KR20070031996A - 멤스에서 부품의 정렬 정밀도를 향상시키는 방법 및 시스템 - Google Patents

멤스에서 부품의 정렬 정밀도를 향상시키는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

제조 중에 멤스 부품의 정렬 정밀도를 향상시키기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 멤스 부품들 중 적어도 하나는 공동을 포함하고, 구형체 또는 베어링이 중심 조정되고 양호하게는 온도 소산 재료에 의해 일시적으로 차단된다. 멤스 부품들이 구형체 또는 베어링과 접촉될 때, 온도 소산 재료는 증발되어, 다른 방향으로 이동하는 2개의 면하는 멤스 부품에 대하여 매우 낮은 마찰력을 제공하고, 매우 정밀한 배치를 가능하게 한다. 제1 실시예에서, 각각의 멤스 부품은 부품들을 자기-정렬하기 위한 납땜 합금과 관련하여 사용된 패드를 포함한다. 제2 실시예에서, 각 부품은 적어도 하나의 공동을 포함하고, 상부측 공동은 원뿔 형상을 가지고, 하부측 공동은 평평한 플로어를 가지며, 정렬은 안정된 상태에 도달될 때, 즉 구형체가 상부 공동의 원뿔 중심으로 중심 조정될 때 달성된다.
멤스 부품, 공동, 구형체, 베어링, 패드

Description

멤스에서 부품의 정렬 정밀도를 향상시키는 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR IMPROVING ALIGNMENT PRECISION OF PARTS IN MEMS}
본 발명은 일반적으로 제조 기술 및 마이크로-일렉트로메카니컬 시스템 (Micro-ElectroMechanical Systems, MEMS)에 관한 것이며, 특히 제조 작업 중에 멤스에서 부품의 정렬 정밀도를 향상시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 집적 회로(IC) 방법론을 사용하여 전자 장치 또는 회로와 함께 제조되는 마이크론 크기의 기계 구조물은 마이크로-일렉트로메카니컬 시스템 또는 멤스(MEMS)로 불린다. 영사 장치, 디스플레이, 센서 및 데이터 저장 장치와 같은 응용 분야를 위한 멤스 장치의 개발에 많은 관심이 있어 왔다. 예컨대, 데이터 저장 장치에 대한 IBM의 프로젝트 중 하나는 현재 입수 가능한 가장 조밀한 자성 저장 장치보다 20배 높은, 평방 인치 당 1조 비트의 데이터 밀도를 나타낸다. 이 장치는 얇은 플라스틱 필름으로 개별 비트를 나타내는 만입부를 펀칭하기 위해 수천 개의 나노미터-샤프 팁(nanometer-sharp tip)을 사용한다. 그 결과는 110년 이전에 개발된 데이터 처리 '펀치 카드'의 나노 기술 버전과 유사하지만, 2가지 중대한 차이점이 있다: 이용된 기술은 재기록이 가능하고(계속해서 사용될 수 있다는 것을 의미한다), 표준 펀치 카드의 단 하나의 구멍에 의해 점유된 공간에 30억 비트 이 상의 데이터를 저장할 수 있다.
장치의 코어는 두께가 0.5마이크로미터이고 길이가 70마이크로미터인 V자 형상의 실리콘 외팔보의 2차원 어레이이다. 길이가 2마이크로미터보다 짧은 하방 포인팅 팁(down-pointing tip)은 각각의 외팔보의 단부에 있다. 현재 실험적인 설정은 1,024 (32 X 32) 외팔보의 3mm X 3mm 어레이를 포함한다. 정교한 설계는 저장 매체에 대하여 팁 어레이의 정확한 레벨링을 보장하고, 진동 및 외부 충격을 완화시킨다. DRAM 칩에 사용된 것과 유사한 시간-다중 전자 장치들은 병렬 조작을 위해 각각의 팁을 개별적으로 처리한다. 전자기 작용은 한쪽에서 100마이크로미터의 자체 저장 필드 내에서 각각의 팁이 판독 및 기록 가능하도록 x 및 y 양 방향으로 어레이 하부에서 저장 매체를 정밀하기 이동시킨다. 덮여지는 짧은 거리는 낮은 전력 소모를 보장을 돕는다.
도1은 이러한 장치(100)의 부분 단면도이다. 도시된 바와 같이, 각 외팔보(115)는 제어 구조물(120)을 구비한 CMOS 장치(110)가 놓여 있는 기판(105) 상에 장착되고, 저장 스캐너 테이블(130)의 표면상에 비트를 판독 또는 기록(R/W)하도록 구성된 하방 포인팅 팁(125)을 포함한다. 전자기 액추에이터(135)로 인하여, 저장 스캐너 테이블(130)은 화살표로 도시된 바와 같이 적어도 1차원으로 이동할 수 있다. 저장 스캐너 테이블(130), 액추에이터(135) 및 지지 구조물(140)을 포함하는 부품은 CMOS 장치(110) 상에서 소정의 거리로 정밀하게 정렬되어야 한다. CMOS 장치(110)는 R/W 조작과 같은 요구되는 기능을 제어하기 위하여 모든 요구되는 전자 장치들을 갖는다. 이러한 실시 형태에 있어서, X 및 Y 축의 정렬 기능성 대상은 ±10 ㎛(마이크로미터)의 차수이고, 반면에 저장 스캐너 테이블(150) 및 R/W 외팔보용 지지판으로서 작용하는 CMOS 장치(110) 사이의 기능성 간극은 마이크로미터 이하의 공차를 갖는 6㎛의 최대 거리를 갖는다.
요구되는 부품 정렬 정확도와 관련된 전자적이고 기계적인 특징부의 조합은 장치 비용에 직접적으로 영향을 주는 전용 제조 도구의 사용을 초래한다. 소비자 시장을 위한 이러한 종류의 제품의 대량 생산에 있어서, 이러한 투자액은 처리량(용량) 및 정밀 정렬 요구조건 사이에 본질적인 상충으로 인하여 매우 높아지게 된다. 그러므로 전용 및 복잡한 제조 도구를 요구하지 않으면서, 제조 중에 멤스의 부품들을 효과적으로 정렬하기 위한 방법 및 시스템에 대한 필요성이 있다.
따라서, 본 발명의 넓은 목적은 상술한 종래 기술의 결점을 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 멤스 부품 사이에서 이들이 정렬할 때 마찰을 감소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부품들 사이의 거리를 제어하면서 제조 중에 멤스 부품의 자기-정렬 정밀도(self-alignment precision)를 향상시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부품들 사이의 거리를 제어하면서, 회전 오정렬(rotational misalignment)로 인하여, 제조 중에 멤스 부품의 자기-정렬 정밀도를 향상시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 관련된 목적의 성취는 전자 장치의 적어도 2개의 부품의 정렬 정밀도를 향상시키기 위한 방법에 의해 달성되고, 상기 적어도 2개의 부품은 적어도 하나의 롤링 요소를 통해 접촉 상태에 있고, 상기 방법은
- 상기 적어도 2개의 부품을 정렬하는 단계와,
- 상기 적어도 2개의 부품을 함께 고정하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 추가 장점은 도면 및 상세한 설명의 예시에 의해 이 기술분야의 숙련자에게 명백하게 될 것이다. 임의의 추가적인 장점들이 본 명세서에 포함되도록 의도된다.
도1은 본 발명에서 효과적으로 실시될 수 있는 장치의 부분 단면도이다.
도2는 도2의 (a), (b) 및 (c)를 포함하고, 정렬 정밀도를 향상시키기 위해, 정렬되는 멤스 부품들 사이의 마찰을 감소시키기 위한 본 발명의 기구를 도시하는 도면이다.
도3은 도2의 구형체 또는 베어링이 어떻게 일시적으로 차단되는가를 도시하는 도면이다.
도4는 도4의 (a) 및 (b)를 포함하고, 도2의 마찰 감소 기구와 관련하여 사용될 수 있는 납땜-재유동 정렬 프로세스의 개념을 도시하는 도면이다.
도5는 본 발명이 실시된 도1의 장치의 부분 단면도이다.
도6은 도6의 (a), (b), (c) 및 (d)를 포함하고, 멤스 부품의 자기-정렬을 위 한 제1 실시예의 주요 단계를 도시하는 도면이다.
도7은 제1 실시예에 따라서, 본 발명이 실시되고 각 패드 설계를 기초로 하여 지배력 벡터(dominant force vector)를 도시하는 도면이다.
도8 및 도9는 제1 실시예에 따라서 멤스 부품을 정렬하기 위해 사용된 패드의 형상을 도시하는 도면이다.
도10은 도10의 (a), (b), (c) 및 (d)를 포함하고, 패드 크기 및 합금 체적의 제어하는 실례를 도시하는 도면이다.
도11은 중력 효과를 이용하여 자기-정렬 멤스 부품을 위한 제2 실시예를 도시하는 도면이다.
도12는 중력 효과를 증가하도록 Z 방향 힘을 인가하기 위한 장치를 도시하는 도면이다.
본 발명에 따르면, 또한 멤스의 부품들 사이에 최종적인 전기적 및/또는 기계적 연결을 형성할 수 있는 납땜-재유동 프로세스, 중력 효과 기반 프로세스, 또는 양자의 조합을 통해 매우 높은 정밀도의 위치를 갖는 마이크로메카니컬 시스템(멤스, MEMS)의 2개 이상의 부품을 적층하는 것을 허용하는 설계 전략이 제공된다. 게다가, 본 발명은 회전 배치 에러의 자기 제어식 교정(self controlled correction) 및 자기 강제식 Z 방향 제어 높이(self forced Z controlled height) 또는 기능적 격리부(standoff)를 제공한다.
설명하기 위하여, 본 발명의 설명은 데이터 저장 장치에 관한 도1을 참조하 여 상기 주어진 실례를 기초로 한다. 이러한 데이터 저장 장치는, 스캐너 또는 스캐너 테이블로 또한 지칭되는 가동 테이블을 구비한 멤스(MEMS)와, 관련된 전자기 제어부와, 판독 및 기록(R/W) 기능 수행을 제어하기 위한 요구되는 전자 장치 모두를 가지고, R/W 팁인 다수의 단일 구조물을 지지하는 CMOS 장치로 이루어진다.
상술한 바와 같이, 부품 적층을 위한 정밀한 기능상의 요구조건이 있다. X 및 Y 축의 정렬 기능 대상은 ±10㎛(마이크로미터)의 차수로 있는 반면에, 스캐너 테이블 및 R/W 외팔보를 위한 지지판으로서 작용을 하는 CMOS 장치 사이의 기능적인 간극은 마이크로미터 이하의 공차를 갖는 6㎛의 최대 거리를 갖는다.
본 발명에 따르면, 정렬 시스템은 멤스의 가동 부품들 사이의 마찰을 감소시키기 위해 롤링 구형체(rolling sphere) 또는 베어링의 사용을 기초로 한다. 양호하게는, 구형체 또는 베어링은 적층 요소들 중 하나 상에 있는 공동 또는 틈새(niche) 내부에 배치된다. 예컨대, 이러한 공동은 멤스 부품의 표면상에 에칭될 수 있다. 주축(main axis)을 따라서 회전하는 원통형 베어링은 오직 직교 방향을 따라서 부품을 이동시키는 반면에, 그 중심을 따라서 회전하는 구형체는 x 및 y 방향을 따라서 부품들을 이동시킨다는 것을 또한 알 수 있다. 또한, 구형체 및 베어링은 멤스 부품들 사이의 거리의 정밀한 제어를 제공하기 위해 스페이서(spacer)로서 사용된다는 것을 알 수 있다.
도2의 (a), (b) 및 (c)를 포함하는 도2는 상술된 구형체 및 베어링을 도시한다. 도2의 (a)는 도1에 도시된 부품과 유사한 2개의 멤스 부품, 예컨대 CMOS 장치(110') 및 저장 스캐너 테이블을 지지하는 구조물(140')의 부분 단면도이다. CMOS 장치(110')는 공동(200)을 포함하고, 구형체(205)는 CMOS 장치(110') 및 저장 스캐너 테이블을 지지하는 구조물(140')이 낮은 마찰 계수로 정렬될 수 있도록 회전될 수 있다. 양호하게는, 시스템은 정렬하는 멤스 부품 사이의 3개의 경계면 지점을 생성하도록 정렬되지 않는 3개의 구형체(또는 2개의 구형체 및 하나의 베어링, 하나의 구형체 및 2개의 베어링, 또는 3개의 베어링)를 포함한다. 도2의 (b)는 정렬하는 멤스 부품들 사이의 경계면 지점에 의해 형성된 평면에 대해 축이 수직인 실린더로 이루어진 공동(200)의 양호한 형상을 도시한다. 도2의 (c)는 베어링(210)과 대응하는 공동(215)의 양호한 형상의 사용을 도시한다. 도시된 바와 같이, 대응하는 공동(215)의 양호한 형상은 직사각형의 평행 육면체이다.
텅스텐 카바이드로 제조될 수 있는 롤링 구형체 또는 베어링은 서로에 대해 상대적 이동을 갖는 가동 부품에 낮은 마찰 계수를 제공한다. 구형체 또는 베어링을 받아들이는 공동은 멤스의 적층된 부품의 위치 결정 공차 더하기 모든 요구되는 제조 공차를 주로 포함하기 위한 크기로 형성된다. 예컨대, 구형체는 7㎛의 직경을 가질 수 있고, 공동은 1㎛의 깊이를 가질 수 있다.
더욱 양호하게는, 구형체 또는 베어링은 멤스 부품을 배치하기 전에 공동 내에 유지되고 중심에 위치된다. 도3에 도시된 바와 같이, 회전 요소들은 온도 소산 재료(300)에 의해 그 위치가 유지되고, 이 온도 소산 재료는 다른 기구들이 멤스 부품의 상대적인 위치 결정을 대신하기로 했을 때 회전 요소들을 해제한다. 양호하게는, 온도 소산 재료는 물과 글리세롤을 포함하는 젤(gel)로 이루어진다. 이러한 젤은 대략 80℃ 및 130℃ 사이에서 전형적으로는 적어도 140초를 지속해야 하 는 납땜 재유동 프로파일의 전면 단부의 온도 진폭 중에 완전히 소산시킨다. 이러한 젤은 증발하여, 적층된 멤스의 2개의 부품이 이동하기 시작할 때 구형체를 구르는 것을 방해하는 어떠한 잔류물도 남기지 않는다. 젤은 글리세롤 10g과 물 6g을 혼합하여 얻어질 수 있고, 젤이 물의 체적 감소 및 손실에 의해 형성될 때까지 진공 챔버 내에서 45℃ 이상의 온도에서 교반될 수 있다. 진공 혼합은 낮은 온도에서 물의 증발률을 증가시킬 수 있고, 혼합 조작 중에 젤 형성물 내에 공기 거품의 트래핑(trapping)을 피한다. 젤은 한 방울의 젤을 공동 내로 넣기 위하여 일종의 샤워 헤드(shower head)에 의해 분배될 수 있고, 이 샤워 헤드는 예컨대 바늘을 통해 젤을 사출함으로써 능동적으로 분배할 수 있고, 또는 젤을 수동적인 방법으로 전달할 수 있다. 다른 해결책은 구형체 또는 베어링을 공동 내로 배치하기 전에 젤 속으로 침지하는 것에 있다.
일단 정렬되면, 납땜과 같은 적층된 멤스의 고정 기구는 구형체 또는 베어링을 마찰에 의해 제 위치에서 유지한다.
상술한 바와 같이, 낮은 비용의 산업상의 프로세스를 이용하여 멤스 부품들의 자기-정렬은 특정 납땜 프로세스, 회전 요소 공동의 플로어(floor)의 특정 형상, 또는 이들의 조합으로 기인될 수 있다.
금속 패드의 특정 설계 및 표준 공융 주석/납(standard eutectic Tin/Lead, 63Sn/37Pb), 또는 Sn60/40Pb, 5Sn/95Pb, 10Sn/90Pb, 3Sn/97Pb와 같은 비공융 Sn/Pb 이원 합금(non eutectic Sn/Pb binary alloy), 주석/은/구리 삼원 합금(Tin/Silver/Copper ternary alloy)과 같은 다른 "무연(lead-free)" 합금, 인듐 또는 은을 기반으로 하는 다른 합금, 또는 주석 또는 다른 합금과 같은 납땜 합금을 이용하는 실시 형태는 용융된 합금 침전물의 표면 장력 물리 현상을 이용하도록 한다. 납땜 합금은 전체적인 제품 제조 시스템에서 요구되는 납땜 체계를 기초로 하여 선택될 수 있고, 다른 멤스 구성요소들이 견딜 수 있는 최대 허용 온도 진폭(maximum acceptable temperature excursion)을 기초로 선택될 수 있다. 금속 패드 및 합금 사이에서 액체 상태로 젖는 현상(wetting phenomenon)은 멤스의 2개의 부품(400, 405)을 도시하는 도4에 도시된 바와 같이 멤스의 2개의 부품 사이에서 자기 중심 조정 작동(self centering operation)을 X 및 Y 축을 따라서 구동하고, 각각의 멤스는 재유동 프로세스의 개시(a) 및 종료(b)시에 합금(420)과 접촉한 상태의 패드(410, 415)를 포함한다.
또한, 용융 납땜의 이들 장력 효과는, 동일한 설계에서 요구될 때, 다양한 특징부 주위에서 피봇팅하도록 모멘트를 생성함으로써, 회전 자기-정렬 (θ축)을 위한 힘의 복잡한 시스템 생성하도록 사용될 수 있다. 추가적으로, 패드의 상대적 크기 및 합금의 양을 조절함으로써, 회전 요소에 인가된 압력은 제어될 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예가 실시되고, 납땜 합금(515)에 의해 결합된 2개의 금속 패드(505, 510)를 포함하는 장치(500)를 도시한다. 상술한 바와 같이, CMOS 장치(110')와 저장 스캐너 테이블(130'), 전자기 액추에이터(135') 및 구조물(140')을 포함하는 부품 사이의 거리는 회전 요소(520)의 직경 및 대응하는 공동(525)의 깊이에 따라서 결정된다.
도5에 도시된 장치에 따르면, X, Y 및 θ 방향 정렬은 단일 재유동 단계에서 회전 요소에 대하여 Z 방향 붕괴를 따라서 수행될 수 있다.
도6의 (a), (b), (c) 및 (d)를 포함하는 도6은 멤스 부품들을 정렬하는 주요 단계를 도시한다. 도6의 (a)에 도시된 바와 같이, 저장 스캐너 테이블을 지지하는 구조물(140')은 패드(510)를 포함하고, CMOS 장치(110')는 패드(505) 및 공동(525)을 포함하며, 구형체는 물과 글리세롤을 포함하는 젤과 같은 온도 소산 재료(300)에 의해 유지되고 중심에 위치된다. 소정량의 납땜 재료(515)가 패드(505) 상에 배치된다. CMOS 장치(110') 및 저장 스캐너 테이블을 지지하는 구조물(140')이 정렬될 때, 패드(505, 510)도 또한 정렬된다.
상술한 바와 같이, 온도 소산 재료(300)는 납땜 재유동 프로세스의 제1 단계 중에 소산하기 시작하고, 온도가 납땜 재료(515)의 용융점에 도달하는 동안에 소산이 완료될 때까지 계속된다. 납땜 재료의 변화는 나타나서 도6의 (b)에 도시된 바와 같이 패드(510)를 적시기 시작한다. 멤스 부품들은 도6의 (c)에 도시된 바와 같이 구형체(520)에 부딪힐 때까지 하나의 부품을 다른 부품의 상부로 내려 앉히고, 구형체는 도4를 참조하여 설명된 자기-정렬하는 멤스 부품들의 이동을 조정하기에 자유롭다. 자기-정렬 프로세스의 마지막에서, 패드(505, 510)가 정렬되고 온도는 하강하며, 도6의 (d)에 도시된 바와 같이 멤스 부품들을 함께 고정한다.
각각의 패드 설계는 적층된 멤스 부품들의 자기 정렬을 하도록 하는 결과력(resulting force)과 동일한 결과 기여 및 위치에 의해 영향을 받는다. 양호하게는, 정렬되는 각 멤스 부품은 적어도 3개의 패드와, 부품들이 정밀하게 정렬될 때 다른 부품의 하나의 패드에 정확하게 정렬되는 부품의 각 패드의 적어도 일부분 을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 삼각형을 형성하는, 즉 평면을 형성하는 3개의 패드가 있고, 그 중에서 2개의 패드는 긴 직사각형 패드이고, 이들은 긴 측면에 대해 직교하는 방향을 따라서 더욱 강한 견인력을 갖도록 나타낸다. 대략 90°각도를 따라서 배치된 이들 직사각형 패드는 X 및 Y 방향 매크로-정렬(macro-alignment)에 일정한 기여에 신뢰할 수 있지만, 금속 패드와 그 후 멤스 부품들의 정밀한 마이크로-정렬(micro-alignment)을 달성하는 데에도 신뢰할 수 있다. 2 측면 사이의 높은 종횡비(aspect ratio)로 패드를 직사각형으로 제조하는 것은 또한 Z 방향 제어 프로세스의 붕괴 특징에 대한 요구조건 중 하나를 만족시킨다.
제3 패드는 동일한 X 및 Y 방향 회복 작용(힘)을 유지해야 하지만, 기본적으로 중심에 위치될 때 낮은 레벨에서 가능하고, 오배치(misplacement)가 매크로-레벨(수십 마이크로미터)일 때 자기 중심 조정력(self centering force)에 강한 기여 인자가 되는 옵션을 갖는다. 후자의 패드 설계의 다른 주요 기능은 피봇 지점으로서 작용하여, 다른 2개의 직사각형 패드에 의해 구동된 작용력과 관련하여 시스템의 미소한 회전을 허용하는 것이다.
제3 패드에 대한 설계 특성의 정의는 "도우넛(Donut)"과 유사한 프로파일을 갖는 패드이며, 결과력(resulting force)은 패드 그 자체가 2개의 다른 모서리 사이의 높은 비율을 가지고 2개의 나머지 패드와 매우 유사한 긴 직사각형 패드인 것처럼 패드를 따라서 작용한다.
용융된 합금은 습윤식 표면(패드)의 정확한 중첩이 존재할 때에만 도달될 수 있는 완전한 낮은 표면 에너지 3D 구조물을 구동하는 정렬력(aligning force)을 생 성하는 결합 패드(mating pad)를 적시게 된다.
도7은 본 발명이 실시되고 각각의 패드 설계를 기초로 하여 지배력 벡터(화살표)를 도시하는 장치의 부분도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 멤스 부품(700)은 다른 멤스 부품(705)의 대응하는 패드에 정렬되고 납땜-재유동 프로세스 중에 부품(700, 705)의 정렬을 허용하는 패드(710, 715, 720)를 포함한다.
도8은 2개의 멤스 부품의 대응하는 패드, 즉 한 쌍의 패드뿐만 아니라 그들의 정렬을 허용하는 지배력을 도시한다. 이 도면으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 양쪽의 패드는 주 정렬 방향을 결정하기 위하여 대략 동일한 폭(l)과 다른 길이를 가져야 한다. 교정될 수 있는 큰 오정렬 거리는 대략 패드 폭의 절반, 즉 l/2과 같다.
도9의 (a), (b) 및 (c)를 포함하는 도9는 피봇 지점으로 사용되는 상기 언급된 제3 쌍의 패드를 위한 패드 설계의 실례를 도시한다. 양호하게는, 양쪽 패드의 환형 링의 내부 반경(R1, R2)은 동일하고, 즉 R1 = R2 이고, 반면에 패드 중 하나의 외부 반경은 제2 패드의 외부 반경보다 크며, 예컨대 R3 > R4이다. 교정될 수 있는 큰 오정렬 거리는 대략 양쪽 패드의 외부 반경 사이의 차이의 절반과 동일하며, 즉, (R3 - R4)/2이다.
그러므로 하나의 쌍이 서로로부터 90°와 대략 동일한 각도로 회전되는 2개의 유사한 쌍의 직사각형 패드와, 상술된 환형 쌍의 패드의 사용은 X 및 Y 방향 정렬뿐만 아니라 회전 조정도 허용한다.
자기-정렬 멤스 부품을 위한 대응하는 패드 사이에서 이들을 납땜하기 위해 사용된 납땜 재료의 양은 정밀하게 미리 결정되어야 한다. 이는 반드시 패드들 사이의 접촉과 멤스 부품을 정렬하기 위해 효과적인 장력 효과를 보장하기에 충분히 커야되지만, 구형체가 양쪽 멤스 부품과 접촉 상태로 있다는 것을 보장하기 위해 너무 클 필요는 없다.
가용 습윤식 표면과 쌍을 이루는 가용 체적의 얻어진 조합은 납땜 체적의 분배를 최소 표면 에너지를 갖는 3D 구조물을 얻게 한다.
납땜 재료의 요구되는 양은 특정 높이 및 패드 표면에 대해 평형 상태에서 요구된 체적의 과소 평가에 의해 도달된다. 이것은 구형체의 존재에 의해 주어진 것을 넘는 간극을 감소하기 위해 얻어진 붕괴 작용에 의해 합금을 과도하게 소모하게 된다.
도10 및 하기의 표는 가능/가용 납땜 합금 체적을 기초로 하여 치수를 정하는 다른 패드의 실례를 도시한다. 이렇게 작은 양의 납땜 합금을 침전하기 위한 프로세스는 목표 체적에 대해 다른 비용 및 다른 공차를 갖는다. 표는 고정된 납땜 침전 단계를 기초로 하여 다른 표면 영역을 갖는 목표 체적을 설계하는데 이용되었다.
도10의 (a)는 납땜(1005) 침전 후의 직사각형 패드(1000) 구성을 도시하고, 도10의 (b)는 자기-정렬 작동 및 납땜(1005') 소모 후 직사각형 패드(1000, 1010) 구성을 도시한다. 그리고 나서 기하학적 구성은 평행한 면을 갖는 피라미드형 절두체(pyramidal frustum)에 대해 양호한 근사법으로 계산된다.
- b는 위에 합금이 침전되고, 폭과 길이 양쪽이 100㎛로 동일한 패드(1000) 의 면적이고,
- B는 폭이 100㎛로 동일한 수용 패드(1010)의 면적이고,
- h는 접합하기 전의 합금 침전 높이이고, 그 값은 미소한 체적에 대해 납땜 침전 프로세스 능력의 변수이다. h의 값은 패드 형상의 전체 크기를 정하게 하는 독립 변수가 될 수 있고,
- H는 패드(1000, 1010) 사이의 합금의 목표 높이이고,
- V는 합금 체적이라고 가정하면,
Figure 112007000932915-PCT00001
그리고 수용 패드(1010)의 길이는:
합금 침전 높이 h(㎛) 15 14 13 12 10
수용 패드 길이 (㎛) 560 510 460 410 320
이와 같이, 도10의 (c)는 납땜(1020) 침전 후의 환형 패드(1015) 구성을 도시하고, 도10의 (d)는 자기-정렬 작동 및 납땜 (1020') 소모 후의 환형 패드(1015, 1025) 구성을 도시한다. 그리고 나서 기하학적 구성은 평행한 면을 갖는 피라미드형 절두체와 중심에서 원통형 공동의 체적(πR1 2H)에 대해 양호한 근사법으로 계산된다.
- R1 및 R2는 양쪽의 환형 패드(1015, 1025)의 중심의 비어있는 원형 면적의 반지름이며, R1 및 R2는 양쪽이 50㎛이고,
- R4는 위에 합금이 침전된 패드(1015)의 외부 반경이며, 150㎛이고,
- R3는 수용 패드(1025)의 외부 반경이고,
- h는 접합하기 전의 합금 침전 높이이고, 그 값은 미소한 체적을 침전하기 위한 납땜 침전 프로세스 능력의 변수이다. h의 값은 패드 형상의 전체 크기를 정하게 하는 독립 변수가 될 수 있고,
- H는 패드(1015, 1025) 사이의 합금의 목표 높이이고,
- V는 합금 체적이라고 가정하면,
Figure 112007000932915-PCT00002
그리고 수용 패드(1025)의 외부 반경(R3)은:
합금 침전 높이 h(㎛) 15 14 13 12 10
수용 패드 길이 (㎛) 340 325 310 290 260
다른 실시예에서, 자기-정렬 프로세스는 중력 효과를 이용한다. 이 실시예에 따르면, 멤스 부품의 2개의 결합 표면상에 2개의 상보적인 에칭된 공동이 있다. 도11에 도시된 바와 같이, 도11의 (a)는 멤스 부품(110", 140")의 부분 단면도이고, 도11의 (b)는 대응하는 부분 사시도이며, CMOS 장치(110") 내에 형성된 공동(1105)은 납작한 원뿔형처럼 보이고, 구조물(140") 내에 형성된 공동(1110)은 원뿔형이다. 공동(1105)은 평평한 플로어를 포함하고, 구형체(1100)는 상술한 바와 같이 젤과 같은 온도 소산 재료에 의해 중심 조정되어 유지하고, 온도 소산 재료가 증발할 때 구형체는 자유롭게 구를 수 있다. 원뿔형상의 공동(1110)은 구형체가 중력 효과로 인하여 원뿔 중심에 자기-정렬되도록 한다. 공동은 구형체가 공동(1110)의 원뿔 중심에 정렬될 때 멤스 부품들이 정렬되도록 형성된다. 공 동(1105, 1110)의 중심 사이의 거리(A)는 상부 멤스 부품의 오정렬에 대응하고, 반면에 납작한 원뿔의 작은 면의 반경인 거리(B)는 자기-정렬 기구에 따라서 회복될 수 있는 최대 거리이다.
도12는 중력 효과를 증가시키기 위해 Z 방향 힘을 인가하기 위한 장치를 도시한다. 소형이고 경량의 자성 "중량(weight)"(1200)는 납땜 접합부 또는 납땜 접합부의 서브세트(subset) 위에서 쉽게 중심 조정되는 방식으로 상부측 멤스 부품(1205)의 상부에 배치된다. 절환 가능한 전류(따라서 절환 가능한 필드)를 갖는 자성 솔레노이드(1210)는 부품들 하부에 접합되는 방식으로 위치되어, 부품들이 각 자성 중량 아래에서 용이하게 중심 조정된다. 만일 이들 솔레노이드 및 중량이 양호한 필드를 가지게 되면(그리고 솔레노이드로부터의 필드를 왜곡하는 다른 어떤 강자성 구조물도 존재하지 않으면), 각각의 자성 중량 상의 힘은 소정의 공차 내에서 완전히 수직적이다(어떤 평면 내 구성요소도 갖지 않는다).
솔레노이드 내의 필드가 형성될 때, 자성 중량(magnetic weight)은 상부측 멤스 부품(1205)상에 수직력을 발생하여, 구형체(1215)에 맞닿은 부품이 공동의 형상에 따라서 멤스 부품들의 정렬을 허용하도록 한다. 힘의 크기는 자성 중량의 크기 및 투자율(magnetic permeability)과, 솔레노이드의 설계 및 솔레노이드에 인가된 전류에 의해 결정된다.
자성 중량은 재유동 프로세스가 시작하기 전에 로봇 공학 또는 다른 수단에 의해 배치된다. 적절한 위치에 자성 함유물을 갖는 단일 경량 구조물은 자성 구성요소의 배치를 단순화할 수 있다. 중력은 적절한 위치의 자성 중량을 유지하도록 대부분의 경우에 충분해야 된다. 냉각 후에, 자성 중량은 접합된 적층체로부터 들어 올려질 수 있다.
자성 덩어리(magnetic mass)의 배치는 또한 상부측 멤스 부품의 상부에 홈이나 다른 정렬 특징부를 제공함으로써 용이하게 된다. 원뿔 형상, 원통형 또는 정사각형 오목부가 상부측 멤스 부품에 제공되면, 강철 구(steel ball)(저비용으로 정밀하게 제어된 치수를 가지며 광범위하에 이용 가능함)가 자성 중량으로서 사용될 수 있다.
멤스 부품들이 정렬된 후에, 납땜 프로세스가 부품들을 함께 고정하는데 적용될 수 있다.
비록 설명된 실례가 멤스 부품들을 정렬하기 전에 롤링 구형체/베어링을 유지시키기 위한 글리세롤계 젤의 사용을 기초로 할지라도, 다른 재료들도 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 다른 응용례에서는, 열적 사이클 중에 완전히 소산되지는 않지만 이동 부품의 접합이 달성되면서 구형체의 이동을 방해하지 않는 지점으로 단순히 액화되고 그리고 나서 부품들이 냉각될 때 재응고되는, 재료를 롤링 구형체/베어링을 유지하기 위해 사용할 수 있다. 이들 재료는 예컨대 파라핀(paraffin) 또는 콜로포니(colophony, 송진)와 같은 천연 또는 합성 왁스 또는 로진(rosin)을 포함한다. 이와 같이, 열 소산 재료 조성물은 예컨대 아라비아 고무(gum arabic), 카라야 고무(gum karaya), 아가 고무(gum agar), 괌 고무(guam gum)와 같은 하이드로콜로이드(hydrocolloid)의 사용을 포함할 수 있다.
물론, 국부적이고 특정적인 요구조건을 만족시키기 위하여, 이 기술분야의 숙련자는 상술된 해법을 많은 수정예 및 변경예에 적용시킬 수 있지만, 이들 모두는 다음의 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 보호 범위 내에서 포함된다.

Claims (10)

  1. 전자 장치의 적어도 2개의 부품(110', 140')의 정렬 정밀도를 향상시키는 방법이며,
    상기 적어도 2개의 부품은 적어도 하나의 롤링 요소(205)를 통해 접촉되며,
    상기 적어도 2개의 부품(110', 140')을 정렬하는 단계와,
    상기 적어도 2개의 부품을 함께 고정하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 부품을 정렬하기 전에 상기 적어도 하나의 롤링 요소(205)를 해제하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 롤링 요소(205)는 상기 적어도 2개의 부품을 정렬하기 전에 열 소산 재료(300)를 사용하여 상기 적어도 2개의 부품(110', 140') 중 하나에 고정되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열 소산 재료는 글리세롤을 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤링 요소(205)는 구형체 또는 베어링인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 부품(110', 140') 중 적어도 하나는 공동(200)을 포함하고, 상기 롤링 요소는 상기 적어도 2개의 부품이 정렬되기 전에 상기 공동의 중심에 위치되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 부품 중 상부측 부품은 상기 롤링 요소와 상호 작용하도록 구성된 원뿔형 공동(1110)을 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 부품 각각은 적어도 하나의 패드(505, 510)를 포함하고, 상기 적어도 2개의 부품 중 제1 부품의 상기 적어도 하나의 패드는 상기 적어도 2개의 부품 중 제2 부품의 상기 적어도 하나의 패드와 정렬되고, 적어도 한 쌍의 패드를 형성하면서 상기 제1 및 제2 부품이 정렬될 때, 양호하게는 상기 적어도 한 쌍의 패드의 패드 크기가 상이하며,
    상기 적어도 2개의 부품 중 제1 부품의 상기 적어도 하나의 패드상에 접착제(515)를 배치하는 단계와,
    상기 제2 부품을 상기 제1 부품에 대략 정렬하는 단계와,
    상기 제2 부품을 상기 제1 부품상에 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 접착제를 액체 상태로 환원시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 접착제는 납땜 합금으로 제조되는 방법.
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