JP7266914B2 - Ｍｅｍｓパッケージ - Google Patents

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年９月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／７３７０８４号に基づく優先権を主張するものであり、その開示内容をここに援用する。
本開示は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置を封入するためのパッケージに関する。
１または複数の機械的可動素子を有するＭＥＭＳ装置は、乾燥雰囲気の確保を目的として、封入パッケージ内にパッケージ化されることが望ましい。場合によっては（例えば、機械的可動素子がストッパなどの別の表面に接触する場合）付着（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）のない動作を実現するために付着防止コーティング（ａｎｔｉ－ｓｔｉｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）が必要とされることがある。また、冷却装置が含まれることもある。これらの要件を満たすパッケージは、高度で複雑なシステムになり得る。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）パッケージは、電子回路が実装される基板を含むＭＥＭＳ装置と、前記電子回路を囲み、フレーム接着層によって前記基板に固定されるフレームと、カバー接着層によって、前記フレームに固定されたカバーとを備える。前記カバーは、前記電子回路を前記フレーム内に封入し、前記フレーム接着層および前記カバー接着層のそれぞれが、少なくとも２つの金属接着層の間にはんだ層を含んでいる。前記はんだ層は、リフローされたはんだボールを含んでいる。
本明細書に教示される実施形態とこれらの実施形態および他の実施形態の変形例を、図を参照して以下に詳細に説明する。
本開示は、添付の図面と併せて読まれるとき、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的プラクティスによれば、図面の種々の特徴が実寸大ではないことを強調しておく。それどころか、様々な特徴の寸法は、明確にするために任意に拡大または縮小されている。
本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージの第一実施例を示す側面図である。 図１のＭＥＭＳパッケージの斜視図である。 本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージの製造におけるはんだ付けステップの結果を示す図である。 図３に示すはんだ付けステップの後に発生するリフローステップの結果を示す図である。 図１に示すＭＥＭＳパッケージの側面図であって、投影レンズに関する反射光を示す図である。 本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージの第二実施例を示す側面図であって、投影レンズに対する反射光を示す図である。 図６のＭＥＭＳパッケージの斜視図である。 吸熱源を含む図１のＭＥＭＳ装置を示す側面図である。 本明細書において記載されるＭＥＭＳパッケージに収容可能なＭＥＭＳ装置の断面図である。
ＭＥＭＳ装置用のパッケージ（ここではＭＥＭＳパッケージとも称す）内において乾燥雰囲気を確保する方法の１つは、気密封止を利用することである。揮発性の有機化合物（ＶＯＣ）を避けるために、気密封止には金属シールが含まれていてもよい。薬剤による金属化、真空蒸発、または、スパッタリングによって金属シール用の金属接着層を設けてもよい。シール表面の平面度は、緊密なシール形成のために、金属接着層の厚みよりも小さくならなければならない。しかしながら、金属接着層の厚みは５ミクロン（例えば１～２ミクロン）の場合がある。金属接着層の厚みより小さい平坦シール表面を形成するのは困難であり、コストがかかる。本明細書の教示内容には、低コストで製造可能な、比較的粗い表面の気密封止を可能にするＭＥＭＳパッケージが記載される。
図１は、本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージ１０００の第一実施例を示す側面図であり、図２は、図１のＭＥＭＳパッケージ１０００の斜視図である。全体として、ＭＥＭＳ装置（ＭＥＭＳ基板１０１０とも称す）のカバー１００１、フレーム１００３、半導体基板１０１０は、接着層１００２、１００７によって気密封止され、１または複数の電子回路用の封入空間を形成する。封入空間は、Ｎ２または不活性ガスで満たされていてもよい。封入空間内の圧力は、１気圧（ａｔｍ）未満であってもよい。
ＭＥＭＳ装置１００９は、ＭＥＭＳ基板１０１０上に形成される。ＭＥＭＳ基板１０１０は、ＭＥＭＳ装置１００９の１または複数の駆動回路を支持する相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）基板であってもよい。ＭＥＭＳ装置１００９は、ディスプレイに形成されるＭＥＭＳ装置の配列を備えていてもよい。可能な実装形態の数、および個々の構成部品の相対的なサイズによって、図１にはＭＥＭＳ装置１００９が詳細には図示されていない。ＭＥＭＳ装置１００９の実施例については、図９のＭＥＭＳ装置１０１を参照して説明する。
ＭＥＭＳ装置１０１は、基板１１１を有する。基板１１１には、少なくとも１つの電子回路が実装されており、本実施例において前記電子回路は１または複数のトランジスタ１１６、１１７である。また、基板１１１には、層間誘電体１１２、１１３、１１４が形成されている。具体的には、層間誘電体１１２は、基板１１１および電子回路の一部（ここではトランジスタ１１６、１１７）に形成されている。層間誘電体１１３は、層間誘電体１１２上に形成され、層間誘電体１１４は層間誘電体１１３上に形成されている。層間誘電体の数はこれよりも多くても少なくてもよい。本明細書において、層間誘電体を絶縁層と称することもある。層間誘電体１１４上、すなわち基板から最も遠い層（例えば、トップ）には、エッチング停止層１１５が形成されている。基板の少なくとも表面には、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、アルミナ（ＡＩ２ＳＯ３）、シリコンまたは酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が含まれていてもよい。
ＭＥＭＳ装置１０１は、層間誘電体１１２、１１３、１１４間の電気配線用に、金属層１３６、１３７、１３８、１３９、１４０、１４１と、電極１２１、１２２、１２３とを有する。また、ＭＥＭＳ装置１０１は、電気配線と電極とを接続するビア１２７、１２８、１２９、１３０、１３１、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を有する。つまり、ＭＥＭＳ装置１０１は、エッチング停止層１１５に実装された１または複数の電極を有しており、これら電極は、層間誘電体によって絶縁された金属層とビアを介して、ＭＥＭＳ装置１０１の１または複数の電子回路と電気的に接続される。本明細書に教示されるＭＥＭＳ装置における電極、金属層、ビアの数はＭＥＭＳ装置１０１内の電子回路およびこれらの配置に基づいて変更可能である。
図１に示すように、ビア１２７は、エッチング停止層１１５上に形成される電極１２１から、層間誘電体１１４を通って、層間誘電体１１４上に形成される金属層１３６への導電経路を提供する。ビア１２８は、層間誘電体１１４上に形成される金属層１３６から、層間誘電体１１３を通って、層間誘電体１１２上に形成される金属層１３７への導電経路を提供する。ビア１２９は、層間誘電体１１２上に形成される金属層１３７から、層間誘電体１１２を通って、基板１１１への導電経路を提供する。ビア１２７、１２８、１２９、金属層１３６、１３７、および電極１２１は、基板１１１、層間誘電体１１３、および層間誘電体１１４の接点を介して電子回路へ電気的に配線または接続されていてもよい。
同様に、ビア１３０は、エッチング停止層１１５上に形成される電極１２２から、層間誘電体１１４を通って、層間誘電体１１４上に形成される金属層１３８への導電経路を提供する。ビア１３１は、層間誘電体１１４上に形成される金属層１３８から、層間誘電体１１３を通って、層間誘電体１１２上に形成される金属層１３９への導電経路を提供する。ビア１３２は、層間誘電体１１２上に形成される金属層１３９から、層間誘電体１１２を通って、基板１１１への導電経路を提供する。ビア１３０、１３１、１３２、金属層１３８、１３９、および電極１２２は、基板１１１、層間誘電体１１３、および層間誘電体１１４の接点を介して電子回路へ電気的に配線または接続されていてもよい。
ここで、図１には、電極と電子回路との接続として、電極１２３と１または複数のトランジスタ１１６、１１７の接点との接続が示されている。ビア１３３は、エッチング停止層１１５上に形成される電極１２３から、層間誘電体１１４を通って、層間誘電体１１４上に形成される金属層１４０への導電経路を提供する。ビア１３４は、層間誘電体１１４上に形成される金属層１４０から、層間誘電体１１３を通って、層間誘電体１１２上に形成される金属層１４１への導電経路を提供する。ビア１３５は、層間誘電体１１２上に形成される金属層１４１から、層間誘電体１１２を通って、１または複数のトランジスタ１１６、１１７それぞれへの導電経路を提供する。ビア１３３、１３４、１３５、および金属層１４０、１４１を介して、電極１２３は、層間誘電体１１３、および層間誘電体１１４の接点において電子回路と電気的に配線または接続することができる。
さらに、ＭＥＭＳ装置１０１は、電極１２２に直接実装された、或いは、電極１２２に実装された別の導電性支持構造に形成されたヒンジ１５２を有する。導電性支持構造は、本実施例を示す各図に示すように、電極１２２と同じ材料から形成されていてもよい。ＭＥＭＳ装置１０１は、ヒンジ１５２の上側に形成されたミラー素子１５１を有する。本実施例において、ミラー素子１５１は、ＭＥＭＳ装置に組み込まれ得る可動素子である。一方、ヒンジ１５２の下部には機械的ストッパ１５３、１５４が形成されている。図示される機械的ストッパ１５３、１５４は、ヒンジ１５２と同一の材料から一体的に形成されており、ヒンジ１５２は、既定の、または非励起位置にあるミラー素子１５１と平行であり、基板１１１の実装面および各層に対して平行に延在する。
基板１１１は、単結晶シリコンまたは別の基板材料で形成されている。本実施例において、トランジスタ１１６、１１７はＣＭＯＳトランジスタであるが、他の電子回路であってもよい。層間誘電体１１２、１１３、１１４は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または他の適切な絶縁性材料を含む層間絶縁膜である。
金属層１３６、１３７、１３８、１３９、１４０、１４１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、またはアルミニウム銅合金（Ａｌ－Ｃｕ）からなる。
電極１２１、１２２、１２３は、タングステン（Ｗ）またはビアと同じ材料からなる。各ビア１２７、１２８、１２９、１３０、１３１、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５は、ＭＥＭＳ装置１０１の少なくとも一層を貫通して延在する貫通孔として形成されており、導電性材料（本実施例ではタングステン（Ｗ））が充填されている。さらに、製造中に、ビア１２７、１３０、１３３、およびエッチング停止層１１５との間にはギャップ１２４、１２５、１２６が形成されることがある。これらギャップは、後に使用されるエッチング液がこれらギャップに浸透し構造に損傷を与える可能性があり問題となる。この問題を軽減するために、ビア１２７の半径をｒとした場合、エッチング停止層１１５が、電極１２１によって覆われる距離ｘが、ｒの２倍を超えていることが望ましい。エッチング停止層上に実装される各電極についても、エッチング停止層を貫通するビアの半径ｒとエッチング停止層に実装される電極の長さ、または距離ｘとの関係が同様であることが望ましい。
電極１２２などの電極がエッチング停止層１１５などのエッチング停止層に実装されている構造において、その関係は、上述のとおり電極がエッチング停止層を覆う距離ｘがｒの２倍を超えている。電極は当該電極が実装される表面に沿った長さ、サイズまたは寸法（例えば、長さ、幅、半径）が、当該電極が電気的に接続されるビアの半径の少なくとも２倍であると言うこともできる。
すなわち、例えば、エッチング停止層１１５を覆う電極１２１、１２２、１２３は、それぞれが接続されるビアの半径の２倍以上の大きさを有することが望ましい。これにより、エッチング液の蒸気が、（ｉ）電極１２１、１２２、１２３およびエッチング停止層１１５を貫通すること、および（ｉｉ）ギャップ１２４、１２５、１２６を通して層間誘電体１１４を侵食することを防止する。
ヒンジ１５２は、ミラー素子１５１を支持する変形可能な部材である。ヒンジ１５２は、例えば、非晶質シリコンやポリシリコンなどの材料で形成される。
ミラー素子１５１は、光源からの光を反射可能な部材である。ミラー素子１５１は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等からなる支持層と、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の反射率の良い材料、またはこれらの組み合わせからなるミラー層とを有する。
ミラー素子１５１は電極１２３に静電吸着され、ヒンジ１５２は、変形することによりミラー素子１５１のオン位置に傾斜する。これは、基板１１１上に形成された電子回路（例えば、トランジスタ１１６、１１７）および一般的にその他の場所に実装される電圧源によって、可動素子（例えば、ミラー素子１５１）と電極１２３との間に電圧を印加することから生じ得る。電圧によって吸着力が発生する。ミラー素子１５１は、ストッパ１５３と接触することによって、絶縁層で覆われていない電極１２３と接触しないようになっている。すなわち、ヒンジ１５２の変形によってミラー素子１５１が電極１２３と接触することのないように、機械的ストッパ１５３、１５４は、電極１２１、１２３上方（高さ）に実装され、充分なサイズ（例えば長さ）を有する。例えば、機械的ストッパ１５３、１５４の長さは、ミラー素子１５１が傾いた際に、ミラー素子１５１に接触し、ＭＥＭＳ装置のその他の部位にミラー素子１５１が接触することを防止する長さとなっている。ヒンジ１５２の変形により、ミラー素子１５１が電極１２３に接触することを防止する。これにより、電気的な短絡を防止することができる。本実施例において、機械的ストッパ１５３、１５４は、ヒンジ１５２と同じ材料から形成されているため、わずかに変形する。しかし、当該変形は無視してもよく、或いは、機械的ストッパ１５３、１５４の長さや実装高さを決定する際に考慮してもよい。電圧の印加がされなくなると、ヒンジ１５２は、図９に示すミラー素子１５１のオフ位置に戻る。
図９には、ＭＥＭＳパッケージ１０００に封入されるＭＥＭＳ装置の一例として、単一の可動素子を有するＭＥＭＳ装置１０１が示されており、基板１１１は図１の基板１０１０に対応する。しかしながら、本明細書に記載されるＭＥＭＳ装置は、複数の可動素子を含んでいてもよい。例えば、ＭＥＭＳ装置が表示装置で使用され、可動素子がミラーである場合、ＭＥＭＳ装置１００９が数多くのミラー（例えば、１００万個）を含み、それぞれが、相互に接続された１または複数の基板１１１に配列されたＭＥＭＳ装置１０１と同様な構造で電気的接続されていてもよい。
また、別の実施形態によるＭＥＭＳ装置１０１がＭＥＭＳ装置１００９に組み込まれていてもよい。例えば、エッチング停止層１１５は、電極１２１、１２２、１２３の下ではなく、電極１２１、１２２、１２３の上に形成されていてもよい。これにより、ヒンジ１５２の変形によるミラー素子１５１の傾きが、ＡｌＮまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなり電気的短絡を防止可能な絶縁膜であるエッチング停止層１１５に接触することで制限され、図９に示す機械的ストッパ１５３、１５４を任意で省略することができる。機械的ストッパを含む場合、機械的ストッパ１５３、１５４とは異なる形状、数、配置としてもよい。例えば、１または複数のストッパは、ヒンジ１５２の変形によって、ミラー素子１５１が、電極またはエッチング停止層１１５或いはその両方と接触することを防止するのに充分な高さまで、エッチング停止層１１５を介して基板１１１上面から、直角に延在していてもよい。
ＭＥＭＳ装置１００９は、ＭＥＭＳ装置１０１について記載した構成と同一のまたは異なる構造の組み合わせを有し、ディスプレイに形成されるＭＥＭＳ装置の配列を備えていてもよい。
再度図１および図２を参照すると、フレーム１００３は、ＭＥＭＳ装置１００９を囲み、接着層１００７によってＭＥＭＳ装置１００９のＭＥＭＳ基板１０１０に封止される少なくとも１つの壁を有する。ＭＥＭＳ基板１０１０の表面には、吸湿材料からなる１または複数のストリップ（以下、ゲッタ１００８と称す）が堆積されていてもよい。ゲッタ１００８は、ＭＥＭＳ装置１００９から離れて形成されていてもよい。吸湿材料は、アパタイト、ゼオライト、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、チタニア、二酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、金属有機構造体、またはシリカゲルのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
図２の実施例から分かるように、フレーム１００３は、矩形管状に形成されていてもよい。フレーム１００３の形状は、四角形の管、シリンダ、またはその他の形状であってもよく、ＭＥＭＳ装置１００９、および（ある場合は）ゲッタ１００８を囲むのに充分な大きさ（例えば、幅）を有していてもよい。フレーム１００３は、例えば、約２０ｍｍ×１６ｍｍであってもよい。フレーム１００３の壁は、少なくとも、ＭＥＭＳ装置１００９の動作の如何なる段階においても、ＭＥＭＳ装置１００９の構成部品がカバー１００１に接触しない高さとなっている。例えば、ＭＥＭＳ装置がＭＥＭＳ装置１０１の配列を有する場合、フレーム１００３の壁は、ミラー素子１５１がオン状態位置に傾斜した際に、ミラー素子１５１の縁部がカバー１００１に接触することのない充分な高さとなっている。高さは、少なくとも５ミクロンであり、より好ましくは１０ミクロンを超えた高さである。
カバー１００１は、透明または半透明の材料で作られてもよい。いくつかの実装形態において、カバー１００１はガラスを含み、強化ガラスであってもよい。ガラスは紫外線（ＵＶ）を吸収するものであってもよい。ガラスは、少なくとも４００ｎｍ～７００ｎｍの波長の最小反射を有する反射防止層でコーティングされてもよい。ガラスは、赤外線（ＩＲ）および紫外線（ＵＶ）用の反射層でコーティングされてもよい。カバー１００１は、平面シートであってもよい。いくつかの実装形態において、カバー１００１は、厚さ約１ｍｍであってもよい。カバー１００１は、フレーム１００３の形状に合わせた形状とすることができる。例えば、カバー１００１は、長方形、正方形、円形、またはその他の形状をしていてもよい。カバー１００１は、フレーム１００３の上部開口部全体を覆うのに充分な大きさであってもよく、接着層１００２を使ってフレーム１００３とともに封止するリップを提供してもよい。カバー１００１の外形寸法は、フレーム１００３の外形寸法より大きくてもよい。フレーム１００３の材料に求められることは、カバー１００１を支持できる強度と、カバー１００１およびＭＥＭＳ基板１０１０にシール面を提供できる充分な幅のみである。しかしながら、フレーム１００３は、緊密なシール性を維持するためにカバー１００１と同様の熱膨張係数を有する材料からなることが好ましい。したがって、カバー１００１がガラスからなる例において、フレーム１００３は金属またはコバール等の金属合金で形成されていてもよい。フレーム１００３はまた、重量比で２０％を超えるニッケルを含有するガラスもしくは鋼、またはこれらの材料の組合せを含むことができる。フレーム１００３の幅に関しては、少なくとも塗布されるはんだ（後述）と同じ幅であるべきであり、例えば、約２００～３００ミクロンである。
ＭＥＭＳ装置１００９の電子回路（例えば、ＣＭＯＳ）の複数のパッド１００５は、フレーム１００３の外側に配置されている。したがって、パッド１００５はシールの外側に位置する。図１および図２では、ＭＥＭＳ基板１０１０に直接固定されているが、パッド１００５は、ソケットによって接続されていてもよく、或いは、はんだバンプ１００４によってＰＣボードやフレキシブルＰＣボードに直接はんだ付けされていてもよい。はんだバンプ１００４、および以下に説明するものは、Ａｕ、Ｓｎ、ＩｎＳｎ、またはＩｎの少なくとも１つを含む合金から形成されていてもよい。複数のパッド１００５は、ＭＥＭＳ基板１０１０に実装された配線部分、および、電子回路制御用にＭＥＭＳパッケージ１０００外部の電圧源および／または電流源に接続されていてもよい。例えば、ＭＥＭＳ装置１００９が、ＭＥＭＳ装置１０１を含むＭＥＭＳの配列である場合、配線部分は、ＭＥＭＳ装置１０１それぞれのトランジスタ１１６、１１７に信号を送るＭＥＭＳ基板の表面に配列を形成してもよい。複数のパッド１００５は、ミラー素子１５１および電極に電圧を印加するために配線部分やＭＥＭＳパッケージ１０００外部の電圧源に接続されていてもよい。
ここで図３および図４を参照すると、本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージのある製造ステップが示されている。具体的には、接着層１００７の形成が示されている。接着層１００２、１００７のそれぞれは、はんだ層を挟む少なくとも２つの金属接着層を含む少なくとも３つの層を含む。
図３は、ＭＥＭＳパッケージ１０００等のＭＥＭＳパッケージの製造における、はんだ付けステップの結果を示す図である。具体的には、パッケージされるＭＥＭＳ装置用のＭＥＭＳ基板３００１に、金属接着層３００２を塗布する。金属接着層３００２は、フレーム１００３等のフレームの壁の形状に合わせて形成される。本実施例では、金属接着層３００２は長方形の外形を形成するように塗布される。薬剤による金属化、真空蒸発、または、スパッタリングによって金属接着層３００２を設けてもよい。金属接着層３００２の厚みは５ミクロン（例えば、１～２ミクロン）であってもよい。その後、はんだ付けステップでは、はんだボールを塗布して、金属接着層３００２の表面にはんだバンプ３００３を形成する。はんだボールは、例えば、インクジェットプリンタからの噴射によって形成されてもよい。本実施例において、形成されるはんだバンプ３００３は、厚さが約５０～１００ミクロンであってもよい。これ以外の厚さも可能である。
図４は、ＭＥＭＳパッケージの製造における、リフローステップの結果を示す図である。リフローステップは、はんだ付けステップの後に行われる。すなわち、図３のはんだバンプ３００３は、加熱（例えば、溶融）により、リフローされてはんだ層４００３を形成する。はんだ層４００３は、平坦で連続していることが好ましい。一実施例において、はんだ層４００３は厚さが５ミクロンである。別の実施例において、はんだ層４００３はより厚く、厚さ数十ミクロンである。リフローの後、はんだ層４００３は、例えば、１０～３０ミクロンであってもよい。
リフローステップの後、はんだ層４００３および金属接着層３００２の露出した部分に、別の金属接着層を塗布してもよい。その後、フレーム１００３等のフレームは、比較的厚みのある接着層に実装され、ＭＥＭＳ基板３００１に封止される。カバーをフレームに封止する接着層も同様に形成してよい。例えば、接着層１００２は、金属接着層３００２と同様に、第１の金属接着層を塗布することによって、フレーム１００３の上方に面する縁部（すなわち、ＭＥＭＳ基板１０１０とは反対の方向に面する縁部）に形成され、その後図３を参照して記載したはんだ付けステップを行ってもよい。形成されたはんだバンプを、リフローすることにより接着層１００２のはんだ層が形成されてもよい。最後に第２の金属接着層を形成して接着層１００２を仕上げてもよい。その後、カバーを比較的厚みのある接着層に実装して、フレームに固定させてもよい。
場合によっては、接着層１００２、１００７の第１の金属層および第２の金属層のそれぞれは個別の層から形成されてもよい。含まれる層の数に関わらず、接着層１００２、１００７を形成する金属接着層とはんだ層の材料は、これらが接触する材料と確実に接着するものを選択するべきである。はんだは、共晶金錫（ＡｕＳｎ）などの金合金とすることができる。接着層１００２、１００７の第１の金属層および第２の金属層はそれぞれ、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、またはこれらの混合材料から形成されていてもよい。一実装形態において、第１の金属層および／または第２の金属層は、２層または３層で形成されていてもよい。例えば、２層で形成する場合、第１の層はＣｒで形成され、第２の層はＡｕで形成されていてもよい。得られた第１の金属層および／または第２の金属層は、以下Ｃｒ／Ａｕで形成されていると表現することがある。
接着層１００２が３層からなる場合、第１の層はＴｉ等、カバー１００１の材料（例えば、ガラス）と良好な接着力を有する材料で形成され、第３の層はＡｕ等、はんだ層４００３と良好な接着力を有する材料で形成され、第２の層はＰｔ等、第１および第３の層と良好な接着力を有する材料で形成されていてもよい。得られた第１の金属層および／または第２の金属層は、以下Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成されていると表現することがある。
接着層１００７の材料および構造は、接着層１００２の材料および構造と同じであるが、パッケージによっては、接着層１００７の材料が接着層１００２の材料と異なるものであってもよい。接着層１００７は、ＭＥＭＳ基板１０１０、３００１の表面の材質によって異なっていてもよい。例えば、接着層１００７が３層からなる場合、ＭＥＭＳ基板１０１０、３００１に隣接する層が異なっていてもよい。ＭＥＭＳ基板１０１０、３００１がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、またはシリコンの場合、隣接する層の材料はＴｉとすることができる。接着層１００７の第１の金属層、および／または接着層１００７の第２の金属層は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成されていてもよく、上述した、３層からなる接着層１００２の場合の層と同様である。
上述のＭＥＭＳパッケージ１０００の構造では、金属接着層の上部に、比較的厚みのあるはんだ層が使用されており、別の金属接着層との間に挟持される。この構造により、低コストで、比較的粗い表面の気密封止を実現することができる。この構造はまた、少なくとも２つの金属接着層を含むことにより、ＶＯＣを除去する。
上述のＭＥＭＳパッケージ１０００の構造によって多くの利点がもたらされる一方で、本明細書の教示による代替構造も可能である。例えば、まず図５を参照して代替構造について説明する。図５は、投影レンズ５０１３を介してスクリーンに画像を投射するＭＥＭＳディスプレイとして利用されるＭＥＭＳパッケージ１０００が示されている。この構成において、カバー１００１の表面は基板１０１０と平行である。
入射光ビーム５０１１が、ＭＥＭＳパッケージ１０１０内に実装されるＭＥＭＳ装置１００９の表面に投射される。本実施例において、ＭＥＭＳ装置１００９はピクセル配列を備える。結果として（例えば、ミラー素子１５１の切り替えから）得られる反射画像は、矢印５０１４の方向に伝達される。ＭＥＭＳ装置１００９はまた、入射光ビーム５０１１の一部を矢印５０１５の方向に回折する。入射光ビーム５０１１は、ＭＥＭＳ装置１００９の表面に到達するために、カバー１００１にも投射される。カバー１００１は、透明であったとしても、入射光の一部を概ね矢印５０１２の方向に反射する。これは、表面が１または複数の反射防止層でコーティングされていても発生する。例えば、反射防止コーティングがされていても、０．３％～０．６％の範囲の反射率となる場合がある。これによって、画像のコントラストが低下する。中には、１万対１、または２万対１のコントラスト比を主張する製造業者もいる。入射光の０．３％、すなわち反射された光全体が投影レンズ５０１３に入射すると、コントラスト比は３００対１にまで低減し得る。
図６は、本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージ６０００の第二実施例を示す側面図であり、カバー６００１による不要な反射を削減する構成が示されている。図７は、図６のＭＥＭＳパッケージ６０００の斜視図である。ＭＥＭＳパッケージ６０００の構造は、ＭＥＭＳパッケージ１０００と実質的に同様であってもよい。
すなわち、ＭＥＭＳ装置（以下、ＭＥＭＳ基板６０１０とも称す）のカバー６００１、フレーム６００３、および半導体基板６０１０は、接着層６００２、６００７によって気密封止される。カバー６００１の材料および構造は、カバー１００１について記載したものと同一であってもよく、接着層６００２、６００７の構造および材料は、接着層１００２、１００７について記載したものと同一であってもよい。フレーム６００３は、以下に詳述するように、フレーム１００３と同一の材料からなり、フレーム１００３と実質的に同様の構造を有していてもよい。
ＭＥＭＳ装置６００９は、ＭＥＭＳ基板６０１０上に形成される。ＭＥＭＳ基板６０１０は、ＭＥＭＳ装置６００９の１または複数の駆動回路を支持するＣＭＯＳ基板であってもよい。ＭＥＭＳ基板６０１０の構造と材料は、ＭＥＭＳ基板１０１０について記載したものと同一のものであってもよい。ＭＥＭＳ装置６００９は、図９のＭＥＭＳ装置１０１および図１のＭＥＭＳ装置１００９について上述した実施例等のＭＥＭＳ装置の１つまたは配列を含んでいてもよい。
フレーム６００３内のＭＥＭＳ基板６０１０の表面には、１または複数の吸湿材料からなるストリップ（以下、ゲッタ６００８と称す）が堆積され、ゲッタ６００８は、ＭＥＭＳ装置６００９とともに気密封止されていてもよい。ゲッタ６００８の構造と材料は、ゲッタ１００８について記載したものと同一のものであってもよい。
ＭＥＭＳ装置６００９の電子回路（例えば、ＣＭＯＳ）の複数のパッド６００５は、フレーム６００３外部のＭＥＭＳ基板６０１０にそれぞれはんだバンプ６００４を用いて直接固定されていてもよい。パッド６００５およびはんだバンプ６００４の構造と材料は、パッド１００５およびはんだバンプ１００４について記載したものと同一のものであってもよい。すなわち、例えば、パッド６００５は、ソケットによって接続されていてもよく、或いは、はんだバンプ６００４によってＰＣボードやフレキシブルＰＣボードに直接はんだ付けされていてもよい。複数のパッド６００５は、ＭＥＭＳパッケージ１０００に関する記載と同様に、ＭＥＭＳ基板６０１０に実装された配線部分、および、電子回路制御用にＭＥＭＳパッケージ６０００外部の電圧源および／または電流源に接続されていてもよい。
フレーム１００３と同様に、フレーム６００３は、ＭＥＭＳ装置６００９と任意でゲッタ６００８とを囲み、接着層６００７によってＭＥＭＳ装置６００９のＭＥＭＳ基板６０１０に封止され、接着層６００２によってカバー６００１に封止される少なくとも１つの壁を有する。フレーム６００３の形状は、四角形の管、シリンダ、またはその他の形状であってもよく、ＭＥＭＳ装置６００９、および（ある場合は）ゲッタ６００８を囲むのに充分な大きさ（例えば、幅）を有していてもよい。フレーム６００３の壁は、少なくとも、ＭＥＭＳ装置６００９の動作の如何なる段階においても、ＭＥＭＳ装置６００９の構成部品がカバー６００１に接触しない高さとなっている。例えば、ＭＥＭＳ装置が、図９に示されるようにＭＥＭＳ装置１０１の配列を有する場合、フレーム６００３の壁は、ミラー素子１５１がオン状態位置に傾斜した際に、ミラー素子１５１の縁部がカバー６００１に接触しない最小高さとなっている。
フレーム１００３とは異なり、フレーム６００３は、カバーがＭＥＭＳ基板の表面と平行になるように同じ高さまで延在していない。この違いは、ＭＥＭＳパッケージ６０００の、矩形管状のフレーム６００３の例を示す図６および図７を再度参照することにより理解できるであろう。矩形管は、最小高さである第１の縁部と、これに対向し最大高さを有する第２の縁部とを有し、対向する傾斜した縁部が第１の縁部と第２の縁部との間に延在する。
図５に示されるように、ＭＥＭＳパッケージ６０００は、投影レンズ６０１３を介してスクリーンに画像を投射するＭＥＭＳディスプレイとして利用されてもよい。入射光ビーム６０１１が、ＭＥＭＳパッケージ６０１０内に実装されるＭＥＭＳ装置６００９の表面に投射される。本実施例において、ＭＥＭＳ装置６００９は、ピクセル配列を備える。例えば、ピクセル配列は、図９のＭＥＭＳ装置１０１に関して説明したように、複数のミラー素子１５１およびこれらに関連する電子機器を備えていてもよい。ミラー素子１５１をオン位置とオフ位置とで切り替えることによって得られる反射画像は矢印６０１４の方向に伝達される。ＭＥＭＳ装置６００９は、依然入射光ビーム６０１１の一部を矢印６０１５の方向に回折する。
入射光ビーム６０１１は、ＭＥＭＳ装置６００９の表面に到達するために、カバー６００１にも投射される。カバー１００１のように、カバー６００１は、入射光の一部を概ね矢印６０１２の方向に反射する。しかし、本実施例では、矢印６０１２の方向は、カバー６００１の角度（例えば、スロープ、傾斜等）により、図５に示す矢印５０１２の方向とは異なる。具体的に、カバー６００１の傾斜角度は、反射光の方向を投影レンズ６０１３から離れる方向にする。すなわち、反射光の方向は、殆どが投影レンズ６０１３から離れる方向となる。これによって、いくつかの実装形態におけるＭＥＭＳパッケージ１０００と比較して、コントラスト比が向上する。
カバー６００１の斜面または傾斜角は平行より上であり、つまりフレーム６００３の寸法は、ＭＥＭＳ装置６００９の構造に依存する。例えば、ＭＥＭＳ装置１０１の配列を利用するＭＥＭＳ装置６００９の一実装形態において、カバー６００１はミラー素子１５１の傾斜角まで、但し、反対方向に傾斜してもよい。図６および図９を参照して、図９に示される方向のＭＥＭＳ装置１０１は、図６に示される方向のＭＥＭＳパッケージ６０００内に実装されており、ミラー素子１５１のオン位置は、ミラー素子１５１がストッパ１５３、１５４の一つに接触する位置である。本実施例では、ミラー素子１５１の傾斜は、図６の右側に向かって下がり、オン位置のストッパ１５３と接触するようになっている。したがって、カバー６００１の傾斜は図６の左側となる。カバーは、基板表面に対して５度より大きく傾斜することが好ましい。
図８には、本明細書に教示されるＭＥＭＳパッケージの別の変形例が示されている。ＭＥＭＳ装置の従来のパッケージは、冷却が困難な場合がある。そのようなパッケージは、例えば、シリコンＭＥＭＳチップとの接続のためのセラミック基板と、ＭＥＭＳチップの電子機器を制御するプリント回路基板（ＰＣＢ）が備える場合が多い。内部回路を有するセラミック基板は、コストが高い場合が多い。また、熱伝導度が金属ほど良くない。本明細書に記載されるＭＥＭＳパッケージは、このような設計において、コストを抑えつつ熱伝導度を改善することができる。
図８に示す実施例のように、熱伝導性接着剤８００２は、吸熱源８００４をＭＥＭＳ基板１０１０に固定する。これは、ＭＥＭＳ基板１０１０の裏面に対して直接取り付けられている。裏面は、ＭＥＭＳ基板１０１０の上面（例えば、実装面）とは反対側、または底面と称されることもある。上面は、ＭＥＭＳ基板１０１０のカバー１００１に対向する表面である。カバー１００１とフレーム１００３は、ＭＥＭＳ基板１０１０に直接封止されており、電気的接続用のパッド１００５が気密封止の外側に露出しているため、吸熱源８００４を直接取り付けることが可能となる。この構造によって、ＭＥＭＳ装置１００９を直接吸熱源８００４に接触させることが可能になる。これにより、セラミック基板を有するパッケージよりも高い熱流が確保される。
図８では、吸熱源８００４が、ＭＥＭＳパッケージ１０００の一部としてＭＥＭＳ基板１０１０に取り付けられているが、吸熱源８００４は、本明細書に教示する如何なるＭＥＭＳパッケージに取り付けられていてもよい。例えば、熱伝導性接着剤８００２によって吸熱源８００４をＭＥＭＳ基板６０１０に固定してもよい。
特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、この開示を限定として解釈されるべきでないことを理解されたい。様々な変更形態や修正形態は、本開示に係る当業者にとって明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にあるすべての変更および修正を包含するものと解釈されることが意図される。

Claims (20)

  1. 電子回路が形成される基板を含むＭＥＭＳ装置と、
    前記電子回路を囲み、フレーム接着層によって前記基板に固定されるフレームと、
    カバー接着層を用いて前記フレームに取り付けられ、前記電子回路を前記フレーム内に封入するカバーとを備え、前記フレーム接着層および前記カバー接着層のそれぞれが、少なくとも２つの金属接着層の間にはんだ層を含み、前記はんだ層がリフローされたはんだボールを含んでいる、
    ことを特徴とする、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）パッケージ。
  2. 請求項１において、
    前記基板上に実装され、前記電子回路と共に封入された吸湿材料の層をさらに含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  3. 請求項１または２において、
    前記電子回路に電気的に接続され、前記フレームの外側に実装されたパッドをさらに含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  4. 請求項１または２において、
    前記ＭＥＭＳ装置はＭＥＭＳ装置の配列を備えており、
    各ＭＥＭＳ装置は、
    前記基板上の電子回路と、
    前記電子回路に電気的に接続された電極と、
    可動素子であって、前記電極と前記可動素子との間に電圧を印加することにより制御される可動素子とを備える、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  5. 請求項１において、
    前記カバーは紫外線を吸収するガラスを含んでいる、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  6. 請求項１または５において、
    前記フレームは、ガラス、コバール、重量比が２０％を超えるニッケルを含む鋼、またはこれら材料の組み合わせを含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  7. 請求項１または５において、
    前記基板の少なくとも表面は、ＡｌＮ、Ａｌ２ＳＯ３、シリコン、ＨｆＯ２、またはこれらの組み合わせが含まれている、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  8. 請求項１または２において、
    前記金属接着層のそれぞれが、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、またはこれらの組み合わせを含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  9. 請求項８において、
    前記金属接着層のうちの少なくともいくつかは、Ｔｉからなる第１の層と、Ｐｔからなる第２の層と、Ａｕからなる第３の層との３層を含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  10. 請求項１または２において、
    前記はんだ層は５ミクロンよりも厚い、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  11. 請求項１０において、
    前記はんだ層は、Ａｕ、Ｓｎ、ＩｎＳｎ、またはＩｎの少なくとも１つを含む合金で形成される、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  12. 請求項１または２において、
    前記はんだ層は、はんだボールを噴射した後、リフローすることにより形成される、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  13. 請求項１２において、
    前記はんだボールの高さは５０ミクロンより大きい、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  14. 請求項１または２において、
    前記カバーは、少なくとも４００ｎｍ～７００ｎｍの波長の最小反射を有する反射防止層でコーティングされているガラスを含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  15. 請求項１または２において、
    前記カバーは、赤外線および紫外線用の反射層でコーティングされているガラスを含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  16. 請求項２において、
    前記吸湿材料は、アパタイト、ゼオライト、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、チタニア、二酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、金属有機構造体、またはシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  17. 請求項１または２において、
    前記カバー、前記フレーム、および前記基板は、Ｎ２、および／または、不活性ガスで充填された封入空間を形成する、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  18. 請求項１７において、
    前記封入空間内の圧力が１気圧未満である、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  19. 請求項１または２において、
    前記基板の底面に固定された吸熱源をさらに備える、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。
  20. 請求項１または２において、
    前記カバーは、前記基板表面に対して５度より大きく傾斜している、
    ことを特徴とする、ＭＥＭＳパッケージ。

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