JP5048344B2 - 分離応力アイソレータ - Google Patents

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Description

本発明は、センサ装置のパッキングおよび方法に関し、詳細にはマイクロ電気機械システム(MEMS)センサ装置をパッキングするための離隔構造に関する。
加速度計、ジャイロスコープ、および磁気探知器などのマイクロ電機機械システム(MEMS)慣性センサは、一般によく知られており、本特許出願の譲受人であるハネウェルインターナショナル社(Honeywell International,Incorporated)より市販されている。MEMS慣性センサ装置機構は、ホウケイ酸塩ガラスまたはシリコンダイ上に取り付けられた薄い(20〜200μm)シリコン層で形成されている。次に、MEMSセンサダイは一般に、セラミックやプラスチックなどの異種材料で形成された別のパッケージ基板内に取り付けられる。これらの異種のパッケージ材料は、ガラスまたはシリコンダイ材料の熱膨張係数(CTE)の2倍ものCTEを有することがある。ダイマウントが必然的に高温で行われるため、室温まで冷却する間にダイに加わる圧力により、パッケージがダイを圧搾し、それがバイアスなどの性能ばらつきをもたらし、修復不能の損傷を引き起こす場合もある。動作中、装置機構は、振動および衝撃による応力をもしばしば受けることになり、それが損傷を引き起こし、破局的損傷を引き起こすこともある。
MEMS慣性センサ装置機構は、どちらも機構層(mechanism layer)全体に微細な特定形状をエッチングするものである反応性イオンエッチング(RIE)または深掘反応性イオンエッチング(DRIE)を用いて形成される。これらのプロセスは、薄い機構層のx−y面内に複雑な形状の構造を形成することを可能にするが、深さ以外にz方向に制御することができず、複雑なクッキーの抜き型にかなり類似している。装置機構は、ダイのどの場所に取り付けられてもよく、あるいは、外部入力に応答して動くように切り離されていてもよい。
MEMS慣性センサ装置機構のパッケージ基板からの離隔は、通常、機構ダイの下に、ダイまたは基板のCTEに近いか、あるいはダイのCTEと基板のCTEの間のCTEを有する離隔材の形をとる。
図1および図2は、それぞれ従来技術の典型的な離隔機構を示す上面図および側面図である。従来のMEMS静電容量読取式慣性センサ装置(capacitance readout force transducer)1では、通常、機構ダイ2が「表を上にして」取り付けられ、ダイ2の上面上に、すなわちパッケージ基板4とは反対側に装置機構3が配置される。装置機構3は、上側ダイ表面6上に形成されたコンデンサ極板5の上にダイ2から間隔をおいて配置される。装置機構3は、例示であり限定するものではないが、上側ダイ表面6にアンカ7によって取り付けられる。コンデンサ極板5および装置機構3から上側ダイ表面6上のワイヤ接着パッド9まで、導電経路または金属化トレース8が導かれる。
機構ダイ2は、例示であり限定するものではないが、パッケージ基板4および下側ダイ表面15の上にそれぞれ形成された接着パッド13および14の間の金、アルミニウムまたははんだスタッドバンプ(アルミニウムまたははんだを瘤のような塊にしたもの)11を使用して、パッケージ基板4に取り付けられる。その後、ワイヤ接着パッド9とパッケージ基板4上に形成されたワイヤ接着パッド17との間に接合された導電性ワイヤ16により、機構ダイ2とパッケージ基板4との間で電気的に接触する。
MEMS慣性センサ装置機構1のパッケージ基板4からの離隔は一般に、下側ダイ表面15と基板4の上側表面19との間に配置された離隔材18によってもたらされ、離隔材18は、ダイ2または基板4のCTEに近いか、あるいはダイ2および基板4のCTEの間のCTEを有する。
ダイと基板の間に置かれた離隔材をベースにしたそのような離隔機構は、多くの用途で有効であるが、依然として、検知装置においてバイアスなどの性能ばらつきをもたらしうるCTEの差異を示す。
米国特許出願第11/084,978号 米国特許第6,910,379号
本発明の目的は、分離応力離隔構造(discrete stress isolation structure)を有するマイクロ電気機械システム(MEMS)慣性センサ装置を提供することである。
本発明の装置は、機構ダイおよびパッケージを備える。本発明の装置は、機構ダイおよびパッケージ基板が、互いに大きく異なる熱膨張係数(CTE)を有する、互いに異なる材料で形成される用途で等しく有用である。機構ダイおよびパッケージ基板は、互いに離間されており、ほぼ平行である。容量性装置機構(capacitive device mechanism)が、機構ダイとパッケージ基板との間で機構ダイに取り付けられる。この装置機構は、パッケージ基板に面する機構ダイの表面から隔置され、その機構ダイに1つまたは複数のアンカによって取り付けられる。機構ダイは、装置機構がパッケージ基板に面し、且つ、それから隔置された状態で位置付けられる。装置機構をパッケージ基板から隔置させるために、複数の分離応力離隔構造が機構ダイとパッケージ基板の間に置かれる。機構ダイは、パッケージ基板の表面上に設けられた金属化接着パッドに、離隔構造上のそれぞれの金属化接着パッドによって電気的かつ機械的に結合される。
本発明の一態様によれば、離隔構造上のそれぞれの金属化接着パッドと、パッケージ基板の表面上に設けられた金属化接着パッドとの間の電気的機械的結合が、従来の金スタッドバンプ・フリップチップ(GSBFC)技術を用いて行われる。
本発明の他の態様によれば、容量性装置機構は、差動容量(differential capacitance)を測定するために構成された可動部分を含み、この可動部分は、装置機構の面内であるいは外部入力に応答して面外で動くように構成されている。
本発明の他の態様によれば、容量性装置機構は、外部入力によって生じた動きに応答して差動容量を測定するために、機構ダイの対向する表面上に形成された1つまたは複数のコンデンサ極板の上に位置付けられた可動部分を含む。
本発明の他の態様によれば、センサ装置は、容量性装置機構の上に取り付けられたカバープレートをオプションとして備え、したがって、容量性装置機構は、オプションの両面装置機構である。本発明のこの態様によれば、カバープレートには、本発明の応力離隔構造の隙間として位置付けられた開口部が構成される。さらに、パッケージ基板には、カバープレートを収容するように構成された隙間開口部が形成される。さらに、パッケージ基板には、隙間開口部の中へ延び、応力離隔構造に対応するように位置付けられ、かつ金属化接着パッドを表面上に備えるフィンガが形成される。
本発明の他の態様によれば、比較的厚いハンドル層と比較的薄い活性層との間に絶縁層を有するベースウェハの本発明のセンサ装置を形成する方法であり、機構ダイがハンドル層内に形成され、機構装置が活性層内に形成され、アンカによって機構装置を機構ダイに取り付け、分離応力離隔構造が、機構装置とは無関係にかつそれから離隔して活性層内に形成されるとともに、離隔構造と機構ダイの間に形成された1つまたは複数のアンカによって機構ダイに取り付けられる、方法が提供される。この方法は、機構装置と、離隔構造のうちの1つまたは複数との間に導電経路を形成すること、パッケージ基板の表面に面する離隔構造の表面上に1つまたは複数の金属化接着パッドを形成することによって、機構ダイをパッケージ基板に取り付けること、ならびに、離隔構造の表面上の金属化接着パッドのうちの1つまたは複数をパッケージ基板の表面上の電気インタフェースパッドのうちの対応する1つに付着させることによって、離隔構造をパッケージ基板の表面上の電気インタフェースパッドに取り付けること、を含む。
本発明の方法の他の態様によれば、離隔構造の表面上の金属化接着パッドのうちの1つまたは複数を、パッケージ基板の表面上の電気インタフェースパッドのうちの対応する1つに付着させることは、離隔構造の表面上の金属化接着パッドとパッケージ基板の表面上の対応する電気インタフェースパッドとの間に1つまたは複数のスタッドバンプを形成することによって実現される。
本発明の方法の他の態様によれば、その方法は、カバープレートを、機構装置の、機構ダイとは反対側の部分に取り付けること、離隔構造のそれぞれの周囲に隙間をもたらすような大きさの1つまたは複数の開口部を有するカバープレートを形成すること、パッケージ基板内に隙間開口部を形成すること、カバープレートを収容するための隙間開口部を構成すること、ならびに、パッケージ基板内の隙間開口部内にカバープレートを入れ子にすること、を含む。
本発明の方法の他の態様によれば、その方法は、離隔構造とインタフェースをとるために位置付けられた隙間開口部の内側に、電気インタフェースパッドがその上に形成されているパッケージ基板の表面を形成する1つまたは複数のフィンガを形成することによって、カバープレートを収容するためにパッケージ基板内に隙間開口部を構成することを含む。
本発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態が添付図面に関連して詳細に説明されている以下の記述から明らかになるであろう。
本発明の前述の態様およびそれらに付随する利点の多くは、添付図面に関連してなされたときに、以下の詳細説明を参照することによってより良く理解されるようになるので、より容易に理解されるであろう。
図において同じ番号は同じ要素を示す。
図3は、明瞭にするためにパッケージ基板が削除されているマイクロ電気機械システム(MEMS)慣性センサ装置100と組み合わせた本発明の分離応力離隔構造を示す底面図であり、図4は、それぞれが大きく異なる熱膨張係数(CTE)を有する異なる材料で形成された機構ダイ102およびパッケージ基板104を備える、図3に示されたMEMS慣性センサ装置100の側断面図である。例えば、機構ダイ102は、通常はホウケイ酸塩ガラスまたはシリコンで形成され、別個のパッケージ基板は、異なる材料、通常はセラミックまたはプラスチックで形成される。
機構ダイ102および機構装置106は、例えば、比較的厚い「ハンドル」層107と比較的薄い「活性」層109との間に挟まれ、かつ実質的にそれらと接触している厚みがわずかに数ミクロンの埋込み誘電体層または絶縁層105を有するシリコン・オン・インシュレータ(SOI)ベースウェハ103で形成される。例えば、活性層109は一般に、周知の従来の方法を用いて、ハンドル層107の上の絶縁層105上に取り付けられたまたは成長させられた薄い(20〜200ミクロン)シリコン層で形成される。ハンドル層107および活性層109は、どちらも単結晶シリコン(SCS)半導体材料で形成される。SOIベースウェハ103は一般に、市販のタイプのものである。あるいは、ハンドル層107は、ホウケイ酸塩ガラスウェハなどの絶縁基体ウェハであり、活性層109は、ハンドル層107上に取り付けられたSCSまたはSOIデバイスウェハである。機構ダイ102はハンドル層107内に形成され、機構装置106は活性層109内に形成される。
装置機構106は、絶縁層105を介して機構ダイ102に機械的および電気的に結合されて取り付けられるが、図示のように外部入力に応答して動くように部分的に切り離されていてもよい。例示であり限定するものではないが、装置機構106は、外部入力に応答して差動容量を測定するように構成された容量性装置機構などのMEMS慣性センサ装置機構106である。装置機構106は、MEMS慣性センサ機構として構成される場合、複数のコンデンサ110を形成してそれらの間の差動容量を測定するために、機構ダイ102に対して配置されてもよい。したがって、装置機構106の一方の表面112は、機構ダイ102の第1の表面114とほぼ平行にかつそれから離間されて配置されるとともに、第1の表面114上に1つまたは複数のコンデンサ116が設けられるように位置付けられ、それによって、装置機構106の表面112と、コンデンサ極板116との間に1つまたは複数のコンデンサ110を形成する。
例えば、機構装置106の可動部分118が、機構ダイ102から容量性空隙120によって隔置され、それによって、それらの間にコンデンサ110が形成される。容量性空隙120は、装置機構106と機構ダイ102の間に、例えば、開示されているような当技術分野で周知の従来の微細加工を用いて誘電体層または絶縁層105を選択的にエッチングすることによって形成される。例えば、参照により本明細書に組み込まれているとともに本願の譲受人によって共同所有されている、2005年3月21日にIjaz H.JafriおよびJonathan L.Kleinの名義で出願された同時係属の米国特許出願第11/084,978号、「Method of Manufacturing Vibrating Micromechanical Structures」を参照されたい。
可動部分118は、機構ダイ102にアンカ124を介して連結された1つまたは複数の屈曲部122上に支持される。したがって、可動部分118は、屈曲部122の両側に位置付けられた可動部分118の第1および第2のシーソー部分118a、118bの間で差動容量を測定するために、面外に自由に動く。
あるいは、機構装置106は、機構装置106の可動部分118上の互いにかみ合って動く櫛歯と、固定部分上の固定櫛歯との間に形成された複数の微分コンデンサを有する面内櫛形静電容量読取式力変換器(in−plane comb−type capacitive readout force transducer)として製作される。例えば、面内の機構装置106は、例示であり限定するものではないが、参照により本明細書に組み込まれるとともに本願の譲受人によって共同所有されている、2005年6月28日に本発明の発明者に発行された米国特許第6,910,379号、「Out−of−Plane Compensation Suspension for an Accelerometer」で開示されたタイプのものである。
装置機構106をパッケージ基板104の第1の表面128から隔置させるために、複数の分離応力離隔構造126が機構ダイ102とパッケージ基板104との間に置かれる。離隔構造126は、装置機構106と同じシリコン層内に形成され、したがって装置機構106と同一平面にある。しかし、離隔構造126は、装置機構106から物理的に離隔されている。離隔構造126は、例えば、装置機構106を形成するのと同時に、どちらも離隔構造の全厚みに微細な特定形状をエッチングするものである同じ反応性イオンエッチング(RIE)または深掘反応性イオンエッチング(DRIE)プロセスを用いて形成される。当技術分野で周知のように、これらのプロセスは、離隔構造のx−y面内に複雑な形状の構造を形成することを可能にするが、深さ以外にz方向に制御することができず、複雑なクッキーの抜き型にかなり類似している。したがって、離隔構造126は、それらの全厚みにわたってほぼ一定の断面になる。別法として、装置機構106および離隔構造126は、水酸化カリウム(KOH)などの適切なエッチング液中で異方性エッチングなどの従来のウェットエッチング法によって形成される。離隔構造126は、複雑な形状を有して形成されうるが、ここでは実質的に平面でありかつ相互に平行な離間された第1および第2の表面130、132を有する単純な正方形または長方形として例示されている。オプションとして、離隔構造126のそれぞれは、1つまたは複数の屈曲部138で連結された互いに離隔する第1および第2の部分134、136を含む。例示であり限定するものではないが、第1および第2の互いに離隔する部分134、136は、1つ、2つまたは全ての離隔構造126の全厚みtにわたって形成されたスロットによって設けられた間隙140の両側で離間される。第1の部分134は、機構ダイ102を1つまたは複数のアンカ142によって連結することによって支持される。ハンドル層107が絶縁基体ウェハである場合、本明細書で論じたように、アンカ142は、絶縁材料内に、例えば開示されているような当技術分野で周知の従来の微細加工を用いて選択的にエッチングすることによって形成される。あるいは、ハンドル層107が半導体材料である場合、アンカ142は、例えば誘電体層または絶縁層105内を選択的にエッチングすることによって形成される。導電経路144は、装置機構106と、離隔構造126の機構ダイ102とは反対側の表面132上に位置する金属化接着パッド146との間に電気信号キャリアをもたらす。
離隔構造126は、機構ダイ102とパッケージ基板104の間に実質的に平衡パターンで置かれる。例えば、図示のように、3つの離隔構造126が、機構ダイ102とパッケージ基板104との間に三角形のパターンで置かれる。あるいは、3つよりも多いまたは少ない離隔構造126が使用され、例えば、4つの離隔構造126が正方形または長方形のパターンで使用されてもよく、5つの離隔構造126が五角形のパターンで使用されてもよく、6つの離隔構造126が六角形のパターンで使用されてもよく、さらに多くの離隔構造126が他の平衡パターンで使用されてもよい。
機構ダイ102の取付けは、離隔構造126によって実現される。例示であり限定するものではないが、取付けは、よく知られた従来の金スタッドバンプ・フリップチップ(GSBFC)技術を用いて実現される。したがって、1つまたは複数の金、アルミニウムまたははんだスタッドバンプ148が、離隔構造126の表面132上の金属化接着パッド146と、応力離隔構造126の金属化接着パッド146の実質的なミラーイメージとしてパッケージ基板104の第1の表面128上に設けられた別の金属化接着パッド150との間に形成される。したがって、スタッドパンプ148は、機構ダイ102とパッケージ基板104の間に、それらの間に置かれた離隔構造126によって電気機械接続部を形成する。
したがって、機構ダイ102は、パッケージ基板104に、装置機構106がそれらの間に配置されかつ第1の表面128に面するがそれから隔置された状態で取り付けられる。表面128上のまたはパッケージ基板104内の回路は、機構ダイ102および装置機構106への外部電気接続部としての電気経路を提供する。
図5は、明瞭にするためにパッケージ基板104が削除されている代替マイクロ電気機械システム(MEMS)慣性センサ装置200と組み合わせた本発明の分離応力離隔構造126を示す底面図であり、図6は、図5に示されたMEMS慣性センサ装置200の側断面図である。代替MEMS慣性センサ装置200は主として、カバープレート202が取り付けられているとともに、そのカバープレート202を収容するためにパッケージ基板104内に空間が設けられているという点で、センサ装置100とは異なる。例示であり限定するものではないが、カバープレート202は、装置機構106の機構ダイ102とは反対側に追加のアンカ124によって取り付けられ、したがって、代替センサ装置200は、一般に当技術分野で周知のように、機構装置106の表面112と、機構ダイ102およびカバープレート202にそれぞれ対向する表面114および204上に形成されたコンデンサ極板116との間に形成された微分コンデンサ110を有する両面装置である。従来技術の装置では、そのような両面装置を取り付けるために、機構ダイ102とカバープレート202のうちの一方が使用された。対照的に本発明では、本明細書で上述したように、機構ダイ102を取り付けるために離隔構造126のパターンが設けられる。図示のように、カバープレート202は、カバープレート202が離隔構造126のそれぞれの周囲に隙間をもたらすような大きさの1つまたは複数の開口部206を含むことを除けば、機構ダイ102と同じサイズおよび形状で形成される。
図7は、パッケージ基板104を、カバープレート202の輪郭を通過するような大きさの隙間開口部208が設けられているものとして示す。離隔構造126のパターンとインタフェースをとるために、1つまたは複数のフィンガ210が開口部208の内側に設けられる。金属化接着パッド150が、パッケージ基板104の第1の表面128上に、応力離隔構造126上の金属化接着パッド146の実質的なミラーイメージで設けられる。1つまたは複数の金、アルミニウムまたははんだスタッドバンプ148が、離隔構造126の表面132上の金属化接着パッド146と、別の金属化接着パッド150との間に形成される。したがって、スタッドパンプ148は、機構ダイ102とパッケージ基板104の間にそれらの間に置かれた離隔構造126によって電気機械接続部を形成する。
従来技術のMEMS静電容量読取式慣性センサ装置の上面図である。 図1に示されたMEMS静電容量読取式慣性センサ装置を含む、従来技術のMEMS慣性センサパッケージの側面図である。 明瞭にするためにパッケージ基板部分が削除されているマイクロ電気機械システム(MEMS)慣性センサ装置と組み合わせた本発明の分離応力離隔構造を示す底面図である。 パッケージ基板部分を含む図3のMEMSセンサ装置を備える本発明の小型MEMS慣性センサパッケージの断面図である。 明瞭にするためにパッケージ基板が削除されている代替MEMS慣性センサ装置と組み合わせた本発明の分離応力離隔構造を示す底面図である。 パッケージ基板部分を含む図5のMEMSセンサ装置を備える本発明の小型MEMS慣性センサパッケージの断面図である。 センサ機構を覆うカバープレートの輪郭を通過するような大きさの隙間開口部が設けられた図6の代替パッケージ基板を示す図である。
符号の説明
100 MEMS慣性センサ装置
102 機構ダイ
103 SOIベースウェハ
104 パッケージ基板
105 誘電体層、絶縁層
106 装置機構、機構装置
107 ハンドル層
109 活性層
110 コンデンサ
112 表面
114 表面
116 コンデンサ極板
118 可動部分
120 容量性空隙
122 屈曲部
124 アンカ
126 離隔構造
128 第1の表面
130 第2の表面
132 表面
134 第1の部分
136 第2の部分
138 屈曲部
140 間隙
142 アンカ
144 導電経路
146 金属化接着パッド
148 スタッドバンプ
150 金属化接着パッド
200 MEMS慣性センサ装置
202 カバープレート
204 表面
206、208 開口部
210 フィンガ

Claims (10)

  1. マイクロ電気機械システム(MEMS)センサ装置であって、
    パッケージ基板と、
    前記パッケージ基板から隔置された機構ダイと、
    前記機構ダイと前記パッケージ基板との間で前記機構ダイから垂下するように取り付けられた機構装置と、
    前記機構ダイと前記パッケージ基板との間に置かれ、前記機構ダイを前記パッケージ基板に取り付けている1つまたは複数の分離応力離隔構造とを備えるマイクロ電気機械システム(MEMS)センサ装置。
  2. 前記分離応力離隔構造が、前記機構装置と共に単一基板層内に形成される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記分離応力離隔構造が、前記機構ダイに1つまたは複数のアンカによって連結される、請求項1に記載の装置。
  4. 前記分離応力離隔構造上に形成された1つまたは複数の電気インタフェースパッドと、前記パッケージ基板上に形成された1つまたは複数の電気インタフェースパッドとの間に形成されたスタッドバンプをさらに備える、請求項1に記載の装置。
  5. 前記分離応力離隔構造が、1つまたは複数の屈曲部で連結された互いに離隔する第1および第2の部分をさらに含む、請求項1に記載の装置。
  6. 前記機構装置の、前記機構ダイとは反対側の部分に取り付けられたカバープレートをさらに備え、前記パッケージ基板がさらに、前記カバープレートを収容するように構成される、請求項1に記載の装置。
  7. 前記機構装置が、互いに異なるコンデンサ間の差動容量を測定するために構成された装置をさらに含む、請求項1に記載の装置。
  8. マイクロ電気機械システム(MEMS)センサ装置を形成するための方法であって、
    比較的厚いハンドル層および比較的薄い活性層を有するベースウェハのパッケージ基板の表面上に、複数の電気インタフェースパッドを形成するステップと、
    前記ハンドル層内に機構ダイを形成するとともに、前記活性層内に機構装置を形成するステップと、
    前記機構装置と前記機構ダイとの間に1つまたは複数のアンカを形成するステップと、
    前記活性層内に前記機構装置とは無関係に複数の分離応力離隔構造を形成するステップと、
    前記分離応力離隔構造と前記機構ダイとの間に1つまたは複数のアンカを形成するステップと、
    前記機構装置と、前記分離応力離隔構造のうちの1つまたは複数との間に導電経路を形成するステップと、
    前記分離応力離隔構造を、前記パッケージ基板の前記表面上の前記電気インタフェースパッドに取り付けるステップとを含む方法。
  9. 前記活性層内に複数の前記分離応力離隔構造を形成する前記ステップが、1つまたは複数の屈曲部で一緒に連結された互いに離隔する第1および第2の応力離隔構造部分を形成するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
  10. 複数の前記分離応力離隔構造を形成する前記ステップが、前記パッケージ基板の前記表面に面する前記分離応力離隔構造の表面上に、1つまたは複数の金属化接着パッドを形成するステップをさらに含み、
    前記分離応力離隔構造を、前記パッケージ基板の前記表面上の前記電気インタフェースパッドに取り付ける前記ステップが、前記分離応力離隔構造の前記表面上の前記金属化接着パッドのうちの1つまたは複数を、前記パッケージ基板の前記表面上の前記電気インタフェースパッドのうちの対応する1つに付着させるステップをさらに含み、
    前記分離応力離隔構造の前記表面上の前記金属化接着パッドのうちの1つまたは複数を、前記パッケージ基板の前記表面上の前記電気インタフェースパッドのうちの対応する1つに付着させる前記ステップが、前記分離応力離隔構造の前記表面上の前記金属化接着パッドと、前記パッケージ基板の前記表面上の前記対応する電気インタフェースパッドとの間に1つまたは複数のスタッドバンプを形成するステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
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