JP2008183636A - Ｍｅｍｓデバイス、ｍｅｍｓデバイスの製造方法、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で耐久性の高いＭＥＭＳデバイスを提供する。
【解決手段】回路基板２００の部品搭載側の主面を被う蓋３００を、金属材料からの等方性エッチングによって作製することで、高い自由度で最適な形状を選定することができ、高強度で、小型薄型の蓋３００を得ることができる。例えば、金属材料の不要部分を選択的に除去して形成された空間のコーナ部に第１の補強部３０３であるアール部を形成したり、エッチングにより蓋３００の側壁部３０２を選択的に肉厚にすることで、その肉厚の部分を第２の補強部３０４として形成したりすることができる。さらには、エッチングによって蓋３００の天板部３０１のほぼ中央部分またはその近傍に、天板部３０１の撓みを抑止するための補強用の壁部を第３の補強部３０５として形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの手振れ補正などに用いられる角速度センサなどのＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイス、このＭＥＭＳデバイスの製造方法、このＭＥＭＳデバイスを搭載する電子機器に関する。

ビデオカメラ、デジタルカメラなどの手振れ補正において、その振れを検出するために角速度センサが使われる。

角速度センサは、例えば片持ち支持梁の振動子が用いられる。この振動子は、例えばシリコン素子の梁の表面に圧電膜を形成して構成される（特許文献１参照）。
特開２００５−２２７１１０号公報

手ぶれ補正などに使用される振動型角速度センサの振動子タイプとしては、その振動子の形状から、片持ち梁タイプ、２本音叉タイプ、３本音叉タイプなどがある。このような振動子を用いた角速度センサでは、搭載されるベアチップＩＣなどを外部環境からの保護、特に耐湿性の確保を目的として、基板全体を蓋で気密に封止する構造を採っている。

ところで、角速度センサなどに代表されるＭＥＭＳデバイスにおいては、内部に搭載されるＩＣやＭＥＭＳ素子などが外力に弱いものであることが一般である。このため、基板全体を蓋で気密に封止する構造を採用したＭＥＭＳデバイスにおいて、蓋の上から外力が加えられた場合、蓋が十分な剛性を持っていなければ、蓋が撓み、蓋の裏面が回路基板上に実装されたＩＣやＭＥＭＳ素子などに当接し、場合によっては、破壊に至ることが懸念される。

そこで、十分な剛性を有する蓋が要求される。蓋をプレスによる絞り加工により作製しようとすると、蓋の材料には、伸び易く、比較的やわらかな材料、例えば４２アロイ材などを用いざるを得ない。しかし、この場合、剛性を高めるために蓋の板厚を大きくしなければならず、板厚を大きくすると、それだけデバイスの厚さ・質量も大きくなり、ＭＥＭＳデバイスを組み込む電子機器の薄型化・軽量化を妨げる要因となり得る。

本発明は、この点に鑑み、薄型で耐久性の高いＭＥＭＳデバイス、ＭＥＭＳデバイスの製造方法、及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を表面実装した回路基板と、前記回路基板の前記部品を固定している側の面を被うように前記回路基板に接合され、エッチングにより金属材料から形成された蓋とを具備することを特徴とする。

本発明では、回路基板に表面実装された部品を気密封止する蓋として、金属材料からのエッチングによって作製されたものを使用することで、蓋の形状を高い自由度で最適に選定することができ、高強度で、小型薄型の蓋を得ることができる。これにより、小型薄型で、動作信頼性の高いＭＥＭＳデバイスが得られる。

本発明において、前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように形成されたもので、前記蓋の前記空間のコーナ部分に、前記蓋の厚さに対して１／３以上の曲率をもつアール部を第１の補強部として有するものであってもよい。

蓋の空間のコーナ部分に蓋の厚さに対して１／３以上の曲率をもつアール部を第１の補強部として設けることで、このアール部の形成によって拡大されたコーナ部分の肉厚が蓋の全体的な強度を高める結果をもたらす。この第１の補強部であるアール部が補強部として十分機能するためには、アール部の曲率が蓋の厚さに対して１／３以上であることが望ましい。

本発明において、前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように、天板部と側壁部とを設けて形成されたもので、かつ前記側壁部の一部を肉厚にして、この肉厚部分を第２の補強部として有するものとしてもよい。

本発明では、側壁部の一部を肉厚にして、この肉厚部分を第２の補強部として設けることで、蓋の側壁部の全体的な強度を高めることができる。これにより、他の側壁部の部分を逆に薄くすることができるので、デバイス全体の面積を小さくすることができる。

本発明において、前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように、天板部と側壁部とを設けて形成されたもので、かつ前記天板部のほぼ中央部分またはその近傍に、前記天板部の撓みを抑止するための第３の補強部を有するものとしてもよい。

本発明では、天板部のほぼ中央部分またはその近傍に、天板部の撓みを抑止するための第３の補強部を設けることによって、天板部に上から外力が加わった際に天板部が回路基板の側に撓むことを抑制できる。この結果として、蓋の天板部の厚さを小さくすることが可能となり、デバイスの薄型化を図れる。

本発明において、前記第３の補強部は、前記回路基板の面と当接可能に形成されたものとしてもよい。これにより、天板部に上から外力が加わった際に天板部が回路基板の側に撓むことをより効果的に抑制できる。

本発明において、前記第３の補強部は、前記回路基板の面に対して所定の隙間が確保されるように形成されたものであってもよい。これにより、一枚の回路基板にスリットを形成することによって、部品を表面実装する回路基板部と、この回路基板部を弾性的に保持するビーム部とを形成したＭＥＭＳデバイスにおいて、落下などにより外部衝撃（加速度）を受けた際に、回路基板部が過度な振り幅で変動し、回路基板部そのものが破壊に至ることを防止できる。

本発明において、前記ＭＥＭＳ素子が、圧電膜が表面に形成された振動子であることとしてもよい。これにより、薄型化を図りつつ耐久性を高めた角速度センサを実現できる。

本発明の別の観点に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法は、金属材料からエッチングにより不要部分を選択的に除去して、回路基板の表面に実装された、少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を収容する空間を有する蓋を作製する工程と、前記蓋を前記回路基板に接合する工程とを具備することを特徴とする。

本発明では、回路基板に表面実装された部品を気密封止する蓋を、金属材料からのエッチングによって作製することで、蓋の形状を高い自由度で最適に選定することができ、高強度で、小型薄型の蓋を得ることができる。これにより、小型薄型で、動作信頼性の高いＭＥＭＳデバイスが得られる。

本発明において、前記エッチングは、等方性エッチングとしてもよい。等方性エッチングによって金属材料の不要部分を選択的に除去することで、蓋の空間のコーナ部分に、自ずと、第１の補強部としてのアール部を形成することができる。

本発明の別の観点に係る電子機器は、少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を表面実装した回路基板と、前記回路基板の前記部品を固定している側の面を被うように前記回路基板に接合され、エッチングにより金属材料から形成された蓋とを具備することを特徴とする。

本発明では、薄型で耐久性の高いＭＥＭＳデバイスを用いることによって、電子機器の小型化、及び安定した動作を実現することができる。

本発明によれば、ＭＥＭＳデバイス及び電子機器の薄型化、及び耐久性の向上を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスである角速度センサの分解斜視図、図２は図１の角速度センサの断面図である。

これらの図に示すように、この角速度センサ１００は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などをベースとしたセラミック積層基板などからなる回路基板２００と、回路基板２００の部品搭載側の主面を被う蓋３００とを有する。

回路基板２００の表面には、Ｘ軸の振動子２１２と、Ｙ軸の振動子２１３と、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４と、チップＣＲ部品２１５が、バンプ２１６を介して、回路基板２００の表面に設けられたパッド部２１７と接続されている。Ｘ軸の振動子２１２は、回路基板２００のＸ方向に沿った辺に沿うように配置されている。このＸ軸の振動子２１２の近傍に駆動検出用ベアチップＩＣ２１４が配置されている。Ｙ軸の振動子２１３は、回路基板２００のＹ方向に沿った辺に沿うように配置されている。駆動検出用ベアチップＩＣ２１４は、回路基板２００のほぼ中央に配置されている。

振動子２１２及び振動子２１３は、コリオリ力を検出するための片持ち梁タイプの振動子であり、振動子２１２，２１３は、台座部２１２ａ、２１３ａと、振動部２１２ｂ、２１３ｂとを有する。つまり、この角速度センサ１００では、ＸＹの２軸に対する振動子を同一パッケージ内に実装している。これらの振動子２１２、２１３は、例えば例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）工程で製造されるもので、シリコン素子の梁の表面に圧電膜を形成して構成され、その構成は、例えば特開２００５−２２７１１０号公報に詳しく開示されている。

これらの振動子２１２、２１３は、要するに自励タイプの振動子であり、検出方向に対する位相差を検出することでコリオリ力を検出している。この実施形態では、Ｘ軸検出用の振動子２１２は、例えば３６ｋＨｚ付近、Ｙ軸検出用の振動子２１３は、３９ｋＨｚ付近の共振周波数でそれぞれ振動するように構成されている。なお、振動子としては、片持ち梁タイプに限らず音叉タイプの振動子などの各種の振動子を勿論用いることができる。

回路基板２００の表面には、各振動子２１２，２１３、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４、チップＣＲ部品２１５などとの電気的な接続をとるためのパッド部２１７が設けられている。

蓋３００は、金属材料からエッチングにより逆凹状に形成されたものであり、天板部３０１と側壁部３０２とにより構成される。エッチングの方法としては、対象物の全ての方向に一様な速度でエッチングが進む等方性エッチングが採用される。

蓋３００の材料には、当然ながらエッチングに適した金属が用いられる。より具体的には、引張強度の高いバネ材、例えば、ステンレス、アルミ合金、リン青銅、ベリリウム鋼などを使用することが好適である。

なお、ステンレスなどのバネ材から、プレスによる絞り加工によって蓋３００の形状を得ようとすると、クラックが入ってしまうなど、成形が困難である。

上記のように、蓋３００を、基材からの等方性エッチングによって作製することによって、図３に示すように、金属材料の不要部分を選択的に除去することによって形成された空間のコーナ部に第１の補強部３０３であるアール部を容易に形成することができ、この第１の補強部３０３の形成によって拡大されたコーナ部分の肉厚が蓋３００の全体的な強度を高めることになる。この結果として、蓋３００の天板部３０１の厚さをより小さくすることができ、デバイス全体の薄型化を図れる。蓋３００の第１の補強部３０３であるアール部の曲率Ｒの値は蓋３００の高さの１／３以上とすることが、蓋３００の強度を十分高めるために望ましい。

また、エッチングにより蓋３００の側壁部３０２を選択的に肉厚にすることで、その肉厚の部分を第２の補強部３０４として設けることができ、蓋３００の強度をより一層高めることができる。このような側壁部３０２の肉厚部分からなる第２の補強部３０４をプレスによる絞り加工で得ることは、コストが嵩み、困難である。また、このように側壁部３０２を選択的に肉厚にして第２の補強部３０４とすることで、逆に、側壁部３０２の第２の補強部３０４以外の部分を薄くすることができ、デバイス全体の面積を小さくすることができる。このように、エッチングによるパターン形成の自由度の高さは、高強度で、小型薄型の蓋３００を得るうえで極めて有効である。

さらに、エッチングによるパターン形成の自由度の高さは、蓋３００の天板部３０１のほぼ中央部分などに、天板部３０１の面に対して直交に立設した、第３の補強部３０５である補強用の壁部を形成することを容易にする。この第３の補強部３０５は、天板部３０１に上から外力が加わった際に天板部３０１が回路基板２００の側に撓むことを抑制し得るように、回路基板２００との間に介在して、蓋の天板部３０１のほぼ中間部の強度を補強するように機能する。なお、回路基板２００の表面と第３の補強部３０５の端面との間には僅かな隙間（クリアランス）ｄを確保するようにしてもよい。

これにより、図４に示すように、第３の補強部３０５がない蓋３００Ａの場合には、蓋３００Ａの天板部３０１Ａに上から外力Ｆが加わった際に駆動検出用ベアチップＩＣ２１４などの部品が蓋３００Ａの天板部３０１Ａの内側に接触する危険が予測されるが、図２に示したように、第３の補強部３０５によって天板部３０１の撓みは抑えられ、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４などの部品が蓋３００の内側に接触することはなくなる。回路基板２００の表面と第３の補強部３０５の端面との間には僅かな隙間（クリアランス）ｄを設けた場合も同様である。また、この隙間（クリアランス）ｄを設けた場合には、天板部３０１に上から外力Ｆが加わった際に、その力を回路基板２００において強度的に最も脆い中央部で常に受けるような構造とならないので、回路基板２００の破壊の心配もなくなる。

図５は、この角速度センサ１００の製造プロセスを示す図である。

まず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などをベースとし、パッド部２１７、その他の必要な配線パターンを形成したセラミック積層基板を作製する（Ｓ１）。次に、このセラミック積層基板の表面に、Ｘ軸の振動子２１２、Ｙ軸の振動子２１３、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４、チップＣＲ部品２１５などの部品を実装する（Ｓ２）。その一方で、ステンレス、アルミ合金、リン青銅、ベリリウム鋼など、エッチングに適し、かつ引張強度の高いバネ材から、等方性エッチングによって所望の形状の蓋３００を作製しておき（Ｓ３）、この蓋３００の側壁部３０２の端面を、回路基板２００の表面縁部に合わせるようにして互いに位置決めし、接着剤などによって互いに接合する（Ｓ４）。

以上のように、この実施形態では、回路基板２００の部品搭載側の主面を被う蓋３００を金属材料からのエッチングによって作製することで、高い自由度で最適な形状を選定することができ、高強度で、小型薄型の蓋３００を得ることができる。これにより、ＭＥＭＳデバイスの小型薄型化、及び動作信頼性の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
図６は第２の実施形態のＭＥＭＳデバイスである角速度センサ１０１の分解斜視図である。

この角速度センサ１０１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などをベースとしたセラミック積層基板などからなる回路基板２００と、回路基板２００の部品搭載側の主面を被う金属製の上蓋３５０と、下蓋４００とを有する。

回路基板２００は、第１の領域としての回路基板部２１０と、第２の領域としての中継基板部２２０と、第３の領域としてもビーム（橋梁）部２３０とを有する。つまり、回路基板部２１０と中継基板部２２０とビーム部２３０とは、所定の間隔としてのスリット２４０を介して隔てられているだけで１枚の基板から構成される。

回路基板部２１０は、矩形である。中継基板部２２０は、スリット２４０を介してこの回路基板部２１０を取り囲むように設けられている。ビーム部２３０は、中継基板部２２０が回路基板部２１０を弾性的に保持するように、回路基板部２１０と中継基板部２２０とを架け渡している。

回路基板部２１０の表面には、Ｘ軸の振動子２１２と、Ｙ軸の振動子２１３と、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４と、チップＣＲ部品２１５が、バンプ２１６を介して、回路基板部２１０の表面に設けられたパッド部２１７と接続されている。Ｘ軸の振動子２１２は、回路基板２００のＸ方向に沿った辺に沿うように配置されている。このＸ軸の振動子２１２の近傍に駆動検出用ベアチップＩＣ２１４が配置されている。Ｙ軸の振動子２１３は、回路基板２００のＹ方向に沿った辺に沿うように配置されている。

回路基板部２１０の表面には、各振動子２１２，２１３、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４、チップＣＲ部品２１５などとの電気的な接続をとるためのパッド部２１７が設けられている。

このような構成を有する角速度センサ１０１では、ビーム部２３０が、中継基板部２２０が回路基板部２１０を弾性的に保持するように回路基板部２１０と中継基板部２２０とを架け渡しているので、外部応力の緩和と振動絶縁を行うことができ、出力変動を防止することができ、しかも、回路基板部２１０と中継基板部２２０とビーム部２３０とが１つの回路基板２００によって構成されているので、３点の部品を１枚の回路基板２００により構成することができ、小型薄型化及び低コスト化を図ることができる、という利点を有する。

図５はこの第２の実施形態の角速度センサ１０１の断面図である。この図では、下蓋４００が回路基板２００から離れているが、実際には下蓋４００は回路基板２００の部品搭載面とは反対側に取り付けられる。

上蓋３５０は、図１の実施形態の蓋３００と同様に、金属材料からエッチングにより逆凹状に形成されたものであり、天板部３０１と側壁部３０２とにより構成される。エッチングの方法としては、対象物の全ての方向に一様な速度でエッチングが進む等方性エッチングが採用される。第１の実施形態の蓋３００と同様に、上蓋３５０にも、エッチングによるパターン形成の自由度の高さを利して、側壁部３０２を選択的に肉厚にして設けた第２の補強部３０４と第３の補強部３０５が設けられ、等方性エッチングによる第１の補強部３０３であるアール部が設けられている。また、この実施形態では、第３の補強部３０５が、回路基板部２１０の領域に対応して設けられ、第３の補強部３０５の端面と回路基板部２１０との間には、僅かな隙間（クリアランス）ｄが設けられている。

下蓋４００は、回路基板２００に設けられたスリット２４０を裏面から塞ぐように接着剤などにより取付けられている。かくして回路基板２００の全体は上蓋３５０と下蓋４００によって気密に封止され、耐環境性が確保されている。

以上のように、この実施形態においても、回路基板２００の部品搭載側の主面を被う上蓋３５０を金属材料からのエッチングによって作製することで、高い自由度で最適な形状を選定することができ、高強度で、小型薄型の上蓋３５０を得ることができ、角速度センサの小型薄型化、及び動作信頼性の向上を図ることができる。

また、回路基板部２１０は、ビーム部２３０により弾性的に支持されているので、落下などにより、外部衝撃（加速度）が印加された場合、自身の質量とその加速度の積の力が働き、回路基板部２１０を変動させる。したがって、上蓋３５０に補強用の壁部３１０が設けられていない場合には、回路基板部２１０が大きく上下に変動し、回路基板部２１０の上に実装されている駆動検出用ベアチップＩＣ２１４や、振動子２１２，２１３などの部品が上蓋３５０の内側と衝突して破損する恐れがあるが、上蓋３５０に第３の補強部３０５を設けることによって、そのような部品の破損事故を防止することができる。さらに、第３の補強部３０５によって、回路基板部２１０の振動の大きさを、第３の補強部３０５の端面と回路基板部２１０との間に設けた隙間（クリアランス）ｄ分に規制できるので、外部衝撃時に回路基板部２１０が過度の振り幅で振動し、回路基板部２１０そのものが破壊に至ることを防止できる。

以上、ＭＥＭＳデバイスとして角速度センサの実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、回路基板上にＩＣやＭＥＭＳ素子を実装したＭＥＭＳデバイスの全般に適用できるものである。

次に、本発明に係る角速度センサを搭載した電子機器について説明する。図８はこの電子機器の一例を示す概略ブロック図である。

この電子機器は、手振れ補正機能付のデジタルカメラである。このデジタルカメラは、既に説明した角速度センサ１００と、制御部５１０と、レンズなどを備える光学系５２０と、ＣＣＤ５３０、光学系５２０に対して手振れ補正を実行する手振れ補正機構５４０とを有する。

角速度センサ１００によって、Ｘ方向及びＹ方向のコリオリ力が検出される。制御部５１０は、この検出されたコリオリ力に基づき手振れ補正機構５４０を使って光学系５２０で手振れの補正を行う。

なお、ビデオカメラや携帯電話などの他の電子機器にも本発明を当然適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスである角速度センサの分解斜視図である。 図１の角速度センサの断面図である。 図２の角速度センサの一部を拡大した断面図である。 本発明の比較例であるＭＥＭＳデバイスを示す断面図である。 図１の角速度センサの製造プロセスを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスである角速度センサの分解斜視図である。 図６の角速度センサの断面図である。 本発明に係る角速度センサを搭載した電子機器の一例を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１００ 角速度センサ
２００ 回路基板
２１２、２１３ 振動子
２１４ 駆動検出用ベアチップＩＣ
３００ 蓋
３０１ 天板部
３０２ 側壁部
３０３ 第１の補強部
３０４ 第２の補強部
３０５ 第３の補強部

Claims (10)

1. 少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を表面実装した回路基板と、
   前記回路基板の前記部品を固定している側の面を被うように前記回路基板に接合され、エッチングにより金属材料から形成された蓋と
   を具備することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように形成されたもので、前記蓋の前記空間のコーナ部分に、前記蓋の厚さに対して１／３以上の曲率をもつアール部を第１の補強部として有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように、天板部と側壁部とを設けて形成されたもので、かつ前記側壁部の一部を肉厚にして、この肉厚部分を第２の補強部として有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記蓋は、前記エッチングにより前記金属材料の不要部分を選択的に除去して、前記回路基板に表面実装された部品を収容する空間を確保するように、天板部と側壁部とを設けて形成されたもので、かつ前記天板部のほぼ中央部分またはその近傍に、前記天板部の撓みを抑止するための第３の補強部を有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 前記第３の補強部は、前記回路基板の面と当接可能に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記第３の補強部は、前記回路基板の面に対して所定の隙間が確保されるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記ＭＥＭＳ素子が、圧電膜が表面に形成された振動子であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 金属材料からエッチングにより不要部分を選択的に除去して、回路基板の表面に実装された、少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を収容する空間を有する蓋を作製する工程と、
   前記蓋を前記回路基板に接合する工程と
   を具備することを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
9. 前記エッチングが、等方性エッチングであることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。
10. 少なくともＭＥＭＳ素子を含む部品を表面実装した回路基板と、前記回路基板の前記部品を固定している側の面を被うように前記回路基板に接合され、エッチングにより金属材料から形成された蓋とを具備するＭＥＭＳデバイスを有することを特徴とする電子機器。

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