JP2008244442A - Ｍｅｍｓ素子を密封するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳダイを収容する密閉されたパッケージの組立方法及び密閉パッケージが提供される。
【解決手段】この方法はドームへのガラス混合物の選択的な付加を含む。ドーム２７はガラス混合物を流動化させるに十分な第一の温度に加熱される。ドームは押圧されてＭＥＭＳ素子１８を収容するキャリア２４に接触し、ガラス混合物をキャリア上に流動化させるに十分な圧力と時間間隔で押圧を維持する。ドームは、キャリアとの接触を維持しながら、ガラス混合物がガラスフリットに硬化しキャリアをドームに対して密封可能にするに十分な第二の温度に冷却される。ガラスフリットはシール幅を有する。
【選択図】図１

Description

[0001]マイクロジャイロスコープやある種の圧力センサーのような多くの高感度微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：microelectromechanical system）は、密閉された真空の電子パッケージ内で作動して、その性能特性を十分に実現する必要がある。キャリア（carrier；担体）の真空包装には幾つかの気密シーリング技術が存在する。最近では、ドーム（dome;半球体）がキャリア内に固定され、次に共晶接合（eutectic bonding）、接着接合又はシリコン−ガラス陽極接合により、ドームが所定の位置に密封される。各密封方法は、ガス放出（outgassing）によりパッケージ内の真空度が損なわれるという危険を含む。

[0002]ガス放出は、ある材料に捕捉、凍結、吸収又は吸着されたガスの緩慢な放出である。ガス放出は、脱着、亀裂又は内部体積からの漏出、及び緩慢な化学反応のガス状生成物に起因して発生することがある。清浄な高真空環境の創設及び維持にとって、ガス放出は１つの難題である。例えば、ガス放出した生成物は、光学素子、熱放射体又は太陽電池上で濃縮され、これらを曇らせることがある。普通吸収剤とみなされない物質は、十分に軽量の分子を放出して、工業的又は科学的な真空工程に障害を与えることがある。金属及びガラスでさえも亀裂又は不純物からガスを放出するが、湿気、封止剤、潤滑剤及び接着剤が最もありふれた原因物質である。

[0003]金及びシリコンは、半導体の製造において２つの最も一般的に使用される元素に属す。金−シリコン合金（化学的には“ＡｕＳｉ”で示される）は、数多くのＭＥＭＳ素子の密接に相互接続する製作に好ましい材料である。その上、ＡｕＳｉは、シリコン・ナノワイア・アレー（silicon nanowire arrays）を成長させる固-液-固成長方法におけるナノ触媒として作用させるために、しばしば用いられている。更に、ＡｕＳｉ共晶合金は、マイクロチップ及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造及び包装の際に、ウエハー共晶接合に使用されてきた。封止剤の役割の中で、ＡｕＳｉ共晶合金はガス放出される材料の主要な供給源である。

[0004]先に述べたＭＥＭＳ及び半導体産業における封止剤としてのＡｕ及びＳｉの一般的な使用は、多数の製造工程で非晶質ＡｕＳｉが（意図することなく）生成するかも知れないことを意味する。その導電特性を考慮すると、ＡｕＳｉの沈着はＡｕＳｉが生成するＭＥＭＳ素子にかなりの支障を来たしたり損傷を与えたりするかも知れない。

[0005]また、“共晶（eutectic）”なる単語は、合金の可能な限り最も低い融点の組成物を表現するのにも一般的に用いられる。共晶（eutectic：“容易に溶融する”ことを意味するギリシャ語の“Eutektos”に由来）は、合金成分の溶融温度より低い温度における液状合金の生成を含蓄する。例えば、１９.５％のＳｉ原子及び８０.５％のＡｕ原子を含有するＡｕＳｉ合金は温度３６３℃で溶融するが、純粋なＡｕ及び純粋なＳｉはそれぞれ１０６３℃及び１４１２℃まで固体である。生成温度が低いならば、注意して選択される理想の密封方法は、意図しないＡｕＳｉの生成を最小限に抑制するためにキャリアを３６３℃未満に保たなければならない。

[0006]ガス放出に起因する損なわれた真空度の問題に関する１つの解決策は、長期間にわたるＭＥＭＳ素子の作動を首尾よく確保するために、密閉電子パッケージ内にゲッターを挿入したことである。用語“ゲッター（getter）”とは、真空環境で活性ガスを化学的に吸収する材料をいう。ゲッターは高度に多孔質で機械的に安定な包装部材から構成され、この包装部材は、ＭＥＭＳ真空包装室の内部に取り付けられ、その後、密封された電子パッケージを温度と時間の好適な組合せに委ねることによって活性化される。しかし、ゲッターの活性化は、また、電子パッケージ内の真空度を損なう副生成物を自体がガス放出しやすい共晶合金の生成を誘発することがある。[0007]必要とされるのは、ガス放出を防止し、これによりゲッターの必要性を排除する密封技術である。

[0008]ＭＥＭＳダイを収容する密閉されたパッケージの組立方法及び密閉パッケージが提供される。この方法はドームへのガラス混合物の選択的な付加を含む。ドームはガラス混合物を流動化させるに十分な第一の温度に加熱される。ドームは押圧されてＭＥＭＳ素子を収容するキャリアに接触され、ガラス混合物をキャリア上に流動化させるに十分な圧力と時間間隔だけ押圧が維持される。ドームは、キャリアとの接触を維持しながら、ガラス混合物がガラスフリットに硬化し、これによりキャリアをドームに対して密封可能にするに十分な第二の温度に冷却される。[0009]上述の概要から容易に理解されるように、ガラスフリットはシール幅を有する。

[0010]以下に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい代替の実施の形態を詳細に説明する。[0013]ＭＥＭＳダイを収容する密閉されたパッケージの組立方法及び密閉パッケージが提供される。この組立方法は、ドームへのガラス混合物の選択的な付加を含む。ドームはガラス混合物を流動化させるに十分な第一の温度に加熱される。ドームは押圧されてＭＥＭＳ素子を収容するキャリアに接触し、ガラス混合物をキャリア上に流動化させるに十分な圧力と時間間隔だけ押圧が維持される。ドームは、キャリアとの接触を維持しながら、ガラス混合物がガラスフリットに硬化して、これによりキャリアをドームに対して密封可能にするに十分な第二の温度に冷却される。

[0014]図１には、非限定的で（発明が本実施の形態に限定されない）例示的な実施の形態として、ボール・アレイ・グリッド１２によってボード組立体上への取り付けに好適な密閉されたパッケージ１０が示される。パッケージ組立体１５は、ガラス基板２１上に載置されるＭＥＭＳ素子１８を包囲し、ガラス基板２１とＭＥＭＳ素子１８は、一緒にベースキャリア２４内でシールリング２８を画定する。パッケージ組立体１５は、ガラスフリット３０の箇所で非金属ドーム２７により密封される。シールリング２８は非金属ドーム２７を支えるように形状が決められており、これによりＭＥＭＳ素子１８を覆うパッケージ組立体１５が完成する。有利には、非金属ドーム２７を選択されたセラミックで任意に構成して、ガス放出として既知の現象を、極力抑制するか解消することができる。

[0015]それ故に、パッケージ組立体１５を有利に形成するには、ＭＥＭＳ素子１８をベースキャリア２４内で一緒にガラス基板２１上に載置することである。非限定的な実施の形態において、ＭＥＭＳ素子１８は、その熱経路を延長することによってベースキャリア２４からＭＥＭＳ素子１８を熱的に隔離されるように構成された脚２２に載置される。この任意で非限定的な方法で構成されると、非金属ドーム２７は十分な熱エネルギーを受け取って、ＭＥＭＳ素子１８を同時に過熱することなくガラスフリット３０を生成することができる。大部分の元素状金及びシリコンが存在するＭＥＭＳ素子１８内にフリットがあるため、この方法の実行中のＭＥＭＳ素子１８の温度を極力低下させることは、共晶合金の生成を極力抑制することになる。

[0016]フリットは、シールとして用いられる材料が溶融した又は部分的に溶融したものである。ガラスと結合剤の混合物がドーム２７に選択的に塗布される。ドーム２７をガラス及び結合剤と共に焼結すると、ドーム２７の表面に存在するガラスが溶融する。組立時には、ドーム２７はベースキャリア２４に圧接して位置合わせされ取り付けられる。ガラスフリット３０は、ベースキャリア２４に接触して、シールリング２８の箇所でパッケージ組立体１５を密閉する。

[0017]非限定的な実施の形態において、加熱されたドーム２７に蓄えられた熱エネルギーが、ドーム２７上に沈積するガラスの溶融に用いられると、ガラスフリット３０が生成し、ベースキャリア２４に溶融・接触して置かれる。目下の好ましい実施の形態において、ドーム２７は使用時の温度が４１０℃の炉内で１０分間加熱される。ベースキャリア２４はドーム２７よりかなり低い温度に維持されるであろう。１つの非限定的な実施の形態において、ベースキャリア２４とドーム２７が接合してフリット３０を生成する前に、ドーム２７はベースキャリア２４の温度より更に７０℃ほど高い温度に加熱される。これによりパッケージ組立体１５は、密閉されてボード組立体上への取付の準備が整い、これにより密閉されたパッケージ１０を形成する。

[0018]図２を参照して、ＭＥＭＳ素子を収容する密閉パッケージの組立方法は、ブロック５１において、ドーム上へのガラス混合物の選択的な塗布を含む。非限定的で例示的な実施の形態において、ガラス混合物は鉛を含有する。鉛ガラスは、その製造時に酸化鉛を含浸した珪酸カリウム・ガラスからなる。非限定的な実施の形態において、ガラス混合物はガラスフリットのペーストである。乾燥粒状材料としての有鉛フリット材料は、ビヒクルと混合して、ドーム２７へのガラスフリットの塗布に十分に適したガラスフリットのペーストを生成する。１つの非限定的な実施の形態において、ガラスフリットのペーストは、９３％の有鉛フリットガラスとガラスフリットのペーストを生成するビヒクル（vehicle;基剤）としての７％のフリットラッカー（酢酸アミル）との混合物からなる。

[0019]ブロック５４において、ドーム及びガラス混合物は加熱されて、ガラス混合物が流動化する。ガラスは、規則正しい結晶格子を形成しない時間内で、粘稠な溶融材料をそのガラス転移温度以下に急速に冷却すると通常生成する、均一な非晶質固体物質である。ガラス転移温度まで適切に加熱すると、ガラス混合物は粘稠な液体としての流動性を再び取り戻す。粘稠な液体の形態では、ガラスは容易に周囲の物質に馴染む。

[0020]ブロック５７において、ドームとキャリアとは、得られるシールを有効にする圧力と時間をかけて位置合わせされ接触する。ドームとキャリア間の粘稠なガラス混合物はドーム及びキャリアの各表面に馴染み、シール幅（ガラスフリット幅を表す）を有するガラスフリットが加圧中に生成する。粘稠なガラス混合物の表面張力は、画定されたシールリングから混合物が漏れ出すのを防止する。

[0021]ブロック６０において、ドーム、キャリア及びフリットは冷却されて、フリットを硬化させる。キャリアだけでなくドームも転移温度よりはるかに高い温度に加熱されないので、粘稠な溶融材料はそのガラス転移温度以下に急速に冷却し、これにより規則正しい結晶格子の形成が防止される。このようにして得られる硬化ガラスフリットはキャリアに対してドームを密封し、密閉されたパッケージ組立体を形成する。

[0022]ブロック６３において、自己内蔵密閉パッケージを提供するように構成されたボード組立体上に、キャリアが取り付けられる。かかるパッケージの１つがＬＣＣとして知られているリーダレス（leadless）・チップキャリアである。[0023]無鉛ガラスはより大きな融解熱発生の懸念のないフリット組成物に使用することができる。

フリット化されたドームを有する本発明のキャリアの断面図である。 ＭＥＭＳキャリア上にドームをフリット化する方法のフローチャートである。

Claims (3)

1. ＭＥＭＳ素子を収容する密閉されたパッケージの組立方法であって、
   ドームにガラス混合物を選択的に付加し、
   ガラス混合物を流動化させるに十分な第一の温度にドームを加熱し、
   ＭＥＭＳ素子を収容するキャリアにドームを接触するよう押圧し、ガラス混合物をキャリア上へ流動させるための圧力及び時間間隔だけ押圧を維持し、
   ガラス混合物がガラスフリットに硬化しキャリアをドームに対して密封可能にするに十分な第二の温度に、キャリアに接触するドームを冷却する、
   ことを含む、前記組立方法。
2. 前記第一の温度が金−シリコン共晶合金の生成を防止するように選択され、該第一の温度は約４３０℃〜５３０℃の範囲にあり、前記時間間隔が約４〜１５分であり、前記圧力がガラスフリット中にボイドの生成を防止するに十分な圧力であり、該圧力は約１ｋｇであり、前記ガラスフリットが酸化鉛を含有する、請求項１に記載の方法。
3. ＭＥＭＳ素子を収容するためのパッケージであって、
   床面を有する空洞を画定し、床面に載置されたＭＥＭＳ素子を実質的に取り囲むように構成され、更に該空洞の周りを囲むシールリングを画定するキャリアと、
   シールリングに係合するように構成されたドームと、
   ドーム及びシールリングに密封接触して、パッケージ内のＭＥＭＳ素子を密閉するフリットと、を含み、
   キャリアは床面から延びると共にパッケージ内のＭＥＭＳ素子を支持する脚を備え、該脚は床面からＭＥＭＳ素子を熱的に隔離するように構成され、フリットは、金−シリコン共晶合金を含有せず、かつ、酸化鉛を含有するガラスからなり、該フリットはシール幅の５０％を超えるボイドを含まないものである、前記パッケージ。

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