JP2010087321A - Ｍｅｍｓモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストかつ高信頼性を有するＭＥＭＳ素子の封止構造を含む機能モジュールを実現する新たな技術を開示し、かつ、提供するものであり、とりわけ、低コストでかつ信頼性の高い封止構造と駆動電子回路とを物理的に一体化した新たなＭＥＭＳモジュールを提供する。
【解決手段】 本発明のＭＥＭＳモジュール１は少なくとも一の層基板１００ａと他の層基板１００ｂとにより多層プリント回路基板１００からなる。一の層基板１００ａにＭＥＭＳ素子１０１が配置されている。一の層基板１００ａとは異なる他の層基板１００ｂにＭＥＭＳ素子１０１を駆動する電気回路素子１０６が配置されている。ＭＥＭＳ素子１０１を包囲するようにして封止する封止空間１０１Ａが多層のプリント回路基板１００の少なくとも一部により構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ電気機械機構（MEMS）モジュール、とりわけ、MEMSマイクロスキャナー等の光ＭＥＭＳ素子等の機能素子を有するMEMSモジュールに関する。

MEMS技術を用いたセンサーおよびアクチュエータは、すでに様々な分野で実用化されている。例えば、加速度センサーや磁性素子を用いた方位センサー等にMEMS技術が用いられ、かつ、実用化されている。また、例えば、光ミラーアレイや光マイクロスキャナー等の光ＭＥＭＳ素子等の機能素子を有するMEMSモジュールも実用化されている。

ここで、光ＭＥＭＳとは、光を利用した情報通信やプロジェクタ、計測器、顕微鏡システム等に用いられるＭＥＭＳ部品の総称であり、具体的には、マイクロミラー、形状可変ミラー等がある。

多くの場合、ＭＥＭＳ素子がセンサーあるいはアクチュエータとしての機能を発揮するためには、微細加工を主体とするＭＥＭＳチップ作製に加え、そのパッケージング及び駆動電子回路の付与が必要である。

更に、使用者の利便性は、ＭＥＭＳ素子を含むパッケージ構造と駆動電子回路が物理的に一体化された機能モジュールが供給されることにより、向上する。

ＭＥＭＳ素子を含む機能モジュールのコストは、一般に、微細加工、パッケージング及び電子回路の３要素に支配される。これに加え、最終製品のテスト、検査費用が発生する場合もある。これらのコスト要素のうち、パッケージングは一般に全体コストの６割以上を占めると言われている。

ＭＥＭＳ素子のパッケージングは、ＭＥＭＳ素子がゴミや汚れ等の外的な要因により破損することを避けると同時に、温度や湿度等の使用外部環境が変化した際にもＭＥＭＳ素子の正常な動作を保証するという信頼性を確保する目的がある。

要求される信頼性はＭＥＭＳ素子や用途により異なり、それに応じて性能、コスト面で最も合理的なパッケージやパッケージング方法が要求される。

ＭＥＭＳ素子のパッケージは、通常２つの構成部材よりなり、一方にＭＥＭＳ素子が固定され、他方と接着材、溶接等の方法により接合されることにより、封止構造が形成される。また、封止は目的に応じ、大気、減圧、不活性ガス等の環境下で実施される。

更に、封止構造内部には、吸着剤等がＭＥＭＳ素子と併置される場合もある。パッケージに用いる部材、接合方法及び環境等により、パッケージングに要するコストや信頼性は大きく左右される。

低コストと信頼性を両立するパッケージング手法としては、例えば、次のようなウエハレベルパッケージング法が実用化されている。

即ち、一般に、ＭＥＭＳはシリコンウェハを用い、半導体ＩＣ製造プロセスに類似した技術により製造される。ウエハレベルパッケージング法においては、製造後のシリコンウェハを１つずつのチップに切り離すことなく、キャビティ等を形成した一枚のウェハをこれに位置合わせの上、両ウェハを接合することにより、ウェハレベルでの封止構造の形成が行われる。

２枚の接合されたウェハは多数のＭＥＭＳ素子の封止構造を含み、その後ダイシング等の手段により個々のデバイスに切り分けられる。この際ＭＥＭＳ素子は既に封止されているため、切断時に破損を受けることがない。

このパッケージング法は、非常に量産性の高いＭＥＭＳ素子の封止方法を提供し、特に大量用途向けにＭＥＭＳ素子と駆動回路が同一チップに集積化されている場合に有効である。

また、ＭＥＭＳ素子の駆動制御回路と一体化可能な機能モジュールの構成として、セラミックス基板やセラミックス側壁を用いたパッケージにＭＥＭＳ素子を封入し、耐透湿性等を確保した後、これを予め回路を形成した多層プリント回路基板と一体化させることにより、信頼性の高い機能モジュールを実現することを可能とした構造も知られている（特許文献１参照）。
米国特許６６０３１８２号公報

しかしながら、ウエハレベルパッケージング法は、少量用途の場合にはパッケージングに必要な装置や技術開発に要する費用及び期間の点から、有効なコスト削減手段となり得ない。

また、ＭＥＭＳ素子と駆動回路を同一チップに集積することには、多額の開発コストを必要とするため、大量用途以外ではＭＥＭＳ素子の封止構造と駆動回路を別々に準備することが多い。

このような場合、別途、ＭＥＭＳ素子と駆動回路の配線を行う必要があり、ウエハレベルパッケージング法を適用することが困難となる。また、ウエハレベルパッケージング法では通常、４００℃以上の加熱が行われるため、ＭＥＭＳ素子に用いられている材料が、耐熱性が良好でないない場合には、ウエハレベルパッケージング法を適用することが困難であるという問題もある。

一方、特許文献１に開示の技術を用いて機能モジュールを構成する場合、ＭＥＭＳ素子をいったんセラミックス基板やセラミックス側壁を用いた封止空間にＭＥＭＳ素子を封止する必要があるため、モジュール作製の際の生産効率が低く、更に、セラミックス部材を準備する必要があり、低コスト化を達成し難いという問題点がある。

すなわち、パッケージングにかかるコストは、一般にＭＥＭＳ機能モジュール製造の全体コストの６割以上を占めると言われ、ＭＥＭＳ技術の実用・普及上の大きな障害要因となっており、ＭＥＭＳ技術の実用化を図るためには、信頼性を損なうことなく、機能モジュール製造のコストダウンが必要な状況にあり、ＭＥＭＳ技術、とりわけ、光ＭＥＭＳ技術の実用化の障害となる高信頼性パッケージングに付随する高コスト化の解消が技術的解決課題となっている。

そこで、本発明は、低コストかつ高信頼性を有するＭＥＭＳ素子の封止構造を含む機能モジュールを実現する新たな技術を開示し、かつ、提供するものであり、とりわけ、低コストでかつ信頼性の高い封止構造と駆動電子回路とを物理的に一体化した新たなＭＥＭＳモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、
本願の請求項１に記載の発明は、少なくとも一の層基板と他の層基板とにより多層プリント回路基板が構成され、前記一の層基板にＭＥＭＳ素子が配置され、前記一の層基板とは異なる前記他の層基板に前記ＭＥＭＳ素子を駆動する電気回路素子が配置され、前記ＭＥＭＳ素子を包囲するようにして封止する封止空間が前記多層のプリント回路基板の少なくとも一部により構成されていることを特徴とするＭＥＭＳモジュールである。

本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記一の層基板部の前記載置壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュールである。

本願の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記他の層基板部の前記包囲壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュールである。

本願の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記一の層基板部の前記載置壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられ、前記他の層基板部の前記包囲壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュールである。

本願の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記ＭＥＭＳ素子が光ＭＥＭＳ素子であることを特徴とするＭＥＭＳモジュールである。

本発明に係るＭＥＭＳモジュールは、耐湿性等の高信頼性が確保されたＭＥＭＳ素子を含む封止空間と駆動電子回路とを物理的に一体化した機能モジュールを低コストで製造でき、ＭＥＭＳ技術、とりわけ、光ＭＥＭＳ技術の実用化を促進するのに貢献できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照しつつ、本発明に係るＭＥＭＳモジュールについて詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明に係るＭＥＭＳモジュールの実施例１を説明する図である。この図１（ａ）、（ｂ）において、符号１はＭＥＭＳモジュールを示している。

ＭＥＭＳモジュール１は、多層プリント回路基板１００とＭＥＭＳ素子１０１とから大略構成されている。多層プリント回路基板１００は、ＭＥＭＳ素子１０１の駆動に必要な電気回路配線を少なくとも部分的に有する。

多層プリント回路基板１００は、ここでは、少なくとも、一の層基板部１００ａと他の層基盤部１００ｂとから大略構成されている。

その層基板１００ａと層基板１００ｂとは、互いに接着剤により接合されている。

一の層基板部１００ａは、ＭＥＭＳ素子１０１が配置される載置壁部１１１を有する。一の層基板１００ａとは異なる他の層基板１００ｂにはＭＥＭＳ素子１０１を駆動する集積回路素子等の電気回路素子１０６が配置されている。

多層プリント回路基板１００には、ＭＥＭＳ素子１０１を包囲するようにして封止する封止空間１０１Ａがその多層プリント回路基板１００の少なくとも一部により構成されている。

ここでは、封止空間１０１ＡはＭＥＭＳ素子１０１を載置する一の層基板１００ａの載置壁部１１１とＭＥＭＳ素子１０１を包囲する他の層基板１００ｂの包囲壁部１１２とＭＥＭＳ素子１０１を覆うようにして封止空間１０１Ａを封止する蓋部材１０３とから構成されている。ＭＥＭＳ素子１０１はこの封止空間１０１Ａに封入されている。

ここでは、蓋部材１０３には、ＭＥＭＳ素子１０１が光ＭＥＭＳ素子の場合、ガラスが用いられる場合が多いが、これに限定されるものではない。蓋部材１０３と多層プリント回路基板１００とは、例えば、接着材１０２を用いて接合することにより、要求される信頼性を満たす気密性を達成することができる。 また、この接着性を高めるため、蓋部材１０３に対する多層プリント回路基板１００の層基板１００ｂの接合部に予め金属メッキ等の下地を形成しておいても良い。

載置壁部１１１には、封止空間１０１Ａに外部からの水分子の侵入を阻止するための第１の低透湿性材料１０８が設けられている。この低透湿性材料１０８は封止空間１１１Ａに臨む載置壁部１１１の実質全面を覆っている。ここで、低透湿性材料１０８には、好ましくは金属としての銅を用いる。しかしながら、特に、外部から層基板１００ａを透過して封止空間１０１Ａ内に達する水分子等の気体、液体等を、要求されるＭＥＭＳ素子１０１の動作の信頼性が損なわれない範囲で遮断できる材料であれば、これに限定されるものではない。

なお、低透湿性材料１０８として銅を用いる場合、通常の多層プリント回路基板作製プロセスにより、ＭＥＭＳ素子１０１の駆動に必要な電気回路パターンと同時に形成することができるので、製造プロセス上の利点が大きい。

低透湿性材料１０８には、ＭＥＭＳ素子１０１と多層プリント回路基板１００との電気的接続を確立するため、ボンドパッド１０５ａを形成しても良い。 更に、ボンドパッド１０５ａをビア１０５ｂと一体化して形成し、多層プリント回路基板１００に対する接続部１０５を形成することができる。ＭＥＭＳ素子１０１とボンドパッド１０５ａは各種の手法により、電気的接続を行うことができる。図１には、一例として、ボンディングワイヤ１０４を用いて、ＭＥＭＳ素子１０１とボンドパッド１０５ａとが接続されている接続形態が示されている。

ボンドパッド１０５ａを形成することにより、ボンドパッド１０５ａと低透湿性材料１０８との間での電気的絶縁を確立するため、載置壁部１１１には、複数箇所に低透湿性材料１０８によって被覆されていない箇所が発生する。

層基板１００ａから封止空間１０１Ａ内への水分子の透過量は、載置壁部１１１の低透湿性材料１０８により覆われていない箇所の面積に比例するので、要求される信頼性に応じてこの覆われていない箇所の形状や大きさ寸法を調節することにより、載置壁部１１１が実質全面にわたって低透湿性材料１０８によって覆われているときと同様の作用効果を得ることができる。また、必要に応じて、この覆われていない箇所を、図１（ａ）、（ｂ）に示す別の低透湿性部材１１０により被覆してもよい。ここで、この低透湿性部材１１０には、接着材又は充填材等を用いることができる。

更に、この実施例１では、層基板部１００ｂの包囲壁部１１２を通して外部から封止空間１０１Ａ内に水分子等が侵入するのを防止するため、層基板部１００ｂには、包囲壁部１１２を取り囲むようにして、矩形状の包囲溝１０９Ａが形成され、この包囲溝１０９Ａが第２の低透湿性材料１０９により充填されている。この低透湿性材料１０９にも接着材、充填材、金属等を用いることができ、流動性や水分透過性、生産性等を考慮して選定すれば良い。また、この低透湿性材料１０９を、包囲壁部１１２の封止空間１０１Ａに臨む面や多層プリント回路基板１００の層基板１００ｂの外周の端面１００ｃに設けてもよい。

多層プリント回路基板１００の層基板１００ｂには、ここでは、集積回路素子１０６の他に電力を供給するコネクタ１０７等も配置でき、その結果、ＭＥＭＳ素子１０１を含む機能モジュール１が製造される。なお、集積回路素子１０６やコネクタ１０７等は、多層プリント回路基板１００の両面又は片面に配置できる。

以上、この実施例１では、多層プリント回路基板１００が層基板１００ａ、１００ｂの２層より構成される場合について説明したが、多層プリント回路基板１００が３層以上の層基板を有していても良い。
（変形例１）
なお、図２に示すように、ＭＥＭＳ素子１０１を封止する封止空間１０１Ａの包囲壁部１１２から多層プリント回路基板１００の層基板１００ｂの端面１００ｃとの距離が十分に大きい場合には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、図１（ａ）、（ｂ）に示す第２の低透湿性材料１０９を省略しても良い。図２に示すＭＥＭＳモジュール素子１のその他の構成は、実施例１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
（変形例２）
また、なお、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳ素子１０１を封止する封止空間１０１Ａを構成する多層プリント回路基板１００の層基板１００ａの厚さが十分に厚い場合や、多層プリント回路基板１００の層基板１００ａの外面１００ｄに十分にソルダーレジストが設けられている場合等には、封止空間１０１Ａの壁面部の透湿性のみを高めれば所望の信頼性が満たされる場合があり、この場合には低透湿性材料１０８を省略することができる。この図３に示すＭＥＭＳモジュール素子１のその他の構成も、実施例１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
（実施例２）
図４は、本発明に係るＭＥＭＳモジュールの実施例２を説明する図である。ＭＥＭＳモジュール１がその信頼性を損ない難い環境で使用される場合等には、実施例１に示す第１、第２の低透湿性材料１０８、１０９を省略することができる。

すなわち、図２は、本発明に係るＭＥＭＳモジュールの実施例２を説明する図である。この図２（ａ）、（ｂ）において、符号２はＭＥＭＳモジュールを示している。

ＭＥＭＳモジュール２は、多層プリント回路基板２００とＭＥＭＳ素子２０１とから大略構成されている。多層プリント回路基板２００は、ＭＥＭＳ素子２０１の駆動に必要な電気回路配線を少なくとも部分的に有する。

多層プリント回路基板２００は、ここでは、少なくとも、一の層基板部２００ａと他の層基盤部２００ｂとから大略構成されている。

その層基板２００ａと層基板２００ｂとは、互いに接着剤により接合されている。

一の層基板部２００ａは、ＭＥＭＳ素子２０１が配置される載置壁部２１１を有する。一の層基板２００ａとは異なる他の層基板２００ｂにはＭＥＭＳ素子２０１を駆動する集積回路素子等の電気回路素子２０６が配置されている。

多層プリント回路基板２００にはＭＥＭＳ素子２０１を包囲するようにして封止する封止空間２０１Ａがその多層プリント回路基板２００の少なくとも一部により構成されている。

ここでは、封止空間２０１ＡはＭＥＭＳ素子２０１を載置する一の層基板２００ａの載置壁部２１１とＭＥＭＳ素子２０１を包囲する他の層基板２００ｂの包囲壁部２１２とＭＥＭＳ素子２０１を覆うようにして封止空間２０１Ａを封止する蓋部材２０３とから構成されている。ＭＥＭＳ素子２０１はこの封止空間２０１Ａに封入されている。

ここでは、蓋部材２０３には、ＭＥＭＳ素子２０１が光ＭＥＭＳ素子の場合、ガラスが用いられる場合が多いが、これに限定されるものではない。蓋部材２０３と多層プリント回路基板２００とは、例えば、接着材２０２を用いて接合することにより、要求される信頼性を満たす気密性を達成することができる。また、この接着性を高めるため、蓋部材２０３に対する多層プリント回路基板２００の層基板２００ｂの接合部に予め金属メッキ等の下地を形成しておいても良い。

ＭＥＭＳ素子２０１と多層プリント回路基板２００との電気的接続を確立するため、ボンドパッド２０５ａを形成しても良い。更に、ボンドパッド２０５ａをビア２０５ｂと一体化して形成し、多層プリント回路基板２００に対する接続部２０５を形成することができる。ＭＥＭＳ素子２０１とボンドパッド２０５ａは各種の手法により、電気的接続を行うことができる。図２には、一例として、ボンディングワイヤ２０４を用いて、ＭＥＭＳ素子２０１とボンドパッド２０５ａとが接続されている接続形態が示されている。

多層プリント回路基板２００の層基板２００ｂには、ここでは、集積回路素子２０６の他に電力を供給するコネクタ２０７等も配置でき、その結果、ＭＥＭＳ素子２０１を含む機能モジュール２が製造される。なお、集積回路素子２０６やコネクタ２０７等は、多層プリント回路基板２００の両面又は片面に配置できる。

本発明に係るＭＥＭＳモジュールの第１実施例を示す図であって、（a）はその平面図、（ｂ）は（a）に示すＭＥＭＳモジュールのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 本発明に係るＭＥＭＳモジュールの第１変形例を示す図であって、（a）はその平面図、（ｂ）は（a）に示すＭＥＭＳモジュールのＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。 本発明に係るＭＥＭＳモジュールの第２変形例を示す図であって、（a）はその平面図、（ｂ）は（a）に示すＭＥＭＳモジュールのＣ−Ｃ’線に沿う断面図である。 本発明に係るＭＥＭＳモジュールの第２実施例を示す図であって、（a）はその平面図、（ｂ）は（a）に示すＭＥＭＳモジュールのＤ−Ｄ’線に沿う断面図である。

符号の説明

１…ＭＥＭＳモジュール
１００…多層プリント回路基板
１００ａ…一の層基板
１００ｂ…他の層基板
１０１…ＭＥＭＳ素子
１０１Ａ…封止空間

Claims (5)

1. 少なくとも一の層基板と他の層基板とにより多層プリント回路基板が構成され、前記一の層基板にＭＥＭＳ素子が配置され、前記一の層基板とは異なる前記他の層基板に前記ＭＥＭＳ素子を駆動する電気回路素子が配置され、前記ＭＥＭＳ素子を包囲するようにして封止する封止空間が前記多層のプリント回路基板の少なくとも一部により構成されていることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記一の層基板部の前記載置壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。
3. 請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記他の層基板部の前記包囲壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。
4. 請求項１に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記封止空間が前記ＭＥＭＳ素子を載置する一の層基板の載置壁部と前記ＭＥＭＳ素子を包囲する前記他の層基板の包囲壁部と前記ＭＥＭＳ素子を覆うようにして前記封止空間を封止する蓋部材とから構成され、前記一の層基板部の前記載置壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられ、前記他の層基板部の前記包囲壁部に前記封止空間に前記外部からの水分子の侵入を阻止するための低透湿性材料が設けられていることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュールにおいて、前記ＭＥＭＳ素子が光ＭＥＭＳ素子であることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。

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