３００の凹部３２４、３２８に配置された導電材料３６０に結合されている。
いくつかの実施形態によれば、Ｓ２７０に先立って、凹部３２２〜３２８に配置された導電材料３６０の露出部分に保護層が形成される。保護層は、ニッケルの下位層および金の上位層を含んでいてよい。Ｓ２７０において端子を結合させる間、金の層の一部が消散する場合がある。
いくつかの実施形態は、はんだバンプ３９２、３９４を凹部３２２、３２６に配置された導電材料３６０へ端子３９３、３９５を結合するために溶解を必要としない他の相互結合で代替することにより、Ｓ２６０における半田マスク３８０の堆積を回避することができる。そのような材料の例として、金スタッドバンプおよび銀が充填されたエポキシを含む導電ダイ接着剤が含まれる。これらの実施形態において、超音波溶接その他の直接的なチップ付着方法等の公知の方法により結合を実現することができる。
いくつかの実施形態によれば、導電材料の薄層が光学素子３００の全表面３１０、３２０の上に堆積される。次いで全表面３１０、３２０にフォトレジストが形成される。フォトレジストは、金属トレースが求められる露出部分を除く導電材料の全ての一部にフォトレジストが形成されるようにパターン付けおよび現像される。フォトレジストではなく露出部分に付着するように金属メッキが形成される。次いでフォトレジストが除去されて、導電材料の薄層も除去される。薄層は、薄い材料が金属メッキ材と異なる場合に選択的にエッチングすることにより除去することができる。いくつかの実施形態において、エッチング時間は、適当な厚さの金属トレースを残しながら薄層を除去するように制御することができる。
装置３００は一般に、上述の米国特許出願公開第２００６／０２３１１３３号の記述に従って動作することができる。図１５を参照するに、太陽光線は表面３９８に入射し、凸面３１０に配置された反射材料３４０により反射される。光線は、凹面３３０上の反射材料３４０へ向けて反射され、その後、開口部３８５へ向けて反射される。反射された光線は、開口部３８５を透過して、太陽電池３９０のウインドウ３９６により受光される。光学分野の当業者には、１個以上の他の表面形状の組合せを用いて太陽光線を太陽電池に集光できることが認識されよう。
太陽電池３９０は、表面３９８で受容された光子エネルギーのかなりの部分を受容し、受容した光子エネルギーに応答して電流を発生させる。電流は、導電材料３６０および導電材料３７０を通じて外部回路（および／または同様の直列結合された装置）を透過することができる。この点に関して、太陽電池３９０はまた、導電材料３７０と電気的に結合された端子を含んでいてよい。そのような端子は、端子３９３、３９５の極性とは逆の極性を示す。
本明細書に記述したいくつかの実施形態は単に例示目的である。これらの実施形態には、本明細書に記述した素子の現在公知または今後公知となるバージョンが含まれている。従って、当業者は本明細書の記述から、各種の変型および変更により他の実施形態も実装可能であることが認識されよう。
１００ 光学素子、１１０ 表面、１２０，１３０ 凹部、１４０ 導電材料、３００ 素子、３１０ 凸面、３２０ 台座、３２２，３２４，３２６，３２８ 凹部、３３０ 凹面、３４０ 反射材料、３５０ 絶縁体、３６０，３７０ 導電材料、３８０ 半田マスク、３８５ 開口部、３９０ 太陽電池、３９２，３９４ はんだバンプ、３９３，３９５ 端子、３９６ ウインドウ、３９８ 表面。

Claims (4)

  1. 太陽電池の太陽集光器の製造方法であって、
    凹面を含む平坦な第１の面と、前記第１の面に対向する凸状の第２の面と、前記凸状の第２の面上に設けられた円柱台座と、を備えたガラスからなり、前記円柱台座は凹部を画定する平坦な第３の面を含み、前記第３の面は前記第１の面と離れて対向している光学素子を生成するステップと、
    前記第３の面上、前記円柱台座の側面上及び前記凸状の第２の面の一部分の上に導電材料を堆積し、また、前記凸状の第２の面の他の部分の上に他の導電材料を堆積し、前記一部分と前記他の部分は互いを電気的に絶縁すべく隙間が画定され、前記堆積された導電材料の一部が前記凹部内に配置されるようにするステップと、
    前記第３の表面を化学機械的研磨によりほぼ平坦化させて、前記凹部内に配置された導電材料の一部を露出させて、金属トレースを形成するステップと、
    を含む太陽電池の太陽集光器の製造方法。
  2. 前記導電材料を堆積させるステップが、前記光学素子の上に溶融導電材料を溶射するステップを含んでいる、請求項１に記載の太陽電池の太陽集光器の製造方法。
  3. 前記導電材料を堆積させるステップが、前記光学素子の上に溶融導電材料を溶射する前に、前記光学素子の上にステンシルを配置するステップを更に含んでいる、請求項２に記載の太陽電池の太陽集光器の製造方法。
  4. 前記光学素子の上に反射材料を堆積させ、且つ前記第３の面に前記反射材料が付着しないようにするステップと、
    前記反射材料の上に電気絶縁体を堆積させ、前記第３の面に前記電気絶縁体が付着しないようにするステップと、
    前記導電材料を前記電気絶縁体の上に堆積させるステップとを更に含んでいる、請求項１に記載の太陽電池の太陽集光器の製造方法。
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