JP2009538474A - 半導体入力制御装置 - Google Patents

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ヴァガノフ ウラジミール
ベロフ ニコライ
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ヴァガノフ ウラジミール
ベロフ ニコライ
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Abstract

携帯電話、携帯型ゲーム装置、および他のハンドヘルドの電子装置など、量産用途に適した力入力制御装置（１）が開示される。この装置は、半導体基板の中に形成された力センサダイ（１０）であって、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサ、およびフリップチップ実装またはワイヤボンディングのための接続要素を有する力センサダイ（１０）を備える。この装置の中には、信号の調整および処理用の集積回路が組み込まれている。パッケージ（２５）は、力センサダイ（１０）の少なくとも一部を囲み、外力を力センサダイに伝えるためにセンサダイに結合された力伝達要素（１５）を備える。外力との接点を与えるために、人間工学による複数の設計を有するボタン（３０）が、パッケージ（２５）の力伝達要素（１５）に機械的に結合されている。

Description

本発明は、半導体入力制御装置、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、及びセンサに関し、より具体的には、複数の用途、特に消費者用のフィンガーマウス（ｆｉｎｇｅｒ−ｍｏｕｓｅ）、マイクロジョイスティック（ｍｉｃｒｏ−ｊｏｙｓｔｉｃｋ）その他の用途のための１次元（１Ｄ）、２次元（２Ｄ）および３次元（３Ｄ）の力センサ（ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ）に関する。
可撓性ダイアフラムの上に応力に敏感な構成要素を有する、微細加工されたシリコンチップをベースとする３Ｄ力センサが知られている。従来技術では、外力を加えるために金属のロッドまたはピンで金属の弾性要素に結合された、応力に敏感な構成要素を有するシリコンチップが用いられる。こうした力センサ用のパッケージは一般に、複雑で大きく高価である。
しかしながら、低コスト、小型で、信頼性および安定性があり、Ｘ、Ｙ、Ｚの感度の間での選択された比率、低い直交軸感度（ｃｒｏｓｓ ａｘｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）、ＣＭＯＳとのプロセスインテグレーション、スケーリング、外力を加えるのに都合のよい解決策（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）、加えられる力およびたわみの選択可能な組合せ、ならびに量産用途に適した製造性を提供する、３次元の入力された力の制御装置が求められている。この例は、ユーザインターフェースの一部としてユーザの触覚による力の入力（ｕｓｅｒ ｔａｃｔｉｌｅ ｆｏｒｃｅ ｉｎｐｕｔ）を用いる、携帯電話、携帯型ゲーム、デジタルカメラなどの消費市場および用途である。
本発明の一目的は、携帯電話、携帯型ゲーム、遠隔制御装置、ＰＤＡ、デジタルカメラなどの大量消費市場向けの３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、消費者向けの電子装置における様々な機能の３次元力入力制御に対するパッケージングの解決策を提供することにある。
本発明の他の目的は、低コストの３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、小型の３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、信頼性の高い３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、安定性の高い３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、スケーラブルな３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、外力を加えるための都合のよい解決策を可能にする３次元力入力制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、加えられる力およびたわみを選択可能に組み合わせることができる３次元力入力制御装置を提供することである。
携帯電話、携帯型ゲーム装置その他のハンドヘルド電子装置等の量産用途に適した低コストの力入力（ｆｏｒｃｅ ｉｎｐｕｔ）制御装置が開示される。
前記装置は、半導体基板の中に形成され、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサを力センサダイ（ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｄｉｅ）と、フリップチップ実装またはワイヤボンディングのための接続要素と、前記力センサからの前記出力信号の調整および処理を可能にする、少なくとも１つの信号の調整および処理用の集積回路と、前記力センサダイの少なくとも一部を囲み、外力を前記力センサダイに伝えるためにセンサダイに結合された力伝達要素を有するパッケージと、外力との接点（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を与えるために前記パッケージの前記力伝達要素に機械的に結合されたボタンとを備える。
基板がなく、ボタンが直接成形されたフリップチップ型の力センサダイを有する３Ｄ力入力制御装置の図である。 基板がなく、外部のボタンがパッケージの力伝達要素に取り付けられた、フリップチップ型の力センサダイを有する３Ｄ力入力制御装置の図である。 ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）基板上に実装されたフリップチップ型の力センサダイを有し、外部のボタンがパッケージの力伝達要素に取り付けられた３Ｄ入力制御装置の図である。 ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）基板上に実装されたフリップチップ型の力センサダイを有し、外部のスティック形のボタンがパッケージの力伝達要素に取り付けられた３Ｄ入力制御装置の図である。 フリップチップ型の力センサダイ及びワイヤボンディングされたＡＳＩＣがＢＧＡ基板上に積み重ねられた３Ｄ入力制御装置の図である。 フリップチップ型の力センサダイ及びワイヤボンディングされたＡＳＩＣがＬＧＡ基板上に積み重ねられた３Ｄ入力制御装置の図である。 フリップチップ型の力センサダイ及びワイヤボンディングされたＡＳＩＣがＢＧＡ基板上の１つの面に配置された３Ｄ入力制御装置の図である。 フリップチップ型の力センサダイ及びワイヤボンディングされたＡＳＩＣがＬＧＡ基板上の１つの面に配置された３Ｄ入力制御装置の図である。 ワイヤボンディングされた力センサダイが貫通孔を有するＰＣＢ状の基板の上に実装され、ワイヤボンディングされたＡＳＩＣが同じ基板の上の１つの面に配置され、基板が、ダイを覆い外側の接触パッドを備えるキャップにも機械的および電気的に接続された３Ｄ入力制御装置の図である。 基板とキャップとの間の内部空洞が保護用のプラスチック材料で充填された、図９の装置の類似物の図である。 センサダイの表面に追加のゲルの小塊（ｇｅｌ ｂｌｏｂ）を有する、図１０の装置の類似物の図である。 ワイヤボンディングによってＡＳＩＣと統合された力センサダイがＰＣＢ状の基板上に実装され、ＰＣＢ状の基板がキャップにも機械的および電気的に接続され、プラスチック材料と、センサダイの表面上の追加のゲルの小塊で充填された３Ｄ入力制御装置の図である。 ワイヤボンディングされた力センサダイがセラミックのパッケージの中に実装され、ダイの表面に追加のゲルの小塊を有し、パッケージの空洞がポッティングされた（ｐｏｔｔｅｄ）３Ｄ入力制御装置の図である。 ワイヤボンディングされた力センサダイが貫通孔を有する金属基板の上に実装され、ＡＳＩＣが外部リードにワイヤボンディングされ、キャップがダイを覆う３Ｄ入力制御装置の図である。 基板とキャップとの間の内部空洞が保護用のプラスチック材料で充填された、図１４の装置の類似物の図である。 センサダイの表面に追加のゲルの小塊を有する、図１５の装置の類似物の図である。 ワイヤボンディングによってＡＳＩＣと統合された力センサダイが、貫通孔を有する金属基板上に実装され、内部空洞が保護用のプラスチックで充填された３Ｄ入力制御装置の図であり、３Ｄ入力制御装置がダイの表面にゲルの小塊を有し、ダイと電気的に接続された外部の出力リードを有する図である。 頂部の（ｔｏｐ）金属キャップがなく、ポッティングされた内部空洞を有する、図１７の装置の類似物の図である。 ワイヤボンディングされた力センサダイが貫通孔を有する金属フレーム上に実装され、ＡＳＩＣもフレームに実装され、外部リードにワイヤボンディングされた３Ｄ入力制御装置の図であり、３Ｄ入力制御装置がダイの表面にゲルの小塊を有し、すべてが一緒にプラスチックのパッケージに成形された（ｍｏｌｄｅｄ）図である。 ワイヤボンディングによってＡＳＩＣと統合された力センサダイ（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＡＳＩＣ ｆｏｒｃｅ−ｓｅｎｓｏｒ）が、貫通孔を有する金属フレーム上に実装され、外部リードにワイヤボンディングされた３Ｄ入力制御装置の図であり、３Ｄ入力制御装置がダイの表面にゲルの小塊を有し、すべてが一緒にプラスチックのパッケージに成形された図である。 ＰＣＢの前面の上に実装された３Ｄ入力制御装置、および縁部に実装された３Ｄ入力制御装置の図である。 パッケージがＰＣＢと機械的に結合するための溝を有し、外部のボタンがパッケージの力伝達要素に取り付けられた、ＰＣＢの縁部に実装された（）３Ｄ入力制御装置の図である。 ＰＣＢに対して３Ｄ入力制御装置が好ましい非対称の位置になるように、パッケージ上の溝の位置を非対称にした、図２２の装置の類似物の図である。 １つの側面からＰＣＢと機械的に結合するためのかみ合った（ｐｒｏｆｉｌｅｄ）パッケージを有する、ＰＣＢの縁部に実装された３Ｄ入力制御装置の図である。 １層のプラスチック材料から成形されたパッケージを有する３Ｄ入力制御装置の図である。 ２層のプラスチック材料から成形されたパッケージを有する３Ｄ入力制御装置の図である。 硬さの勾配を有するプラスチック材料から成形されたパッケージを有する３Ｄ入力制御装置の図である。 プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装され、パッケージとＰＣＢとの間にアンダーフィル材料を有する３Ｄ入力制御装置の図である。 プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装され、さらにパッケージの縁部から接着材料によってＰＣＢに取り付けられた３Ｄ入力制御装置の図である。 プリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装され、さらにＰＣＢに半田付けされたブラケットによってＰＣＢに取り付けられた３Ｄ入力制御装置の図である。 （ａ）は、携帯電話本体に３Ｄ入力制御装置が様々な位置に配置された携帯電話の図であり、（ｂ）は、ゲーム装置本体に３Ｄ入力制御装置が様々な位置に配置されたゲーム装置の図である。
本願は、２００６年５月２２日出願の米国特許仮出願第６０／８０２２７６号の利益を請求するものであり、すべての目的のためにその全体を参照によって本明細書に組み込む。本願はまた、２００４年１２月２８日出願の米国特許出願第１１／０２５６４２号の一部継続出願である。
図１〜３１は、力入力制御装置、それらのパッケージングの様々な選択肢、ならびにそれらの組み立ておよび実装方法の様々な実施形態を示している。以下では、本発明による微細構造、装置および製造方法の詳細な説明を１２の実施形態で示す。
第１の実施形態
図１に、第１の実施形態による入力装置１の例を示す。入力装置１は、パッケージ２５と、半導体力センサダイ１０と、力伝達要素（ｆｏｒｃｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）２１とを備える。力センサダイ１０は、剛体（ｒｉｇｉｄ）力伝達要素１５を有する。ダイ１０の剛体力伝達要素１５は、パッケージ２５の力伝達要素２１に機械的に結合されている。要素２１は、１つまたは複数のプラスチック材料から作製される。力伝達要素２１の製造には、例えば１層の均質な材料、少なくとも２層の均質な材料、硬さの勾配を有する不均質なプラスチック材料、または上記の組合せを用いることができる。以下では、これらその他の選択肢は以下でさらに詳しく説明される。入力装置１は、基板または電子システムに用いられる他のタイプの回路基板まもしくは構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素１２も有する。接続要素１２は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属（ｕｎｄｅｒ−ｂｕｍｐ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）で被覆したパッドとすることができる。接続要素１２は、力センサダイ１０の上に形成される。したがって、パッケージ２５は力センサダイ１０の一部のみを包含する。センサダイ１０は、センサダイ１０に加えられた力を電気信号に変換する力センサを備える。力センサダイ１０上に、信号調整用の電子機器を組み込むことができる。
外力が、例えば指によってパッケージ２５の力伝達部２１に加えられる。加えられた力は、パッケージ２５の力伝達要素２１を通して、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に伝えられる。力センサダイ１０は、加えられた力に応答して出力信号を与える。この信号を、電子システムにおける入力信号として用いることができる。例えば力センサダイ１０の出力信号を、携帯電話のスクリーン上でのカーソル位置の制御、ゲーム装置でのキャラクタの移動またはアクションの制御、患者のモニタリング、スポーツ機器の制御等に用いることができる。力センサダイ１０の出力信号は、例えばユーザインターフェースにあるカーソルまたは他のオブジェクトの２Ｄ、３Ｄまたはより複雑な制御を可能にするための情報を伝えることができる。
図２は、第１の実施形態による入力装置１の他の例を示している。入力装置１は、パッケージ２５と、半導体力センサダイ１０と、ボタン３０とを備える。力センサダイ１０は、パッケージ２５の内部に配置された剛体力伝達要素１５を有する。パッケージ２５は、力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５は、パッケージ２５の力伝達要素２１に機械的に結合されている。入力装置１は、基板または電子システムに用いられる他のタイプの回路基板もしくは構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素１２も有する。接続要素１２は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属で被覆したパッドとすることができる。接続要素１２は、力センサダイ１０の上に形成される。したがってパッケージ２５は、力センサダイ１０の一部のみを包含する。
ボタン３０は、パッケージ２５に接続される。ボタン３０は、プラスチック、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、宝石（ｇｅｍ）または上記の組合せなど、様々な材料から作製することができる。ボタン３０は、凸形、凹形、鞍形、円筒形、ディスク形、ドーム形、スティック形、半球形、円錐形、角錐形、角柱形、トーラス形（ｔｏｒｅ）、くぼみ、ノッチ、触知できる形体、または組合せなど、様々な形状および要素を有することができる。パッケージ２５とボタン３０はどちらも、ボタンとパッケージ２５との間に信頼性のある接続を与えるかみ合ったコネクタ要素２６、２８、３２、および３４を有する。特に力伝達要素２１およびボタン３０を、孔、空洞、深い溝、ノッチ、ポール、ピン、縁、段、バー、ねじ山（ｔｈｒｅａｄ）、歯、フック、または上記の組合せの形状を有する表面全体にわたって結合させることができる。入力制御装置のある型では、ボタン３０および力伝達要素２１の中に形成されるかみ合ったコネクタが、係止（ｌｏｃｋｉｎｇ）機構を有する。かみ合ったコネクタ要素２６、２８、３２および３４によって、力センサダイ１０を力とトルクの過負荷の両方から保護することも可能になる。ボタン３０は、人間工学的にユーザに最大の利便性を与えるように設計され、好ましい材料、形状、大きさ、入力装置を操作するのに必要な力の範囲、剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）、最大変形量、接触時の感触、および色を提供する。入力装置１は、キーボード、キーマット、制御パネルまたは制御面領域の一部とすることができる。ボタンは、交換可能および互換可能とすることもできる。
外力が、例えば指によってボタン３０に加えられ、次いでパッケージ２５の力伝達要素２１および力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５を通して力センサに伝えられる。力センサダイ１０は、加えられた力に応答して出力信号を与える。この信号は、電子システムにおける入力信号として用いられる。力センサダイ１０の出力信号は複数の成分を有し、例えばカーソルの２Ｄ制御、あるいはユーザインターフェースにあるゲームキャラクタその他のオブジェクトの３Ｄ制御を可能にする。
力およびトルクなどの様々な機械的パラメータを、入力制御装置に適用することができることを理解すべきである。本願では、入力制御のために装置に適用された機械的パラメータはすべて、機械的信号として定義される。
第２の実施形態
図３および４は、第２の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、基板１４を有するパッケージ２５と、、半導体力センサダイ１０と、任意選択のボタン３０とを備える。剛体力伝達要素１５を有する力センサダイ１０は、パッケージ２５の内部に配置される。パッケージ２５は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、力センサダイ１０の基板１４への電気的接続および機械的接続の両方を与える接続要素１２を用いて、基板１４上にフリップチップ実装される。基板１４は、電子システムに用いられる別の基板、回路基板または構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素２２を有する。入力装置１の組み立てにも、入力装置１の電子システム内への実装にも、自動化されたフリップチップ実装を用いることが好ましい。接続要素１２および２２は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属で被覆したパッドとすることができる。図３に示した入力装置１は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する１組の接続要素２２を有する。図４に示した入力装置１は、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）を形成する１組の接続要素２２を有する。パッケージ２５とボタン３０はどちらも、ボタンとパッケージ２５との間に信頼性のある接続を与えるかみ合ったコネクタ部２６、２８、３２および３４を有する。かみ合ったコネクタ部（ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）２６、２８、３２および３４の設計によって、力センサダイ１０を力とトルクの過負荷の両方から保護することが可能になる。ボタン３０は、人間工学的にユーザに最大の利便性を与えるように設計される。ボタン３０は、互換可能な部品とすることができる。入力制御装置１は、キーボード、キーマット、制御パネルまたは制御面領域の一部とすることもできる。
外力が、例えば指によってボタン３０に加えられ、次いで、パッケージ２５の力伝達要素２１および力に敏感なダイ１０の剛体力伝達要素１５を通して、力センサダイ１０に伝えられる。力センサダイ１０は、加えられた力に応答して出力信号を与える。この信号は、電子システムにおける入力信号として用いられる。力センサダイ１０の出力信号は複数の成分を有し、２Ｄのカーソル制御またはゲームオブジェクトの３Ｄ制御などの様々な機能の制御、スクロールおよびズームを可能にする。カーソル制御またはゲーム制御の用途に用いられるとき、入力装置１は、マイクロマウス（ｍｉｃｒｏ−ｍｏｕｓｅ）とマイクロジョイスティックの両方の機能性を提供する。
例えばゲームまたは医療のリハビリテーションなど、用途によっては力伝達要素が比較的大きくたわむことが必要になる。そうした用途に前述の入力される力の制御装置を用いることに関する課題は、ダイ１０の剛体力伝達要素１５のたわみ及びパッケージ２５の力伝達要素２１のたわみ、したがってボタン３０のたわみを無視できるようにすることである。
図４に、第２の実施形態に従ってこの問題を解決する実施形態の設計を示す。ボタン３０は弾力性および可撓性のある（ｓｐｒｉｎｇｙ ｆｌｅｘｉｂｌｅ）要素３３を組み込んでおり、それによって加えられた力に応答して移動する範囲が増大し、入力制御の質が改善される。他の利益としては、ばね要素（ｓｐｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）３３によって、センサダイの微小構造の設計における自由度の範囲も広がり、様々な剛性、信頼性およびコストからより優れた性能が得られるようになる。この解決策の欠点は、マイクロジョイスティックの高さが増すことである。
図４はまた、図２および３と比べて異なるボタン３０のコネクタ部の例を示している。パッケージ２５とボタン３０はどちらも、ボタンとパッケージ２５との間に信頼性のある接続を与えるかみ合ったコネクタ部２６、２７、２８および２９、３１、３２、３４を有する。この場合、コネクタによって、ボタン３０とパッケージ２５の力伝達要素２１との間に自己係止機構を設けることができる。かみ合ったコネクタ部２６、２７、２８、２９、３１、３２および３４の設計により、力センサダイ１０を力とトルクの過負荷の両方から保護することも可能になる。ボタン３０は、形状、大きさなどについて様々な設計を有することができる。
第３の実施形態
図５および６は、第３の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、基板１４を有するパッケージ２５と、力センサダイ１０と、ＡＳＩＣダイ１６と、ボタン３０とを備える。パッケージは、センサダイの剛体力伝達要素１５と結合された力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、力センサダイ１０のＡＳＩＣダイ１６への電気的接続および機械的接続の両方を与える接続要素１２を用いて、ＡＳＩＣダイ１６上にフリップチップ実装される。ＡＳＩＣダイ１６は、基板１４に機械的および電気的に接続される。ＡＳＩＣダイの基板１４への機械的接続は、接着剤または他の構造層を用いて行うことができる。ＡＳＩＣダイ１６と基板１４との間の電気的接続は、ワイヤボンディングを用いて得られる。ワイヤ２０が、ＡＳＩＣダイ１６の上に配置されたボンドパッド１８を、基板１４の上に配置されたボンドパッド１３に接続する。基板１４は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素２２を有する。力センサダイ１０のＡＳＩＣダイ１６の頂部（ｔｏｐ）でのフリップチップ実装に用いられる接続要素１２も、入力装置１の電子システム内での実装に用いられる接続要素２２も、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属で被覆したパッドとすることができる。図５に示した入力装置１は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する１組の接続要素２２を有する。図６に示した入力装置１は、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）を形成する１組の接続要素２２を有する。
パッケージ２５とボタン３０はどちらも、ボタン３０とパッケージ２５との間に、前述の実施形態について説明したものと同様の信頼性のある接続を与えるかみ合ったコネクタ部２６、２８、３２および３４を有する。
第４の実施形態
図７および８は、第４の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、基板１４を有するパッケージ２５と、ＡＳＩＣダイ１６と、半導体力センサダイ１０と、ボタン３０とを備える。パッケージ２５は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に結合された力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、接続要素１２を用いて基板１４にフリップチップ実装される。ＡＳＩＣダイ１６も、基板１４に機械的および電気的に接続される。ＡＳＩＣダイ１６と基板１４との間の電気的接続は、ワイヤボンディングを用いて行われる。ワイヤ２０が、ＡＳＩＣダイ１６の上に配置されたボンドパッド１８を、基板１４の上に配置されたボンドパッド１３に接続する。基板１４は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素２２を有する。図７に示した入力装置１は、ＢＧＡを形成する１組の接続要素２２を有する。図８に示した入力装置１は、ＬＧＡを形成する１組の接続要素２２を有する。前述の実施形態について説明したように、パッケージ２５とボタン３０はどちらも、ボタンとパッケージ２５との間に信頼性のある接続を与えるかみ合ったコネクタ部２６、２８、３２および３４を有する。
第４の実施形態のある型では、ＡＳＩＣダイ１６を基板１４上にフリップチップ実装することができる。この場合、ＡＳＩＣダイ１６は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装を可能にする金属被覆を有することができる。
第５の実施形態
図９、１０、１１および１２は、第５の実施形態による入力装置１の例を示している。図９（ａ）は、入力装置１の分解図である。図９（ａ）に示した入力装置１は、ダイ実装回路基板３７と、キャップ３５と、剛体力伝達要素１５を有する力センサダイ１０と、ＡＳＩＣダイ１６とを備える。ダイ実装回路基板３７は、開口部３９およびボンドパッド４６を有する。ダイ実装回路基板３７は、例えばプリント回路基板とすることができる。キャップ３５は、導電パッド５２およびダイ実装回路基板３７に面する接続要素４８を有する。導電パッド５２および接続要素４８は、導体５０によって電気的に接続される。導体５０は、金属被覆されたビア、または当分野で周知の他のタイプのコネクタとすることができる。力センサダイ１０およびＡＳＩＣダイ１６は、ダイ実装回路基板３７およびキャップ３５によって画定される体積（ｖｏｌｕｍｅ）の中に配置される。力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５は、ダイ実装回路基板３７内の開口部３９に面している。力センサダイ１０は、キャップ３５に面する側面上に配置されたボンドパッド４１および４４を有する。ＡＳＩＣダイ１６は、キャップ３５に面する側面上にボンドパッド１８を有する。
図９（ｂ）は、組み立てられた入力装置１を示している。パッケージ２５は、ダイ実装回路基板３７と、キャップ３５と、力伝達要素２１との機械的および電気的接続によって形成される。回路基板３７とキャップ３５との間の機械的接続は、接着剤、はんだ、フリットガラスまたは他の構造材料を用いて行われる。第５の実施形態のある型では、ダイ実装回路基板３７とキャップ３５との間の機械的接続は、ダイ実装回路基板３７またはキャップ３５のいずれの上にも追加の材料を堆積させることなく、例えば熱圧着または溶接によって得られる。ダイ実装回路基板３７とキャップ３５との間の電気的接続は、ダイ実装回路基板３７のパッド４６とキャップ３５の接続要素４８との間の電気接触（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ）を確立することによって得られる。力センサダイ１０およびＡＳＩＣダイ１６は、パッケージ２５の内部に配置される。キャップ３５は、力センサダイ１０およびＡＳＩＣダイ１６の上のワイヤ２０、４０、４２および金属被覆４１、４４、１８を、機械的および環境的に保護することができる。組み立て操作の後、キャップ３５およびダイ実装板３７は、力センサダイ１０と共に内部空洞４９を形成する。
力センサダイ１０は、ダイ実装回路基板３７に機械的および電気的に接続される。電気的接続はワイヤボンディングによって行うことが可能であり、力センサダイ１０のボンドパッド４４が、ワイヤ４２を用いてダイ実装回路基板３７上のパッド４６に接続される。力センサダイ１０のダイ実装回路基板３７への機械的接続は、接続層３８によって行われる。接続材料は、接着剤、または例えばフリットガラスなどの他の構造材料とすることができる。接続領域は、力センサダイ１０の側壁上もしくは開口部３９に面するダイの側面上、または両方の領域内に配置される。ＡＳＩＣダイ１６も、ダイ実装回路基板３７に機械的および電気的に接続される。ＡＳＩＣダイのダイ実装回路基板３７への機械的接続は、接着剤を用いてまたは他の構造層によって行われる。ＡＳＩＣダイ１６とダイ実装回路基板３７との間の電気的接続は、ワイヤボンディングを用いて行われる。ワイヤ２０が、ＡＳＩＣのボンドパッド１８をダイ実装回路基板３７の上に配置されたボンドパッド４６に接続する。この実施形態のある型では、ＡＳＩＣのボンドパッド１８を力センサダイ１０の上に配置されたボンドパッド４１に接続するワイヤ４０によって、ＡＳＩＣダイ１６も力センサダイ１０に電気的に直接に接続される。
パッケージ２５はさらに、力伝達要素２１および任意選択の被覆層２７を備え、それらは共に図９（ｂ）に示されている。力伝達要素２１と被覆層２７はどちらも、ダイ実装回路基板３７の外面に接続される。力伝達要素２１は、開口部３９を通して力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５にも結合される。力伝達要素２１と被覆層２７はどちらも、成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）工程を用いて形成される。当分野で周知の他の技術を用いることも可能である。導電パッド５２は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への入力装置１の電気的接続および機械的接続の両方に用いることができる。導電パッド５２は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属で被覆したパッドとすることができる。
図１０に示すように、内部空洞４９を材料５５で充填することができる。力センサダイ１０のボンドパッドを有する側面を、充填材料とは異なる材料で保護することもできる。例えば図１１は、ゲル６０の小塊（ａ ｂｌｏｂ ｏｆ ｇｅｌ ６０）で保護された力センサダイ１０を示している。
力センサの信号の調整および処理に必要な電子回路は、力センサダイ１０上に組み込むことができる。これによって、ＡＳＩＣダイを省くことが可能になる。第５の実施形態による入力装置１のある型は、独立したＡＳＩＣダイを含まない。
第６の実施形態
図１３は、第６の実施形態による入力装置１の例を示している。図１３に示した入力装置１のパッケージ２５は、本体５９を備える。パッケージ２５の本体５９は、開口部３９を有する底部６５と、側壁６７と、ボンドパッド６６と、外部接続要素７０とを備える。パッケージ２５の側壁６７および底部６５は、空洞７１を形成する。外部接続要素７０は、側壁６７の頂部に配置される。本体の底部６５には、ボンドパッド６６が配置されている。ボンドパッド６６は、導体６８を用いて外部接続要素７０に電気的に接続される。導体６８は、パッケージ２５の本体５９の内部に埋め込むことができる。導体６８は、パターン形成された金属層、金属被覆されたビア、または当分野で周知の他のタイプのコネクタとすることができる。力センサダイ１０が、パッケージ２５の内部に配置される。力センサダイ１０は、剛体力伝達要素１５およびボンドパッド６１、６４を有する。ダイ１０の剛体力伝達要素１５は、力センサダイ１０の、パッケージ本体部分５９内の開口部３９に面する側面上に配置される。ボンドパッド６１、６４は、力センサダイ１０の開口部３９と反対側の側面上に配置される。
図１３（ｃ）はさらに、パッケージ本体５９の底部６５の外側に接続された力伝達要素２１および被覆層２７を示している。図１３（ｃ）に示すように、力伝達要素２１は、ボタンとの接続のためのかみ合った構造体２６、２８を有することができる。
力センサダイ１０は、パッケージ本体５９の底部６５に機械的および電気的に接続される。電気的接続はワイヤボンディングによって行うことが可能であり、力センサダイのボンドパッド６１、６４が、ワイヤ６２、６３を用いて、パッケージ本体５９の底部６５の上に配置されたパッド６６に接続される。力センサダイ１０は、接続層３８によってパッケージ２５の本体５９に機械的に接続される。接続材料は、接着剤、または例えばフリットガラスなどの他の構造材料である。接続領域は、力センサダイ１０の側壁上または開口部３９に面するダイの側面上のいずれか、またはその両方の領域に配置される。それに加えて、ダイ１０の剛体力伝達要素１５が、パッケージ２５の力伝達要素２１に結合される。力センサの信号の調整および処理に必要な電子回路は、力センサダイ１０上に組み込むことができる。
図１３（ｂ）および１３（ｃ）に示すように、パッケージ２５の空洞７１はポッティング（ｐｏｔｔｉｎｇ）材料７５で充填される。ポッティング材料７５によって、ワイヤ６２、６３、力センサダイ１０の上に配置されたボンドパッド６１、６４、およびパッケージ本体５９の底部６５の上に配置されたボンドパッド６６を、機械的および環境的に保護することできる。力センサダイ１０の少なくとも一部を、ポッティング前にゲルの小塊６０で保護することができる。ポッティングは、力センサダイ１０に望ましくない応力を発生させる可能性がある。ゲルにより、ポッティングによって生じる応力を低減させることができる。
外部接続要素７０は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への入力装置１の電気的接続および機械的接続の両方に用いることができる。
パッケージ２５の本体５９は、当分野において周知の大量生産に適した様々な方法を用いて作製することが可能である。例えばパッケージ２５は、プラスチック成形された本体またはセラミックの本体を有することができる。
図１３に示した入力装置１の実施形態は、独立したＡＳＩＣダイを備えない。しかしながら、第６の実施形態のある型では、入力装置１は、力センサダイ１０と同じパッケージ２５の中に配置されたＡＳＩＣダイを備える。ＡＳＩＣダイのパッケージ２５への電気的接続および機械的接続、ならびにＡＳＩＣダイの力センサダイ１０への電気的接続は、前述の実施形態で説明したものと同様とすることができる。
第７の実施形態
図１４、１５、１６、１７および１８は、第７の実施形態による入力装置１を示している。図１４に示した入力装置１のパッケージ２５は、ダイ実装板（ｄｉｅ−ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｐｌａｔｅ）７２と、本体７４と、１組の導電ピン８０と蓋部７８とを備える。ダイ実装板７２、本体７４および蓋部７８は、内部空洞７９を画定する。ピン８０はそれぞれ、空洞７９の内部に位置する部分６６、パッケージ本体７４に埋め込まれた部分、および外側部分を有する。ダイ実装板７２は開口部７３を有する。
剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０、およびＡＳＩＣダイ１６は、パッケージ２５の内部空洞７９の中に配置される。力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５は、ダイ実装板７２内の開口部７３に面している。力センサダイ１０は、蓋部７８に面する側面上に配置されたボンドパッド４１、４４を有する。ＡＳＩＣダイ１６は、蓋部７８に面する側面上にボンドパッド１８を有する。力センサダイは、力センサを含む。力センサは、力センサダイ１０に加えられた力に応答して出力信号を与える。ＡＳＩＣダイ１６は、力センサの出力信号の調整および処理のための電子回路の少なくとも一部を備える。力センサの出力信号の調整および処理のための電子回路の少なくとも一部は、力センサダイ１０に組み込むことができる。力センサダイ１０は、接続層７６を用いてダイ実装板７２に機械的に接続される。接続材料は、接着剤、または例えばフリットガラス又ははんだなどの他の構造材料とすることができる。接続領域は、力センサダイ１０の側壁上または開口部７３に面するダイの側面上のいずれか、または両方の領域に配置される。力センサダイ１０のボンドパッド４４は、ワイヤ４２を用いてピン８０の一部６６に接続される。ＡＳＩＣダイ１６は、接着剤を用いてまたは他の構造層によって、ダイ実装板７２上に実装される。ワイヤボンディングによって、ＡＳＩＣダイ１６とピン８０との間の電気的接続が行われる。ワイヤ２０は、ＡＳＩＣのボンドパッド１８を空洞７９の中に位置するピン８０の一部６６に接続する。この実施形態の他の型では、ＡＳＩＣのボンドパッド１８を力センサダイ１０の上に配置されたボンドパッド４１に接続するワイヤ４０によって、ＡＳＩＣダイ１６も力センサダイ１０に電気的に直接に接続される。
力センサダイ１０およびＡＳＩＣダイ１６のパッケージ２５内部への実装、およびワイヤボンディングの後、蓋部７８がパッケージ２５の本体７４に接続される。その接続は、接着剤、はんだ、フリットガラスまたは他の構造材料によって行われる。第７の実施形態のある型では、パッケージ本体７４と蓋部７８との間の機械的接続は、溶接または熱圧着によって得られる。
パッケージ２５はさらに、力伝達要素２１および任意選択の被覆層２７を備える。力伝達要素２１および被覆層２７はどちらも、ダイ実装板７２の外面に接続される。力伝達要素２１は、開口部７３を通して力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に結合される。力伝達要素２１および被覆層２７はどちらも、型成形（ｍｏｌｄｉｎｇ）工程を用いて形成される。図１４（ｃ）に示すように、力伝達要素２１は、ボタンとの接続のためのかみ合った構造体２６、２８を有する。
図１５に示すように、内部空洞７９を材料５５で充填することができる。力センサダイ１０のボンドパッドを有する側面を、充填材料とは異なる材料で保護することもできる。例えば図１６は、ゲル６０の小塊で保護された力センサダイ１０を示している。
力センサの信号の調整および処理に必要な電子回路は、力センサダイ１０上に組み込むことができる。力センサダイ１０の上には利用可能な領域が存在するため、信号の調整および処理用の電子回路を組み込むことによって、センサダイの大きさ及びコストが増すことはなく、同時に独立したＡＳＩＣダイを省くことが可能になる。結果として、入力制御装置の全体的な大きさ及びそのコストが低減される。図１７に、センサダイ上に集積された信号の調整および処理用の電子回路を有する入力装置の型を示す。
図１８に示した第７の実施形態による入力制御装置１の型では、内部の空洞がポッティング材料７５でポッティングされている。ポッティング材料によって、ワイヤ６２、６３、力センサダイ１０の上に配置されたボンドパッド６１、６４を、機械的および環境的に保護することができる。ポッティング材料７５の使用によって蓋部を省くことが可能になり、したがってコストが削減される。
第８の実施形態
図１９および２０は、第８の実施形態による入力装置１の例を示している。図１９に示した入力装置１のパッケージ２５は、金属リードフレーム８２と、プラスチック本体９０と、力伝達要素２１とを備える。プラスチックの本体９０は、型成形される。金属リードフレーム８２は、力センサダイ１０およびＡＳＩＣ１６のための実装面を提供する。力センサダイ１０のための実装面は、開口部８１を有する。金属リードフレーム８２の一部は、プラスチックの本体９０の内部に配置され、リードの一部８４、８６は、プラスチックの本体９０の外部に配置される。リードの一部８４、８６は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への入力装置１の電気的接続および機械的接続の両方に用いることができる。
剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０、およびＡＳＩＣダイ１６は、パッケージ２５のプラスチックの本体９０の内部に配置される。力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５は、金属リードフレーム８２内の開口部８１に面している。力センサダイ１０は、金属リードフレーム８２と反対側の側面上に配置されたボンドパッド４１、４４を有する。力センサダイ１０は力センサを含む。力センサは、力センサダイ１０に加えられた力に応答して出力信号を与える。ＡＳＩＣダイ１６は、金属リードフレーム８２と反対側の側面上にボンドパッド１８を有する。ＡＳＩＣダイ１６は、力センサの出力信号の調整および処理のための電子回路の少なくとも一部を含む。力センサの出力信号の調整および処理のための電子回路の少なくとも一部は、力センサダイ１０に組み込むことができる。力センサダイ１０は、接続層８８によって金属リードフレーム８２に機械的に接続される。力センサダイ１０のボンドパッド４４は、ワイヤ４２によって金属リードフレーム８２のリードに接続される。ＡＳＩＣダイ１６は、金属フレーム８２上に実装される。ＡＳＩＣダイ１６と金属フレーム８２との間の電気的接続は、ワイヤボンディングによって行われる。ワイヤ２０が、ＡＳＩＣのボンドパッド１８を金属フレーム８２の一部に接続する。この実施形態のある型では、ＡＳＩＣのボンドパッド１８を力センサダイ１０の上に配置されたボンドパッド４１に接続するワイヤ４０によって、ＡＳＩＣダイ１６も力センサダイ１０に電気的に直接に接続される。
力センサダイ１０およびＡＳＩＣダイ１６の金属リードフレーム８２への実装後に、プラスチック成形が行われ、ワイヤボンディングが完了する。プラスチック本体９０によって、力センサダイ１０、ＡＳＩＣダイ１６およびすべての相互接続を、機械的および環境的に保護することができる。
第８の実施形態のある型では、力伝達要素２１をパッケージ２５のプラスチック本体９０と共に成形することができる。この実施形態の他の型では、力伝達要素２１を別のステップで形成することができる。力伝達要素２１は、開口部８１を通して力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に結合される。図１９および２０に示すように、力伝達要素２１は、ボタンとの接続のためのかみ合った構造体２６、２８を有する。
図１９および２０に示すように、力センサダイ１０はさらに、ゲル６０の小塊などの弾性材料で保護することができる。
力センサの信号の調整および処理に必要な電子回路は、力センサダイ１０上に組み込むことができる。これによって、ＡＳＩＣダイを省くことが可能になる。第８の実施形態による入力装置１のこの型を図２０に示す。
第９の実施形態
図２１は、本発明の実施形態による、入力制御装置をＰＣ基板１０２上に実装するための３つの向きを示している。入力装置１０４は、ＰＣ基板１０２の前側に実装される。入力装置１０６はＰＣ基板１０２の右側の縁部１０７に実装され、入力装置１０８はＰＣ基板１０２の左側１０９に実装される。入力装置への電気的接続は、ＰＣ基板１０２の前側または後ろ側に設けることができる。ＰＣＢへの直接的な縁部での実装（ｄｉｒｅｃｔ ｅｄｇｅ−ｍｏｕｎｔｉｎｇ）には、入力装置１０６、１０８のＰＣ基板１０２への信頼性のある機械的接続および電気的接続の両方を可能にするための、専用のパッケージが必要となる。ボタン３０は、実装のタイプとは関係なく入力装置と結合することができる。しかしながら、ユーザに最大の利便性を与えるために、ボタン３０の設計は、実装する入力装置１０４、１０６および１０８のタイプごとに調節されることを理解することができる。
図２２、２３および２４は、第９の実施形態による、ＰＣ基板への縁部での実装に適した入力装置１の型を示している。図２２〜２４に示した入力装置のパッケージ１１１は、本体１１４と、力伝達要素２１と、ボタン３０とを備える。図２２に示した入力装置の本体１１４は、導電部１２０を有するダイ実装板１１３と、溝１１５と、空洞１１７と、１組のコネクタ１１６、１１８を有する。コネクタ１１６、１１８は、ダイ実装板１１３の導電部１２０に接続される。コネクタ１１６、１１８は、溝１１５の内部で開放される（ｏｐｅｎｅｄ）。力センサダイ１０は、空洞１１７の内部に配置される。力センサダイ１０は、剛体力伝達要素１５および接続要素１２２を有する。力センサダイ１０はダイ実装板１１３上に実装され、接続要素１２２は、ダイ実装板１１３の導電部１２０に接続される。パッケージの力伝達要素２１は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５と結合される。パッケージの力伝達要素２１は、ボタン３０との接続のためのかみ合った構造体２６、２８を有する。
パッケージ１１１は、ＰＣ基板１０２の縁部に実装される。ＰＣ基板の両側には、電気コネクタ１１０および１１２が配置される。ＰＣ基板の縁部は、溝１１５の内部に挿入される。パッケージ１１１とＰＣ基板１０２との間の機械的接続は、溝１１５の中に設けられる。パッケージ１１１とＰＣ基板１０２との間の電気的接続は、パッケージ１１１のコネクタ１１６、１１８と、ＰＣ基板１０２の電気コネクタ１１０および１１２との間に設けられる。
パッケージ１１１の様々な型を、図２２、２３および２４に示す。図２２に示した入力装置１のパッケージ１１１は、本体１１４の中央部に配置された溝１１５を有する。図２３に示した入力装置１のパッケージ１１１は、非対称に配置された溝１１５を有する。結果として、パッケージの大きさの大部分が、主にＰＣ基板の一方の側に位置するようになる。図２４に示した入力装置１のパッケージ１１１は、溝の代わりに段（ｓｔｅｐ）１１７を有するが、段１１７は本体１１４の縁部へ移動させた溝と考えることができる。用途によって必要とされる場合には、この解決策によってＰＣ基板の表面の１つを完全に平坦にすることができる。
第１０の実施形態
前述の実施形態で説明した入力装置は、様々な型の力伝達要素２１を有することができる。この実施形態では、力伝達要素２１のいくつかの型について説明する。
図２５は、第１０の実施形態による入力装置の１つの型を示している。入力装置１は、力伝達要素２１を有するパッケージ２５と、剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０とを備える。力伝達要素２１は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される。パッケージ２５の力伝達要素２１は、１層のプラスチック材料から作製される。図２５に示すように、プラスチック材料の層は均一な層とすることができる。あるいは、プラスチック材料の層は、人の指、他の力の発生源またはボタンと接触することができる外側部分から、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５と接触する内側の層に向かって変化する特性を有することができる。
図２６は、第１０の実施形態による他の入力装置１を示している。入力装置１は、基板１４を有するパッケージ２５を含む。剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０、およびＡＳＩＣダイ１６が、パッケージ２５の内部に配置される。パッケージ２５は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、基板１４上にフリップチップ実装される。基板１４は、電子システムに用いられる他の基板、回路基板または構成要素への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素２２を有する。図２６に示した入力装置１は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する１組の接続要素２２を有する。パッケージ２５は、２つのプラスチック層１２４および１２６から形成される。下の層１２４は基板１４と接触しており、ＡＳＩＣダイ１６を完全に囲み、センサダイ１０の一部を含むことができる。上のプラスチック層１２６は、下の層１２４の少なくとも一部を覆い、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５と結合可能な力伝達要素２１を含む。プラスチック材料の層１２４および１２６は、異なる特性を有する。例えば、下の層１２４は、上の層１２６より硬い材料とすることができる。第１０の実施形態による入力装置１のパッケージ２５は、３層以上のプラスチック材料を利用することができる。例えばパッケージ２５の力伝達要素２１は、複数のプラスチック材料の層から作製することができる。
図２７は、第１０の実施形態による入力装置のさらに他の型を示している。入力装置１は、力伝達要素２１を有するパッケージ２５と、基板１４と、剛体力伝達要素１５とを有する半導体力センサダイ１０を含む。力センサダイは、基板１４上にフリップチップ実装される。力伝達要素２１は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される。パッケージ２５の力伝達要素２１は、機械的特性、熱的特性および他の物理的特性の勾配１３２を有するプラスチック材料１２８から作製される。基板１４と接触する内側のプラスチック材料の層は、外側の層１３０に比べて剛性を高くすることができる。内側の層をより硬くして、パッケージ２５に強度を与えることができると同時に、外側の層を内側の層より柔らかくして、外力の発生源との必要なインターフェースを形成することができる。例えば硬さなど、プラスチック材料の特性に関する必要な変更は、材料成分の変更や、例えば熱処理または放射線処理による外側の層の特性の化学的または物理的な変更等を含む、当分野で周知の様々な方法によって実施することができる。
前述の入力装置１に関して論じてきたが、同様の手法を、本発明の他の実施形態において説明する他の設計の入力装置に適用することができる。
第１１の実施形態
本発明について説明する入力装置は、連続的に変化する機械的な力を受ける電子システムで機能すべきものであるため、信頼性のある機械的結合を必要とする。図２８、２９および３０に示すように、第１１の実施形態では、電子システムにおいて入力装置の機械的に強い信頼性のある結合を与える、いくつかの選択肢について説明する。
図２８は、第１１の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、パッケージ２５と、基板１４とを備える。ＡＳＩＣダイ１６と剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０とがパッケージ２５の内部に配置される。パッケージ２５は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に結合される力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、力センサダイ１０の基板１４への電気的接続および機械的接続の両方を与える接続要素１２を用いて、基板１４上にフリップチップ実装される。ＡＳＩＣダイ１６も、基板１４に機械的および電気的に接続される。入力装置１は、電子システムの回路基板１０２上に実装される。入力装置１の回路基板１０２への機械的接続および電気的接続はどちらも、接続要素２２の回路基板１０２への接続によって得られる（図２８には、はんだボールを示す。）。より強い機械的接続を与え、入力装置１と回路基板１０２との間の電気的接続を環境から保護することができるように、基板１４と回路基板１０２との間にアンダーフィル層（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ ｌａｙｅｒ）１３４が用いられる。
図１および２に示すように、入力装置１に基板を使用しないときには、力センサダイ１０とプリント回路基板との間にアンダーフィル材料が用いられ、このダイは入力制御装置の一部として実装される。この場合、アンダーフィル材料は、機械的衝撃に対する保護体として、すなわち機械的ダンパとしてのもう１つの役割も果たす。この場合のアンダーフィル材料は弾性であり、力センサダイ１０のシリコンサスペンション（ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）のばね定数には影響を及ぼさない。
図２９は、第１１の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、パッケージ２５と、基板１４とを備える。剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０が、パッケージ２５の内部に配置される。パッケージ２５は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される力伝達要素２１を有する。力センサダイ１０は、基板１４上にフリップチップ実装される。基板１４は、他の基板または回路基板への電気的接続および機械的接続の両方のための接続要素２２を有する。接続要素２２は、はんだボール、はんだバンプ、またはフリップチップ実装に適したバンプ下地金属で被覆したパッドとすることができる。図２９に示した入力装置１は、ＬＧＡを形成する１組の接続要素２２を有する。入力装置１は、回路基板１０２上に実装される。入力装置１の回路基板１０２への機械的接続および電気的接続はどちらも、ＬＧＡパッド２２の回路基板１０２への接続によって得られる。より適切な機械的接続を与え、入力装置１と回路基板１０２との間の電気的接続を環境から保護するために、入力装置１の基板１４と回路基板１０２との間、およびパッケージ２５の側壁沿いの両方に、接着層１３８を用いることができる。
図３０は、第１１の実施形態による入力装置１の例を示している。入力装置１は、力伝達要素２１を有するパッケージ２５と、剛体力伝達要素１５を有する半導体力センサダイ１０とを備える。力伝達要素２１は、力センサダイ１０の剛体力伝達要素１５に機械的に結合される。図３０に示した入力装置１は、１組の接続要素２２を有する。入力装置１は、回路基板１０２上に実装される。入力装置１の回路基板１０２への機械的接続および電気的接続はどちらも、接続要素２２の回路基板１０２への接続によって得られる。少なくとも１つのブラケット１４０を用いてパッケージ２５を回路基板１０２に固定し、入力装置１と回路基板１０２との間により強い機械的接続を与える。図３０に示すように、この実施形態の１つの型では、ブラケット１４０は材料１４２を用いて回路基板１０２に結合される。
本発明の他の実施形態において説明する入力装置の実装に、同じ手法を用いることが可能であることは明らかであろう。
第１２の実施形態
本発明による入力装置の大きい利点は、そのサイズが極めて小さいことである。これによって、特にハンドヘルド装置の表面の任意の場所に最小限の空間を割り当てられるようになる。例えば多くの場合のように、入力装置をハンドヘルド装置のフロントパネル上に配置するだけではなく、図３１に示すようにハンドヘルド装置の側面にも配置することが可能になる。縁部に取り付けられる入力制御装置には、右利きの人のためのハンドヘルド装置の右側への取り付け、および左利きの人のためのハンドヘルド装置の左側への取り付けの少なくとも２つの基本的な選択肢が必要である。これらの選択肢を図３１に示す。
図３１（ａ）は、本発明について説明した力で制御される２Ｄまたは３Ｄの入力制御装置の使用によって利益を得ることができるハンドヘルド装置の例として、携帯電話９２を示している。携帯電話９２のフロントパネル上には、指で制御されるマイクロマウス又はマイクロジョイスティック９８が示されている。力で制御される同様のマイクロマウス又はマイクロジョイスティックが、携帯電話の側面にも取り付けられる。それに対応して、特にマイクロマウス又はマイクロジョイスティック９７、９５が、左側の側面および右側の側面から携帯電話９２の頂部に取り付けられる。図３１（ａ）に示すように、マイクロマウス又はマイクロジョイスティックを、携帯電話９２の側壁の他の部分に取り付けることも可能であり、その場合、マイクロマウス装置またはマイクロジョイスティック装置１００、１０３を、それに対応して指９９、１０１によって制御することができる。
図３１（ｂ）は、本発明について説明した力で制御される２Ｄまたは３Ｄの入力制御装置の使用によって利益を得ることができるハンドヘルド装置の他の例として、ゲーム装置２００を示している。特にゲーム装置２００のフロントパネル上に、少なくとも１つの力センサを取り付けることができる。ゲーム装置２００のフロントパネル上には、指で制御される２つのマイクロジョイスティック装置２０７、２０９が示されている。力で制御される同様のマイクロジョイスティックが、ゲーム装置２００の側壁上にも取り付けられる。図３１（ｂ）は、ゲーム装置２００の側壁の頂部に取り付けられたマイクロジョイスティック２１０、２１２を示している。それに対応して、マイクロジョイスティック２１４、２１６が、ゲーム装置２００の左側および右側の側壁上に取り付けられる。マイクロジョイスティックの制御装置は、ゲーム装置２００のフロントパネルの他の部分、バックパネルおよび側壁に取り付けることができる。
第１の実施形態で説明したように、ボタンは、人間工学的にユーザに最大の利便性を与えるように設計され、好ましい材料、形状、大きさ、入力装置を操作するのに必要な力の範囲、剛性、最大変形量、接触時の感触および色を提供する。
ハンドヘルド装置、例えば携帯電話またはゲーム装置は、複数のマイクロマウス装置もしくはマイクロジョイスティック装置またはこれらの装置の複数の群を有することができる。
ハンドヘルド装置は、指で制御されるマイクロジョイスティック装置のための複数のソケットを有することができ、これらの装置は、様々なソケットによる取り付けおよび再取り付けが可能である。
さらに、マイクロマウス装置およびマイクロジョイスティック装置は、プログラム可能な機能性および選択可能な感度を有することができる。例えば、２つの３Ｄマイクロジョイスティックを有するゲーム装置では、６つの独立したパラメータを制御することができる。
説明した指で制御されるマイクロマウス装置およびマイクロジョイスティック装置は、携帯電話、ゲーム装置その他のハンドヘルド装置のスクリーン上のオブジェクトを、加えられた力に比例する移動速度で任意の方向に移動させる機能を提供する。Ｚ方向の力（Ｚ−ｆｏｒｃｅ）に敏感であると、それらはアクションボタンとしても働く。こうした指で制御されるマイクロマウス装置またはマイクロジョイスティック装置の利点によって、４方向ボタンと比べて優れた機能性が提供される。さらに、マイクロマウス制御装置またはマイクロジョイスティック制御装置の機能性の割り当て及びプログラミングにおける、配置および適応性に関する前述の選択肢によって、こうしたタイプの制御装置を利用する電子システムに付加価値が与えられる。
ダイの微小構造、パッケージの構造、ボタン、それらの実装方法および使用される材料は、本発明を限定するものではなく、本発明に包含される様々な技術的な解決策の一部を示しているにすぎないことを理解すべきである。好ましい実施形態を参照して本発明について詳しく説明してきたが、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に変更および修正を加えることが可能であることを理解されたい。

Claims (35)

  1. 機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成された力センサダイであって、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサ、および前記電子システム内での電気的接続および機械的接続のための接続要素を有する力センサダイと、
    前記力センサダイの一部を囲むパッケージであって、前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素を有するパッケージと
    を備え、
    前記力センサダイの前記接続要素は、前記半導体入力制御装置を前記電子システムの中に直接に実装するために露出されていることを特徴とする半導体入力制御装置。
  2. 前記外力は、前記パッケージの前記力伝達要素に直接に加えられることを特徴とする請求項１に記載の半導体入力制御装置。
  3. 前記半導体入力制御装置のよりすぐれた多軸の感度を得るために、前記力センサダイは、前記パッケージの前記力伝達要素に結合された剛体力伝達要素を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体入力制御装置。
  4. 前記センサダイに結合される前記力伝達要素は、１層の均質な材料、少なくとも２層の均質な材料、硬さの勾配を有する不均質なプラスチック材料、または上記の組合せからなる群から選択されるプラスチック材料から作製されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体入力制御装置。
  5. 機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成された力センサダイであって、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサ、およびフリップチップ実装のための接続要素を有する力センサダイと、
    基板、および前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素を有するパッケージと
    を備え、
    前記力センサダイは、前記基板にフリップチップ実装されていることを特徴とする半導体入力制御装置。
  6. 前記外力は、前記パッケージの前記力伝達要素に直接に加えられることを特徴とする請求項５に記載の半導体入力制御装置。
  7. 前記力センサからの前記出力信号の調整および処理を可能にする、少なくとも１つの信号の調整および処理用の集積回路ダイをさらに備え、
    前記力センサダイ、および前記少なくとも１つの信号の調整および処理用の集積回路ダイは、前記基板上に実装されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体入力制御装置。
  8. 前記力センサダイは、前記追加の集積回路ダイ上にフリップチップ実装されることを特徴とする請求項５に記載の半導体入力制御装置。
  9. 前記半導体入力制御装置のよりすぐれた多軸の感度を得るために、前記力センサダイは、前記パッケージの前記力伝達要素に結合された剛体力伝達要素を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体入力制御装置。
  10. 前記センサダイに結合された前記力伝達要素は、１層の均質な材料、少なくとも２層の均質な材料、硬さの勾配を有する不均質なプラスチック材料、または上記の組合せからなる群から選択されるプラスチック材料から作製されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体入力制御装置。
  11. 機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成された力センサダイであって、少なくとも２つの接触パッドを有する平らな側面、前記平らな側面の反対側にある力を加えるためのダイの側面、および加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサを有する力センサダイと、
    前記力センサダイを含むパッケージであって、開口部を有するダイ実装要素、前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素、および前記センサダイの接触パッドへの電気的接続のための少なくとも２つの出力リードを有するパッケージと
    を備え、
    前記力センサダイは、前記力を加えるためのダイの側面が前記開口部に面し、前記ダイの前記平らな側面が前記開口部および前記力伝達要素から離れる方向を向き、前記パッケージの前記力伝達要素が前記開口部を通して前記力センサダイに結合されるように、前記ダイ実装要素に取り付けられていることを特徴とする半導体入力制御装置。
  12. 前記外力は、前記力伝達要素に直接に加えられることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  13. 前記力センサからの前記出力信号の調整および処理を可能にする、少なくとも１つの信号の調整および処理用の集積回路ダイをさらに備え、
    前記力センサダイ、および前記少なくとも１つの信号の調整および処理用の集積回路ダイは、前記基板上に実装されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  14. 前記力センサダイの前記平らな側面上での前記接触パッドへの電気的接続は、ワイヤボンディングによって行われていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  15. 前記パッケージはキャップをさらに含み、
    前記キャップは、前記力センサダイの前記平らな側面がこのキャップに面するように、前記パッケージ内に位置決めされていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  16. 前記パッケージの前記出力リードは、前記キャップ上に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の半導体入力制御装置。
  17. 前記力センサダイおよび前記ダイ実装要素の表面は、成形材料、ポッティング材料、ゲル、ゴム状材料および上記の組合せからなる群から選択されるプラスチック材料によって、少なくとも部分的に被覆されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  18. 前記パッケージは空洞を有し、前記ダイ実装要素は前記空洞内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  19. 前記ダイ実装要素は、プラスチック、金属、セラミック、ガラス、半導体および上記の組合せからなる群から選択される材料から作製されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体入力制御装置。
  20. 機械的信号をデジタルシステムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成された力センサダイであって、平らな側面、前記平らな側面の反対側にある力を加えるためのダイの側面、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサ、およびフリップチップ実装のための接続要素を有する力センサダイと、
    前記力センサダイを含むパッケージであって、前記力センサダイの前記平らな側面と平行ではない外側の実装面を有するパッケージ本体、ダイ実装要素、前記力センサダイに結合され、外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素、および前記外側の実装面上に配置された少なくとも２つの出力リードを有するパッケージと
    を備え、
    ＰＣＢ上に、前記力センサダイの前記平らな側面が前記ＰＣＢと平行ではなく、前記外側の実装面が前記ＰＣＢに面するように実装されていることを特徴とする半導体入力制御装置。
  21. 前記外力は、前記力伝達要素に直接に加えられることを特徴とする請求項２０に記載の半導体入力制御装置。
  22. 前記パッケージは溝を有し、前記外側の実装面は、前記溝の少なくとも１つの側壁上に配置されていることを特徴とする請求項２０に記載の半導体入力制御装置。
  23. 前記力センサダイの前記平らな側面が前記ＰＣＢに垂直になるように、前記ＰＣＢの縁部に実装されていることを特徴とする請求項２０に記載の半導体入力制御装置。
  24. 機械的信号をデジタルシステムに入力するための半導体入力制御装置において、
    力の検知、信号の調節および信号の処理の機能を提供する少なくとも１つのダイと、
    少なくとも力検知機能を提供するダイを含み、前記力検知用のダイに結合され、前記力検知用のダイに外力を伝える力伝達要素を有するパッケージと
    を備え、
    力検知機能、信号調節機能および信号処理機能の間の区分化は、力検知機能、信号調節機能および信号処理機能を１つの力検知用のダイに組み込むことと、力検知および少なくとも一部の信号調節を１つのダイに、少なくとも信号処理を他のダイに組み込むことと、力検知を１つのダイに、信号調節を他のダイに組み込むことと、力検知を１つのダイに、信号調節および信号処理を少なくとも１つの他のダイに組み込むこととからなる群から選択されることを特徴とする半導体入力制御装置。
  25. 機械的信号をデジタルシステムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成され、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサダイと、
    前記力センサダイを含み、前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素を有するパッケージと、
    前記パッケージの前記力伝達要素に機械的に結合されたボタンと
    を備え、
    前記ボタンは、前記外力との接点を与え、力を前記力センサダイに伝える前記力伝達要素に外力を伝えることを特徴とする半導体入力制御装置。
  26. 前記力伝達要素および前記ボタンは、孔、空洞、深い溝、ノッチ、ポール、ピン、リム、段、バー、ねじ山、歯、フック、係止機構または上記の組合せからなる群から選択される形状の少なくとも１つの追加の要素を有する表面全体にわたって結合されていることを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  27. 前記ボタンは前記力伝達要素に対するコネクタを有し、前記コネクタは、前記ボタンの交換または互換を可能にすることを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  28. 前記ボタンは、前記力伝達要素に対するかみ合ったコネクタを有し、前記コネクタはその表面に、前記半導体入力制御装置を機械的な力およびトルクの過負荷から保護する少なくとも１つの追加の機械的要素を有することを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  29. 前記ボタンは、キーボード、キーマット、制御面領域または上記の組合せからなる群から選択される制御パネルに組み込まれていることを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  30. 前記ボタンは、プラスチック、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、宝石または上記の組合せからなる群から選択される材料から作製されていることを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  31. 前記ボタンは、赤、オレンジ、黄、緑、青、マゼンタ、青紫、黒または上記の組合せからなる群から選択される色を有することを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  32. 前記ボタンは、凸形、凹形、鞍形、円筒形、ディスク形、ドーム形、スティック形、半球形、円錐形、角錐形、角柱形、トーラス形、くぼみ、ノッチ、触知できる形体または組合せからなる群から選択される形の要素を有することを特徴とする請求項２５に記載の半導体入力制御装置。
  33. 機械的信号をデジタルシステムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成され、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサダイと、
    前記力センサダイを含み、前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素を有するパッケージと
    を備え、
    前記パッケージはＰＣＢ上に実装され、前記ＰＣＢへの機械的結合は、はんだ付け、アンダーフィル接着剤、前記パッケージの側壁およびＰＣＢの表面のまわりに塗布される接着剤、金属ブラケットまたは上記の組合せからなる群から選択されることを特徴とする半導体入力制御装置。
  34. 前記アンダーフィル接着剤は弾性であり、機械的衝撃および前記半導体入力制御装置に加えられる力の過負荷からの保護を提供することを特徴とする請求項３３に記載の半導体入力制御装置。
  35. 機械的信号をデジタルシステムに入力するための半導体入力制御装置において、
    半導体基板の中に形成され、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサダイと、
    前記力センサダイを含み、前記センサダイに結合されて外力を前記力センサダイに伝える力伝達要素を有するパッケージと
    を備え、
    物体上に、前部、後部、頂部、底部、左側、右側、フロントパネル、縁部、制御パネル、制御領域、側壁、ハンドル、ステアリングホイール、外面、物体内部または上記の組合せからなる群から選択される位置で実装されていることを特徴とする半導体入力制御装置。
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