JP4948764B2

JP4948764B2 - 電気的インターフェース部品を支持するための追従部品

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Publication number: JP4948764B2
Application number: JP2004508407A
Authority: JP
Inventors: スチュワート，ロバート，イー．
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: AU2003245306A1; EP1508169A1; US7002225B2; JP2005527980A; CA2483297A1; WO2003100856A1; US20030220012A1

Description

本発明は、１つの例では概して電気的システムに関し、さらに特定すると電気的システムの部品間の接続に関する。

電気回路の１つの例となる多層の三次元的ダイは多層への電気的接続を必要とする。例えば、ワイヤ・ボンドは層間の電気的接続を提供するように働く。いくつかのケースでは、ワイヤ・ボンドはダイの上部と底部の両方でコンタクト部を作製されなければならない。ダイの上部と底部の両方でコンタクト部を有することは結果的にダイの複数の側部の周りを取り巻くワイヤ・ボンドでサブアセンブリを作製する必要性につながる。ワイヤ・ボンドが１つのダイの複数の側部の周りを取り巻くと、ダイをパッケージ化することが困難になる。ダイの周りを取り巻くワイヤ・ボンドを有することはダイの周縁部を増大させる。大きな周縁部を有することはダイが基板、回路基板などに実装されるときにダイによって使用されるスペースを大きくする。付け加えると、ワイヤ・ボンドは極めて薄く、したがって応力破損に弱い。

別の例では、ダイは電気的フィード・スルーを備えてハウジング内にパッケージ化される。ワイヤ・ボンドによるコンタクトはダイの多様な層の上の電気的コンタクト部に対して為される。これらのボンディング・ワイヤはその後、ハウジングのフィード・スルーに取り付けられる。ハウジングのフィード・スルーは基板、回路等とのインターフェースを可能にする。ワイヤ・ボンドおよび電気的フィード・スルーを作製することは加工が複雑であり、高価でかつ壊れやすい。

別の例では、ダイは１つまたは複数の層を有する。そのダイは、ダイと異なる材料の基板、回路基板等への電気的接続を構成する。この材料が異なるので、それらは異なる膨張／収縮係数を有しやすい。一方または両方の材料に膨張が生じると、応力は２つの材料の間の接続部にかかる。応力が充分に大きいとき、接続部は故障するかまたは壊れる可能性がある。

別の例では、ダイは基板、回路基板等への電気的接続を構成する。平行移動または回転運動が生じると、応力はダイと基板、回路基板等の間の接続部にかかる。

したがって、ダイとそれに適合する構造体の間の境界で向上した耐久力を有する必要性がダイに関して存在する。小さくされたサイズを備えたダイに関する必要性もやはり存在する。適合する構造体と電気的にインターフェースすることがさらに容易なダイに関する必要性もやはり存在する。

一実施形態では、本発明は或る装置を網羅する。本装置は、ダイを別個の層を電気的および機械的に結合させるように働く電気的インターフェース部品を支持するために追従する部品を含む。１つの例では、ダイと別個の層の間で相対的な移動が生じると、この追従部品はダイおよび別個の層のうちの１つまたは複数の中の応力の削減を促進するように働く。

別の実施形態では、本発明は或る装置を網羅する。本装置は、ダイと別個の層を電気的および機械的接続を作り出すように働く電気的インターフェース部品を支持するために追従する部品を含む。ダイと別個の層の間で相対的な移動が生じると、この追従部品は電気的接続の保全を促進するように働く。
本発明の例示的実施態様の特徴は説明文、特許請求項、および添付の図面から明らかになるであろう。

図１〜３を参照すると、１つの例の装置１００は１つまたは複数のダイ１０２、および１つまたは複数の層３１０を含む。ダイ１０２は、例えば、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（「ＭＥＭＳ」）、センサ、アクチュエータ、加速度計、スイッチ、応力に弱い集積回路などを含む。ダイ１０２は１つまたは複数の層１６０、１６２、１６４、１つまたは複数の追従部品１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１つまたは複数の電気的インターフェース部品１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、および１つまたは複数の接続経路１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８を含む。１つの例では別個の層３１０は基板、回路基板、電子デバイス、ダイなどを含む。
図４および５を参照すると、１つの例では１つまたは複数の層１６０、１６２、１６４は半導体、絶縁体、導電体などを含む。

図６（図１の６−６断面）を参照すると、１つの例では追従部品１１６はダイ１０２のカバー１６０上のエッチングされた井戸状穴６１０の中に配置される。井戸状穴６１０は追従部品１１６の曲げを可能にするために充分大きいサイズおよび形状である。別の例では、追従部品１１６はダイ１０２のカバー１６０の表面１８０上にある。

図１および７を参照すると、１つの例の追従部品１１４は可撓性のアーム７１０を有する。可撓性アーム７１０はダイ１０２および電気的インターフェース部品１３０の両方に取り付けられる。１つの例では、ダイ１０２は、アーム７１０に加えられる応力に応答して曲がることが可能となるようなスペースをアーム７１０と電気的インターフェース部品１３０が有するようなパターンにエッチングされる。別の例では、追従部品１１４はダイ１０２内にマイクロ・マシニング加工されるビームである。

図７を参照すると、１つの例では、追従部品１１４は可撓性アーム７１０を有する。１つの例では、可撓性アーム７１０およびカバー１６０などは単一の均質な材料からエッチングされる。別の例では、可撓性アーム７１０はカバー１６０と別の同質の材料からエッチングされ、その後、カバー１６０などに取り付けられる。別の例では、可撓性アーム７１０はカバー１６０とは異質の材料からエッチングされ、その後、カバー１６０などに取り付けられる。

１つの例では、可撓性アーム７１０は直線状の構造である。別の例では、可撓性アーム７１０は応力のない１つまたは複数の屈曲部、または曲線等を有する。別の例では、可撓性アーム７１０は複数の可撓性アームであろう。

図９を参照すると、１つの例では追従部品のサブセット１０８、１１０、１１６、１１８は１つの方向の平行移動に追従するように、ならびに膨張に起因する移動の方向に追従するように設計される。１つの例では、１つの方向の平行移動はダイ１０２平面上の水平方向である。別の例では、１つの方向の平行移動はダイ１０２平面上の垂直方向である。図９の追従部品１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８の配向は一方向の平行移動に追従するような、ならびに膨張に起因する移動の方向に追従するような別個の層３１０へのダイ１０２の全体の接続を可能にする。

図１０を参照すると、１つの例では追従部品の第１のサブセット１０８、１１０、１１６、１１８は第１の方向の平行移動に追従するように、ならびに膨張に起因する移動の方向に追従するように設計される。追従部品の第２のサブセット１０４、１０６、１１２、１１４は第２の方向の平行移動に追従するように、ならびに膨張に起因する移動の方向に追従するように設計される。１つの例では、第１の方向はダイ１０２の平面内で第２の方向と異なる。図１０の追従部品１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８の配向は複数の方向の平行移動に追従し、回転に追従し、ならびに膨張に起因する移動の方向に追従するような別個の層３１０へのダイ１０２の全体の接続を可能にする。１つの例では、平行移動はダイ１０２平面上の水平方向である。別の例では、平行移動はダイ１０２平面上の垂直方向である。別の例では、平行移動は、ダイ１０２平面状で垂直または平行である。平行移動、回転運動、および膨張移動に追従するダイ１０２の接続は、一例では平衡化された機械的共振器の用途での使用法を有する。この共振器は互いに位相がずれて振動する１つまたは複数の質量体を有する。１つの例では、それらの質量体は同じ周波数で振動する必要がある。そのような用途に使用されるとき、平行移動、回転運動、および膨張移動を可能にする追従実装構造体１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８が２つの質量体を連結し、それにより、それらは同じ周波数で振動するであろう。

１つの例では、電気的インターフェース部品１３０は導電性パッドなどである。別の例では、電気的インターフェース部品１３０はハンダ・ボールなどである。別の例では、電気的インターフェース部品１３０は導電性パッドなどに接続されたハンダ・ボールなどである。電気的インターフェース部品１３０はダイ１０２から電気的に絶縁される。

１つの例では、接続経路１４４は信号経路指定トレースである。接続経路１４４は、１つまたは複数の層１６０、１６２、１６４のうちの１つからインターフェース表面１８０上の電気的インターフェース部品１３０へと電気信号を送るために使用される。

１つの例では、ダイ１０２と別個の層３１０の間の接続はフリップ・チップ技術、ボール・グリッド・アレー技術、およびパッド・グリッド・アレー技術のうちの１つまたは複数を使用することによって達成されることが可能である。ボール・グリッド・アレーはダイ１０２のインターフェース表面１８０上で導電性パッドのアレーとして配列される外部接続である。説明の目的で、図面は例となるボール・グリッド・アレー技術を使用する１つの例の装置１００を表わしている。層のコンタクト部１９０、４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０と電気的インターフェース部品１２０、１２２、１２４、１２６、１３０、１３２、１３４の間の電気的接続は接続経路１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８を通じて為される。１つの例では、１つまたは複数の電気的インターフェース部品１２８はダイ１０２を別個の層３１０に電気的に接続することに使用されない。１つの例では、電気的インターフェース部品１２８はダイ１０２の特定の例については余分である。別の例では、電気的インターフェース部品１２８はダイ１０２の層のコンタクト部１９０、４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０の数の考えられる将来の増加に対応するように意図される。

図１、３、４および５を参照すると、１つの例では、別個の層３１０への電気的接続を必要とするダイ１０２の層１６０、１６２、１６４の各々はその接続部を、別個の層３１０とのインターフェース用の単一のインターフェース表面１８０へと至らせる。１つの例では、ダイ１０２の様々な層１６０、１６２、１６４にアクセスするために１つまたは複数のノッチ１５０、１５２、１５４、１５６がダイ１０２に作製される。

１つの例では、ノッチ１５６は穴、切り欠き、経路、窓、開口などである可能性がある。ノッチ１５６はダイ１０２上のどのような場所に配置される可能性もある。ノッチ１５６はどのようなまたはすべての準位および／または深さに到達するように設計される可能性もある。１つまたは複数の層コンタクト部４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０は同じノッチ１５６を通じて届けられる可能性がある。ノッチ１５０、１５２、１５４、１５６の各々はノッチ１５０、１５２、１５４、１５６の他のいずれとも異なるサイズ、形状、または深さであることも可能である。

図１１を参照すると、バッチ処理の利点を活用するためにノッチ１５６はウェハ段階でエッチングされる。１つの例では、ノッチ１５０、１５２、１５４、１５６は一致するサイズと深さになるようにウェハ上でエッチングされる。１つの例では、ノッチ１５０、１５２、１５４、１５６は異なるサイズと深さになるようにウェハ上でエッチングされる。１つの例では、エッチングは異方性エッチングであることが可能である。別の例では、エッチングは乾式の反応性イオン・エッチングなどであることが可能である。

図１〜５を参照すると、層のコンタクト部４３４の接続部は接続経路１４４を使用することによって単一のインターフェース表面１８０へと運ばれる。接続経路１４４はノッチ１５６を使用してそれぞれのダイ１０２の層コンタクト部４３４へと到達する。絶縁体４１０は層１６０および他の層のコンタクト部１９０、４３０、４３２、４３６、４３８、４４０から接続経路１４４を分離するために使用される。１つの例では、絶縁体４１０は二酸化ケイ素の誘電性絶縁層である。

１つの例では、ダイ１０２は別個の層３１０へのインターフェースに使用される層とは異なる層１６２、１６４上に配置される１つまたは複数の層コンタクト部４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０を有する。各々の層１６０、１６２、１６４が複数の層コンタクト部１９０、４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０を有する可能性がある。絶縁体４１２、４１６、４１８、４２０、４２２、４２６は他の層１６０、１６２、１６４の層コンタクト部１９０、４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０および他の層１６０、１６２、１６４自体から各々の層１６０、１６２、１６４を分離するために使用される。１つの例では、絶縁体４１２、４１６、４１８、４２０、４２２、４２６は二酸化ケイ素の誘電性絶縁層である。

１つの例では、ダイ１０２と別個の層３１０は同じ材料ではない可能性があり、したがって、同じ膨張率を有さない可能性がある。そのダイ１０２と別個の層３１０が一体に接続され、熱変化または他のいずれかの膨張／収縮力が生じると、ダイ１０２が或る量で膨張／収縮し、別個の層３１０がダイ１０２のその量とは異なる別の量で膨張／収縮するであろう。膨張／収縮の量がダイ１０２で別個の層３１０と異なるとき、ダイ１０２と別個の層３１０の接続部に応力が加えられるであろう。この応力は、追従部品１１４の屈曲性によってダイ１０２と別個の層３１０の間の接続部で緩和される。

図１、７、および８に示されるように、１つの例では、接続部に加えられる応力はダイ１０２の中心点１５８から電気的インターフェース部品１３０への放射状方向またはその逆となる傾向がある。１つの例では、電気的インターフェース部品１３０に取り付けられた可撓性アーム７１０は半径方向の軸に対して直角に配向させられる。応力が半径方向になる傾向があるとき、この直交方向の可撓性アーム７１０の配向は電気的インターフェース部品１３０のための応力のない出発点を提供する。この応力のない出発点はいずれの半径方向でも広範囲の移動量を提供する。図８に示されるように、別の例では、電気的インターフェース部品１３０に取り付けられた可撓性アーム７１０はダイ１０２のエッジの１つまたは複数に対して平行に配向させられる。

図４および５を参照すると、１つの例では、ダイ１０２はセンサ・システムである。そのダイ１０２は３つの素子層、すなわち最上部のカバー１６０、底部のカバー１６４、および検知用中央素子１６２を有する。各々の素子層１６０、１６２、１６４は各々の表面に追加された誘電性絶縁層４１２、４１６、４１８、４２０、４２２、４２６を有し、それらは他の表面に接着されるであろう。導電性材料４１４、４２４が、中央の素子１６２に隣接する表面上の最上部カバー１６０、および底部カバー１６４の各々の誘電性絶縁層４１２、４１６、４１８、４２０、４２２、４２６の上に置かれる。誘電性絶縁層４１２、４１６、４１８、４２０、４２２、４２６が導電性材料４１４、４２４の上に置かれる。３つの素子層１６０、１６２、１６４が一体に接着される。

１つの例では、複数の層コンタクト部４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０がダイ１０２の層１６０、１６２、１６４の間に埋め込まれる。ダイ１０２が基板または回路基板といった別個の層３１０に直接実装されるように、層コンタクト部４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０はインターフェース表面１８０上にあることを必要とされる。インターフェース表面１８０は複数の電気的インターフェース部品１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４を有する。ノッチ１５０、１５２、１５４、１５６はダイ１０２を貫いて作製され、それにより、埋め込まれた層コンタクト部４３０、４３２、４３４、４３６、４３８、４４０を露出させる。素子層１６０、１６２、１６４および他の層コンタクト部４３０、４３２、４３６、４３８、４４０から接続経路１４４を分離するためにノッチ１５６の壁に沿って誘電性絶縁層４１０が付けられる。層コンタクト部４３４と接続経路１４４の間の接続を可能にするために所望の層コンタクト部４３４は誘電性絶縁層４１０によって覆われないであろう。接続経路１４４は層コンタクト部４３４からインターフェース表面１８０上の電気的インターフェース部品１３０へと信号を送るために使用される。１つの例では、接続経路１４４は信号経路指定トレースである。インターフェース表面１８０上の電気的インターフェース部品１３０は追従部品１１４に取り付けられる。追従部品１１４はダイ１０２が同じ膨張特性を備えた別個の層３１０または異なる膨張特性を備えた別個の層３１０に直接接続することを可能にする。

１つの例で１つまたは複数の追従部品１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８に関して本明細書に述べられた１つまたは複数の特徴は１つまたは複数の他の追従部品１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８に同様に当てはまる。１つの例で１つまたは複数の電気的インターフェース部品１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４に関して本明細書に述べられた１つまたは複数の特徴は１つまたは複数の他の電気的インターフェース部品１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４に同様に当てはまる。１つの例で１つまたは複数の接続経路１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８に関して本明細書に述べられた１つまたは複数の特徴は１つまたは複数の他の接続経路１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８に同様に当てはまる。１つの例で１つまたは複数のノッチ１５０、１５２、１５４、１５６に関して本明細書に述べられた１つまたは複数の特徴は１つまたは複数の他のノッチ１５０、１５２、１５４、１５６に同様に当てはまる。

本明細書に述べられた工程または操作は例示に過ぎない。本発明の精神から逸脱することなくこれらの工程または操作に対して多くの変形例がある可能性がある。例えば、工程は異なる順序で実行される可能性があり、または工程が追加、削除、もしくは改造される可能性がある。
本発明の例示的実施態様が本明細書に詳細に描写および説明されてきたが、様々な改造、追加、置き換えなどが本発明の精神から逸脱することなく為され得ることは当業者にとって明らかであり、したがって、これらは添付の特許請求項に規定されるような本発明の範囲内に入ると考えられる。

１つまたは複数の層、１つまたは複数の接続経路、１つまたは複数のコンタクト場所、１つまたは複数の電気的インターフェース部品、および１つまたは複数の追従部品を有するダイを含む装置の１つの例を示す図である。図１のダイの拡大描写を示す図である。図１の装置のダイと別個の層の間の電気的接続の１つの例を示す図である。図１の線４−４に沿った方向の、ダイの断面描写を示す図である。図１の線５−５に沿った方向の、ダイの断面描写を示す図である。図１の線６−６に沿った方向の、ダイの断面描写を示す図である。図１の装置の追従部品の１つの例を示す図である。図１の装置のダイの別の例を示す図である。図１の装置のダイのまた別の例を示す図である。図１の装置のダイのさらに別の例を示す図である。図１の装置のダイのウェハ加工パターンの１つの例を示す図である。

Claims

ダイを別個の層と電気的および機械的に連結するように働く電気的インターフェース部品を支持するための複数の追従部品を含む装置であって、
前記電気的インターフェース部品は、前記ダイのインターフェース表面上に配置され、
前記インターフェース表面は、前記別個の層と対向し、
電気的コンタクトは、前記ダイの複数の素子層のうちの第２の表面に配置され、
接続経路は、前記電気的インターフェース部品と電気的コンタクトを電気的に接続し、
前記複数の追従部品は、前記ダイのインターフェース表面のエッチングされた井戸状穴部に配置され、
前記ダイは、前記追従部品が前記エッチングされた井戸状穴部内にあるように、前記エッチングされた井戸状穴部および前記追従部品の両方を形成するようなパターンでエッチング又はマイクロ・マシニング加工されており、
前記エッチングされた井戸状穴部は、前記追従部品の移動のための空間を提供し、
前記ダイと前記別個の層の間での相対的な平行移動、回転、および膨張が生じても、前記複数の追従部品が前記ダイおよび前記別個の層の応力を緩和するように働く装置。
前記接続経路は、前記別個の層へ向けた前記電気的コンタクトからの信号を、電気的インターフェース部品へ伝え、前記電気的インターフェース部品は、その信号を前記別個の層へ伝える請求項１記載の装置。
前記追従部品と前記ダイの一部が一体となった構造である請求項１記載の装置。
前記追従部品は、前記ダイの材料と異なる材料からなり、前記ダイに取り付けられている請求項１記載の装置。
前記ダイは、中心点を有し、その中心点と電気的インターフェース部品間の距離で定義される半径を有し、
前記追従部品は前記ダイの半径に対して垂直方向に向けて配置される請求項１記載の装置。
前記半径方向に前記ダイと前記別個の層間の前記相対的な膨張が生じる際に、前記追従部品は前記相対的な膨張に追従し、前記ダイと前記別個の層の応力を緩和するように変形する請求項５記載の装置。
前記相対的な平行移動が周期的な振動である請求項１記載の装置。
前記追従部品は、可撓性のアームを含み、
前記ダイの軸の周りで前記ダイと前記別個の層間に前記相対的な回転が生じる際、前記可撓性のアームは、前記相対的な回転に追従し、前記ダイと前記別個の層の応力を緩和するように変形する請求項１記載の装置。
前記ダイがマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）である請求項１記載の装置。
前記ダイが加速度計を含む請求項１記載の装置。
前記ダイがセンサを含む請求項１記載の装置。
前記別個の層が１つまたは複数の基板および回路基板を含む請求項１記載の装置。
前記追従部品が、可撓性のアームを含み、
前記ダイと前記別個の層間の前記相対的な膨張が生じる際、前記可撓性のアームは、その相対的な膨張に追従し、前記ダイと前記別個の層中の応力を緩和するように変形する請求項１記載の装置。
複数の追従部品がダイのインターフェース表面中の複数のエッチングされた井戸状穴部内にあるように、前記エッチングされた井戸状穴部および前記追従部品の両方を形成するようなパターンで、予め前記ダイをエッチング又はマイクロ・マシニング加工するステップであって、前記複数の追従部品は、前記ダイと別個の層とを電気的および機械的に連結するように働く電気的インターフェース部品を支持し、前記インターフェース表面は前記別個の層と対向する、ステップと、
前記ダイのインターフェース表面上に前記電気的インターフェース部品を配置するステップと、
電気的コンタクトを前記ダイの複数の素子層のうちの第２の表面に配置するステップであって、接続経路が前記電気的インターフェース部品と前記電気的コンタクトとを電気的に連結する、ステップとを具備し、
前記エッチングされた井戸状穴部が前記追従部品の相対的な運動のための空間を提供し、
前記ダイの前記追従部品の自由自在な移動により、前記ダイと前記別個の層間の相対的な平行移動、回転、および膨張が追従されることを特徴とする、方法。
前記ダイの前記追従部品の自由自在な移動により、前記ダイと前記別個の層間の相対的な平行移動、回転、および膨張が追従されることは、前記ダイと前記別個の層間の相対的な膨張に追従することを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
前記ダイの前記追従部品の自由自在な移動により、前記ダイと前記別個の層間の相対的な平行移動、回転、および膨張が追従されることは、前記ダイと前記別個の層間の相対的な平行移動に追従することを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
前記ダイの前記追従部品の自由自在な移動により、前記ダイと前記別個の層間の相対的な平行移動、回転、および膨張が追従されることは、前記ダイと前記別個の層間の相対的な回転に追従することを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。