JP2007500086A - ハウジングへｍｅｍｓデバイスを取り付けるための方法及び装置 - Google Patents

ハウジングへｍｅｍｓデバイスを取り付けるための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

ダイ（１１０）とダイ用のハウジング（２０２）の間の接着強度を増やす方法が記述される。ダイの上にマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが形成される。この方法は、接点材料の複数のクラスタ（２２０）をハウジングの底面（２４０）上に堆積させる工程と、ダイをクラスタ上に配置する工程と、ハウジング、クラスタ化接点（２２８）及びダイに熱圧着加工を施す工程と、を含む。

Description

本発明は、全体的にはマイクロ電子機械システム（Micro Electromechanical System;
ＭＥＭＳ）デバイスの作製に関し、より詳細にはＭＥＭＳデバイスのダイ（dies;鋳型）をチップキャリアへ取り付けることに関する。
マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）は同じ基板、たとえば、シリコン基板上に集積された電気的及び機械的部品を含む。ＭＥＭＳデバイス用基板はしばしばダイと呼ばれる。電気的部品は集積回路加工を使用して作製される一方、機械的部品は集積回路加工に適合した微細機械加工を使用して作製される。この組み合わせは標準的な作製加工を使用してチップキャリア内に適合する全システムを作製することを可能とする。
ＭＥＭＳデバイスの１つの一般的用途は、慣性センサ内で利用することである。ＭＥＭＳデバイスの機械的部分は慣性センサ用感知能力を提供し、一方ＭＥＭＳデバイスの電気的部分は機械的部分から受け取った情報を処理する。ＭＥＭＳデバイスを利用する慣性センサの例はジャイロスコープ及び加速度計を含む。
ＭＥＭＳ作製法は、次に気密封止されるチップキャリア、又はハウジング内のマイクロ機械としばしば呼ばれるＭＥＭＳデバイスの作動部分の配置を含む。知られた一配置方法では、ＭＥＭＳデバイスの作動部分が形成されるダイ又は基板は、熱圧着法を使用してキャリアの金接点に取り付けられる。
しかし、この熱圧着法は時にはダイの損傷、たとえばダイの割れをもたらす力の使用を含む。ダイの割れはチップキャリアとダイの間の接着強度の低下をもたらすことがある。ＭＥＭＳデバイスはしばしば高重力（高Ｇ）環境で利用されるため、チップキャリアとダイの間の接着強度は重要である。チップキャリアとダイが分離される場合、ＭＥＭＳデバイスの作動は危うくなることがある。
一態様では、ダイとダイ用のハウジングとを接着する方法が提供される。マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスはダイ上に形成され、この方法は、ハウジングの底面上に接点材料の複数のクラスタ（clusters;集団）を堆積させる工程と、クラスタ上にダイを配置する工程と、ハウジング、クラスタ化接点、及びダイに熱圧着加工を施す工程とを含む。
別の態様では、ダイ上に形成されたマイクロ機械と、マイクロ機械を保持するように構成された底面を有するハウジングと、ハウジングの底面上にある複数の接点クラスタとを含むマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスが提供される。各クラスタは、熱圧着加工によってダイをハウジングに接着するために使用される複数の個別の接点を含む。
更に別の態様では、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープが提供される。このＭＥＭＳジャイロスコープは、ハウジングと、ダイと、このダイ上に形成され、少なくとも１枚の感知板、少なくとも１枚の感知板上に吊るされた少なくとも１つのプルーフ質量、少なくとも１つのモータドライブ櫛、及び少なくとも１つのモータピックオフ櫛を含むマイクロ機械とを含む。ジャイロスコープは更に、ダイとハウジングの間に複数の接点クラスタを備え、各クラスタは、熱圧縮加工によってダイをハウジングに接着するために使用される複数の個別の接点を含む。
更に別の態様では、ダイとハウジングの間の熱圧着を形成するための方法が提供される。ダイはその上に形成されたマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）機械を有し、この方法は、ダイとハウジングの間の接点材料の複数のクラスタを堆積させる工程と、ダイとハウジングの間に接着を形成する工程とを含む。
図１は、マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ)１００の既知の１実施形態の図である。ＭＥＭＳ１００は、カバー１０４が封止された空所を形成するために最終的に取り付けられるハウジング１０２（時にはチップキャリアと呼ばれる）を含む。電気導線１０６は、ハウジング１０２に取り付けられるダイ１１０を含むマイクロ機械１０８への電気接触を提供する。図１に示すように、電気接点１０９はハウジング１０２を介して外部デバイス（図示せず）へ提供される。たとえばＭＥＭＳチューニングフォーク・ジャイロスコープの場合、マイクロ機械１０８は、プルーフ質量１１４、モータドライブ櫛（motor drive combs）１１６、及びモータピックオフ櫛１１８を含む。マイクロ機械１０８は更に、プルーフ質量１１４に平行板コンデンサを形成する感知板１２０を含む。１実施形態では、感知板１２０はダイ１１０に堆積されパターン付けされた金属フィルムである。
ＭＥＭＳデバイス１００のマイクロ機械部が完成すると、カバー１０４がハウジング１０２に取り付けられて、実質的な気密封止を形成する。１実施形態では、カバー１０４がハウジング１０２に取り付けられると空所１２６が形成される。空所１２６は、空所１２６内の任意のガス（すなわち酸素、水素、水蒸気）を除去するためにまず空にされる。次に空所は、制御圧に乾燥ガスで充填し直される。通常、乾燥ガスは不活性ガス、たとえば窒素又はアルゴンである。別の実施形態では、カバー１０４は、真空状態下でハウジング１０２へ取り付けられて空所１２６内に真空状態をもたらす。空所１２６は、マイクロ機械１０８の部品が自由に動くための環境を提供する。たとえば、プルーフ質量１１４はマイクロ機械チップ１０８に動くように結合されることができ、したがって空所１２６の真空内で振動できる。カバー１０４がハウジング１０２に取り付けられる前、ダイ１１０は複数の接点１２８を使用する熱圧着法によりハウジング１０２に載置される。１実施形態では、接点１２８は金から作製される。圧着法が圧力を利用するため、ダイ１１０は時には割れる傾向がある。ダイ１１０の割れは、特に高Ｇ環境でＭＥＭＳデバイス１００の作動に影響を及ぼすことがある。
図２は、ダイ１１０が熱圧着法でハウジング１０２（接点１２８）へ取り付けられる前のハウジング１０２の底面１４０内に置かれた接点１２８を示す、ダイ１１０及びカバー１０４が除去されたハウジング１０２の上面図である。図示の実施形態では、９つの接点１２８が底面１４０の上に堆積されている。１実施形態では、ダイ１１０が熱圧着法により取り付けられる前には、接点は約５ミルの直径を有する。
図３は、ハウジング２０２がハウジング２０２の底面２４０の上に接点２２８のクラスタ２２０を有する以外は、ハウジング１０２（図２に示す）と同様な、ハウジング２０２の上面図である。ハウジング２０２は、ハウジング１０２（図２に示す）が有する接点１２８（図２に示す）と同じ数（たとえば９個）のクラスタ２２０を含む。クラスタ２２０の各々は、４つの接点２２８を含むが、それよりも少ない又は多い接点２２８を各クラスタ２２０に組み込むことができる。図示の実施形態では、接点２２８の９つのクラスタ２２０が底面１４０の上に堆積される。接点２２８のクラスタ２２０を組み込むことにより、接点１２８の場合よりも大きなダイ１１０の表面積が接点２２８に接触して、以下に記載するようにダイ１１０とハウジング２０２の間のより強い接着をもたらす。１実施形態では、クラスタ２２０の各接点２２８は、約０．０５１ｍｍ（two mil）の直径を有する
図４は、図３に関連して記載したようなクラスタ接点２２８を組み込んだＭＥＭＳデバイス２００の１実施形態の側面図を示している。接点１２８と比較すると、接点２２８のクラスタはダイとの熱圧着を形成するための取り付け機構を提供する一方、ダイ表面のより広い面積にわたって接着面積がもたらされ、これによりダイが、既知の取り付け方法と比較して熱圧着に利用される圧力によりよく耐えるようになる。このより高い圧力は、既知の取り付け方法（たとえば、単一接点１２８の使用）を利用して形成される接着よりもダイとのより強い熱圧着をもたらす。このより強い接着は、高Ｇ環境で作動するＭＥＭＳデバイスをダイ上で作動できるようにするのに十分なほど強いものである。加えて、接点の大きな表面積は、ダイへの損傷を防ぐ助けともなる。１実施形態では、クラスタ２２０内の個々の接点２２８は、ダイとの接触の前、かつ熱圧着加工の前には直径約０．０５１ｍｍ（two mil）である。
ＭＥＭＳデバイス１００及び２００は記載したよりも多くの又は少ない部品を備えることができる。たとえば、２つの電気接点１０６が示されているが、当業者は、ＭＥＭＳデバイスが２つよりも多い接点及び／又は突出ピンも備えることができることを認識しよう。更に、より多い又はより少ない部材が、上記の部品の他にＭＥＭＳデバイス１００又は２００に存在してもよい。更に、ＭＥＭＳデバイス１００及び２００の部品は、複数の機能を備えることができる。マイクロ機械１１０は、ＭＥＭＳ及びＭＥＭＳをベースとするデバイスに従って使用される任意のそのような電子機械的機械であってもよい。加えて、代替パッケ−ジも、ＭＥＭＳ１００及び２００用のハウジングを提供するために使用されることができる。図の例は、特定のＭＥＭＳデバイスの説明を提供するよりもクラスタ化接点１２８を使用してハウジング内にＭＥＭＳデバイスを取り付けるための実施形態を示すことが意図されている。
図５は、熱圧着によりハウジングにダイ１１０（図４に示す）を取り付けるためにクラスタ化接点２２８（図３及び図４に示す）を組み込むように構成されたＭＥＭＳジャイロスコープ３００の略図である。１実施形態では、ＭＥＭＳジャイロスコープ３００は、たとえばその内部でダイ１１０（図４に示す）上にチューニングフォーク・ジャイロスコープ（ＴＦＧ）３０４を含んでいるハウジング３０２を含む。ハウジング３０２は、カバー１０４（図４に示す）で封止されるよう構成される。ハウジング３０２は、通常はプラスチックパッケージ、スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）パッケージ、セラミック・リードレス・チップキャリア、プラスチック・リード・チップキャリア（ＰＬＣＣ）パッケージ、クワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、又は当技術で知られている他のハウジングである。ハウジング３０２は、ＴＦＧ３０４の要素を同一場所に配置する、及び／又はハウジング３０２内の互いの密着近傍内で他の要素を配置する構造を提供する。ＴＦＧ３０４は、１実施形態では、ハウジング３０２へカバー１０４を接着することにより形成された実質的に封止された空所３０６内に配置される。
１実施形態では、ＴＦＧ３０４は、プルーフ質量１１４、モータドライブ櫛１１６、モータピックオフ櫛１１８、及びウエハから構築される感知板１２０を含む。前置増幅器３１０はハウジング３０２内に含まれ、プルーフ質量１１４と検地板１２０の各組み合わせと電気的に接続されるか結合される。１実施形態では、前置増幅器３１０及びＴＦＧ３０４は共通基板（たとえば、ダイ１１０）の上に形成され、１実施形態では、電気的に接続される。他の実施形態では、前置増幅器３１０はプルーフ質量１１４に電気的に接続される。前置増幅器３１０の出力は感知電子部品３１２に送られるか、その代わりに、前置増幅器３１０が感知電子部品３１２に組み込まれる。
加えて、モータピックオフ櫛１１８の出力３１４は、フィードバックモニタ３１６に転送される。フィードバックモニタ３１６はモータドライブ櫛１１６に電力を与えるドライブ電子部品３１６に出力信号３１８を提供する。代替として、フィードバックモニタ３１６はドライブ電子部品３１６内に組み込まれる。ＭＥＭＳジャイロスコープ３００は、図の簡略化のために図５には示さないシステム電源及び他の作動電子部品も含む。
モータドライブ櫛１１６は、プルーフ質量１１４の電極に電圧を印加することにより静電力を使用してプルーフ質量１１４を励起する。モータピックオフ櫛１１８は、プルーフ質量１１４上の電極の電圧信号をモニタすることによってプルーフ質量１１４の励起と振動をモニタする。モータピックオフ櫛１１８は、フィードバックモニタ３１６にフィードバック信号を出力する。フィードバックモニタ３１６は、ドライブ電子部品３２０に入力される出力３１８を提供する。プルーフ質量１１４が余りにも速くあるいは余りにも遅く振動し始めた場合、ドライブ電子部品３２０はプルーフ質量１１４が共振周波数で振動するように振動周波数を調節できる。このような周波数での励起は、より高い振幅出力信号が生成されることを可能にできる。
上記のように、クラスタ化接点２２８（図３及び図４に示す）の組み込みは、熱圧着を使用して、ダイ、たとえばダイ１１０（図４に示す）をハウジング１０２へ取り付ける場合に、追加の表面積と支持を提供する。特定の実施形態では、クラスタ化接点２２８は、単一接点１２８（図１及び図２に示す）を使用する既知の取り付け方法と比べて２倍以上多いダイ取り付け用接触点を提供する。
クラスタ化接点２２８の使用は、既知の熱圧着技法の利点を提供する一方、ダイとハウジングの間に単一接点の使用により提供されるものよりも強い接着も提供する。クラスタ化接点は更に、既知の載置の向きと比べて逆さまになっている向きでマイクロ機械がハウジング内で配向されている感知デバイスを含む他のセンサベースのデバイスで使用可能である。ＭＥＭＳ慣性測定ユニット、ジャイロスコープ、圧力センサ、温度センサ、共振器、空気流センサ、及び加速度計を含むがこれらに限定されない各種ＭＥＭＳデバイスで、本明細書で記載するクラスタ化接点取り付け法を使用することも意図されている。
本発明をさまざまな特定の実施形態に関して記載したが、当業者は本発明が特許請求の範囲の精神及び範囲内の変形で実施されることができることを認識するであろう。
既知のＭＥＭＳデバイスの側面図である。 ダイの接点を示す既知のＭＥＭＳデバイスハウジングの上面図である。 ダイをハウジングに取り付けるためのクラスタ化接点を示すＭＥＭＳデバイスハウジングの上面図である。 クラスタ化接点を使用するＭＥＭＳデバイスの側面図である。 図３及び図４のクラスタ化接点及びハウジングを使用して作製されることができるＭＥＭＳジャイロスコープの略図である。

Claims (15)

  1. マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスがその上に形成されたダイ（１１０）とハウジング（２０２）の間を強く接着するための方法であって、
    接点材料の複数のクラスタ（２２０）を前記ハウジングの底面（２４０）に堆積させる工程と、
    前記ダイを前記クラスタ上に配置する工程と、
    前記ハウジング、クラスタ化接点（２２８）及び前記ダイに熱圧着加工を施す工程と、を含む方法。
  2. 前記接点材料の複数のクラスタ（２２０）を堆積させる工程が、クラスタ当り２つ以上の接点を含む接点（２２８）のクラスタを堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記接点材料の複数のクラスタ（２２０）を堆積させる工程が、約０．０５１ｍｍの直径を有する個別の接点（２２８）を前記クラスタ内に堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記接点材料の複数のクラスタ（２２０）を堆積させる工程が、それぞれが４つの個別の接点（２２８）を有する、接点材料の９つのクラスタを前記ハウジングの底面（２４０）に堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
  5. マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ)デバイス（２００）であって、
    ダイ（１１０）上に形成されたマイクロ機械（１０８）と、
    前記マイクロ機械を保持するように構成され、底面（２４０）を含むハウジング（２０２）と、
    前記ハウジングの前記底面上にある複数の接点クラスタ（２２０）と、を含み、
    前記接点クラスタのそれぞれが複数の個別の接点（２２８）を含み、前記複数の個別の接点が熱圧着加工によって前記ダイを前記ハウジングへ接着するために使用される、ＭＥＭＳデバイス（２００）。
  6. 各前記クラスタ（２２０）が、少なくとも２つの個別の接点（２２８）を含む、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス（２００）。
  7. ９つの前記接点クラスタを含み、各前記クラスタが、金から作製された４つの前記個別の接点を含む、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス（２００）。
  8. 前記ＭＥＭＳデバイスが、ジャイロスコープ（３００）、加速度計、慣性測定ユニット、圧力センサ、共振器、空気流センサ、及び温度センサのうちの１つである、請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス（２００）。
  9. マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ)ジャイロスコープ（３００）であって、
    ハウジング（２０２）と、
    ダイ（１１０）と、
    前記ダイ上に形成され、少なくとも１部が、少なくとも１枚の感知板（１２０）、前記少なくとも１枚の感知板上に吊るされた少なくとも１つのプルーフ質量（１１４）、少なくとも１つのモータドライブ櫛（１１６）、及び少なくとも１つのモータピックオフ櫛（１１８）を含むマイクロ機械（１０８）と、
    前記ダイと前記ハウジングの間にある複数の接点クラスタ（２２０）と、を含み、
    各接点クラスタが複数の個別の接点（２２８）を含み、前記複数の個別の接点が熱圧着加工によって前記ダイを前記ハウジングへ接着するために使用される、ＭＥＭＳジャイロスコープ（３００）。
  10. 前記複数の接点クラスタ（２２０）が、クラスタ当り少なくとも２つの前記個別の接点（２２８）を含む、請求項９に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ（３００）。
  11. 前記個別の接点が直径約２ミルである、請求項９に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ（３００）。
  12. ダイ（１１０）とハウジング（２０２）の間に熱圧着を形成するための方法であって、 前記ダイがその上に形成されたマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）機械（１０８）を有し、
    前記方法が、前記ダイと前記ハウジングの間に接点材料の複数のクラスタ（２２０）を堆積させる工程と、前記ダイと前記ハウジングの間に接着を形成する工程と、を含む方法。
  13. ダイ（１１０）とハウジング（２０２）とを接着するための方法であって、
    前記ダイと前記ハウジングの間に接点材料の複数のクラスタ（２２０）を堆積させる工程と、前記接点材料のクラスタの熱圧着によって前記ダイと前記ハウジングとを取り付ける工程と、を含む方法。
  14. マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計であって、
    ハウジング（２０２）と、
    ダイ（１１０）と、
    前記ダイ上に形成され、少なくとも１部が、少なくとも１枚の感知板（１２０）、前記少なくとも１枚の感知板上に吊るされた少なくとも１つのプルーフ質量（１１４）、少なくとも１つのモータドライブ櫛（１１６）、及び少なくとも１つのモータピックオフ櫛（１１８）を含むマイクロ機械（１０８）と、
    前記ダイと前記ハウジングの間にある複数の接点クラスタ（２２０）と、を含み、
    前記接点クラスタのそれぞれが複数の個別の接点（２２８）を含み、前記複数の個別の接点が熱圧着加工によって前記ダイを前記ハウジングへ接着するために使用されるＭＥＭＳ加速度計。
  15. 前記複数の接点クラスタ（２２０）が、クラスタ当り少なくとも２つの前記個別の接点（２２８）を含む、請求項１４に記載のＭＥＭＳ加速度計。

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