(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチ内部に対する化学汚染の危険性を減少させ又はなくすと共に組立て条件及び熱の変動に対して一層良好に耐え得る流体式スイッチを提供すること。【解決手段】流体式スイッチ及びその製造方法が開示される。一実施形態では、スイッチの製造方法は、第１位置合わせパッドを第１基板上に堆積させ(605)、周囲レリーフにより取り囲まれた第２位置合わせパッドを第２基板上に堆積させ(610)、それら位置合わせパッドの少なくとも一方の上にはんだを堆積させ(615)、第１基板上にスイッチング流体を堆積させ(620)、それら位置合わせパッドを位置合わせしてはんだを加熱することにより第１基板を第２基板に結合させる(625)。該基板(100,300)は、それらの間にスイッチング流体を保持するキャビティを画定し、該キャビティが、スイッチング流体が第１状態と第２状態との間で移動して液体スイッチを形成することを可能にするサイズに形成される、という各ステップを含む方法。【選択図】図８Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１位置合わせパッドを第１基板上に堆積させ(605)、
第２位置合わせパッドを第２基板上に堆積させ(610)、
前記第１位置合わせパッド及び前記第２位置合わせパッドの少なくとも一方の周囲に周囲溝を形成し(612)、
前記第１位置合わせパッド及び前記第２位置合わせパッドの少なくとも一方の上にはんだを堆積させ(615)、
前記第１基板上にスイッチング流体を堆積させ(620)、
前記第１位置合わせパッドと前記第２位置合わせパッドとを位置合わせして、はんだを加熱することにより、前記第１基板を前記第２基板に結合させ(625)、該第１基板及び該第２基板が、それら基板間に前記スイッチング流体を保持するキャビティを画定し、該キャビティが、前記スイッチング流体が第１状態と第２状態との間で移動することを可能にするサイズに形成される、
という各ステップを含む方法。
【請求項２】
前記結合ステップ(625)の後に前記第１基板を前記第２基板に対して密閉させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記密閉ステップが、
前記第１基板及び前記第２基板の周囲に周囲リングを形成し(640)、該周囲リングが、前記第１基板及び前記第２基板が互いに結合する場所に形成され、
湿潤可能なシールリングを前記周囲リングに堆積させ(645)、
はんだペーストを未硬化エポキシフラックスと共に前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方の上に分配し(650)、
該はんだペーストを加熱する(655)、
という各ステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記はんだが前記はんだペーストよりも高い融点を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記結合ステップ(625)の前に、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方に周囲リングを形成し(640)、該周囲リングの少なくとも一部上に第１シールリングを堆積させ、他方の基板の周囲の少なくとも一部に第２シールリングを堆積させ、
前記結合ステップの後に、前記第１シールリングを前記第２シールリングにはんだ付けする、
という各ステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記結合ステップ(620)の前に、前記第２基板に結合されることになる前記第１基板の表面を光学的に平滑化させ、及び前記第１基板に結合されることになる前記第２基板の表面を光学的に平滑化させる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１基板の光学的な平滑化及び前記第２基板の平滑化が、ラップ仕上げ、研磨、及び化学機械的研磨のうちの１つにより行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第１(100)及び第２(300)の結合基板であって、その各基板が少なくとも１つの位置合わせパッド(110,112,320,322)を含み、該少なくとも１つの位置合わせパッドが、その周囲に周囲溝(321,323)を有しており、該位置合わせパッドが互いにはんだ付けされ、前記第１及び第２基板(100,300)が、それら基板間に複数のキャビティの少なくとも一部を画定する、第１(100)及び第２(300)の結合基板と、
前記複数のキャビティのうちの１つ又は２つ以上の内部に露出する複数の電極(102,204,206,332,334,336)と、
前記複数のキャビティのうちの１つ又は２つ以上の内部に保持されたスイッチング流体(118)であって、該スイッチング流体(118)に加えられた力に応じて前記複数の電極(102,104,106,332,334,336)のうちの少なくとも一対の電極を開閉させるよう働くスイッチング流体(118)と、
前記複数のキャビティのうちの１つ又は２つ以上の内部に保持され、前記スイッチング流体(118)に力を加える、作動流体と
を含む、スイッチ。
【請求項９】
前記第１基板(100)及び前記第２基板(300)が密閉される、請求項８に記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記第１(100)及び第２(300)基板の少なくとも一方に形成された周囲リング(305)と、前記第１基板(100)の周囲の少なくとも一部上に堆積された第１シールリング(120)と、前記第２基板(300)の周囲の少なくとも一部上に堆積された第２シールリング(340)と、前記シールリング(120,340)を結合するはんだ(804)と、該はんだ(804)と第１(100)及び第２(300)基板との間のエポキシフラックス(802)とを更に含む、請求項９に記載のスイッチ。
【請求項１１】
前記はんだ(804)の少なくとも一部を包囲するエポキシフラックス(802)を更に含む、請求項１０に記載のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
水銀等の液体金属をスイッチング素子として使用する、液体金属マイクロスイッチ（LIMMS）等の流体式スイッチ(fluid-based switch)が開発されてきた。
【背景技術】
【０００２】
液体金属は、電気接点を開閉させることができる。代替的には、LIMMSは、不透明な液体を使用して光路を開放又は遮断する。スイッチの状態を変更するために、スイッチング流体に力を加えて該スイッチング流体の形状及び動きを変える。
【０００３】
LIMMSを製造するために使用する基板は、ポリマー又は熱可塑性ペルフルオロカーボン材料等の接着剤と共に保持される。使用する接着剤は、ある組立て条件（はんだ付け温度など）に耐性がない場合がある。接着剤は高温において分解し、有害物質を放出し、これは、製造時又は使用時に発生する場合がある。高温サイクルは、有害な気体をLIMMSチャネル内に射出し、液体金属又は基板に腐食を生じさせる場合がある。この腐食によって接着剤の材料に気泡が生じ、チャネルプレートを基板に保持している接着剤を弱体化させる場合がある。液体金属は、接着材料を通る高度に浸透性の漏出経路として気泡を利用する気相拡散によって漏出する場合がある。液体金属が水銀である場合、これは負の環境及び健康問題を生じさせる場合がある。更に、気泡タイプの漏出経路が存在する場合には、環境気体がスイッチ内部に急速に拡散して、液体金属又はその他の内部構造の腐食を生じさせる場合がある。
【０００４】
更に、ポリマーが気体及び／又は水分を吸収し、使用時に気体を放出して、パッケージの内部に化学的な汚染を生じさせる場合がある。またポリマーは密閉しないため、密閉したスイッチを形成するには別途シールを設ける必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、スイッチを製造するための方法を開示する。この方法は、第１基板上に第１位置合わせパッドを堆積させることを含む。第２位置合わせパッドは第２基板上に堆積させる。第２位置合わせパッドは周囲レリーフを含む。周囲リングをスイッチングデバイスの周囲に形成し、はんだ付け可能な材料を周囲リング内に堆積させる。次に、はんだを少なくとも一方の位置合わせパッド上に堆積させる。スイッチング流体も第１基板上に堆積させる。それら基板は、位置合わせパッドを互いに位置合わせしてはんだを加熱することにより互いに結合される。過剰なはんだは、第２基板上にある第２位置合わせパッド周囲の周囲レリーフにより形成された凹部内に搾り出される。スイッチング流体を保持するキャビティは２つの基板間に画定され、該キャビティは、スイッチング流体が第１状態と第２状態との間で移動することを可能にするサイズに作られる。未硬化エポキシを含むはんだペーストを周囲リング内に堆積させ加熱し、パッドを湿潤させ、及びエポキシを排除し硬化させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の具体的な実施形態を図面に示す。
【０００７】
図１及び図２は、LIMMS等の流体式スイッチのための第１基板100を示す。一例として、第１基板100はセラミック、ガラス、セラミック被覆金属、又はこれらの材料の組合せで良い。その他の適切な材料を使用しても良い。基板100の表面101は光学的に平坦で、基板100の表面101が結合部分300の結合表面301と密接に接触することを可能にする。
【０００８】
基板100上には、複数の湿潤可能な（wettable）パッド102,104,106が堆積され、場合によっては電気接点として機能する。スイッチング流体118は、湿潤可能なパッド102〜106上に堆積される。スイッチング流体118は、水銀等の液体金属であり、電気接点を開閉し、また光路を開放及び遮断するために使用することができる。
【０００９】
基板100上には、位置合わせパッド110,112も堆積され、該位置合わせパッド110,112は、金属又は合金等の湿潤可能な材料から製造して、スイッチを形成するために使用する第２基板に基板100を位置合わせし及び結合させるために使用することができる。代替的な実施形態では図１及び図２に示されているものとは異なる数の位置合わせパッド110,112及び／又は湿潤可能なパッド102,104,106を備えることができることを理解されたい。
【００１０】
はんだ114は、各々の位置合わせパッド110,112上に堆積される。一例として、はんだ114は、高融点を有するはんだで良い。はんだ114は、スイッチの形成に使用する第２基板に第１基板100を結合するために使用する。代替的な実施形態では、はんだ114は、代わりに、又は付加的に、第２基板上に位置する位置合わせパッド上に堆積される。
【００１１】
シールリング120は、第１基板100の周囲の少なくとも一部上に配置される。一例として、シールリング120は、金属又は合金等の湿潤可能な材料から製造することができる。以下で詳細に説明するように、シールリング120は、スイッチを密閉するために使用することができる。シールリング120は、代替的な実施形態では含めないことが可能である。
【００１２】
図３及び図４は、流体式スイッチに使用される第２基板300を示す。基板300の表面301は光学的に平坦であり、基板300の表面301を基板100の結合表面101に密接に接触させるのに役立つ。第２基板300は、スイッチング流体チャネル304と、一対の作動流体チャネル302,306と、該作動流体チャネル302,306の対応するチャネルをスイッチング流体チャネル304に接続する一対のチャネル308,310とを備える。基板を使用するスイッチの構成に応じて、一層多くのチャネル又は一層少ないチャネルを基板300に形成することが考えられる。例えば、一対の作動流体チャネル302,306及び一対の接続チャネル308,310は、単一の作動流体チャネル及び単一の接続チャネルに置き換えることができる。更に、代替的な実施形態では、複数のチャネル又は複数のチャネルの一部を、スイッチを構成するために使用する第１基板100内に形成することが可能である。
【００１３】
実施形態によっては、基板300は、基板300のチャネルを形成するために使用する複数の層を含む。これらの層は、シールリング120,340間に、はんだが流入してスイッチを密閉するための隙間を提供する。また、これらの層により、製造時にキャビティの容積をより良好に調節することができる。一例として、これらの層は、ガラス、セラミック、セラミック被覆金属、これらの材料の組合せ、又はその他の適切な材料で良い。基板300の複数の層は、これらの層を互いに陽極接合又は溶融接合することにより、互いに組み立てることができる。これは、はんだ付け等のその他の組立て条件に耐えることが可能なより堅牢な接着を提供することができ、化学汚染の危険性を減少させたり、なくすことができる。しかし、複数の層を使用する代替的な実施形態では、接着剤又はその他の接着方法を使用しても良い。
【００１４】
基板300は、基板300上に形成された周囲リング305の少なくとも一部上に堆積されたシールリング340も備える。一例として、シールリング340は、金属又は合金等の湿潤可能な材料から製造する。シールリング340は表面301まで延びるべきではない。以下で詳細に説明するように、シールリング340は、スイッチを密閉するために使用する。代替的な実施形態では、基板300はシールリング340を含まないことが可能である。
【００１５】
基板300は、位置合わせパッド320,322を更に備える。位置合わせパッド320,322は、金属又は合金等の湿潤可能な材料から製造し、基板300を第１基板100と位置合わせし及び結合させてスイッチを形成するために使用する。位置合わせパッド320,322は、周囲レリーフ321,323内の隆起領域上に堆積され、位置合わせパッド320,322の周囲に周囲溝を形成する。代替的な実施形態は異なる数の位置合わせパッドを備えることが可能である。はんだ114は、代わりに、又は付加的に、第２基板300上にある１つ又は２つ以上の位置合わせパッド320,322上に堆積させることが可能である。
【００１６】
シールベルト332,334,336はまた、随意選択的に基板300上に堆積させることが可能なものである。これらのベルトは、金属又は合金等の湿潤可能な材料から製造する。スイッチング流体チャネル304内でのシールベルトの使用は、スイッチング流体が湿潤する追加の表面領域を提供する。これは、スイッチング流体がとり得る様々な状態をラッチするのに役立つのみならず、スイッチング流体が漏出することができないシールされたチャンバを形成するのに役立ち、該チャンバ内では、スイッチング流体は、（例えばスイッチ状態の変化時に）内部でより容易にポンプ作用を受けることが可能となる。代替的な実施形態ではシールベルト332〜336を含まないことが可能であることを理解されたい。
【００１７】
図５は、基板100,300を互いにはんだ付けすることにより形成される流体式スイッチを示す。図８Ａに示すように、このスイッチは、互いに結合された少なくとも２つの基板100,300間に複数のキャビティ部分が画定されるように該基板100,300を形成する(600)ことにより、作成することができる。各基板は、スイッチを密閉するために使用される基板の周囲の一部上に堆積されたシールリング120,340を備える。代替的な実施形態では、シールリング120,340を含まないことが可能である。
【００１８】
次に、位置合わせパッド110,112を第１基板上に堆積させ(605)、位置合わせパッド320,322を第２基板上に堆積させる(610)。周囲のレリーフ溝321,323を位置合わせパッド320,322の周囲に形成する(612)。はんだ114を位置合わせパッド110,112,320,322の少なくとも１つの上に堆積させる(615)。更に、スイッチング流体118を基板100の一方に堆積させる(620)。スイッチング流体118及び位置合わせパッド110,112,320,322はあらゆる順序で堆積させることが可能である。代替的な実施形態では、スイッチング流体118又は位置合わせパッド110,112を基板100,300上に堆積させる前に、基板の一方又は両方を（例えば、ラップ仕上げ（lapping）、研磨、又は化学機械的研磨により）光学的に平坦かつ平滑にして、基板の密接な接触を促進させる。
【００１９】
最後に、第１基板100は、それぞれの位置合わせパッド110/320,112/322を整列させ（630）、はんだ114を加熱する(635)ことにより、第２基板300と結合する(625)。過剰なはんだは、結合時に接触パッドの周囲のレリーフ溝321,323内に搾り出される。基板100,300は、はんだ114の加熱時に基板を互いに圧迫することにより互いに密接に接触させ、基板間を通過する気体及び／又は液体の漏出を最小限にすることにより、スイッチ性能を改善することができる。接着剤を使用しない方法を用いて基板を互いに接合し、スイッチを形成することにより、スイッチ内部に対する化学汚染の危険性を減少させ又はなくすことができることを理解されたい。更に、はんだ114は、その他の組立て条件及び熱の変動に対して一層良好に耐え得るものとなる。
【００２０】
図６及び図７は、密閉されたスイッチの例示的な第２の実施形態を示す。このスイッチは、複数のキャビティ部分が基板間に画定されるように、互いに結合する基板100,300を備える。図８Ｂに示すように、基板の一方又は両方は、スイッチングデバイス周囲に形成された(640)周囲リング305を有する。各々の基板100,300は、それぞれの基板の周囲リング305の一部分の上に堆積された(645)はんだ付け可能な接触表面又はシールリング120,340を備える。代替的に、このステップをステップ610,612間で行うことが可能である。一例として、シールリング120,340は、金属又は合金等の湿潤可能な材料で良い。基板300は、シールベルト332,334,336を更に備え、これらのベルトは、スイッチング流体118が湿潤させるための追加の表面領域を提供する。代替的な実施形態では、シールベルト332〜336を含まないことが可能である。
【００２１】
基板100,300は、図８Ａに関して以前に説明したように、互いにはんだ付けすることが可能である(114)。次に、はんだペーストを未硬化エポキシ702と共に基板の少なくとも一方に分配する(650)ことにより密閉が形成される。次に、はんだペーストを加熱し(655)、はんだ804をシールリング120,340まで湿潤させて、密閉が形成される。はんだ804は、表面張力並びにシールリング120,340の湿潤効果により中心内に進む傾向があり、このため、表面が湿潤可能であって十分なはんだが存在する場合には、確実なシールが得られる。エポキシからのポリマーシール材料802は、はんだ804から周囲シールリング305の内周及び外周へと排除される。
【００２２】
一実施形態では、基板を組み立てるために使用されるはんだ114は、密閉を形成するために使用するはんだ804よりも高い融点を有し、その結果、はんだ114が、密閉の形成時に融解するのを防止する。エポキシフラックス802は、少なくともはんだ804の一部を包囲し、スイッチング流体118により形成される蒸気からはんだを保護する。代替的な実施形態ではエポキシフラックス802を含まないことが可能である。
【００２３】
図９は、密閉930を含む流体式スイッチの第１の例示的な実施形態を示す。スイッチ900は、互いに結合される第１基板902及び第２基板904を備える。基板902,904は、本書で上述したように互いにはんだ付けされる。次に、スイッチは、図６ないし図８に関して説明したように密閉される。接着剤を使用しない方法を用いて基板を組み立てることにより、スイッチ内部に対する化学汚染の危険性を減少させ又はなくすことができる。代替的な実施形態では、スイッチ900は密閉930を含まなくて良いことを理解されたい。
【００２４】
基板902,904は、これら基板間に複数のキャビティ906,908,910を画定する。１つ又は２つ以上のキャビティ内には複数の電極912,914,916が露出している。１つ又は２つ以上のキャビティ内に保持されているスイッチング流体918（例えば水銀等の導電性液体金属）は、該スイッチング流体918に加わる力に応じて複数の電極912〜916のうちの少なくとも一対の電極を開閉させる働きをする。１つ又は２つ以上のキャビティ内に保持されている作動流体920（例えば不活性ガス又は液体）は、スイッチング流体918に力を加える働きをする。
【００２５】
スイッチ900の一実施形態では、スイッチング流体918に加わる力は、作動流体920の圧力の変化によって生じる。作動流体920内の圧力の変化は、スイッチング流体918の圧力を変化させ、その結果として、スイッチング流体918が、その形状を変化させ、移動し、分岐する等の状態になる。図９では、キャビティ906内に保持されている作動流体920の圧力は、図示のようにスイッチング流体918を分割する力を与える。この状態では、スイッチ900の一番右の対の電極914,916が互いに結合する。キャビティ906内に保持されている作動流体920の圧力が緩和され、キャビティ910内に保持されている作動流体920の圧力が増加すると、スイッチング流体918を強制的に分岐させ及び合流させることができ、その結果として、電極914,916が分離し、電極912,914が結合する。
【００２６】
一例として、作動流体920内の圧力の変化は、作動流体920を加熱することにより、又は圧電ポンピングにより生じさせることができる。前者は、「Electrical Contact Breaker Switch,Integrated Electrical Contact Breaker Switch,and Electrical Contact Switching Method」と題するコンドー等の米国特許第6,323,447号に記載されている。後者は、2002年5月2日出願の「A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch」と題するMarvin Glenn Wongの米国特許出願第10/137,691号に記載されている。上記の引用された特許及び特許出願は、デュアルプッシュ／プル作動流体キャビティによるスイッチング流体の移動を開示しているが、十分なプッシュ／プル圧力変化をスイッチング流体に加えることができるのであれば、単一のプッシュ／プル作動流体キャビティで十分である。図９に示されているようなスイッチの構造及び動作に関するその他の詳細は、コンドーの上記特許に記載されている。
【００２７】
図１０は、スイッチ1000の第２の例示的な実施形態を示す。スイッチ1000は基板1002と、互いに結合する第２基板1004とを備える。基板1002,1004は、上記で説明したように互いにはんだ付けする。次に、スイッチ1000は、図６〜8に関して説明したように密閉する。代替的な実施形態では、スイッチ1000は密閉930を含まないことが可能である。接着剤を使用しない方法を用いて基板を組み立てることにより、スイッチ1000の内部に対する化学汚染の危険性を減少させ又はなくすことが可能となり、また基板902,904間の接合が、他の組立て又は作動条件に対して接着剤よりも良好な耐性を有することが可能である。
【００２８】
基板1002,1004は、これら基板間に複数のキャビティ1006,1008,1010を画定する。１つ又は２つ以上のキャビティ内には、複数の湿潤可能なパッド1012〜1016が露出している。スイッチング流体1018（例えば水銀等の液体金属）は、パッド1012〜1016に対して湿潤可能であり、１つ又は２つ以上のキャビティ内に保持されている。スイッチング流体1018は、スイッチング流体1018に加わる力に応じて、１つ又は２つ以上のキャビティを介して光路1022/1024,1026/1028を開放し及び遮断する働きをする。一例として、光路は、スイッチング流体を保持するキャビティ1008内の半透明なウィンドウと位置合わせされた導波管1022〜1028により画定することが可能である。光路1022/1024,1026/1028の遮断は、不透明なスイッチング流体1018により行なわれる。１つ又は２つ以上のキャビティ内に保持される作動流体1020（例えば不活性気体又は液体）は、スイッチング流体1018に力を加える働きをする。
【００２９】
図１０に示すようなスイッチの構造及び動作に関するその他の詳細は、コンドー等の上記特許、及びMarvin Wongの特許出願に記載されている。その他のスイッチ取付け及びシール方法は、2003年6月16日出願のMarvin Glenn Wong等の米国特許出願第10/462,472号「Fluid-Based Switches and Methods for Producing the Same」に記載されている。
【００３０】
本発明の具体的かつ現在好ましい実施形態について本書で詳細に説明したが、本発明の思想は、他の方法で様々に具体化及び利用することができ、特許請求の範囲は、先行技術により制限されない限り、こうした変形を含むと解釈されることを意図していると考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】スイッチング流体及び位置合わせパッドを含む基板の例示的な平面図を示す。
【図２】図１に示す基板の側面図である。
【図３】スイッチング流体のチャネル及び位置合わせパッドを含む基板の例示的な平面図を示す。
【図４】図３に示す基板の側面図である。
【図５】互いにはんだ付けされてスイッチを形成する図１ないし図４に示す基板の側面図を示す。
【図６】はんだが周囲リング内に堆積された図５に示すスイッチの第２の例示的な実施形態の側面図を示す。
【図７】加熱後の図６に示したスイッチの側面図を示す。
【図８Ａ】図１ないし図７のスイッチを形成する第１の方法を示す。
【図８Ｂ】図１ないし図７のスイッチを形成する第２の方法を示す。
【図９】密閉されたスイッチの第１の例示的な実施形態の斜視図を示す。
【図１０】密閉されたスイッチの第２の例示的な実施形態の斜視図を示す。
【符号の説明】
【００３２】
100  第１結合基板
102  電極
110  位置合わせパッド
112  位置合わせパッド
118  スイッチング流体
120  第１シールリング
204  電極
206  電極
300  第２結合基板
320  位置合わせパッド
321  周囲溝
322  位置合わせパッド
323  周囲溝
332  電極
334  電極
336  電極
340  シールリング
804  はんだ
802  エポキシフラックス
【図１】
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【図２】
2005158717.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005158717.tif 000009
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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