JP2014004681A - 陽極接合ひずみアイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】センサを同じ熱膨張率の材料に取り付けることを可能にし、依然としてセンサと、センサが実装されるシステムとの間で必要とされる弾性アイソレーションを実現する応力アイソレータを提供する。
【解決手段】アイソレータは、２つの材料、すなわちホウケイ酸ガラスおよびケイ素製である。ガラスは、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサの実装表面と同じ材料である。ケイ素は、非常に弾性であり、複雑な形状に形成するのが容易なので、優れたアイソレータになる。アイソレータの２つの材料は、陽極接合を使用して接合される。アイソレータの構造を様々なタイプのＭＥＭＳセンサに特有のものとし、それらの幾何形状の大半で体積全体を削減させることができる。
【選択図】図１

Description

[0001]慣性センサおよび圧力センサは、応力およびひずみに非常に敏感なものである可能性があり、応力／ひずみを、実際にはそうでないときにも信号として変換する。これらの誤差は、しばしば温度全体にわたって見られる。なぜなら、これらのセンサが実装されるシステムのひずみ状態が、温度変化による膨張および収縮と共に変化するからである。応力下または圧力下でのクリープなど、ひずみ変化の他の発生源もまた、センサに対する負の作用を有するのに十分有意なものである。精度が必要とされる場合、温度全体にわたる出力の変化をモデル化し、センサの出力から差し引かなければならない。所与の温度変化からのひずみがより大きいと、正確にモデル化するのがより困難であり、より多くの計算機能力とより高次のモデルを必要とすることがある。これらのひずみによる材料の緩和（クリープ）があればそれはモデル化することができず、センサ誤差として現れる。

[0002]センサと、センサが実装されるシステムとの間でしばしば機械アイソレータが使用され、ひずみを、センサに伝えるのではなくアイソレータによって拾い上げることを可能にする。アイソレータは、伸ばされた後、常に同じ状態に戻る１組のばねのように、センサマウントとシステムの間に機械的に弾性の区間を有することによって、これを行う。アイソレーションフィーチャは、ケイ素など、ある種の材料から容易に形成されるが、センサは、しばしば他の材料製であり、センサとアイソレーションの間の接合は、望ましくない応力を生み出す。

[0003]本発明は、センサを同じ熱膨張率の材料に取り付けることを可能にし、依然としてセンサと、センサが実装されるシステムとの間で必要とされる弾性アイソレーションを実現する応力アイソレータを提供する。本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）処理方法を使用してこれを行い、特にＭＥＭＳセンサに適合する。アイソレータは、２つの材料、すなわちホウケイ酸ガラスおよびケイ素製である。ガラスは、ＭＥＭＳセンサの実装表面と同じ材料である。ケイ素は、非常に弾性であり、複雑な形状に形成するのが容易なので、優れたアイソレータになる。アイソレータの２つの材料は、陽極接合を使用して接合される。アイソレータの構造を様々なタイプのＭＥＭＳセンサに特有のものとし、それらの幾何形状の大半で体積全体を削減させることができる。

[0004]本発明の一態様では、アイソレータは、ＭＥＭＳセンサにとって必要な他の電気構成部品を支持し、これは、システム体積全体を削減し、電気経路を可能な限り短くすることによって性能を高める。

[0005]本発明の好ましい、また代替の実施形態について、以下の図面を参照して、以下、詳細に述べる。

[0006]本発明の一実施形態により形成されたＭＥＭＳパッケージの側面図である。 [0007]図２−１は、図１に示されているものなど、ＭＥＭＳパッケージ内で使用するための例示的なガラス層の斜視図である。図２−２は、図１に示されているものなど、ＭＥＭＳパッケージ内で使用するための例示的なガラス層の斜視図である。 [0008]図３−１は、図１に示されているものなど、ＭＥＭＳパッケージ内で使用するための例示的なばね層の斜視図である。図３−２は、図１に示されているものなど、ＭＥＭＳパッケージ内で使用するための例示的なばね層の斜視図である。 [0009]図３は、図２−１および図２−２に示されているガラス層に実装するための例示的なＭＥＭＳ構成部品の斜視図である。 [0010]図５−１は、図２〜４からの組み合わされた構成部品の斜視図である。図５−２は、図２〜４からの組み合わされた構成部品の斜視図である。

[0011]図１は、回路板またはハウジング２８に実装されている例示的な微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）パッケージ２０を示す。一実施形態では、ＭＥＭＳパッケージ２０は、ケイ素または同様の材料製のばね層３０と、ガラス層３２とを有するアイソレータを含む。ばね層３０のフレームは、ガラス層３２に接合（すなわち、陽極接合）される。次いで、ガラス層３２は、ＭＥＭＳダイ２６のガラス区間に接合される。

[0012]一実施形態では、ＭＥＭＳダイ２６は、カバーおよびデバイス層の一部分を除去することによって形成されるフランジ（またはカットアウト）４２を含む。フランジ４２は、ガラス層３２のものと同様のガラス製である。フランジ４２は、金属パッド４６、４８（必要に応じて）、および金（または比較可能な金属）スタッドバンプ４４を使用してガラス層３２に取り付けられる。ガラス層３２内に予めエッチングまたは機械加工された穴が、フリップチップ式で実装されたＭＥＭＳダイ２６の一部分を受容することを可能にする。ケイ素ばね層３０のいかだ５２が、金（または比較可能な金属）スタッドバンプ５８を使用してハウジング２８に実装される。凹部６０がばね層３０内にエッチングされてからガラス層３２と接合される。はんだ、金−ケイ素共晶、またはエポキシなど、他の好適な導電性の取付け方法を使用し、ＭＥＭＳダイ２６をガラス層３２に、またはばね層３０を回路板２８に取り付けてもよい。

[0013]アイソレータは、ＭＥＭＳダイ２６と熱膨張率（ＣＴＥ）が完全一致またはほぼ完全一致する。ばね層３０は、アウトガスゼロまたはほぼゼロを実現し、様々なフォトリソグラフィ技法、様々な等方性や異方性のエッチャント、およびディープ反応性イオンエッチングなどプラズマベースの技法を使用して、応力を吸収するのに必要とされる適正な支持バランスおよび柔軟性のための複雑な形状に容易に形成可能である。ＭＥＭＳダイ２６は、ホウケイ酸ガラスの区間を含む。ケイ素もまた、ＭＥＭＳダイのガラスにＣＴＥがほとんど一致する。

[0014]以下は、例示的な構築プロセスについて述べる。まず、金属パターンがガラスウェハの第１の表面に与えられ、次いで（１つまたは複数の）穴がガラスウェハを通して穿孔される。次に、水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングをシリコンウェハのおもて側で実施し、凹部６０を作成する。次いで、ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を、シリコンウェハを通して裏側から実施し、ばね構造を作成する。次いで、ガラスウェハがシリコンウェハに陽極接合される。次に、ＭＥＭＳセンサがアイソレータに接合され、次いでアイソレータがＭＥＭＳパッケージに取り付けられる。一実施形態では、ＭＥＭＳセンサ２６が完全なウェハとしてのアイソレータに接合されてからダイシングされるか、またはアイソレータウェハとＭＥＭＳウェハが共にダイシングされた後で一度に１つのＭＥＭＳセンサが１つのアイソレータに接合される。

[0015]このアイソレータは、可能な限りＭＥＭＳデバイスに近接して支持電子回路を実装することを可能にする。これは、最も少ないノイズ、および最も小さい電力消費を可能にする。ガラス層３２上の金属を適正にパターニングすることにより、ダイまたはパッケージングされた形態にある様々な種類の表面実装電子デバイスを実装することができる。

[0016]図２−１は、例示的なアイソレータガラス層３２−１の上面斜視図を示し、このガラス層３２−１は、２つの対向する側でフランジ６４によって形作られる窓をもたらすようにエッチングされている。メタライズドパッド４８−１がフランジ６４の上面に付着されている。ＭＥＭＳダイをフリップチップ実装するために、他のパッド５０−１およびトレース（図示せず）がアイソレータガラス層３２−１の上面に同時に付着される。相互接続トレースは、見やすくするために示されておらず、任意の必要とされる形態で接続することができる。図２−２は、アイソレータガラス層３２−１の底部に位置する凹部６０−１を示す。凹部６０−１は、図１のばね層３０上に、凹部６０の代わりに与えることができる。

[0017]図３−１は、例示的なばね層３０−１の上面斜視図を示す。ばね層３０−１は、窓６６を有するフレーム６８を含む。４つのＳ字形ばね７２と、いかだ７０とが、窓６６内にエッチングされる。ばね７２は、一端で窓６６の異なる内部エッジに取り付けられ、第２の端部でいかだ７０の異なる外部エッジに取り付けられる。図３−２は、いかだ７０の下側に取り付けられる任意選択の金属パッド７４を示す。金属パッド７４は、後で、スタッドバンプ（図１に示されているものなど）、または、はんだ、金−ケイ素共晶、もしくはエポキシなど他の好適な取付け方法を介して、回路板またはハウジングに実装するために使用される。凹部６０−２が、窓６６の上部エッジ周りでエッチングされる。

[0018]図４は、図２−１、図２−２に示されているアイソレータガラス層３２−１に取り付けられるように構成された例示的なＭＥＭＳダイ２６−１の底部斜視図を示す。フランジ４２−１がＭＥＭＳダイ２６−１の中間区間付近にあるように、フランジ４２−１がＭＥＭＳダイ２６−１の一端から形成されている。メタライズドパッド４６−１が、フランジ４２−１に付着されるか、または、ＭＥＭＳダイ２６−１の中間／デバイス層に予め付着され、中間／デバイス層に隣接する区間の材料を除去したとき露出される。メタライズドパッド４６−１は、ＭＥＭＳダイ２６−１内の能動構成部品に電気接続される。

[0019]図５−１および図５−２は、ばね層３０−１に接合されたアイソレータガラス層３２−１、およびアイソレータガラス層３２−１に接合されたＭＥＭＳダイ２６−１を示す。ＭＥＭＳダイ２６−１をアイソレータガラス層３２−１に取り付けるために、メタライズドパッド４８−１、４６−１が、スタッドバンプ（図示せず）を使用して共に接合される。また、電子構成部品８０がメタライズドパッド５０−１に取り付けられる。メタライズドパッド４８−１、４６−１と、それらのそれぞれの表面との接続の一例は、ＳｉＡｕ共晶接合である。

[0020]一実施形態では、ＭＥＭＳダイは、上向きで実装される。ＭＥＭＳダイ上のリードが、アイソレータ上の金属パッドにワイヤボンドされるか、または直接、回路板／パッケージに引き出される。他の実施形態では、ＭＥＭＳダイは、その上面にパッドを有し、アイソレータ上のガラスにフリップチップ実装される。次いで、ワイヤボンドなど、低応力電気接続がアイソレータガラスからなされる。

Claims (3)

1. センサ、および
   接合部分
   を備えるＭＥＭＳダイと、
   アイソレーション装置と
   を備える微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）パッケージであって、前記アイソレーション装置が、
   前記ＭＥＭＳダイの前記接合部分に接合されるように構成され、前記ＭＥＭＳダイの前記接合部分にほぼ等しい熱膨張率を有する第１の層と、
   モノリシック材料で形成されたばね層と
   を備え、前記ばね層が、
   前記第１の層に接合するように構成された第１の区間と、
   回路板に接合するように構成された第２の区間と、
   前記第１の区間を前記第２の区間に柔軟に取り付けられるように構成された１つまたは複数のばね要素と
   を備える、ＭＥＭＳパッケージ。
2. 前記第１の層が、前記ＭＥＭＳダイが前記第１の層に実装されたときＭＥＭＳダイが通過することを可能にするように構成された空洞を備え、前記空洞が、前記ＭＥＭＳダイだけに接合されるように構成された少なくとも１つのフランジを備え、前記第１の層または前記ばね層のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも１つのフランジを前記ばね層から分離するように構成された凹部を備える、請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記ばね層がシリコンを含み、前記第１の層がガラスを含み、前記第１の層と前記ばね層の間の接合が陽極接合を含む、請求項１に記載のパッケージ。

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