WO2010150351A1 - 電極基体 - Google Patents

Abstract

　本発明は、良好な外部信号伝達機能が発揮できる電極を薄膜基体の表面に有する電極基体を提供することを目的とする。そして、本発明は、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板（３）の表面上にアルミよりなるリード線（２）が超音波接合方法を用いて接合される。そして、リード線（２）の一方端部の表面上からガラス基板（３）外の領域にかけて銅よりなる外部取り出し電極（２３）が形成される。リード線２は内部信号授受部として機能し、外部取り出し電極（２３）は外部信号伝達機能を有する。

Description

電極基体

　本発明は、超音波接合法によってガラス基板等の基体の表面上に電極が接合された構造を有する電極基体に関する。

　アルミニウム系材と異種金属である鋼材を高い接合強度で接合する装置、あるいは電子デバイス等の接合対象部上に外部引出用のリード線等の被接合材を接合する装置として超音波接合装置がある。超音波接合装置による超音波振動を利用した超音波接合では、接合界面に対して垂直方向の加圧による応力と、平行方向の高い振動加速度による繰返し応力とを与えて接合界面に摩擦発熱を生じさせる。これにより電極材料の原子を拡散させて接合することができる。このような超音波接合装置は電極と接するチップ部分を有する超音波接合用ツールを備えており、このような超音波接合用ツールは例えば特許文献１に開示されている。

特開２００５－２５４３２３号公報

　しかしながら、超音波接合装置は、上述したように上方から加圧するとともに超音波振動を印加するという超音波接合動作を行うため、接合対象部は上記超音波接合動作に対する耐性を具備する必要がある。したがって、特許文献１で開示された超音波接合装置を含め、ガラス基板等の板厚が比較的薄く耐性が弱い薄膜基体を上記接合対象部とすることは想定されておらず、薄膜基体の表面上に電極を接合する手段としては考慮されていなかった。すなわち、ガラス基板等の薄膜基体の表面上に電極が直接接合される電極基体を得ることが困難であるという問題点があった。この問題点は薄膜基体の板厚が２ｍｍ以下になると特に顕著となる。

　加えて、電極の重要な働きとして、外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能がある。

　しかしながら、従来、超音波接合による接合特性が良好で、かつ上記外部信号伝達機能に優れた電極を薄膜基体の表面上に形成することが実質的に困難であるという問題点があった。

　本発明では、上記のような問題点を解決し、良好な外部信号伝達機能が発揮できる電極を薄膜基体の表面に有する電極基体を提供することを目的とする。

　この発明係る電極基体は、薄膜基体と、前記薄膜基体の表面上に接合され、第１の材料より構成される第１の電極部と、前記第１電極部と電気的に接続され、第２の材料より構成され、外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能を有する第２の電極部とを備え、前記第１の材料は前記第２の材料に比べ、前記薄膜基体への超音波接合方法による接合特性が優れている。

　この発明における電極基体は、第１の電極部を構成する第１の材料は第２の電極部を第２の材料に比べ、薄膜基体への超音波接合方法による接合特性が優れている。

　したがって、第１の電極部によって薄膜基体への超音波接合方法による良好な接合性を保ち、かつ、第２の電極部の第２の材料として、外部信号伝達機能として特性が優れる材料を選択できる分、一の材料で電極を構成する場合に比べ、より性能が高い電極を有する電極基体を得ることができる効果を奏する。

　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

この発明の実施の形態１である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。 この発明の実施の形態１である電極基体製造用の超音波接合用ツールによる超音波接合状況を模式的に示す断面図である。 図２の超音波接合用ツールのチップ部分の表面部分の断面構造を示す断面図である。 図２の超音波接合用ツールのチップ部分の表面部分の平面構造を模式的に示す斜視図である。 超音波接合用ツールにおける一般的なチップ部分の表面部分の断面構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態２である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。 この発明の実施の形態３である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。

　＜実施の形態１＞
　（構造）
　図１は、この発明の実施の形態１である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。なお、同図に(a) が上面から視た平面図であり、同図(b) が同図(a) のＡ－Ａ断面を示す断面図である。

　同図に示すように、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上にアルミ材よりなるリード線２が超音波接合方法を用いて接合される。そして、リード線２の一方端部の表面上からガラス基板３外の領域にかけて銅材よりなる外部取り出し電極２３（引き出し線）が形成される。図１の(b) に示すように、外部取り出し電極２３はガラス基板３外の領域に向かう方向にそって上方にやや持ち上げられた断面形状を呈している。

　なお、リード線２はガラス基板３に形成された回路等との間で電気的信号を授受する内部信号授受部として機能し、外部取り出し電極２３は外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能を有する。すなわち、信号の流れとしては一方向（ガラス基板３から外部、あるいは外部からガラス基板３）のみの場合を含む。

　（超音波接合用ツール）
　図２は、この発明の実施の形態１である電極基体製造用の超音波接合用ツール１による超音波接合状況を模式的に示す断面図である。

　同図に示すように、テーブル（アンビル）５上にガラス基板３を固定し、このガラス基板３の表面上の所定箇所に板厚が０．１～０．２ｍｍ程度のアルミからなる外部引出用のリード線２（被接合材）を配置する。そして、超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃを介してリード線２との接合面に垂直の加圧力を印加し、かつ超音波接合用ツール１を水平方向に超音波振動させて、接合面を大きく変形させる超音波接合動作を実行することにより、リード線２とガラス基板３との接合界面にて、リード線２とガラス基板３とが固相接合される。

　図３はチップ部分１ｃの表面部分の断面構造を示す断面図である。図３はチップ部分１ｃの表面部分の平面構造を模式的に示す斜視図である。図４のＢ－Ｂ断面部分を反転させた断面が図３に相当する。これらの図に示すように、チップ部分１ｃの表面には複数の平面部１０が複数の凹部１１（図４では第１溝部１１ａ及び第２溝部１１ｂ）により分離形成される。

　図５は超音波接合用ツールにおける一般的なチップ部分５１ｃの表面部分の断面構造を示す断面図である。同図に示すように、チップ部分５１ｃはワイヤカット加工を用いることにより、複数の凹部６１によって分離形成される複数の平面部６０を設けられており、複数の平面部６０それぞれは実質的には凸部形状となり、高い平面度を保っていないのが一般的であった。このため、チップ部分５１ｃの表面構造として平面部６０及び凹部６１により数十μｍオーダの凹凸形状が形成されてしまうが、従来の方法では超音波接合に伴う大きな板厚方向の変形が許容できるため、問題になることはなかった。

　これに対し、図３に示すように、超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃは、垂直線ＬＶに対する平面部１０の表面形成面による水平線ＬＨは精度よく９０度に設定され、平面部１０の平面度は２μｍ以下の高精度に形成される。そして、凹部１１，１１間の間隔Ｐ１は１．０ｍｍ以下程度、凹部１１の最深部までの深さＤ１は０．１５ｍｍ以下程度に設定される。このように、実施の形態１の電極基体製造用の超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃは一般的な超音波接合用ツール５１ｃとは全く異なる精度の構造を呈しており、割れやすいガラス基板３に損傷を与えることなくリード線２を接合することができる。

　図４では図３で示す複数の凹部１１が互いに垂直に交叉する複数の第１溝部１１ａ及び複数の第２溝部１１ｂより構成されている例を示している。すなわち、図中、略縦方向に形成される複数の第１溝部１１ａと、図中横方向に形成される第２溝部１１ｂとによって、各々がマトリクス状に分離形成され、平面形状が矩形状の複数の平面部１０が形成される。そして、複数の平面部１０はそれらが構成する一つの面として２μｍ以下の平面度を有する。

　以下、図２～図４で示した超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃによる効果を、図５で示した一般的なチップ部分５１ｃと比較して説明する。

　一般的なチップ部分５１ｃの場合、前述したように、表面構造として数十μｍオーダの凹凸形状が形成されているため、図２において、超音波接合用ツール１に代えてチップ部分５１ｃを有する超音波接合用ツールを用いて超音波接合を行った場合、凸部となる平面部６０に集中荷重が作用しガラス基板３にクラックが発生する危険性が高く、ガラス基板３を破壊することなくリード線２を接合することが実質的に不可能である。

　一方、実施の形態１の電極基体製造用の超音波接合用ツール１のチップ部分１ｃにおいて複数の平面部１０の平面度が２μｍ以下の高精度であるため、複数の平面部１０それぞれに上述した集中荷重を緩和することができる。さらに、平面部６０を複数個分離形成しているため、１箇所にかかる応力を複数に分散させて減少させることができる。

　加えて、複数の凹部１１は、超音波接合用ツール１による超音波接合動作時にリード線２が剥がれることなく保持し（保持作用）、超音波接合用ツール１による超音波接合動作終了後にリード線２から超音波接合用ツール１を分離する（分離作用）ことを容易にする。

　このように、図２～図４で示した超音波接合用ツール１において、そのチップ部分１ｃにおけるリード線２に接する表面部分は、互いに分離形成された複数の平面部１０と、複数の平面部間に形成される複数の凹部１１とを有し、複数の平面部１０はそれらが構成する一つの面として２μｍ以下の平面度を有する。

　このため、超音波接合用ツール１を有する超音波接合装置を用いた超音波接合方法によって、図１に示したように、板厚が２ｍｍ以下の薄膜基体であるガラス基板３の表面上において支障なくリード線２を接合することができる。

　したがって、図２～図４で示した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法により、図１に示すように、ガラス基板３の表面上において支障なくリード線２を接合することができる。

　そして、上記した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法により、図１に示すように、リード線２の一方端部上に外部取り出し電極２３を接合することができる。

　その結果、リード線２（第１の電極部：内部信号授受部）と外部取り出し電極２３（第２の電極部：外部信号授受部）とからなる電極構造を、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上に形成した実施の形態１の電極基体を得ることができる。

　このように、ガラス基板３の表面上へのリード線２の接合、リード線２の一部上への外部取り出し電極２３の接合という２度の超音波接合方法による接合処理により実施の形態１の電極基体を完成することができる。

　（効果）
　実施の形態１の電極基体は、薄膜のガラス基板３の表面上にリード線２及び外部取り出し電極２３からなる電極構造を有している。このような電極構造は従来の超音波接合方法を用いて実現不可能であった構造である。また、上述したようにリード線２はアルミで構成され、外部取り出し電極２３は銅で構成されている。

　リード線２はアルミで構成されるため、銅に比べガラス基板３の表面において上述した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法による接合特性が優れている。その結果、リード線２をガラス基板３の表面上に精度良く形成することができる効果を奏する。

　一方、外部取り出し電極２３は銅で構成されているため、導電性がアルミより優れており低抵抗性を有する分、アルミを用いる場合よりも外部信号伝達機能として優れた特性を発揮することができる効果を奏する。

　加えて、銅はアルミ材と超音波接合し易い特性を有するため、上述した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法によって、リード線２の一端表面部上に外部取り出し電極２３を精度良く形成することができる効果を奏する。

　さらに、外部取り出し電極２３は銅で構成されているため、取り出し電極としてのアルミに優る高い剛性を発揮することができる効果を奏する。

　＜実施の形態２＞
　（構造）
　図６は、この発明の実施の形態２である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。なお、同図に(a) が上面から視た平面図であり、同図(b) が同図(a) のＣ－Ｃ断面を示す断面図である。

　同図に示すように、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上に軟質のアルミ材（Ｏ材）よりなるリード線２ｆが超音波接合方法を用いて接合される。そして、リード線２ｆの一方端部の表面上からガラス基板３外の領域にかけて、硬質のアルミ材（１／２硬質、１／４硬質、硬質材）よりなる外部取り出し電極２４（引き出し線）が形成される。図６の(b) に示すように、外部取り出し電極２４はガラス基板３外の領域に向かう方向にそって上方に少し持ち上げられた断面形状を呈している。

　なお、リード線２ｆはガラス基板３に形成された回路等との間で電気的信号を授受する内部信号授受部として機能し、外部取り出し電極２４は、実施の形態１の外部取り出し電極２３と同様、外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能を有する。

　（製造方法）
　図２～図４で示した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法により、図６に示すように、ガラス基板３の表面上においてリード線２ｆを接合する。

　そして、上記した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法により、図６に示すように、リード線２ｆの一方端部上に外部取り出し電極２４を接合する。

　その結果、リード線２ｆ（第１の電極部：内部信号授受部）と外部取り出し電極２４（第２の電極部：外部信号授受部）とからなる電極構造を、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上に形成した実施の形態２の電極基体を得ることができる。

　このように、ガラス基板３の表面上へのリード線２ｆの接合、リード線２ｆの一部上への外部取り出し電極２４の接合という２度の超音波接合方法による接合処理により実施の形態２の電極基体を完成することができる。

　（効果）
　実施の形態２の電極基体は、薄膜のガラス基板３の表面上にリード線２ｆ及び外部取り出し電極２４からなる電極構造を有している。このような電極構造は従来の超音波接合方法を用いて実現不可能であった構造である。また、上述したようにリード線２ｆは軟質のアルミ材（Ｏ材）で構成され、外部取り出し電極２４は硬質のアルミ材（１／２硬質、１／４硬質、硬質材）で構成されている。アルミ材において比較的結晶粒を大きくすることにより軟質のアルミ材が得られ、比較的結晶粒を小さくすることにより硬質のアルミ材を得ることができる。

　リード線２ｆは軟質アルミ材で構成されるため、硬質アルミ材に比べガラス基板３の表面において上述した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法によって、接合特性が優れている。その結果、リード線２ｆをガラス基板３の表面上に精度良く形成することができる効果を奏する。以下、この点を詳述する。

　軟質アルミ材は塑性変形能が高いため、ガラス基板３にクラックなどの損傷を与えない小さな加圧力でアルミの新生面を得ることができ、割れやすいガラス材料や剥離しやすい成膜材料を表面に有するガラス基板３の表面上に超音波接合により精度良くリード線２ｆを形成することができる。

　一方、外部取り出し電極２４は硬質アルミ材で構成されているため、取り出し電極としての高い剛性を発揮することができる効果を奏する。

　加えて、軟質アルミ材と硬質アルミ材とは互いに超音波接合し易い特性を有するため、上述した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法によって、リード線２ｆの一端表面部上に外部取り出し電極２４を精度良く形成することができる効果を奏する。

　＜実施の形態３＞
　（構造）
　図７は、この発明の実施の形態３である電極基体の平面構造及び断面構造を示す説明図である。なお、同図に(a) が上面から視た平面図であり、同図(b) が同図(a) のＤ－Ｄ断面を示す断面図である。

　同図に示すように、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上に軟質のアルミ材（Ｏ材）よりなる硬軟一体リード線２Ｍのリード線軟質部２ａが超音波接合方法を用いて接合される。そして、リード線軟質部２ａから連続的に形成され、リード線軟質部２ａ（リード部）の端部からガラス基板３外の領域にかけて、硬質のアルミ材よりなるリード線硬質部２ｂ（引き出し部）が形成される。このように、硬軟一体リード線２Ｍはリード線軟質部２ａにリード線硬質部２ｂが連続形成された一体構造を呈している。図７の(b) に示すように、リード線硬質部２ｂはガラス基板３外の領域に向かう方向にそってやや上方に持ち上げられた断面形状を呈している。

　なお、リード線軟質部２ａはガラス基板３に形成された回路等との間で電気的信号を授受する内部信号授受部として機能し、リード線硬質部２ｂは、実施の形態１の外部取り出し電極２３、実施の形態２の外部取り出し電極２４と同様、外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能を有する。

　（製造方法）
　図２～図４で示した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法により、図７に示すように、ガラス基板３の表面上において硬軟一体リード線２Ｍのリード線軟質部２ａ及び必要に応じてリード線硬質部２ｂのリード線軟質部２ａの境界領域の一部を接合する。

　その結果、リード線軟質部２ａ（第１の電極部：内部信号授受部）とリード線硬質部２ｂ（第２の電極部：外部信号授受部）とからなる硬軟一体リード線２Ｍによる電極構造を、板厚が０．７～２．０ｍｍ程度の薄膜基体であるガラス基板３の表面上に形成した実施の形態３の電極基体を得ることができる。

　このように、ガラス基板３の表面上へのリード線２ｆの接合という１度の超音波接合方法による接合処理により実施の形態２の電極基体を完成することができる。

　なお、硬軟一体リード線２Ｍの製法としては、例えば、予めリード線硬質部２ｂのみからなる硬質リード線を準備し、この硬質リード線に対し選択的に焼鈍し等による熱処理を行い、リード線硬質部２ｂをリード線軟質部２ａに選択的変化させることにより予め得る等の方法が考えられる。

　（効果）
　実施の形態３の電極基体は、薄膜のガラス基板３の表面上に電極構造（硬軟一体リード線２Ｍ（リード線軟質部２ａ，リード線硬質部２ｂ））を有している。このような電極構造は従来の超音波接合方法を用いて実現不可能であった構造である。また、上述したようにリード線軟質部２ａは軟質のアルミ材（Ｏ材）で構成され、リード線硬質部２ｂは硬質のアルミ材（１／２硬質、１／４硬質、硬質材）で構成されている。

　リード線軟質部２ａは軟質アルミ材で構成されるため、硬質アルミ材に比べガラス基板３の表面において上述した超音波接合用ツール１を用いた超音波接合方法によって、より接合特性が優れた特性を有する。その結果、実施の形態２のリード線２ｆと同様、リード線軟質部２ａをガラス基板３の表面上に精度良く形成することができる効果を奏する。

　一方、リード線硬質部２ｂは硬質アルミ材で構成されているため、取り出し電極としての高い剛性を発揮することができる効果を奏する。

　加えて、硬軟一体リード線２Ｍはリード線軟質部２ａ及びリード線硬質部２ｂを一体形成してなるため、ガラス基板３の表面への接合は硬軟一体リード線２Ｍのリード線軟質部２ａ（リード線軟質部２ａとの境界近傍のリード線硬質部２ｂの一部含んでも可）をガラス基板３の表面に接合するという、実施の形態１及び実施の形態２に比べ簡単な製造方法により得ることができる効果を奏する。

　＜その他＞
　なお、上述した実施の形態では、薄膜基体として主としてガラス基板３の単体構造を示したが、ガラス基板３の表面上にＣｒ（クロム)やＭｏ（モリブデン）等の導電性金属成膜層やＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ等の導電性酸化物層等が積層されたガラス基板３を含む複合構造においても、ガラス基板３単体の場合と同様、本発明を適用することができるのは勿論である。

　さらに、シリコン基板、セラミック基板等の他の構成材料からなる基板あっても板厚が２ｍｍ以下の薄膜であれば、ガラス基板３に代えて、上述した単体構造、複合構造の薄膜基体として本発明を適用することができる。

　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

Claims (8)

1. 　薄膜基体（３）と、
   　前記薄膜基体の表面上に接合され、第１の材料より構成される第１の電極部（２，２ｆ，２ａ）と、
   　前記第１電極部と電気的に接続され、第２の材料より構成され、外部への信号の取り出し及び外部からの信号と取り入れのうち、少なくとも一方の外部信号伝達機能を有する第２の電極部（２３，２４，２ｂ）とを備え、
   　前記第１の材料は前記第２の材料に比べ、前記薄膜基体への超音波接合方法による接合特性が優れることを特徴する、
   電極基体。
2. 　請求項１記載の電極基体であって、
   　前記第２の材料は前記第１の材料に比べ導電性が優れた特性を有することを特徴とする、
   電極基体。
3. 　請求項２記載の電極基体であって、
   　前記第１の材料はアルミ材を含み、
   　前記第２の材料は銅材を含む、
   電極基体。
4. 　請求項１記載の電極基体であって、
   　前記第２の材料は前記第１の材料に比べ剛性が高い特性を有することを特徴とする、
   電極基体。
5. 　請求項４記載の電極基体であって、
   　前記第１の材料は軟質アルミ材を含み、
   　前記第２の材料は硬質アルミ材を含む、
   電極基体。
6. 　請求項１ないし請求項５のうち、いずれか１項に記載の電極基体であって、
   　前記第２の電極部（２３，２４）は前記第１の電極部（２，２ｆ）の一部上に接合される、
   電極基体。
7. 　請求項４あるいは請求項５記載の電極基体であって、
   　前記第１及び第２の電極部（２ａ，２ｂ）は互いに一体形成される、
   電極基体。
8. 　請求項１ないし請求項５のうち、いずれか１項に記載の電極基体であって、
   　前記薄膜基体は板厚が２ｍｍ以下の薄膜基体を含む、
   電極基体。

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