(57)【要約】【課題】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。【解決手段】金属ガラス層たる金属ガラス基板１に導線２を接合するにあって、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。導線２としてＡｌ系ボンディングワイヤを用いる場合には、超音波ツール３としてウェッジツールを用いる。【選択図】図１
2010199387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１記載の金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項３】
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請求項２記載の金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項４】
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ことを特徴とする金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項５】
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請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項６】
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請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項７】
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請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の金属ガラス層への導線の接合方法。
【請求項８】
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金属ガラス層への導線の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４５０４８号公報
【特許文献２】特開２００８−１５５３３３号公報
【特許文献３】特開２００９−１００２７号公報（段落〔０００９〕−〔００２５〕）
【特許文献４】特開２００５−１５３１１０号公報（段落〔０００９〕−〔００２９〕）
【特許文献５】特開２００８−８８６９号公報
【特許文献６】特開２００５−１２３２３５号公報（段落〔００１６〕−〔００２５〕）
【特許文献７】特開２００８−２１４７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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ことを特徴とする。
【０００７】
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。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、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ことを特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
請求項４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ことを特徴とする。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
請求項６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。
【００１８】
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。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６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。
【００２０】
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。
【００２１】
請求項８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。
【００２２】
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。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１，４，８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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態の金属ガラス層への導線の接合方法の説明図である。
【図２】同上における金属ガラス応用デバイスの一例を示す概略断面図である。
【図３】同上の金属ガラス層への導線の接合方法の他の例の説明図である。
【図４】同上の金属ガラス層への導線の接合方法の別の例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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ので、
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）１ａ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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
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
【図１】
2010199387.tif 000003
【図２】
2010199387.tif 000004
【図３】
2010199387.tif 000005
【図４】
2010199387.tif 000006