JP5103163B2 - Ｍｅｍｓモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳモジュールに関するものであり、詳しくは、ＭＥＭＳデバイスがパッケージに実装されてなるＭＥＭＳモジュールに関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスは微小構造の電気機械システムを実現するデバイスであり可動部を有している。そのため、外部から振動、衝撃等の機械的応力が加わると誤動作を生じたり、最悪の場合、破損に至ることもある。

そこで、ＭＥＭＳデバイスのこれらの弱点をカバーするために、ＭＥＭＳデバイスの可動部を堅牢な構造にしたり、ＭＥＭＳデバイスが実装されたモジュールを緩衝材で被包する等の工夫が施されてきた。

また、半導体素子を応力緩和用の緩衝材を介して実装する方法（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）、半導体素子を耐衝撃性に優れたパッケージに実装する方法（例えば、特許文献３参照。）、回路素子が実装されたパッケージ（モジュール全体）を裏返した状態で緩衝材を介してプリント基板に搭載する方法（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。
特開平１１−１８６４６９号公報 特開平５−１３６３３０号公報 特開平１０−２２３７８９号公報 特開平８−１２５４４０号公報

ところで、上述した、ＭＥＭＳデバイスの可動部を堅牢な構造にする方法は、ＭＥＭＳデバイスの動作特性を低下させることになり、例えばＭＥＭＳデバイスが光スキャナ機能を有する場合、可動ミラー部の偏向に係る捻れバネの剛性を高めることになり、可動ミラー部で得られる最大偏向角が小さくなる。

ＭＥＭＳデバイスが実装されたモジュールを緩衝材で被包する方法は、緩衝材を含めたモジュールの大型化を招き、本来小型で高機能性を有するＭＥＭＳデバイスの利点を損なうことになる。

半導体素子を応力緩和用の緩衝材を介して実装する方法は、ＭＥＭＳデバイスの可動部の動作を妨げないように裏面全面を緩衝材に触れさせることはできない。更に、Ｓｉ基板のＭＥＭＳデバイスの場合、ゴム等の緩衝材の熱膨張係数とＳｉ基板の熱膨張係数の間には大きな差があり、環境温度の上昇に伴って緩衝材とＳｉ基板の界面に加わる熱応力が大きくなる。この熱応力がＭＥＭＳデバイスの機械的特性に悪影響を及ぼし、特性劣化を招くことになる。

パッケージに緩衝能力を持たせる方法は、外部からの圧力を受けることによりパッケージ自体が歪み、その歪みがパッケージに実装されたＭＥＭＳデバイスに応力として加わってＭＥＭＳデバイスが破損する恐れがある。

回路素子が実装されたパッケージを裏返した状態で緩衝材を介して基板に搭載する方法は、モジュールが基板に搭載された状態おいてはＭＥＭＳデバイスも同様に裏返し状態となり、光学機能を有するＭＥＭＳデバイスのようにモジュールの上方から作用を及ぼすデバイスには採用できない。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、ＭＥＭＳデバイスの構造に係わりなく、且つＭＥＭＳデバイスが直接緩衝材に触れることのない構造でありながら、外部からの振動、衝撃等の機械的応力から保護されて常時良好な諸特性を発揮することが可能な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に、本発明の請求項１に記載された発明は、
ＭＥＭＳデバイスと、
前記ＭＥＭＳデバイスが実装されたパッケージを有し、
前記パッケージは前記ＭＥＭＳデバイスが載置された台座部及び前記台座部に設けられたリードピン挿通孔に挿通されたリードピンを備え、
前記リードピン挿通孔と前記リードピンの間に隙間が設けられていると共に、前記隙間に柔軟性を有する緩衝材が充填されて前記リードピンが前記台座部に固定されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記緩衝材はエラストマからなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記エラストマはシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びニトリルゴムのうちの１つであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記リードピンは、前記台座部の前記ＭＥＭＳデバイスが載置される面よりも突出していることを特徴とするものである。

本発明は、ＭＥＭＳデバイスを実装するパッケージの台座部１９に設けられたリードピン挿通孔に隙間を設けてリードピンを挿通し、該隙間に柔軟性を有する緩衝材を充填して台座部にリードピンを固定するようにしたものである。

その結果、リードピンが受けた外部からの振動、衝撃等の機械的応力から保護されて常時良好な諸特性を発揮することが可能なＭＥＭＳモジュールを実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図９を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

実施例１はＭＥＭＳデバイスを用いた光偏向器モジュールである。光偏向器モジュール１は図１（分解立体図）に示すように光偏向機能を有するＭＥＭＳデバイス２とパッケージ３で構成され、図２（斜視図）及び図３（断面図）に示すようにＭＥＭＳデバイス２をパッケージ３の台座部１９上に実装した構造となっている。

図１において、符号４はＳＯＩ基板、１２ａ〜１２ｄは圧電アクチュエータ部、１３はミラー部、１５ａ〜１５ｄは振動部、１６ａ、１６ｂは弾性支持部である。図１、図２及び図３において、符号１９は台座部、２０はリードピン、２２は緩衝材である。

ＭＥＭＳデバイスの製造方法について図４の工程図を参照して説明する。

図４（ａ）の工程において、基板を３層構造のＳＯＩ基板４とし、層厚２μｍの中間酸化膜層（Ｂｏｘ層）５を挟んだ両側に、層厚５２５μｍの単結晶シリコンからなる支持層（Ｈａｎｄｌｅ層）６と層厚３０μｍの単結晶シリコンからなる活性層（ＳＯＩ層）７が位置している。そして、ＳＯＩ基板４の全表面に拡散炉を用いて膜厚５００ｎｍのＳｉＯ_２膜（熱酸化シリコン膜）８を成膜する。

（ｂ）の工程において、活性層７上のＳｉＯ_２膜８上にスパッタ法により該ＳｉＯ_２膜８側から順次膜厚５０ｎｍのＴｉ膜及び膜厚１５０ｎｍのＰｔ膜を成膜し、２層構造の下部電極９を形成する。

次に、反応性アーク放電イオンプレーティング法（特開２００１−２３４３３１号公報、特開２００２−１７７７６５号公報、及び特開２００３−８１６９４号公報を参照）により下側電極９のＰｔ膜上に膜厚３μｍの、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛膜（以下、ＰＺＴと呼称する）を成膜し、圧電膜１０を形成する。

更に、圧電膜１０上にスパッタ法により膜厚１５０ｎｍのＰｔ膜を成膜し、上部電極１１を形成する。

（ｃ）の工程において、フォトリソ技術及びドライエッチング技術によりＰｔ上部電極１１のパターニングを行い夫々分離独立した４箇所の上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを形成し、同様にＰＺＴ圧電膜１０及びＰｔ／Ｔｉ下部電極９のパターニングを行い夫々上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの下側に位置する圧電膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び下部電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを形成し、実質３層構造の圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを作製する。

このとき、Ｐｔ／Ｔｉ下部電極９の中央部はレジストによってドライエッチングから保護され、残った下部電極９ｅはＭＥＭＳデバイスのミラー部１３を構成する反射膜として機能する。

なお、ミラー部１３の光反射効率を高める場合には、ＡｌあるいはＡｕ等の金属反射材料をスパッタ成膜した後、フォトリソ技術及びドライエッチング技術によりミラー部１３の下部電極９ｅ上にＡｌあるいはＡｕ等による金属反射膜を形成する。

（ｄ）の工程において、圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及びミラー部１３が形成された側の面を全面に亘って厚膜レジストで保護し、支持層６側のＳｉＯ_２膜８をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した後に支持層６上にＡｌ膜１４をスパッタ成膜する。更にその後、フォトリソ技術及びドライエッチング技術によりＡｌ膜１４のパターニングを行い、Ａｌ膜１４によるＩＣＰ−ＲＩＥのハードマスクを形成する。

（ｅ）の工程において、圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及びミラー部１３が形成された側の面に設けられた厚膜レジストを剥離し、再度同面側からフォトリソ技術によるレジストパターンをマスクにしてＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いてＳＯＩ基板４の活性層７上のＳｉＯ_２膜８及びＳＯＩ基板４の活性層７の不要な部分を除去加工する。

すると、ＳＯＩ基板４の中間酸化膜層５上に、夫々分離独立したミラー部１３、各圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの下側に位置する振動部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、及び弾性支持部１６ａ、１６ｂが形成される。

（ｆ）の工程において、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングにより不要な部分の支持層６を除去加工し、ミラー部１３の揺動空間１８を形成する。

（ｇ）の工程において、不要な部分の中間酸化膜層５をＢＨＦ溶液で除去し、ミラー部１３の揺動空間１８を形成する。

その後、後工程のダイシング工程において上述のＳＯＩウエハを切断分割することにより、個片化した複数の、光偏向機能を有するＭＥＭＳデバイス２が完成する。

上記製造工程を経て作製されたＭＥＭＳデバイス２を実装するパッケージ３は、図３のように、ＭＥＭＳデバイス２を実装するパッケージ３の台座部１９に設けられたリードピン挿通孔１７にリードピン２０が挿通され、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の間に隙間が設けられている。

リードピン２０は台座部１９を貫通する直線状のストレートピンで互い平行に並設されており、リードピン２０の、台座部１９のＭＥＭＳデバイス２が実装される側の端面２０ａは、台座部１９のＭＥＭＳデバイス実装面１９ａから約６００μｍ突出した位置にある。

隙間はリードピン２０が台座部１９に対して動きうる最大移動量以上に確保され、具体的には最大１．０ｍｍ、通常は約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。つまり、リードピン２０の径に対して台座部１９のリードピン挿通孔１７の径が最大２ｍｍ大きく、通常は約０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ大きい。

リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間には絶縁性及び柔軟性を有する緩衝材２２が充填されて、リードピン２０がパッケージ３の台座部１９に固定されている。緩衝材２２はエラストマであることが好ましく、エラストマのうちでもシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びニトリルゴムがより好ましい。樹脂材料の場合はその一部をゲル化したものが用いられるものもある。

緩衝材２２は、ディスペンサによる定量注入、或いはスクリーン印刷等の方法によりリードピン挿通孔１７内に充填後、加熱硬化される。

そこで、台座部１９とリードピン２０は直接接触することはなく、且つ緩衝材が可逆的弾性や電気的絶縁性を有しているため、リードピン２０が受けた外部からの振動、衝撃等の機械的応力は緩衝材で緩和されてＭＥＭＳデバイスでは低減され、また、緩衝材が絶縁性を有するために台座部１９が金属等の導電性材料からなる場合、台座部１９とリードピン２０との良好な絶縁耐圧を確保することができる。

なお、必要に応じて光学窓付きの封止キャップをＭＥＭＳデバイス２上方に、台座部１９と一体に真空封止する場合があり、その場合に備えて有害なガスに発生しない緩衝材を用いる必要がある。

上記パッケージ３の台座部１９上にＭＥＭＳデバイス２を実装する方法は、図２のように、接着剤による接着、半田による接合、異種金属による共晶接合等が挙げられ、いずれの方法においてもＭＥＭＳデバイス２と台座部１９は互いに強固に接合される。

各リードピン２０の端面２０ａとＭＥＭＳデバイス２の電極パッド（圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの上部電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）をボンディングワイヤ２１で接続し、リードピン２０とＭＥＭＳデバイス２の電気的導通を図って光偏向器モジュール１が完成する。

ボンディングワイヤ２１は、台座部１９が移動しても引張り応力の影響を受けないように架空配線に遊びを設けて余裕を持たせ、機械的信頼性を確保している。

次に、上記光偏向器モジュールについて行った動作試験及びその試験結果について説明する。外部電源から光偏向器モジュール１のリードピン２０及びボンディングワイヤ２１を介して、分離独立して設けられた４箇所の圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのうち２箇所の圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂに正弦波のバイアス電圧を印加した。印加電圧は周波数５ｋＨｚ、振幅（Ｖｐｐ）２０Ｖであった。

同時に、他の２個所の圧電アクチュエータ部１２ｃ、１２ｄに前記印加電圧と周波数及び振幅が同一で位相のみが異なる（逆位相）正弦波のバイアス電圧を印加し、そのときのミラー部１３の回転振動について検証を試みた。

検証方法として、ミラー部１３の反射面にＨｅ−Ｎｅレーザからのレーザ光を照射し、該ミラー部１３の反射面で反射された反射光を所定の距離をおいて配置されたスクリーンに投影することによりミラー部１３の回転角度を算出した。その結果、回転角度は±１０°であることがわかった。

つまり、本実施例の光偏向器モジュール１は、ＭＥＭＳデバイス２の電圧アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの駆動周波数を弾性支持部１６ａ、１６ｂを含むミラー部１３の機械的共振周波数（５ｋＨｚ）と一致させることにより、低電圧駆動でもミラー部１３の回転振動の回転角を大きくできることが実証できた。

更に、耐衝撃性及び耐振動性に係る性能を確認するために、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間にウレタン樹脂を充填した本実施例の光偏向器モジュール１と、リードピン挿通孔１７に対するリードピン２０の固定材としてガラスを用いた従来のモジュール（比較例）の比較試験を行った。

試験項目は、ＪＩＳ Ｃ６００６８−２−２７に基づく衝撃試験、ＪＩＳ Ｃ６００６８−２−３２に基づく自然落下試験、及びＪＩＳ Ｃ６００６８−２−６に基づく正弦波振動試験であった。なお、全ての試験において、光偏向器モジュールは適当な筺体の中に固定した上で試験を実施した。

その結果、衝撃試験においては、実施例のものが１５００Ｇの衝撃に対して異常が認められなかったのに対し、比較例は１０００Ｇ以下の衝撃において細い弾性支持部が破損した。振動試験においては、実施例のものが２５０Ｇ以上の振動に対して異常が認められなかったのに対し、比較例は１００Ｇ以下の振動において劣化が見られた。

特に、緩衝材にガス透過性の少ないエラストマ（例えば、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等）を用いることにより、光学窓付きの封止キャップに対する０．１気圧までの減圧封止においても問題は発生しなかった。

従って、本発明の光偏向器モジュールは、ＭＥＭＳデバイスの構造を考慮することなく、且つＭＥＭＳモジュールがＭＳデバイスが直接緩衝材に触れることのない構造でありながら、外部から振動、衝撃等の機械的応力から保護されて常時良好な諸特性を発揮することが可能となる。

実施例２はＭＥＭＳデバイスを用いた２次元光スキャナモジュールであり、図５（斜視図）は２次元光スキャナモジュールに係る、光スキャナ機能を有するＭＥＭＳデバイスを示している。

なお、実施例２は、使用するパッケージが上記実施例１で使用したものと同一構造であると共に、ＭＥＭＳデバイスのパッケージに対する実装方法も実施例１と同様に行われ、ＭＥＭＳデバイスの構造のみが異なる。よって、パッケージの説明及びＭＥＭＳデバイスのパッケージに対する実装方法は省略する。

図５より、光スキャナ機能を有するＭＥＭＳデバイス２はdouble-gimbal構造と呼ばれる「入れ子」構造を有しており、内側のミラー部１３が高速に揺動し、外側の大きな支持体２３が低速で揺動することで光スキャナ機能を果たす。

上記ＭＥＭＳデバイス２を実装した２次元光スキャナモジュールはレーザ走査ディスプレイに応用する場合レーザ光を大きな振れ角で走査することが求められ、そのためにはＭＥＭＳデバイス２のミラー部１３及び支持体２３を構成する構造体の機械的な共振周波数と圧電アクチュエータ部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及び圧電アクチュエータ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの駆動周波数を合致させる必要がある。

更に、ディスプレイとして成立させるためにはミラー部１３のスキャン周波数と支持体２３のスキャン周波数の間に大きな周波数差を設ける必要があり、ＶＧＡの解像度が求められる場合は少なくともミラー部１３のスキャン周波数を１６ｋＨｚ以上、支持体２３のスキャン周波数を６０Ｈｚにしなければならない。

このとき、支持体２３を６０Ｈｚの遅いスキャン周波数で共振駆動させるためには、支持体２３を構成する構造体の大きさを大きくして重量を重くする必要がある。但し、その場合、重量化した支持体２３が衝撃の影響を受け易くなり、衝撃に弱い部分となってしまう。そのため、２次元光スキャナでは、１次元光スキャナ以上に衝撃を緩和する実装形態が重要となる。

実際、耐衝撃性及び耐振動性に係る性能を確認するために、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間にシリコーン樹脂を充填した本実施例の２次元光スキャナモジュールと、リードピン挿通孔１７に対するリードピン２０の固定材としてガラスを用いた従来のモジュール（比較例）の比較試験を行った。試験項目は、ＪＩＳ Ｃ６００６８−２−２７に基づく衝撃試験、ＪＩＳ Ｃ６００６８−２−３２に基づく自然落下試験であった。

その結果、衝撃試験においては、実施例のものが５００Ｇの衝撃に対して異常が認められなかったのに対し、比較例は１００Ｇ以下の衝撃において支持体２３を支持する支持部２４ａ、２４ｂが破損した。

従って、本実施例は比較例に対して、ＭＥＭＳデバイスを実装するパッケージの、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間に緩衝材となるシリコーン樹脂を充填することにより耐衝撃性が著しく向上したことが確認された。

なお、パッケージを構成するリードピンは種々の形態が可能であり、例えば図６（斜視図）及び図７（図６の断面図）のように、パッケージ３に設けられたリードピン２０が台座部１９のＭＥＭＳデバイスを実装する面から突出し、台座部１９の反対側の面に略平行に且つ外側に向かって略直角に折り曲げられた形態とすることも可能である。当然、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間には緩衝材２２が充填されている。このパッケージ３を使用した２次元光スキャナモジュールは回路基板に対して表面実装に適している。

また、図８（斜視図）及び図９（図８の断面図）のように、パッケージ３に設けられたリードピン２０が台座部１９のＭＥＭＳデバイスを実装する面から突出し、台座部１９の反対側の面近傍の突出した部分で係止された形態とすることも可能である。当然、リードピン挿通孔１７とリードピン２０の隙間には緩衝材２２が充填されている。このパッケージ３を使用した２次元光スキャナモジュールも回路基板に対して表面実装に適している。

以上詳細に説明したように、本発明のＭＥＭＳモジュールは、ＭＥＭＳデバイスを実装するパッケージの台座部に設けられたリードピン挿通孔に隙間を設けてリードピンを挿通し、該隙間に緩衝材を充填して台座部にリードピンを固定するようにした。

そのため、リードピンが受けた外部からの振動、衝撃等の機械的応力は柔軟性を有する緩衝材で緩和されてＭＥＭＳデバイスでは低減され、また、緩衝材が絶縁性を有するために台座部とリードピンとの良好な絶縁耐圧を確保することができる。

その結果、衝撃、振動等の外部環境に晒されたとしても、ＭＥＭＳデバイスの構造に関係なく常時良好な諸特性を発揮することが可能なＭＥＭＳモジュールを実現することができた。

本発明の実施例１を示す分解立体図である。 同じく、本発明の実施例１を示す斜視図である。 同じく、本発明の実施例１を示す断面図である。 本発明に係るＭＥＭＳデバイスの製造工程図である。 本発明の実施例２に係るＭＥＭＳデバイスに係る斜視図である。 本発明に係るパッケージの斜視図である。 図６の断面図である。 本発明に係る他のパッケージの斜視図である。 図８の断面図である。

符号の説明

１ 光偏向器モジュール
２ ＭＥＭＳデバイス
３ パッケージ
４ ＳＯＩ基板
５ 中間酸化膜層
６ 支持層
７ 活性層
８ ＳｉＯ_２膜
９ 下部電極
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ 下部電極
１０ 圧電膜
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 圧電膜
１１ 上部電極
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 上部電極
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 圧電アクチュエータ部
１３ ミラー部
１４ Ａｌ膜
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 振動部
１６ａ、１６ｂ 弾性支持部
１７ リードピン挿通孔
１８ 揺動空間
１９ 台座部
１９ａ ＭＥＭＳデバイス実装面
２０ リードピン
２０ａ 端面
２１ ボンディングワイヤ
２２ 緩衝材
２３ 支持体
２４ａ、２４ｂ 支持部
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 圧電アクチュエータ部

Claims (4)

1. ＭＥＭＳデバイスと、
   前記ＭＥＭＳデバイスが実装されたパッケージを有し、
   前記パッケージは前記ＭＥＭＳデバイスが載置された台座部及び前記台座部に設けられたリードピン挿通孔に挿通されたリードピンを備え、
   前記リードピン挿通孔と前記リードピンの間に隙間が設けられていると共に、前記隙間に柔軟性を有する緩衝材が充填されて前記リードピンが前記台座部に固定されていることを特徴とするＭＥＭＳモジュール。
2. 前記緩衝材はエラストマからなることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳモジュール。
3. 前記エラストマはシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びニトリルゴムのうちの１つであることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳモジュール。
4. 前記リードピンは、前記台座部の前記ＭＥＭＳデバイスが載置される面よりも突出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳモジュール。

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