JP2008528301A - 温度変化に対して改良された反応を有するｍｅｍｓパッケージ - Google Patents

Abstract

大規模なＭＥＭＳデバイス（１０，１００，２００，３００）は、少なくとも一つの対応するダイマウント（２８）によって支持されるＭＥＭＳダイ（２２）を含む。対応するダイマウント（２８）は、ＭＥＭＳダイ（２２）を支持構造（２０）に連結する。支持構造（２０）は、パッケージ（３８，４０）の内部に配置される。本発明の態様によれば、パッケージ（３８，４０）は、ＭＥＭＳダイ（２２）について実質的に対称形である。本発明の別の態様によれば、支持構造（２０）および／またはパッケージ（３８，４０）は、ＭＥＭＳダイ（２２）に沿う中立の屈曲軸を有するように設計されている。

Description

本発明は、ＭＥＭＳデバイス用のパッケージに関する。より詳しくは、本発明は、熱膨張が問題となる比較的大規模なＭＥＭＳデバイス用のパッケージに関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）は、最初に１９７０年代に開発され、１９９０年代において商業化された。通常、ＭＥＭＳデバイスは、微視的で、小規模の物質界と相互に作用するそれらの能力によって特徴づけられる。ＭＥＭＳデバイスは、センサ等のような何がしかの機械的な入力を受けるもの、またはアクチュエータのような何がしかの機械的な出力を生み出すデバイスのいずれかとして一般的に分類される。極めて小規模な代表的なＭＥＭＳデバイスを考えると、その作動は極めて小規模なものであるが、依然として多様な目的に用いることが可能である。ＭＥＭＳセンサは、熱学的、光学的、化学的および生物学的でさえある入力に関するデータを収集するのに用いられる。ＭＥＭＳをベースとしたアクチュエータもまた、応答し、物質の移動、ろ過および／またはポンピングによって環境を制御するデバイス（これに限定されるものではない）を含む多様な目的に用いられている。

ＭＥＭＳデバイスは従来、非常に小規模デバイス（例えば、砂粒サイズ）であったが、より大きいＭＥＭＳデバイスもまた非常に有用であることが証明されている。例えば、光通信の分野においては、ＭＥＭＳアクチュエータにより与えられた動作は、光スイッチ、光多重および／または選択的減衰を与える上で非常に有用である。通常、光学的ＭＥＭＳデバイスは、従来の微視的な構造よりも大規模である。しかしながら、これらのより大きなＭＥＭＳデバイスが事実上電気機械で、製作のための既存のＭＥＭＳ技術を使用することから、もはや「微小」ではない場合であっても、それらは依然としてマイクロ電気機械システムであると考えられる。

ＭＥＭＳデバイスにおける熱膨張は、当業者にはよく知られている。事実、若干のＭＥＭＳデバイスは、作動を生み出すために、異なる材料の熱膨張を使用している。ＭＥＭＳデバイスは通常、微視的な大きさであり、熱膨張が拡大している本体のサイズと比例することから、ＭＥＭＳ構造の非作動部分の膨張はこれまで問題にはならなかった。しかしながら、より大規模なＭＥＭＳデバイス、例えば光通信において使用するものにおいては、ＭＥＭＳ構造は、０．５ｃｍを上回る寸法を有することがあり得る。これは、極めて大規模なＭＥＭＳデバイスである。したがって、この種の大きなデバイスと関連する熱膨張は、ＭＥＭＳデバイスの機械の態様に不利な影響を与えることとなる。例えば、可変光学減衰器で、マイクロ・インチのオーダーの作動は、光学減衰に関する大きな差になり得る。付加的な変位が熱膨張による望ましくない変位によって生じる場合、非線形性および／または予測不可能な結果が起こり得る。したがって、大規模なＭＥＭＳデバイスに対する熱影響を最小化することが望まれていた。

大規模なＭＥＭＳデバイスの望ましくない変位が生じ得る他の要因は、パッケージ自体である。ＭＥＭＳデバイスは、通常、比較的もろく、環境から保護されていなければならない。したがって、それらは、通常、ある種のパッケージ内に配置される。サイズおよび予算上の制約のために、パッケージ材自体は、通常、ＭＥＭＳ構造の材料と同様でない材料で形成される。このように、パッケージは、通常、ＭＥＭＳ材料と異なる熱膨張率を有する。パッケージ／ＭＥＭＳ組立品全体の温度が変化するにつれて、熱的に誘発された歪が生じる。従来のエレクトロニクス・パッケージ（ＭＥＭＳパッケージを含む）は、一般にデバイスの片面上にダイマウントを使用する。ダイおよびパッケージ間の熱膨張率（ＣＴＥ）が異なることにより、ダイを曲がらせることがあり得る。電気接続は通常、ある程度の曲げを許容することから、電子装置用のダイを曲げることは通常、重要な問題でない。しかしながら、ＭＥＭＳデバイスにとって、小さい屈曲または熱的に誘発された歪は、ＭＥＭＳデバイスに故障を生じさせるか、または同様にその意図された機能を実行させなくすることがあり得る。

熱変化に対して改良した挙動をする大規模なＭＥＭＳデバイスを提供することは、非常に有用である。この種のデバイスとしては、例えば、それらのデバイスのコストをかなり上げることのない、例えばマルチプレクサ、スイッチおよび減衰器等の、より精密な光通信デバイスを提供することができる。更に、温度挙動が大きく改善される場合には、ＭＥＭＳデバイスの熱制御およびこの種のデバイスの温度検出すら不要となる。

大規模なＭＥＭＳデバイスは、少なくとも一つの対応するダイマウントによって支持されるＭＥＭＳダイを含む。対応するダイマウントは、ＭＥＭＳダイを支持構造に連結する。支持構造は、パッケージの内部に配置される。本発明の態様によれば、パッケージは、ＭＥＭＳダイについて実質的に対称形である。本発明の別の態様によれば、支持構造および／またはパッケージは、ＭＥＭＳダイに沿う中立の屈曲軸を有するように設計されている。

本発明の実施形態は、熱膨張が望ましくない寸法変化を引き起こし得るいかなる大規模なＭＥＭＳデバイスに対しても非常に有用である。本発明の実施形態は、電子的可変光減衰器ＭＥＭＳデバイスに関して記載されると共に、当業者にとって、本発明の実施形態が、他の適合したＭＥＭＳデバイスと同様に、光スイッチやマルチプレクサのような光通信デバイス（これに限られるものではない）を含む、ＭＥＭＳデバイスの多くの他方式に実践されることがあり得ると認識する。

図１は、本発明の実施形態によるＭＥＭＳ技術に基づく電子的可変光学減衰器の斜視図である。減衰器１０は、それぞれ、支持構造２０の溝１６および１８を通して受け取られる一対の光ファイバ導波管１２および１４を含む。導波管１２および１４は、周知のＭＥＭＳ技術により、導波管１２および１４の端間の光継手を調整するためにマイクロ作動を提供するＭＥＭＳダイ２２に連結する。ＭＥＭＳダイ２２は、大規模なＭＥＭＳデバイスである。ここで使用しているように、大規模なＭＥＭＳデバイスは、１．０ミリメートルより大きい寸法を有するいかなるＭＥＭＳ構造も含む。加えて、大規模なＭＥＭＳデバイスは、熱膨張を受ける材料の中で形成される１．０ミリメートルより大きい寸法を有する構造に物理的に連結する従来の小規模のＭＥＭＳ構造を含んでおり、その熱膨張は、小規模の構造に影響を及ぼす。例えば、ＭＥＭＳデバイス２２の端２４および２６間の寸法は、好ましくはほぼ３ミリメートルである。ＭＥＭＳ構造２２は、望ましくは適切な半導体材料、例えばシリコン、アルミナ、セラミックなどで形成される。通常、この種の材料は比較的高価であり、同一材料から全デバイス１０を形成することは極めて高費用となる。このため、支持構造２０は、ＭＥＭＳデバイス２２とは異なる材料で形成される。好ましい実施形態においては、支持構造２０は、実際は、適切なプリント回路基板材料を使用しているプリント回路基板である。この種の材料の１つの実施形態としては、回路基板のために使用する周知のＦＲ４エポキシ積層材料がある。ＦＲ４は、縦方向では約１１ミクロン／ｍ／℃、横方向では約１５ミクロン／ｍ／℃の熱膨張率を有する。ＦＲ５エポキシ積層体も使用することができる。したがって、温度が変化するにつれて、ＭＥＭＳダイ２２は支持構造２０の熱膨張率とは異なる熱膨張率で寸法を変える。この熱膨張の差に対応するようにして、比較的小さい隙間が、ＭＥＭＳダイ２２および支持構造２０の間に設けられる。支持構造２０は、ＭＥＭＳダイ２２が配置される空洞２１を含む。図２は、より詳細なこの隙間を例示している。少なくとも１つの、好ましくは４つの対応するダイにおいて、マウントが、ＭＥＭＳダイ２２および支持構造２０間の隙間を埋めるために用いられている。マウント２８は、図２において例示されている。支持構造２０は周知のワイヤ・ボンディング技術を使用しているＭＥＭＳダイ２２上の関連するボンディングパッド３２に連結する多くのボンディングパッド３０を備えるのが望ましい。全デバイス１０からパッド３０への電気接続は、リード枠３４によって容易となる。支持構造２０および各々のカバー３６および３８は、支持構造２０に関してカバー３８および４０の正確な配列を促進するために、好ましくは連結位置決め機構４０を含む。１つの実施形態において、支持構造２０は、頂面４２および底面４４のそれぞれから伸びているアライメント・ピンを含み、アライメント・ピンは、カバー３８および４０の整合穴または凹部と相互に係合する。当業者は、あらゆる適切な連結位置決め機構を、支持構造２０と、カバー３８および４０との間の正確な配列を遂行するために使用されることができると認識する。いくつかの実施形態では、カバー３８および４０は、それ自身、いかなる適切な回路を配置する回路基板であることもできる。

光ファイバ構造の堅牢性を強化するため、一対の歪除去ブーツ４６および４８がケーブル１４および１２のために、それぞれ好ましく設けられる。

本発明の一実施態様によれば、カバー３８および４０は互いに実質的同一である。このように、これらは、実質的に同一の形状を有し、実質的に同一材料により形成され、実質的に互いに同じ厚みを有する。したがって、カバー３８および４０が支持構造２０に載置されると、温度変化が生じてもカバー３８および４０の両方は等しく膨張するので、余計なたわみの発生は生じないか、あるいは実質的に生じない。カバー３８および４０が実質的に同一であることが好ましいが、各々のカバーの曲がりに対する寄与に対して相当な注意が払われる限り、特定の偏差は許容され得る。例えば、１つのカバーにおける形状またはサイズにおけるわずかな変更は、カバーの材料またはカバー厚の変更によって補正され得る。
重要な概念は、熱膨張による支持構造２０を一方向へ曲げようとする１つのカバーの相対的な能力が、向かい側のカバーによって実質的に相殺されるということである。このため、全デバイス１０の中立の屈曲軸は、ＭＥＭＳデバイス２２の面における、実質的に支持構造２０およびＭＥＭＳデバイス２２の中心の中を実質的に通らなければならない。

図２は、対応するダイマウント２８によってＭＥＭＳデバイス２２を支持している支持構造２０の平面図である。対応するダイマウント２８は、それがＭＥＭＳダイ２２に実質的にいかなる屈折も与えないような弾性率を有するいかなる適切な材料からも作ることができるが、その代わりにＭＥＭＳダイ２２および支持構造２０間の寸法変化を収める。好ましくは、対応するマウント２８は、完成した装置の意図された使用法に適している熱稼動範囲を有するエラストマー材から造られる。図２は、４つの対応するマウント２８を例示すると共に、ダイ２２および支持構造２０間の全ての隙間が単一の対応するマウントで満たされ得ることが明瞭に検討されている。したがって、本発明の実施形態によれば、１つを含む任意の適当な数の対応するマウント２８が用いられ得る。

図３は、本発明の実施形態によるデバイス１０の横断面図である。図３は、デバイス１０の中で内部スペースを増やすための凹部５０を各々が有する上部カバー３８および底部カバー４０を示している。それ以上の内部スペースの使用は、デバイス１０の中で位置決めをするのが望ましい電子回路を収納することを助けることができる。図３は、支持構造２０の厚みと実質的に等しい厚みを有する対応するマウント２８を示す。対応するマウント２８は、ＭＥＭＳダイ２２の厚みより好ましくは大きい厚みを有する。いくつかの実施形態において、対応するマウント２８は、構造の機械の堅牢性を高めるためにＭＥＭＳダイ２２の端を包囲する小さいチャネルまたは凹部を備えることができる。最後に、図３は、支持構造２０の表面より上および下で伸びている整列部材４１を例示する。

図４は、本発明の実施形態による光通信デバイス１００の斜視図である。デバイス１００の態様は、デバイス１０の態様と類似しており、構成要素には同様の符号がつけられている。デバイス１００およびデバイス１０の主要な違いは、デバイス１００が支持構造２０に配置されている回路１０４を含むということである。回路１０４は、領域１０２の中に図示されている。回路１０４に対応するために、支持構造２０、カバー３８および４０は、付加的な表面積を回路１０４に提供するために広げられた。デバイス１００内に電子機器が設けられると、デバイスに付加的な特徴および特性を与えるだけでなく、デバイス応答時間も改善することができる。通常、表面実装の集積回路、表面実装レジスタ、表面実装コンデンサ等のような表面実装回路である回路１０４は、支持構造２０の熱膨張特性に影響を及ぼすので、回路は比較的対称形の傾向で支持構造２０に合わされるのが好ましい。したがって、図４にて図示したように、類似した回路１０４（少なくともそれらの物理的な寸法という意味において類似の）は、ＭＥＭＳダイ２２の反対側に配置されている。さらに、類似した回路も支持構造２０の下側に配置されているということが好ましい。上記のように、カバー３８および４０は、好ましくは、支持構造２０上の回路の付加高さを収める凹部５０を含む。回路１０４は、アナログ／ディジタル変換器、演算増幅器、静電容量計測回路、圧電測定回路、ホイートストンブリッジ回路等（これらに限定されるものではない）を含んだいかなる適切な回路も用いることができる。

図５は、本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳを基礎として形成された光通信デバイス２００の斜視図である。デバイス２００はデバイス１０および１００に多くの類似点を有しており、同類構成要素には同様の符号がつけられている。デバイス２００は、一方または両方のカバーが、その上におよび／または中に配置された電子回路を備える本発明の他の実施形態を示している。特に、カバー２０２は、その中またはその上に、電子回路２０６を有する回路基板２０４を載置するのに適している。そして、カバー４０が同じように構成されるのが好ましいが、本発明の実施形態は、その熱膨張特性がカバー２０２および回路基板２０４の熱膨張の複合効果に対して反対に作用するように、カバー４０を適応させることによって実践され得る。

本発明の実施形態では一般に１チャンネルの光通信デバイスを記載しているが、他の形態として、多数チャンネルのデバイスにも適用することができる。例えば、相対的な左右対称を維持することによって、各々の上に多数のＭＥＭＳデバイスを積み重ねて、一対の実質的に同一のカバーの中でそれらを囲むことを可能にしてもよい。図６は、本発明の他の実施形態によるＭＥＭＳダイおよびパッケージのその他の実施形態の斜視図である。図６は、各々が内部にＭＥＭＳダイ２２を配置した複数の支持構造２０を囲む一対のカバー３８、４０を有する大規模なＭＥＭＳデバイス３００を示す。各々のＭＥＭＳダイ２２がそれぞれに用いられることができるという点で、デバイス３００はマルチデバイスである。また、付加チャネルも、横に並べるやり方で作ることができる。

本発明が好ましい実施形態に関して記載されているが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、変化が形態および細部においてなされることができると認識する。例えば、本発明の実施形態は、一般的に電子的可変光学減衰器に関して記載されるものであるが、当業者は本発明の実施形態が、熱膨張が問題となる全ての大規模なＭＥＭＳデバイスに適用できるものと認識するであろう。

本発明の実施形態によるＭＥＭＳ構造およびパッケージの斜視図である。 本発明の実施形態による支持構造の中に載置されるＭＥＭＳダイの平面図である。 本発明の実施形態によるＭＥＭＳダイおよびパッケージの側断面図である。 本発明のその他の実施形態によるＭＥＭＳダイおよびパッケージの斜視図である。 本発明のその他の実施形態によるＭＥＭＳダイおよびパッケージの更にその他の斜視図である。 本発明のその他の実施形態によるＭＥＭＳダイおよびパッケージの更にその他の斜視図である。

符号の説明

１０ デバイス（減衰器）
１２，１４ ケーブル
２０ 支持構造
２１ 空洞
２２ ＭＥＭＳダイ
２８ マウント
３８，４０，２０２ カバー
５０ 凹部
１０４，２０４，２０６ 回路（電子回路）

Claims (16)

1. 空洞を画定する支持構造と、空洞の中に位置づけられ、少なくとも一つの対応するマウントを介して支持構造に連結されたＭＥＭＳダイと、支持構造の両側に配置される一対のカバーと、を含む大規模ＭＥＭＳデバイス。
2. 一対のカバーの各々が実質的に同一である請求項１に記載のデバイス。
3. 支持構造がプリント回路基板である請求項１に記載のデバイス。
4. プリント回路基板が電子回路を含む請求項３に記載のデバイス。
5. 電子回路が温度変化に応じた支持構造の曲げを減らすように配置される請求項４に記載のデバイス。
6. 少なくとも一つの対応するマウントが、４つの対応するマウントを含む請求項１に記載のデバイス。
7. 少なくとも一つの対応するマウントが、支持構造の厚みに実質的に等しい厚みを有する請求項１に記載のデバイス。
8. カバーのうちの少なくとも１つが凹部を含む請求項１に記載のデバイス。
9. ＭＥＭＳダイが約１．０ｍｍ以上である少なくとも一つの寸法を有する請求項１に記載のデバイス。
10. 支持構造がエポキシ積層体で形成される請求項１に記載のデバイス。
11. エポキシ積層体がＦＲ４である請求項１０に記載のデバイス。
12. エポキシ積層体がＦＲ５である請求項１０に記載のデバイス。
13. 更に第二の空洞を画定する第二の支持構造を含むデバイスであって、第二の空洞は、第二のＭＥＭＳダイをその中で有し、第二のＭＥＭＳダイは、少なくとも一つの対応するマウントによって第二の支持構造に連結している、請求項１に記載のデバイス。
14. 第一および第二の支持構造が互いに積み重なる請求項１３に記載のデバイス。
15. デバイスが電子制御可変光学減衰器である請求項１に記載のデバイス。
16. 更にＭＥＭＳダイに連結する少なくとも一つの光ファイバーケーブルを含む請求項１に記載のデバイス。

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