JP2005166623A - Micro-machine switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＤＣ（直流）からギガヘルツ以上の広い信号周波数を制御電圧信号により導通、非導通することのできるマイクロマシンスイッチに関する。 The present invention relates to a micromachine switch capable of conducting and non-conducting a wide signal frequency from DC (direct current) to gigahertz or more by a control voltage signal.
マイクロマシンスイッチは、基板上にギャップを設けて配置された二つの高周波信号線に対し、金属層を有する片持ちアームが上下に可動しながら接触、非接触を行い、スイッチング機能を行うものである。片持ちアームを上下に可動させる力として、静電引力を利用するものが多い。片持ちアームと片持ちアームの下方に配置された電極との間に印加された電圧により静電引力を発生するが、スイッチがオンする制御電圧（駆動電圧）としては５Ｖから８０Ｖまでの値が報告されている。しかしシステムが供給する電圧は３Ｖ、あるいは５Ｖが一般的である。 The micromachine switch performs a switching function by bringing a cantilever arm having a metal layer into and out of contact with two high-frequency signal lines arranged with a gap on a substrate while moving up and down. In many cases, electrostatic attraction is used as a force for moving the cantilever arm up and down. An electrostatic attractive force is generated by a voltage applied between the cantilever arm and an electrode disposed below the cantilever arm. The control voltage (drive voltage) for turning on the switch has a value from 5V to 80V. It has been reported. However, the voltage supplied by the system is generally 3V or 5V.
この駆動電圧は、バネとしての片持ちアームの復元力を下げることで低くすることができるが、バネの復元力が弱まることでスイッチング速度が遅くなる欠点がある。また復元力の弱いバネは機械的な強度も弱く、繰り返しの可動で劣化する速度の速いことが容易に推測できる。一般に静電引力を利用するマイクロマシンスイッチの場合、駆動電圧が高いほどスイッチング速度が高くなり、信頼性の高い安定な動作が期待できる。しかるにシステムから供給される電圧は低いために、マイクロマシンスイッチの駆動電圧に対し整合を取る手段が必要になってくる。 This drive voltage can be lowered by lowering the restoring force of the cantilever arm as a spring, but there is a disadvantage that the switching speed is slowed by the weakening of the restoring force of the spring. In addition, it can be easily estimated that a spring having a weak restoring force has a low mechanical strength and a high rate of deterioration due to repeated movement. In general, in the case of a micromachine switch that uses electrostatic attraction, the higher the drive voltage, the higher the switching speed, and a stable operation with high reliability can be expected. However, since the voltage supplied from the system is low, a means for matching the driving voltage of the micromachine switch is required.
この手段として、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを使用することが考えられる。例えばシステムから供給される電圧を５Ｖとし、マイクロマシンスイッチの前述の観点での最適駆動電圧が１５Ｖである場合、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧を三倍にしてマイクロマシンスイッチに電圧供給すれば問題ないことになる。しかしＤＣ−ＤＣコンバータを併用すると、システムを小型化するマイクロマシンスイッチ本来の目標を損なうことになる。 As this means, it is conceivable to use a step-up DC-DC converter. For example, when the voltage supplied from the system is 5 V and the optimum driving voltage from the above viewpoint of the micromachine switch is 15 V, there is no problem if the voltage of the DC-DC converter is tripled and the voltage is supplied to the micromachine switch. Become. However, when the DC-DC converter is used in combination, the original goal of the micromachine switch for downsizing the system is lost.
一方でマイクロマシンスイッチは、微小の動きを行う片持ちアームを有しているために、水分や微小な有機物の影響によりスイッチの機能障害が生じる。これを避けるために、マイクロマシンのチップ製作工程のなかでキャップを設ける、いわゆるウエーハキャップシーリングが行われる。こうすることにより、マイクロマシンスイッチの可動部が外気から遮断され良好な品質、歩留が確保される。ウエーハキャップシーリングは、チップ製作工程のなかで大口径化が可能な半導体基板、ガラス基板をキャップに使用することで低コスト化の目標を実現しており、有効な手段であると同時に信頼性の高い製品を供給するための必須の手段となっている。 On the other hand, since a micromachine switch has a cantilever arm that performs minute movements, the switch malfunctions due to the influence of moisture and minute organic substances. In order to avoid this, so-called wafer cap sealing, in which a cap is provided in the chip manufacturing process of the micromachine, is performed. By doing so, the movable part of the micromachine switch is cut off from the outside air, and good quality and yield are ensured. Wafer cap sealing achieves the goal of cost reduction by using a semiconductor substrate and glass substrate that can be enlarged in the chip manufacturing process for the cap. It has become an indispensable means for supplying high products.
以上に説明したように、マイクロマシンスイッチのスイッチング速度を犠牲にせず、さらに片持ちアームの安定な動作を確保するにはスイッチの駆動電圧を上げることが望ましく、このような駆動電圧への要求とＤＣ−ＤＣコンバータによりシステムからの供給電圧と整合を取ることが望まれる。しかしながら、システムの基板上に、マイクロマシンスイッチとＤＣ−ＤＣコンバータを配置することは、システムの小型化を損なう問題が生じるのである。 As described above, it is desirable to increase the switch drive voltage in order to ensure the stable operation of the cantilever arm without sacrificing the switching speed of the micromachine switch. -It is desirable to match the supply voltage from the system with a DC converter. However, disposing the micromachine switch and the DC-DC converter on the system board causes a problem that impairs downsizing of the system.
上述の問題を解決するため、本発明は、マイクロマシンスイッチの駆動電圧をＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で制御する機能を有したスイッチに関し、チップ裏面に溝部を有するＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの裏面が、マイクロマシンスイッチの形成されたチップ上面にキャップシーリングされるよう接着され、少なくとも前記ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの出力電圧用電極がマイクロマシンスイッチの駆動電圧用電極に接続されたことを特徴とするマイクロマシンスイッチを提供する。 In order to solve the above-described problem, the present invention relates to a switch having a function of controlling the drive voltage of a micromachine switch with the output voltage of a DC-DC converter, and the back surface of the DC-DC converter IC having a groove on the back surface of the chip, Provided is a micromachine switch which is bonded to a top surface of a chip on which a micromachine switch is formed so as to be cap-sealed, and at least an output voltage electrode of the DC-DC converter IC is connected to a drive voltage electrode of the micromachine switch. To do.
マイクロマシンスイッチが形成されたチップとＤＣ−ＤＣコンバータＩＣチップを接合（接着）しキャップシーリングすることにより、スイッチ駆動電圧の設計について自由度を持たせられるだけでなく、水分やゴミなどで故障に至りやすいマイクロマシンスイッチを外部環境から保護することが可能となる。 By bonding (adhering) the chip on which the micromachine switch is formed and the DC-DC converter IC chip and cap sealing, the switch drive voltage design is not only free, but also due to moisture or dust. It becomes possible to protect an easy micromachine switch from the external environment.
以上のように本発明は、高機能で小型で、高い信頼性設計を提供できるマイクロマシンスイッチである。 As described above, the present invention is a micromachine switch that is highly functional, small in size, and capable of providing a high reliability design.
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるマイクロマシンスイッチの断面図であり、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣチップ１とマイクロマシンスイッチのチップ７が接合されたものである。ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣチップには溝部６が形成され、接着することによりキャップシーリングされてマイクロマシンスイッチの機能部８を保護する。ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの出力電圧はマイクロマシンスイッチの駆動電圧として入力される必要がある。このためチップ側面に形成した導電層４を介して、マイクロマシンスイッチの制御電極９に接続される。このような構造とすることにより、システムからの供給電圧をワイヤボンディング用電極５に入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータの機能部３により昇圧された電圧を出力する。これを導電層４を介してマイクロマシンスイッチの制御電極９に入力され、マイクロマシンスイッチの機能部８を介して高周波信号線１０のスイッチングを行う。ここで電極５、８は外のシステムに連結する電極を模式的に示しており、複数個配置されるものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a micromachine switch according to the present invention, in which a DC-DC
前記ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣはＭＯＳＦＥＴとコンデンサを使用したチャージポンプ方式の昇圧型のコンバータを使用している。コイルを用いる方式に比較し小型化が実現できるので、本発明に適用するとより有効である。また図１に示す基板２はＳｉ結晶であるため、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などにより溝部の加工が容易である。マイクロマシンスイッチの基板１１にはガラス基板を使用し、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの基板２との接合には陽極接合法を使用し、キャップシーリングとしての気密性を確保すると共に、小型化を実現している。 The DC-DC converter IC uses a charge pump type boost converter using a MOSFET and a capacitor. Compared to a method using a coil, the size can be reduced, so that the present invention is more effective when applied to the present invention. Further, since the
以下に本発明の製作工程を説明する。図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣが形成された基板２１とマイクロマシンスイッチが形成された基板２０を示している。基板２１はＳｉ基板であり、基板２０はガラス基板を使用している。
基板を使用た製作工程の理解を容易にするために、以下ではチップ２個分に相当する領域の断面図を使用することにする。The manufacturing process of the present invention will be described below. FIG. 2 shows a
In order to facilitate understanding of the manufacturing process using the substrate, a sectional view of a region corresponding to two chips will be used below.
図３は前記ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣが形成されたＳｉ基板２０であるが、接合時の機械的強度に耐える程度の厚さ、例えば初期の厚さ６００μｍを２００μｍ程度に減じた後、基板裏面より選択エッチングを行い溝部６を形成する。エッチングのマスクにはＡｌを使用し、前記ＲＩＥにより５０μｍ程度の深さにエッチングする。 FIG. 3 shows the
図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣが形成されたＳｉ基板２０とマイクロマシンスイッチが形成されたガラス基板２１を陽極接合した時の断面図を示す。陽極接合は、温度４００℃で適当な加圧を行い、二つの基板間に１ＫＶ程度の電圧を印加して接合する。なお加圧軸治具は、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣを破損しないよう工夫する必要がある。 FIG. 4 shows a cross-sectional view when the
図５に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの出力電圧を取り出し、マイクロマシンスイッチの制御電極の取り出し部（電極）９に接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの取り出し電極を５０に示し、無電解メッキなどで金属層４を形成した貫通孔５１を介して電極９に接続する。メッキ金属を被着しない領域はフォトレジストにより被覆しておく。貫通孔の形成は、ＲＩＥを使用し、エッチングマスクにはフォトレジストとＡｌの二層薄膜を使用して行う。 As shown in FIG. 5, the output voltage of the DC-DC converter IC is taken out and connected to a control electrode take-out portion (electrode) 9 of the micromachine switch. A take-out electrode of the DC-DC converter IC is shown at 50 and connected to the
図６において、マイクロマシンスイッチをシステムに接続する電極、例えば高周波信号線の取り出し電極１０を露出させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣのＳｉ基板を部分的にエッチング６０し除去する。エッチングはＲＩＥにより行い、マスクの条件は前述と同じである。 In FIG. 6, the Si substrate of the DC-DC converter IC is partially etched 60 and removed in order to expose the electrode that connects the micromachine switch to the system, for example, the
続いて接合されたガラス基板を所望の厚さに薄くし、裏面に金属層１２を形成する。しかる後に、ブレードダイシングによりウエーハを切断してチップ分離を行う。このようにして図１に示す本発明のマイクロマシンスイッチが完成する。このチップを外囲器などにマウントし、ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの取り出し部（電極）５やマイクロマシンスイッチの取り出し部（電極）１０にワイヤボンディングを行うことでモジュールなどの回路基板に実装できるようになる。 Subsequently, the bonded glass substrate is thinned to a desired thickness, and the
以上の実施例では陽極接合を使用するために、マイクロマシンスイッチが形成された基板にはガラス基板を使用した。しかしＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの基板裏面にスパッタ蒸着によりガラス薄膜を形成することで、マイクロマシンスイッチが形成されたガラス基板を半導体基板に代えて陽極接合することも可能である。この場合には、半絶縁性ＧａＡｓ基板や高抵抗Ｓｉ基板を使用することが出来る。 In the above examples, since anodic bonding is used, a glass substrate is used as the substrate on which the micromachine switch is formed. However, by forming a glass thin film on the back surface of the DC-DC converter IC by sputter deposition, the glass substrate on which the micromachine switch is formed can be anodically bonded instead of the semiconductor substrate. In this case, a semi-insulating GaAs substrate or a high resistance Si substrate can be used.
１…ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣのチップ ２…マイクロマシンスイッチのチップ
３…ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの機能部 ４…貫通孔内の金属層
５、５０…ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣの取り出し電極 ６…溝部
７…マイクロマシンスイッチのチップ ８…マイクロマシンスイッチの機能部
９、１０…マイクロマシンスイッチの取り出し電極 １１…ガラス基板
１２…裏面の金属層 ２０…マイクロマシンスイッチが形成された基板
２１…ＤＣ−ＤＣコンバータＩＣが形成された基板 ５１…貫通孔 ６０…エッチング領域DESCRIPTION OF
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| JP2013041733A (en) * | 2011-08-12 | 2013-02-28 | Omron Corp | Electronic component |
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