JP2001185635A - Ｍｅｍｓデバイスを有能するキャビティを具備するパッケージ - Google Patents

Ｍｅｍｓデバイスを有能するキャビティを具備するパッケージ

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JP2001185635A
JP2001185635A JP2000314634A JP2000314634A JP2001185635A JP 2001185635 A JP2001185635 A JP 2001185635A JP 2000314634 A JP2000314634 A JP 2000314634A JP 2000314634 A JP2000314634 A JP 2000314634A JP 2001185635 A JP2001185635 A JP 2001185635A
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David John Bishop
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John Vanatta Gates
バンアッタ ゲイツ ジョン
Jungsang Kim
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＥＭＳデバイスがＣＭＯＳ回路等組み込む
ことができるように、ＭＥＭＳデバイスを気密にシール
するパッケージ技術を提供すること。 【解決手段】本発明のパッケージ技術は、従来のＣＭＯ
Ｓパッケージ手順がＭＥＭＳデバイスをパッケージする
のに用いることができるようにする。さらに本発明は、
同時にＭＥＭＳデバイスの動作環境を制御する手段を提
供する。本発明のパッケージは、フリップチップ接合プ
ロセスにより形成されたＭＥＭＳデバイスの周囲に、保
護されたキャビティを提供する。本発明の一実施例によ
れば、防火壁がＭＥＭＳデバイスの周囲の第１基板上に
形成され、防火壁により結合されたキャビティ内にＭＥ
ＭＳデバイスを封止する。その後別の基板が、ＭＥＭＳ
デバイスを保持している第１基板に、フリップチップ結
合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ電子機械
システム（micro-electromechanical systems：ＭＥＭ
Ｓ）デバイスのパッケージに関し、特に、ＭＥＭＳデバ
イスに気密シールを与えるフリップチップ接合方式のＭ
ＥＭＳデバイスのパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＥＭＳデバイスは、半導体業界では至
るところに見られ、多くの電子システムおよび電子光学
システムに必要とされる合成電子機能部品、および機械
部品で用いられる。このようなシステムでＭＥＭＳデバ
イスをパッケージすることは、通常コストのかかるプロ
セスである。機械的部分は、ＭＥＭＳ機能部品の主要な
部分であるために、動作用の注意深く設計されたスペー
スが、ＭＥＭＳデバイスが信頼性高く動作するためには
必要である。ＣＭＯＳ電子部品に用いられる従来のパッ
ケージ技術は、ＣＭＯＳデバイスがパッシベーション材
料により適宜保護された後実行される。このようなパッ
シベーション手順は、通常機械的および化学的に厳しい
状態を作り出すパッケージプロセスからデバイスを保護
するものである。デバイスのパッシベーション後、パッ
ケージは、溶融プラスティック材料、あるいはエポキシ
材料を、ＣＭＯＳチップを覆うように注入することによ
り行われる。ＣＭＯＳの機能は、シリコンの電子的特性
に依存するために、このようなパッケージプロセスは、
デバイスの性能を劣化させてはならない。しかしこのよ
うなパッケージ技術は、流体を用いて半導体チップを処
理することになり、そのため、ＭＥＭＳデバイスの動作
と適合性を有さない。このため、ＭＥＭＳデバイスに対
しては高価なセラミックパッケージ技術が安いプラステ
ィックモールドパッケージに代わって選択されている。
【０００３】多くのＭＥＭＳデバイスは、最適なデバイ
ス性能および信頼性を確保するために、制御された環境
のもとで動作する必要がある。このような制御された環
境の例は、圧力を制御すること（真空にすること）、湿
度を制御すること、および化学環境（特殊ガス）を制御
することである。このような条件のもとで、効果的にＭ
ＥＭＳデバイスをパッケージすることが必要であるが、
ＭＥＭＳデバイスの動作環境の複雑さおよび感受性の高
さに起因してそれは困難および実現が難しい。
【０００４】このような効果的なＭＥＭＳパッケージ技
術を、ＣＭＯＳパッケージ技術と適合性を持たせること
が必要である。これはＣＭＯＳ技術がすでに確立し、市
場で用いられているために重要である。さらにまたＣＭ
ＯＳ技術でＭＥＭＳデバイスを集積化する必要性は、単
一のＣＭＯＳデバイスが与えることのできないＣＭＯＳ
チップに機能を追加するため、およびＣＭＯＳ集積回路
を用いてＭＥＭＳデバイスの制御を与えるためにますま
す重要となる。しかしウェット化学処理、および高圧流
体流が用いられるような多くのＣＭＯＳパッケージ技術
は、ＭＥＭＳデバイスに損傷を与える。かくして、現在
のＣＭＯＳパッケージ技術は、パッケージプロセス内で
ＭＥＭＳデバイスを十分の保護することができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＭＥ
ＭＳデバイスがＣＭＯＳ回路、および他の混成回路で組
み込むことができるように、ＭＥＭＳデバイスを気密に
シールするパッケージ技術を提供することである。本発
明のパッケージは、安価でかつパッケージの完全性を破
ることなくＭＥＭＳデバイスとの電気的接続が確保でき
る。さらにまた本発明のパッケージは、現在の半導体製
造プロセスと容易に一体化でき、従来のＣＭＯＳパッケ
ージ方法と適合性を有するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のパッケージ技術
は、従来のＣＭＯＳパッケージ手順がＭＥＭＳデバイス
をパッケージするのに用いることができるようにする。
さらに本発明は、同時にＭＥＭＳデバイスの動作環境を
制御する手段を提供する。本発明のパッケージは、フリ
ップチップ接合プロセスにより形成されたＭＥＭＳデバ
イスの周囲に、保護されたキャビティを提供する。本発
明の一実施例によれば、防火壁がＭＥＭＳデバイスの周
囲の第１基板上に形成され、防火壁により結合されたキ
ャビティ内にＭＥＭＳデバイスを封止する。その後別の
基板が、ＭＥＭＳデバイスを保持している第１基板に、
フリップチップ結合される。
【０００７】この第２基板が、他のＭＥＭＳデバイスを
保持して、混成回路の構造および機能を完成させ、また
ＣＭＯＳ電子部品を保持して第１基板および／または第
２基板上のＭＥＭＳデバイスを制御し、あるいはＭＥＭ
Ｓデバイスの防火壁の機械的カバーとして機能する。２
枚の基板の間のギャップは、防火壁そのものの高さによ
り、あるいは公知の高さのスペーサにより、あるいは防
火壁とスペーサの組合せにより正確に制御される。スペ
ーサは、基板上に独立に形成されるが、この場合スペー
サは、そのままでは防火壁の一部を構成しない。本発明
の一実施例においては、キャビティは密封され、すなわ
ちキャビティはパッケージの周囲に対しシールされ、Ｍ
ＥＭＳデバイスをパッケージの使用環境の悪条件から保
護する。
【０００８】２枚の基板をフリップチップ結合した後、
防火壁がＭＥＭＳデバイスの周りのスペースを封止す
る。同時に機械的なサポートと一体性が適宜の接合技術
により接合された基板によりパッケージに与えられる。
さらに本発明の別の実施例においては、密封防火壁その
ものがパッケージの機械的サポートを与える。さらに好
ましくは、独立構造をパッケージに与えて、パッケージ
にさらに機械的にサポートを与える。キャビティが防火
壁により形成され、ＭＥＭＳデバイスがそれに応じて保
護されると、ＭＥＭＳデバイスをパッケージ内に保持す
る混成チップが、従来のＣＭＯＳパッケージ技術を用い
てさらにパッケージ（封止）される。
【０００９】本発明のＭＥＭＳデバイスのパッケージ
は、その実現が容易で、かつ従来のＣＭＯＳパッケージ
技術とともに容易に実行できる。さらにまた本発明のパ
ッケージは、ＭＥＭＳデバイスに損傷を与えるようなパ
ッケージに悪使用環境からＭＥＭＳデバイスを気密にシ
ールして保護する。かくして本発明のパッケージは、Ｍ
ＥＭＳデバイスを保護し、これらのデバイスが有効に機
能する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１に本発明の防火壁密封パッケ
ージ１０を示す。防火壁密封パッケージ１０は、ＭＥＭ
Ｓデバイスが集積される混成回路のアプリケーションに
応じて、１つ、あるいは複数のＭＥＭＳデバイス２５を
収納するキャビティ２０を有する。本発明の一実施例に
おいては防火壁３０は、ＭＥＭＳデバイスが形成される
基板４０と基板７０の一方、あるいは両方の上に形成さ
れる。防火壁３０は上部表面５０と底部表面６０を有す
る。防火壁密封パッケージ１０は基板７０を有し、この
基板７０は、基板４０に形成された防火壁３０を介して
第１の基板４０に結合される。第２の基板７０は、防火
壁３０に適合するシールを有し、これにより防火壁構造
体を完成させる。好ましくは第２の基板７０は、基板４
０に、適宜の結合技術を用いてフリップチップ結合され
る。好ましい結合技術は、加熱プロセスであり、金属あ
るいはプラスティックレジンのような材料を接合される
べき２つの部品の間に配置して、加熱して溶融、あるい
は材料を溶融、あるいは軟化させるものである。その後
材料が固くなると、強くかつ柔軟なシールが２つの部品
の間に形成される。
【００１１】基板４０、７０は、ＣＭＯＳ電子デバイス
を形成するのに用いられる従来の基板である。このよう
な基板はシリコン製であるが、他の材料、例えばＧａＡ
ｓ、Ｇｅ、あるいは他の半導体材料、あるいは水晶、ア
ルミナ、サファイアのような絶縁材料で基板を形成して
もよい。以下の説明においては基板は、シリコン製基板
とする。ただしこれに限定されるものではない。
【００１２】防火壁３０はＭＥＭＳデバイス２５の周囲
に形成されるが、基板４０、７０の一方に形成してもよ
い。防火壁３０の高さを精密に制御して、２枚の基板の
間のスペースを制御する。ある種のＭＥＭＳデバイスに
おいては、このスペースは、ＭＥＭＳデバイスの一体化
された一部であるが、他のデバイスにおいてはキャビテ
ィ２０内にＭＥＭＳデバイスを収納するのに十分な大き
さでもよい。シール材料を防火壁３０の上部に採用し
て、キャビティ２０に対する密封シール８０を生成す
る。シール材料は薄い金属製フィルム材料で、防火壁３
０の上部表面５０の少なくとも一部の上に配置して、基
板７０を基板４０にフリップチップ結合したときにキャ
ビティ２０をシールする。フリップチップ結合プロセス
の間、基板の両面上の接合（溶接）材料を加熱して圧縮
して、フリップチップ結合された基板４０、７０の間に
気密シールを形成する。フリップチップ結合プロセスの
後、防火壁３０により形成されたキャビティ２０と、基
板４０、７０が、ＭＥＭＳデバイス２５の周囲の小さな
スペースを包囲する。これによりＭＥＭＳデバイス２５
は他には接触せず、ＭＥＭＳデバイス２５に対し悪影響
を及ぼすような流体処理を含む、キャビティ２０の外部
で行われる後続のパッケージプロセスから保護する。
【００１３】本発明の気密防火壁は、ＭＥＭＳデバイス
を製造するのに用いられる同一のプロセスを用いて形成
することができる。シリコン表面の微細加工技術を用い
て形成されたＭＥＭＳデバイスの例においては防火壁
は、多結晶シリコンと二酸化シリコンを交互に積層し
て、多結晶シリコンで包囲することにより形成される。
別の方法は、リソグラフ技術を用いて基板上で堆積、あ
るいはスピンコートし、パターン化された材料を用い
る。ある種の実施例では、窒化シリコン、ポリイミド、
金属を用いる。これらすべての場合、防火壁３０を有す
る材料は、所望の化学的および機械的強度を有し、基板
と防火壁との間に気密シールを形成してＭＥＭＳデバイ
ス２５を保護する。このような技術を用いて、防火壁の
高さを正確に形成できる。
【００１４】図２に示した実施例においては、第１基板
と第２基板上の防火壁間の密封シール８０は、金、銀、
あるいはそれらの合金のような軟金属を、防火壁３０の
上部表面に蒸着し、金属表面を加熱しながら圧着するこ
とにより形成される。この加熱は、第１基板を第２基板
にフリップチップ結合するプロセスの間行われるか、あ
るいは独立に加熱するプロセス、あるいははんだ付けす
るプロセスにより行われる。しかし、密封シール８０を
形成することは、基板を一体に保持し、防火壁密封パッ
ケージ１０に対する機械的な完全性を耐えるには十分な
機械的強度を与えることはない。より強い機械的なシー
ルは、従来のフリップチップ結合パッケージ技術で用い
られる、より強いはんだ技術を用いて達成される。より
強い機械的な支持を与えるために、さらにはんだを用い
ることが望ましい場合には、複数のはんだバンプ９０を
基板４０に結合して、第２の基板（図２に図示せず）を
第１基板にフリップチップ結合するときに、パッケージ
に対し機械的な支持および一体性を与える。別の方法と
してはんだバンプ９０を第２基板に結合するが、これは
単なる設計的事項である。
【００１５】本発明によりＭＥＭＳデバイスのパッケー
ジの製造に際し重要な点は、ＭＥＭＳデバイス２５と残
りの回路との電気的接続は、ＭＥＭＳデバイス２５を破
らずに防火壁３０を横切らなければならない点である。
本発明の一実施例においては、ＭＥＭＳデバイス２５を
残りの回路に接続するリード線１００は、ＭＥＭＳ製造
プロセスの間防火壁３０を貫通して挿入される。この場
合、例えばリード線は、濃くドープした導電性の多結晶
シリコンで形成し、二酸化シリコン層で包囲して電気的
絶縁を確立する。本発明の他の実施例においては、リー
ド線１００は防火壁３０の下に配置することもできる。
別の構成としてリード線１００をＣＭＯＳ回路を含む第
２の基板７０に固定し、リード線１００がそこを横切る
ことにより防火壁３０を破損することがないようにす
る。この場合基板４０上のＭＥＭＳデバイス２５と、基
板７０上のリード線との間の電気的接続が形成されねば
ならない。このような接続は、はんだバンプ手段、ある
いは独立したスペーサ１２０を金属化処理することによ
り容易に達成できる（図３）。
【００１６】図２の実施例においては、防火壁３０は、
多結晶シリコン層とに酸化シリコン層の積層体を含む。
防火壁３０そのものは、防火壁３０の高さがキャビティ
２０の高さを規定するように、基板４０と基板７０の間
のギャップを制御するために、キャビティ２０に対する
スペーサとして機能する。機械的な強度は、防火壁３０
の外側に配置されたはんだバンプ９０により与えられ
る。このはんだバンプ９０は、基板４０、７０の一方、
あるいは両方の上の適宜の場所に配置することができ
る。リード線１００は、二酸化シリコン層により包囲さ
れ、さらに別のポリシリコン層により封止されたポリシ
リコンを有する。
【００１７】図３は防火壁３０を有する本発明のリード
線１００の他の実施例を示す。上記のごとく、金属製フ
ィルムを防火壁３０の構造体の上部表面５０の上に蒸着
して、キャビティ２０に対する密封シール８０を形成す
る。はんだ材料を、防火壁３０の上部表面５０の上に堆
積して、キャビティ２０に対するはんだシール１１０を
生成する。はんだシール１１０が形成されるとそれは、
強固な密閉パッケージを生成するフリップチップ接合プ
ロセスに必要な機密性と機械的強度の両方を与える。独
立したスペーサ１２０は、基板間に必要とされるギャッ
プ、すなわちスペースを正確に規定するために具備され
る。スペーサ１２０は基板４０、７０の一方、あるいは
両方の任意の場所に配置することができる。
【００１８】はんだバンプ、あるいはリング形状のはん
だシールのプロセスを、図４ａ−ｃに示す。はんだバン
プ、あるいはリング形状のはんだシール接合を用いた実
施例においては、スペーサ１２０の高さは、はんだバン
プよりも意図的に高くしてある。はんだバンプを用意す
るために、はんだ７５を、はんだが濡れない８５の上で
金属パッドよりもより広い面積に堆積する（図４ａ）。
加熱すると、表面張力によりはんだバンプ９０が高くな
って、その底面積を減少させる（図４ｂ）。このメカニ
ズムによりはんだバンプ９０は、他の基板上の金属パッ
ド９５に接触するようになる。冷却するとはんだは縮ん
で、２の基板を引きつける（図４ｃ）。このプロセスに
よりスペーサの間の正確な接続、および２枚の基板の間
の正確な分離が可能となる。
【００１９】図３の実施例の欠点は、フラックス材料
（気層、または液層のいずれか）がはんだに必要な場合
には、ＭＥＭＳデバイス２５はこの環境にさらさせる点
である。これは適切なフラックスが使用される場合に
は、ＭＥＭＳデバイス２５に悪影響を及ぼさないが、Ｍ
ＥＭＳデバイス２５に対し制御した環境を与える機能を
制限する。
【００２０】図５は、本発明の気密防火壁を含むはんだ
シール１１０の他の実施例を示す。この実施例において
は、二重の防火壁構造が基板４０と基板７０の上に形成
される。内側壁１３０は図１のそれと同様であり、金属
層８０が防火壁３０の上部表面５０の上に堆積され、キ
ャビティ２０に対する適切なスペースを与える。外側壁
１４０は図３の防火壁３０と同様であり、はんだシール
１１０が防火壁３０の上部表面５０の上に堆積される。
その結果得られたパッケージの機械的強度は、外側壁１
４０により与えられる。この実施例においては内側壁１
３０は、基板４０、７０に２つの金属層８０の間のタッ
ク結合により結合される。このタック結合は、はんだ材
料層１１０のはんだの溶融温度に比較してそれよりも低
い温度で、２枚の基板の間に圧力を加えることにより得
られる。このプロセスは制御した環境下で行われ、内側
壁１３０により封止されたスペースがこの環境を維持
し、そして封じきられる。低温のタック結合が行われた
後、基板４０、または基板７０をはんだを溶かすのに十
分な温度まで加熱して、外側壁１４０の上にはんだ接合
を形成する。図４の二重の防火壁は、ＭＥＭＳデバイス
２５をはんだプロセスの悪影響から保護できる利点があ
る。なお、金属層８０と密封シール８０は同一の機能を
有するものである。また、はんだシール１１０とはんだ
材料層１１０も実質的に同一である。
【００２１】防火壁により形成されたキャビティ内の環
境は、所望の環境下でフリップチップ接合プロセスを実
行することにより制御できる。このような所望の環境
は、圧力を制御すること、湿度を制御すること、および
ガスの性質を制御することが含まれる。フリップチップ
接合プロセスにより形成されたキャビティ２０が、ＭＥ
ＭＳデバイスを保護し、その結果フリップチップ結合さ
れた基板は、ＭＥＭＳデバイスに対し悪影響を及ぼすこ
とのある従来のパッケージ技術を用いてパッケージ（封
止）することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＭＥＭＳデバイスを封止する防火
壁密封デバイスの断面図。
【図２】防火壁がスペーサとして機能し、防火壁の外側
にあるはんだバンプにより機械的サポートが与えられる
防火壁密封パッケージの斜視図。
【図３】防火壁が機械的サポートを与えるリング形状は
んだシールドを有し、スペーサが具備される本発明の防
火壁密封パッケージの斜視図。
【図４】ａ−ｃは、はんだバンプ、あるいはリング形状
のはんだシールを形成するプロセスを表す図。
【図５】ＭＥＭＳシールを行う内側壁と、パッケージに
第２の密封シールと、機械的サポートを与えるリング形
状のはんだシールを有する外側壁からなる、二重壁構造
の本発明の防火壁密封パッケージの斜視図。
【符号の説明】
１０ 防火壁密封パッケージ ２０ キャビティ ２５ ＭＥＭＳデバイス ３０ 防火壁 ４０、７０ 基板 ５０ 上部表面 ６０ 底部表面 ８０ 密封シール（図１、２） ８０ 金属層（図５） ９０ はんだバンプ ９５ 金属パッド １００ リード線 １１０ はんだシール（図３） １１０ はんだ材料層（図５） １２０ スペーサ １３０ 内側壁 １４０ 外側壁
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 デビッド ジョン ビショップ アメリカ合衆国、07901 ニュージャージ ー、サミット、オーク クノル ロード ７ (72)発明者 ジョン バンアッタ ゲイツ アメリカ合衆国、07974 ニュージャージ ー、ニュー プロビデンス、デルウィック レーン 73 (72)発明者 ジュンサン キム アメリカ合衆国、07920 ニュージャージ ー、バスキング リッジ、モナーク サー クル 46

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）
    デバイスを収納し、このＭＥＭＳデバイスをキャビティ
    内にシールして、パッケージがさらされる劣悪環境に対
    しＭＥＭＳデバイスを保護する高さを具備するキャビテ
    ィを有するパッケージにおいて、 ＭＥＭＳデバイスがその上に形成されるベースを規定す
    る第１基板と、 前記第１基板上に形成され、前記第１基板の係合する底
    部表面を有する防火壁と、からなり、 前記防火壁は、底部表面から上方にのびるキャビティの
    壁を形成して、前記防火壁と第１基板とにより形成さ
    れ、結合されるキャビティ内に、前記ＭＥＭＳデバイス
    を完全に収納し、 前記防火壁の上で、前記第１基板に結合され、前記防火
    壁と契合してシールして、パッケージが配置される劣悪
    環境に対し、ＭＥＭＳデバイスを完全に収納するようキ
    ャビティを包囲するシールを形成する第２基板と、から
    なり、 前記ＭＥＭＳデバイスは、キャビティ内に収納されて、
    劣悪環境から保護されることを特徴とするキャビティを
    具備するパッケージ。
  2. 【請求項２】 前記２枚の基板から離間して、前記２枚
    の基板の一方または両方のいずれかの上に形成され、前
    記キャビティの高さを規定する複数のスペーサをさらに
    有し、 前記第２基板は、複数のスペーサとシールしながら係合
    して、前記キャビティの上に配置されることを特徴とす
    る請求項１記載のパッケージ。
  3. 【請求項３】 前記シールは気密シールであることを特
    徴とする請求項１記載のパッケージ。
  4. 【請求項４】 前記気密シールは、前記防火壁の上部表
    面の少なくとも一部を覆うような金属製のフィルムを含
    むことを特徴とする請求項３記載のパッケージ。
  5. 【請求項５】 前記気密シールは、前記防火壁の上部表
    面にはんだ付けされた金属製のフィルムを含み、前記気
    密シールがパッケージに対し機械的強度および構造的な
    一体性を与えることを特徴とする請求項４記載のパッケ
    ージ。
  6. 【請求項６】 前記気密シールによる機械的強度を補助
    するために、前記パッケージに機械的一体性を与える、
    第１基板上に形成された複数のはんだバンプをさらに有
    することを特徴とする請求項５記載のパッケージ。
  7. 【請求項７】 前記金属製フィルムは、金製であること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ。
  8. 【請求項８】 前記金属製フィルムは、銀製であること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ。
  9. 【請求項９】 前記金属製フィルムは、金の合金製であ
    ることを特徴とする請求項６記載のパッケージ。
  10. 【請求項１０】 前記金属製フィルムは、銀の合金製で
    あることを特徴とする請求項６記載のパッケージ。
  11. 【請求項１１】 前記防火壁は、ポリシリコンにより包
    囲された、ポリシリコンと二酸化シリコンを交互に重ね
    た積層構造を含むことを特徴とする請求項１記載のパッ
    ケージ。
  12. 【請求項１２】 前記キャビティ内のＭＥＭＳデバイス
    に接続され、前記防火壁を貫通してのびるリード線をさ
    らに有することを特徴とする請求項１記載のパッケー
    ジ。
  13. 【請求項１３】 前記リード線は、二酸化シリコン層に
    より包囲され、さらに別のポリシリコン層により包囲さ
    れたポリシリコン層を含むことを特徴とする請求項１２
    記載のパッケージ。
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