KR20180045811A - 관성 센서 - Google Patents

Abstract

MEMS 센서는: 기판; 및 기판의 제 1 측면에 이동가능하게 마운트된 센서 엘리먼트를 포함하되; 기판의 제 2 측면은 그 위에 릴리프로 형성된 패턴을 갖는다. 기판의 제 2 측면상에 릴리프로 형성된 패턴은 다이 본딩 계층과 컨택을 위한 축소된 표면적을 제공한다. 축소된 표면적은 다이 본딩 계층으로부터 기판으로 전달되는 응력의 양을 줄인다(따라서 MEMS 센서 엘리먼트에 도달하는 전달된 응력의 양을 줄인다). 기판 릴리프 패턴은 디커플링되는 응력의 어떤 양을 제공하기 때문에 다이 본딩 계층은 이전 디자인들에 동일한 정도의 응력을 디커플링 할 필요가 없다. 따라서 더 얇은 다이 본딩 계층이 사용될 수 있고, 이는 차례로 전체 패키지가 약간 더 얇아지는 것을 허용한다.

Description

관성 센서{INERTIAL SENSOR}

본 발명은 관성 센서들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MEMS (micro electromechanical sensors) 예컨대 가속도계들 및 자이로스코프들에 관한 것이다.

전형적인 관성 센서 제품은 패키지 내부에 마운트된 센서를 포함한다. 센서는 전형적으로 다이 본딩 계층을 써서 패키지에 고정된다. 와이어 본드들은 패키지의 리드들에 센서상의 컨택들을 접속하기 위해 사용될 수 있다. 패키지는 예컨대 PCB상에 적절한 방식으로 운송수단(vehicle)의 구조에 마운트되거나 또는 사용을 위해 다른 유사한 센서들과 함께 마운트된다.

몇몇의 상이한 재료들이 구조에 포함되고 각각의 재료는 상이한 열 팽창 계수 (CTE : coefficient of thermal expansion)를 가진다. 이것은 디바이스가 온도 변화들을 경험할 때 다양한 재료들간에 본드들에서 응력(stress)들을 일으킨다. 예를 들어 MEMS 센서 다이는 전형적으로 실리콘 온 유리 배열 또는 실리콘 온 실리콘 배열로 형성된다. 전자의 배열에서, 실리콘 MEMS는 구조는 상단 유리 기판과 하단 유리 기판 사이에 샌드위치되고 어셈블리 내부에 MEMS 구조를 밀봉하기 위해서 거기에 애노드로(anodically) 본딩된다 (또는 프리트 본딩된(frit bonded)). 후자의 배열에서, 유리 기판들 대신에 실리콘 기판들이 사용된다. 유리의 CTE는 종종 실리콘, 예를 들어 도핑에 의해 실리콘의 CTE에 상당히 근접하도록 조절될 수 있다. 그러나, 다이 본딩 계층의 CTE 및 패키지의 CTE는 전형적으로 상당히 상이하다.

MEMS와 패키지 및 패키지와 운송수단 구조간의 CTE 불일치로부터의 응력들은 특별히 응력들이 MEMS 센서 자체에 전달되고 및 이들 응력들이 MEMS 센서가 외부 자극에 어떻게 반응하는지의 변화들을 일으킬 때 MEMS 센서들에 문제가 있다. 예를 들어, 디바이스의 바이어스(bias) 및 스케일 요인은 이들 응력들에 의해 영향을 받는다.

CTE 응력들의 영향을 줄이려는 이전 노력들은 MEMS를 패키지로부터 격리시키기 위해 두껍고 유연한(compliant) 다이 본딩 계층을 이용하는 것을 포함하였다. 다이 본딩 계층에 대하여 유연한 재료를 이용함으로써 패키지와 다이 본딩 사이의 인터페이스에 생기는 응력들 및 다이 본딩과 MEMS 센서 사이의 인터페이스에서 생기는 응력들은 어느 정도 까지는 흡수될 수 있다. 그러나, 다이 본딩 계층(die bond layer)은 적절하게 응력을 분리하기 위해서 충분하게 두꺼워야 한다. 두꺼운 다이 본딩 계층은 패키지내에 센서 다이의 정렬을 더 어렵게 만들기 때문에 바람직하지 않다 (경화 프로세스(curing process) 동안에 다이 본딩 재료의 적은 유동성 때문에).

현존하는 디바이스들에서, 디바이스에 계속 존재하는 CTE 영향들을 보상하기 위해 공장 캘리브레이션(calibration)이 수행된다. 그러나, 추가로 다이 본딩 재료는 시간이 흐름에 따라 특성이 변화하는, 전형적으로 탄력성을 잃는 문제가 있다. 이것은 차례로 공장 캘리브레이션이 더 이상 양호하지 않은 정도 까지로 디바이스에 CTE 응력 전달을 변화시킨다.

온도 변화가 극심한 경우에, 다이 본딩 계층은 그것이 훨씬 더 단단해지는 시점에서 그것의 유리 전환 온도에 도달할 수 있고 보상을 더 어렵게 만드는 성능 특성들에서 불연속점들을 생성한다. 다이 본딩 재료는 정상적으로 정상 동작 온도에서 이것을 회피하도록 선택되지만, 이것은 이용 가능한 것들로부터 다이 본딩 재료들의 선택에 추가 제한을 둔다.

CTE 불일치로부터 발생하는 응력들은 특별히 MEMS 디바이스들, 특별히 민감한 디바이스들 예컨대 MEMS 자이로스코프들 및 가속도계들에 대하여 이들 센서들의 기계적 성질 때문에 문제가 된다. 특별히, 이들 디바이스들의 감도는 MEMS 센서 주변에 CTE 응력들의 비대칭이 문제가 된다. 예를 들어, 민감한 MEMS 링 자이로스코프를 생성하기 위해서, MEMS 링 구조가 원형의 대칭을 보장하는데 세심한 주의를 취해야 한다. 그러나, 실리콘 구조를 제조 프로세스 (웨이퍼로부터 다이싱(dicing))는 정상적으로 정사각형 또는 직사각형의 대칭으로 귀결된다. 이 직사각형의 대칭은 CTE 불일치 응력들이 센서의 성능에 악영향을 미치는 센서 둘레에 비대칭이 있다는 것을 의미한다. 패키지에 대하여 센서의 배치 (즉, 정렬) 는 또한 이들 응력들의 전달에 상당히 영향을 미친다. 따라서 이들 문제들은 또한 직사각형의 대칭을 갖는 가속도계들에 적용된다. 이들 비대칭 응력들을 격리시키기 위해서, 응력 격리에서의 일부 시도는 MEMS 다이와 패키지 사이에 컨택을 줄이기 위해서 작은 컨택 면적의 인터포저를 사용하였지만 그러나 이것은 센서의 정렬을 달성하고 유지하고 (실제 물리적 모션을 측정하는데 관성 센서들에 중요한), 높은 g 쇼크 로드들 (관성 센서들의 다른 요건) 동안에 접착력을 유지하는 문제들을 초래하고 전체 어셈블리 프로세스의 복잡도를 증가시킨다. 다른 해결책은 더 대칭인 MEMS 다이를 생성하려고 노력하기 위해서 MEMS 웨이퍼의 합성 다이싱 프로세스(complex dicing process)들을 사용하였다. 그러나 이것은 프로세스의 비용 및 복잡도를 증가시키고 웨이퍼로부터 다이들의 수율을 줄일 수 있다.

본 개시에 따라, MEMS 센서가 제공되고,기판; 및 상기 기판의 제 1 측면상에 이동가능하게 마운트된 센서 엘리먼트;를 포함하고,상기 기판의 제 2 측면은 그 위에 릴리프(relief)로 형성된 패턴을 갖는다.

상기 기판의 제 2 측면상에 릴리프로 형성된 상기 패턴은 상기 다이 본딩 계층과의 컨택을 위한 축소된 표면적을 제공한다. 상기 축소된 표면적은 상기 다이 본딩 계층으로부터 상기 기판에 전달되는 응력의 양을 축소시킨다 (및 따라서 상기 MEMS 센서 엘리먼트에 도달하는 전달되는 응력의 양을 줄인다).

상기 기판 릴리프 패턴은 디커플링(decoupling)의 응력의 어떤 양을 제공하기 때문에, 상기 다이 본딩 계층은 이전 디자인들에서와 동일한 정도의 응력을 디커플링할 필요가 없다. 따라서 더 얇은 다이 본딩 계층이 사용될 수 있고, 이는 차례로 상기 전체 패키지가 약간 더 얇게 되는 것을 허용한다.

상기 패턴이 상기 센서 엘리먼트의 기판상에 직접 형성된 때, 상기 패턴은 상기 센서 엘리먼트에 정확하게 정렬될 수 있어서 상기 센서 엘리먼트에 전달되는 임의의 응력은 패턴의 디자인에 의해 제어될 수 있다. 이것은 상기 다이 본딩 계층이 상기 패키지에 증착될 필요가 있는 정확도를 줄이고, 따라서 정확한 센서의 제조를 가능하게 한다. 또한 응력의 더 작은 레벨이 상기 다이 본딩 계층으로부터 상기 센서 다이로 전달될 때, 상기 다이 본딩 재료의 에이징 영향(aging effect)들은 센서 성능에 덜 영향을 미치고, 따라서 다이 본딩 재료에 선택에 더 많은 자유를 허용한다. 세심한 디자인으로 비-유연한(non-compliant) 다이 본딩 재료도 심지어 고려될 수 있다.

상기 센서 다이의 전체 구조는 바람직하게는 전체적으로 평면 구성을 가져서 상기 제 1 측면 및 제 2 측면은 상기 기판의 전체적으로 평면의 반대 면들이다. 상기 기판의 제 2 측면의 패터닝은 상기 평면의 제 2 면으로부터 편차를 제공하여 상기 패턴은 상기 전체적으로 평면의 면에서 부풀어 올라 있다(stand proud). 상기 제 1 측면 또한 상기 MEMS 센서 디자인의 일부로서 일부 표면 릴리프를 가질 수 있지만 그러나 상기 마운팅에 포함되지 않는다. 예를 들어 상기 제 1 측면상에 이런 표면 릴리프는 상기 실리콘 MEMS 구조의 부분들을 지지할 수 있거나 또는 그 부분들로부터 간극을 제공하고 (예컨대 떠있는 내항 질량 또는 링(suspended proof mass or ring)) 그것은 트랙킹 및 상호연결들을 위한 것과 같은 작은 표면 세부 사항들을 포함할 수 있다.

패턴은 임의의 적절한 형상들로 형성될 수 있고 선택된 패턴은 일반적으로 상기 MEMS 센서의 특정 디자인에 의존할 것이다. 일부 선호되는 예들에서, 상기 패턴은 상기 표면에 부풀어 올라 있는(stand proud) 하나 이상의 돌출부들 또는 리브(rib)들을 포함할 수 있다.

상기 패턴 그것은 적어도 일부 대칭 형태를 가진다는 의미에서 대칭인 것이 선호된다. 이것은 미러 대칭 또는 회전 대칭 또는 둘 모두일 수 있다. 바람직하게는, 상기 패턴의 적어도 하나의 대칭은 상기 센서 엘리먼트의 적어도 하나의 대칭에 대응한다. 따라서, 상기 센서 엘리먼트가 회전 대칭을 가진 경우, 상기 기판 패턴은 또한 회전 대칭을 가질 수 있다. 동등하게, 상기 센서 엘리먼트가 미러 대칭을 가진 경우, 상기 기판 패턴은 또한 미러 대칭을 가질 수 있다. 바람직하게는 대칭의 정도 또한 동일하여서, 예를 들어 네 부분으로 된 (4-fold) 회전 대칭을 갖는 센서는 이상적으로는 네 부분으로 된 회전 대칭의 패턴에 의해 매칭된다. 대안적으로, 또는 추가적으로 상기 패턴의 대칭은 상기 센서의 다른 컴포넌트들에 대칭 예컨대 상기 트랜스듀서들의 대칭 (예를 들어상기 MEMS 움직임을 구동 및/또는 감지하는, 구동 트랜스듀서들 및/또는 픽-업 트랜스듀서들)을 반영할 수 있다. 일부 선호되는 예들에서, 상기 패턴은 네 부분으로 된(4-fold) 대칭을, 옵션으로는 여덟 부분으로 된 (8-fold) 대칭을 갖는다. 상기 패턴은 일부 예들에서 상기 센서 엘리먼트의 대칭에 실질적으로 대응하는 대칭을 갖는다. 예를 들어 원형 대칭 패턴은 원형의 센서 엘리먼트 예컨대 자이로스코프 링에 매우 적합하지만, 그러나 정사각형 또는 직사각형의 대칭 패턴은 정사각형 또는 직사각형의 가속도계 내항 질량(proof mass)에 매우 적합하다. 바람직하게는 상기 패턴은 상기 센서 엘리먼트의 형상을 보완한다. 대칭은 정확히 베이시스(basis)에 근거하여 평가되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 센서 링은 완벽하게 대칭이 아닌 마운팅 레그(leg) 들에 의해 지지될 수 있고, 또는 인터리브된 커패시터 핑거들을 갖는 가속도계들의 경우에, 상기 핑거들은 정확하게 대칭 방식으로 형성되지 않을 수 있다. 이런 작은 차이들은 상기 전체 센서 형상의 대칭을 조사하기 위한 목적을 위해 무시될 수 있고 상기 패턴 형상이 긴 만큼 상기 전체 패턴 형상은 상기 센서 엘리먼트에 전송된 응력들을 적절하게 축소킨다.

상기 기판 패턴의 정확한 형태는 그 위에 마운트된 상기 MEMS 디바이스에 의존하여 상당히 변화할 수 있다. 예를 들어, 상기 MEMS 디바이스의 상기 사이즈 및 형상, 및/또는 상기 MEMS 디바이스를 위한 트랜스듀서들의 상기 사이즈 및 형상은 상기 패턴의 사이즈 및 형상에 영향을 미칠 수 있다. 상기 MEMS 디바이스는 동작을 위해 상이한 기술들을 사용할 수 있고, 예를 들어 그것은 정전용량성 디바이스, 유도성 디바이스 또는 압전 디바이스일 수 있다. 이들 기술들의 각각은 약간 상이한 구성들 및 트랜스듀서 배열들을 사용할 수 있고 응력 전송을 최소화하고 디바이스상의 동작에 기한 응력 전송의 효과를 최소화하기 위해 상기 기판상에 패턴의 상이한 디자인을 각각 요구할 수 있다.

일부 실시예들에 따라, 상기 패턴은 하나 이상의 환형 리브들을 포함할 수 있다. 상기 환형 리브들은 MEMS 디바이스의 원형 컴포넌트와 동심(concentric)일 수 있다 (예를 들어, 링 자이로스코프의 링). 다른 예들에서, 정사각형 또는 직사각형의 환형 리브들이 제공될 수 있고 이들은 정사각형 또는 직사각형의 MEMS 디바이스에 대하여 동심으로 또는 대칭적으로 배열될 수 있다 (예를 들어, 선형 가속도계의 내항 질량).

다른 예들에서, 상기 패턴은 일련의 방사상으로 배향된 리브들을 포함할 수 있다. 이들은 본질적으로 공통 중심 지점으로부터 방사하는 일련의 바퀴살(spoke)들을 형성할 수 있다. 상기 중심 지점은 링 자이로스코프의 링과 같은 원형의 MEMS 센서 엘리먼트의 중심에 대응할 수 있다. 상기 리브들 또는 바퀴살들은 상기 중심에 전체가 접합될 수 있고, 따라서 스타 형상을 형성한다. 이런 경우들에서, 정확하게 형성되기 어려운 상기 패턴에서의 날카로운 각도들을 피하기 위해서, 인접한 리브들 사이의 접합은(join)은 둥글게 된다. 그러나, 이것은 상기 패턴의 컨택 표면적을 증가시키기 때문에, 상기 리브들 또는 바퀴살들이 서로 분리되는 것이 선호된다 (상기 중심에 접합되지 않고). 따라서 각각의 리브는 제 1 반경으로부터 제 2, 더 큰 반경으로 연장된다. 상기 제 1 반경은 인접한 리브들 사이에 충분한 간격을 보장하기에 충분히 크도록 선택되어 상기 패턴은 상기 선택된 제조 프로세스에 의해 용이하게 형성된다. 원형의 돌출부가 추가의 지지를 위해 중심 지점에 형성될 수 있고, 이 원형 돌출부는 상기 리브들로부터 분리된다 (접합되지 않고).

일부 예들에서, 상기 리브들은 바람직하게는 동일한 각도 간격들에서 원에 배열된다. 그러나, 이것은 필수적이 아니고 다른 배열들이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 리브들의 쌍들 (또는 보다 일반적으로 리브들의 그룹들)은 인접한 리브들 사이의 각도 간격이 일정하지 않도록 사용될 수 있다 (비록 그것은 바람직하게는 반복 패턴으로 변할 수 있지만, 상기에서 설명된 것 처럼, 그것은 상기 전체 패턴이 대칭인 것이 선호된다).

상기 리브들은 전체가 상기 동일한 길이일 수 있다. 그러나 일부 예들에서, 상기 리브들은 제 1 셋의 리브들 및 제 2 셋의 리브들을 포함하고, 상기 제 1 셋의 리브들은 상기 제 2 셋의 리브들보다 더 긴 것이 선호된다. 이런 배열들은 상기 응력 커플링 패턴에서의 변형들을 더 잘 보상하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 정사각형 다이가 정사각형 패키지에 사용되는 경우에 (가장 흔한 및 편리한 배열), CTE 불일치로부터 발생하는 응력들은 가장 큰 치수이고 따라서 가장 큰 전체 응력을 경험하는 정사각형의 대각선들을 따라서 가장 크다. 정사각형 (또는 보다 일반적으로 직사각형의) 패키지에서 발생하는 응력 패턴은 따라서 상기 중심으로부터의 상기 정사각형 (또는 직사각형)의 코너들 쪽으로의 가장 높은 응력들과 상기 중심으로부터 상기 에지를 쪽으로의 (가장 짧은 치수) 최저 응력들 사이에서 각도에(angularly) 따라 변화한다. 비록 상기 패턴은 상기 MEMS 다이로부터 이 응력을 가능한 한 많이 디커플링하도록 의도되지만, 일부 잔류 응력은 상기 MEMS 다이에 결합된다. 이 응력을 더 잘 (센서 동작에 최소한의 부정적인 효과를 갖는 방식으로) 결합하기 위해서, 상기 MEMS 기판의 패턴은 상기 응력 패턴에 유사한 방식으로 변화하는 길이들을 갖는 리브들을 가질 수 있다. 바람직하게는 더 긴 리브들은 더 높은 응력의 영역들에 제공되고 더 짧은 리브들은 더 낮은 응력의 영역들에 제공된다. 이런 식으로 상기 실리콘 온 유리 (또는 실리콘 온 실리콘) 구조내에 발생된 응력들 및 상기 패키징에 의해 유도된 상기 MEMS 센서 그 자체상에 최소의 영향을 갖게 하는 이상적인, 대칭의 응력 패턴에 가능한 한 근접하게 생성하기 위해 상기 응력 커플링을 균형을 이루는 방식으로 결합될 수 있다.

따라서, 일부 선호되는 예들에서, 상기 센서는 직사각형의 형상을 가지며 상기 제 1 셋의 리브들은 상기 제 2 셋의 리브들보다 상기 직사각형의 대각선들에 더 가깝게 연장된다. 상기에서 설명된 것 처럼, 상기 리브들은 제 1 반경으로부터 제 2, 더 큰 반경으로 연장될 수 있다. 리브 길이에서의 변형은 예를 들어, 안쪽 반경 및 바깥쪽 반경 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 임의의 적절한 방식으로 성취될 수 있다. 예를 들어, 상기 리브들은 상기 동일한 바깥쪽 반경으로 형성될 수 있고 리브 길이에 따라서 상이한 안쪽 반경들을 갖는다. 그러나, 상기 기판의 정사각형 (또는 직사각형의) 형상은 이런 배열들에서 더 큰 리브 길이 변형을 허용하기 때문에 상기 리브들은 전부 동일한 안쪽 반경 을 갖고 리브 길이에 따라 상기한 바깥쪽 반경들을 갖는 것이 선호된다.

바람직하게는, 상기 패턴은 상기 기판의 제 2 측면으로부터 충분히 큰 거리만큼 양각되어 그것은 상기 제 2 측면의 나머지를 상기 다이 본딩 재료로부터 분리시킨다. 다시 말해서 상기 패턴의 깊이 (또는 상기 패턴의 릴리프의 높이)은 충분히 높아서 상기 기판의 제 2 측면의 비-패턴 영역은 응력이 상기 기판 표면의 비-패턴 영역들에 결합되지 않도록 상기 다이 본딩 재료에 컨택하지 않는다. 상기에서 설명된 것 처럼, 전형적인 다이 본딩 재료들은 흔히 탄성이고 상기 다이 본딩를 상기 패키지 및 기판에 부착시키기 위한 경화 프로세스 동안에 어느 정도 양의 유동성을 가질 수 있다. 따라서 상기 패턴 높이는 경화 후에 기판과 다이 본딩 사이에 컨택은 단지 상기 기판의 패터닝된 영역을 통하여만 되는 것을 보장되도록 선택된다.

본 개시는 많은 상이한 구성들로, 상이한 재료들로 만들어진 센서들에 적용하지만, 그러나 일부 선호되는 예들에서 상기 기판들은 유리로 형성되고 상기 센서 엘리먼트는 실리콘으로 형성된다 (소위 실리콘-온-유리 구성). 임의의 적절한 기술이 상기 패턴을 형성하기 위해 상기 기판의 표면을 형상화하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이들 실리콘-온-유리 예들에서, 상기 패턴은 예를 들어, 파우더 블라스팅(powder blasting) 또는 습식 에칭(wet etching)에 의해 형성될 수 있다.

다른 선호되는 예들에서 상기 기판들은 실리콘으로 형성될 수 있고 상기 센서 엘리먼트 또한 실리콘으로 형성될 수 있다 (소위 실리콘-온-실리콘 구성). 다시, 임의의 적절한 기술이 상기 패턴을 형성하기 위해 상기 기판의 표면을 형상화하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이들 실리콘-온-실리콘 예들에서, 상기 패턴은 예를 들어, 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching)에 의해 형성될 수 있다.

다른 측면에 따라, 본 개시는 패키징된 센서를 제공하고, 패키지; 상기 패키지에 부착된 다이 본딩 계층(die bond layer); 및 상기에서 설명된 것 센서를 포함하되 (옵션으로 상기에서 설명된 상기 옵션의 특징부들의 임의의 것 또는 전부를 포함하는) 기판의 제 2 표면의 패턴은 상기 다이 본딩 계층에 부착된다.

상기 다이 본딩 계층 두께는 특정 애플리케이션에 의존하여, 예를 들어 상기 패키지 및 MEMS 다이의 사이즈에 의존하여 변화할 수 있다. 그러나, 일부 선호되는 예들에서 상기 다이 본딩 계층은 100 ㎛이하, 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 두께를 가진다. 이것은 약 250 ㎛의 이전 두꺼운 다이 본딩 두께들에 비교된다.

또한, 상기에서 논의된 바와 같이, 비록 유연한 다이 본딩 계층이 흔히 선택되지만, 본 개시의 일부 예들에서 상기 다이 본딩 계층은 비-유연한(non-complicnat) 재료일 수 있다.

적절한 유연한 재료들의 일부 예들은 실리콘 탄성중합체들, 유연한 아크릴레이트(acrylate) 또는 유연한 에폭시 기반 다이 본딩 접착제들을 포함한다. 더 높은 강성 (비-유연한) 재료들은 비-유연한 에폭시를 포함할 수 있다.

첨부한 도면들을 참고로 하여 단지 예제의 방식으로 하나이상의 비 제한적인 예들이 이제 설명될 것이다 :
도 1은 전형적인 종래 기술의 구성의 분해 조립도의 단면도이다;
도 2은 본 개시의 어떤 예들에 따른 MEMS 패키지의 마운팅 및 구성의 분해 조립도의 단면도이다;
도 3 은 패턴의 일 예를 도시한다;
도 4 는 일부 센서 구조상에 오버레이된(overlaid) 도 3의 패턴을 도시한다;
도면들 5a 및 5b은 패터닝된 및 비-패터닝된 기판들에 대한 응력 패턴들의 비교를 도시한다;
도 6 은 패턴의 다른 예를 도시한다; 및
도 7 은 패턴의 추가 예를 도시한다.

도 1은 전형적인 종래 기술의 구성 및 두꺼운 다이 본딩 계층을 갖는 MEMS 패키지의 마운팅의 분해 조립도의 단면도이다. MEMS 다이 (15)는 이 예에서 유리 구성 위에 실리콘을 이용하여 형성된다. 실리콘 층 (11)은 예를 들어 에칭에 의해 그 내부에 형성된 MEMS 센서를 갖는다. 이 예에서, 자이로스코프 링 (12)은 실리콘 층 (11)에 에칭된다. 실리콘 층 (11)은 두개의 유리 기판 층들 (13a, 13b) 사이에 샌드위치된다. 실리콘 층 (11)은 화살표들(14)에 의해 표시된 에지들 주위에 애노드 본딩(anodic bonding) 또는 프리트 본딩(frit bonding)에 의해 유리 층들 (13a, 13b)에 본딩된다. 실리콘 층 (11) 및 유리 층들 (13a, 13b)은 함께 MEMS 다이 (15)를 형성한다.

MEMS 다이 (15)는 두꺼운 다이 본딩 계층 (17)를 통하여 패키지 (16)내에 마운팅된다. 리드(lid) (19)는 통상의 방식으로 패키지를 밀봉하기 위해 제공된다. 다이 본딩 계층은 전형적으로 약 250 ㎛ 두께이고 유연한 재료(compliant material)를 가져서 그것은 MEMS 다이 (15), 패키지 (16) 및 PCB (18) (또는 적용가능하다면 다른 대안적인 마운팅 표면)에 열 팽창 계수들을 차이 때문에 일어나는 응력들을 적절하게 흡수할 수 있다. 하단 유리 기판 (13b)의 바닥 표면은 다이 본딩 계층 (17)과 전체(full)가 컨택한다.

도 2는 본 개시의 어떤 예들에 따른 MEMS 패키지의 마운팅 및 구성의 분해 조립도의 단면도이다. 구성의 대부분은 도 1 에 도시된 것과 동일하고 동일한 도면 번호들이 사용된다. 그러나 두개의 핵심 차이들은 하단 기판 (13b)의 바닥 표면 (20)은 릴리프 패턴(relief pattern) (21)으로 패터닝되고 다이 본딩 계층 (17)은 도 1의 종래 기술 구성보다 상당히 더 얇다는 것이다.

하단 기판 (13b)상에 릴리프 패턴 (21)은 충분한 릴리프를 가져서 (즉, 패턴은 충분한 양만큼 표면 (20)의 나머지로부터 부풀어 올라 연장된다) 다이 본딩 계층 (17)은 표면 (20)의 비-패턴 부분은 컨택하지 않는다. 따라서 PCB (18)와 패키지 (16) 사이에 및 패키지 (16)와 MEMS 다이 (15) 사이에 생기는 응력들이 표면 (20)의 패터닝된 부분 (21)을 통하여만 전달된다.

도 3 은 기판 (13b)의 바닥 표면 (20)상에서 사용될 수 있는 패턴의 일예를 도시한다. 도 3의 음영된 부분은 표면 (20)의 패터닝된 부분을, 즉 표면 (20)의 나머지로부터 밖으로 돌출하고 사용중인 다이 본딩 계층 (17)과 접촉하는 표면(20)의 부분을 도시한다.

도 3의 패턴은 열 여섯개 방사상의 리브(rib)들 (31)에 의해 둘러싸인 중심에 원형의 돌출부(projection) (30)을 포함하고, 각각의 리브는 제 1 안쪽 반경으로부터 제 2 바깥쪽 반경으로 연장된다. 이 특정한 예에서, 모든 리브들 (31)은 공통의 제 1 안쪽 반경을 공유하지만, 그러나 리브들 (31)은 두개의 셋들로 - 각각은 상이한 바깥쪽 반경을 갖는다 - 분할될 수 있다. 제 1 셋 (31a)은 더 긴 리브들이고 더 짧은 리브들의 제 2 셋 (31b)의 바깥쪽 반경보다 방사상으로 바깥쪽에 있는 바깥쪽 반경까지 연장된다. 기판 (13b)의 직사각형의 (보다 구체적으로 이 예에서 정사각형) 외주(outer perimeter)가 (32)에 도시된다. 패턴은 네 부분으로 된(four-fold) 회전의 대칭을 가져서, 기판 (13b)의 회전 대칭에 매칭된다는 것이 인식될 수 있다. 패턴은 또한 수평 및 수직 축들에 대하여 (도 3에 도시된 대로) 그리고 정사각형 기판 (13b)의 양쪽 대각선 주위로 반사 대칭을 가진다. 이 예에서, 리브들 (31a, 31b)은 긴 리브 (31a)는 각각의 대각선의 어느 한쪽 측면에 배열되고 (이들은 기판 (13b)의 중심으로부터 그것의 코너들로 최장의 방사상의 길이들이고) 및 짧은 리브 (31b)은 각각의 수평 및 수직 축들의 어느 한쪽 측면에 배열되도록 배열된다 (이들은 기판 (13b)의 중심으로부터 그것의 각각의 측면의 중간 지점들까지 최단 방사상의 길이들이다). 더 긴 리브들 (31a)은 따라서 더 짧은 리브들 (31b)보다 대각선에 더 가깝다. 리브 길이에서의 이 변형은 기판의 비대칭 때문에 발생하는 응력들에 매칭되고 따라서 잔류 응력들이 MEMS 구조로 결합된 때의 비대칭의 효과를 줄인다. 패턴의 대칭은 센서 엘리먼트의 대칭에 대응한다는는 것이 인식될 것이다 (예시된 경우에서 이것은 진동의 링 자이로스코프의 링 이지만, 그러나 본 발명은 이런 예들에 제한되지 않는다).

도 3 에 도시된 패턴의 변형예들에서, 패턴은 리브들 (31)이 대각선상에 있도록 배열될 수 있는 것이 인식될 것이다 (및/또는 수직 및 수평 축들 위에). 회전 및 미러 대칭들이 계속 유지될 것이다. 긴 리브들 (31a) 및 짧은 리브들 (31b)의 수는 예를 들어 단지 하나의 각각의 긴 리브, 및/또는 단지 하나의 각각의 짧은 리브, 및/또는 두개 초과의 각각의 긴 리브, 및/또는 세개 초과의 각각의 짧은 리브로 변화될 수 있다. 또한 두개 초과의 리브들의 셋들이, 즉 세개 초과의 별개의 길이들의 리브일 수 있다. 이 경우에서, 최장의 리브들은 계속 바람직하게는 대각선들 위에 또는 거기에 근접하여 배열되고 리브 길이는 수평 및 수직 기판 축들 쪽으로 감소한다.

도 4 는 MEMS 디바이스 및 그것을 위한 트랜스듀서들의 구조상에 오버레이된 도 3의 패턴을 도시한다. 리브들 (31a, 31b)이 MEMS 디바이스 및 트랜스듀서들에 대하여 대칭적으로 배열된 것을 알 수 있다. 각각의 열 여섯개 리브들 (31a, 31b)이 응력들이 트랜스듀서들 (40)과 인 라인(in line)으로 결합되도록 MEMS 디바이스의 트랜스듀서 (40)에 오버레이된다.

도 5a는 전형적인 종래 기술의 배열에 MEMS 다이 (15)에서 발생하는 비대칭의 응력 패턴을 예시한다. 각각의 화살표의 길이 및 두께는 다이 (15)에 유도된 응력의 양을 예시한다. 가장 큰 응력들이 기판 (13b), 즉 대각선들의 최장 반경들과 인 라인이고, 반면 가장 작은 응력들이 각각의 측면의 중간 지점들을 향하는 것을 알 수 있다 (즉, 기판 (13b)의 최단 반경들). 예를 들어 바이어스, 스케일 요인 에러들 및 성능저하로 이어질 수 있는 공진 모드들의 정렬 및 모드 주파수들의 균형의 붕괴, 트랜스듀서들의 정렬에 비대칭의 변화들을 일으키는 MEMS 구조의 변형을 통한 MEMS 디바이스와의 문제들을 일으키는 것은 이 비대칭의 응력 커플링이다.

도 5b는 예를 들어, 도 3의 패터닝된 기판이 사용될 때 대칭의 응력 패턴을 예시한다. 이제 화살표들은 응력이 MEMS 구조에 대하여 보다 고르게 결합된 것을 나타내는 동일한 두께 및 길이를 갖는 것을 알 수 있다.

도 6 은 기판의 바닥 표면 (20)상에 패턴 (21)을 갖는 기판 (13b)의 사시도를 도시한다. 패턴은 각각의 리브들 (31)이 중심 허브 (30)에 연결된 것을 제외하고는 도 3 에 도시된 것에 유사하다. 허브 (30)는 이 예에서 더 큰데 그것은 인접한 리브들 (31)간에 날카로운 에칭 각도들을 피하기 위한 것을 알 수 있다.

도 7 은 기판 (13b)의 바닥 표면 (20)상에서 사용될 수 있는 대안 패턴(21)을 도시한다. 도 7의 패턴 (21)은 두개의 동심의 환형의 링들을 포함하고, 각각의 링은 표면 (20)의 나머지로부터 부풀어 올라(proud) 있다. 이 예에서 두개의 링들이; 바깥쪽 링 (70) 및 안쪽 링 (71)이 도시되지만, 그러나 다른 예들에서 두개 초과의 링들이 사용될 수 있다. 링들 (70, 71)은 리브들 (31)를 가지고 이용 가능한 동일한 제어의 정도를 제공하지 않지만, 그러나 그것들은 다이 본딩 계층 (17)과 기판 (13b) 사이의 컨택의 표면적을 줄임으로써 응력 커플링을 또한 줄이고, 따라서 MEMS 다이 (15)에 결합되는 응력의 양을 줄인다.

모든 예들 (도면들 3, 6 및 7)의 경우에서, 패턴 (21)은 실질적으로 기판 (13b)의 전체 폭을 가로질러 MEMS 다이 (15)를 위한 지지를 제공한다. 이것은 기판 (13b)의 방사상에서 바깥쪽 지점들에서 컨택 지점들 (즉, 릴리프 패턴의 부분들)을 제공함으로써 달성된다 (특별히 기판 (13b)의 중심으로부터 측면 길이의 1/4 초과, 보다 바람직하게는 기판 (13b)의 중심으로부터 측면 길이의 3/8초과). 따라서 MEMS 다이 (15)는 다이 본딩 계층 (17) 위에 안전하게 지지되지만, 하지만 그것과의 응력 커플링은 여전히 축소된다.

예제 및 예시의 방식에서, 전형적인 실리콘 온 유리 MEMS 다이 구조에서, MEMS 다이는 약 700 ㎛의 두께, 약 5000 ㎛ 의 폭 및 약 5000 ㎛의 길이를 가진다. 이 다이의 패키지 치수는 전형적으로 2.2mm 두께에 약 8 mm x 8 mm 이다.

Claims (15)

1. MEMS 센서에 있어서,
   기판; 및
   상기 기판의 제 1 측면상에 이동가능하게 마운트된 센서 엘리먼트;를 포함하되
   상기 기판의 제 2 측면은 그 위에 릴리프(relief)로 형성된 패턴을 갖는, 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 패턴은 상기 표면에 부풀어 올라 있는(stand proud) 하나 이상의 돌출부들 또는 리브(rib)들을 포함하는, 센서.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 패턴은 대칭인, 센서.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 패턴의 적어도 하나의 대칭은 상기 센서 엘리먼트의 적어도 하나의 대칭에 대응하는, 센서.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 패턴은 상기 센서 엘리먼트의 대칭에 실질적으로 대응하는 대칭을 갖는, 센서.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 패턴은 네 부분으로 된(4-fold) 대칭을 갖는, 센서.
7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 패턴은 방사사으로 배향된 리브들의 셋을 포함하는, 센서.
8. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 리브들은 동일한 각도 간격들에서 원에 배열되는, 센서.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 리브들은 제 1 셋의 리브들 및 제 2 셋의 리브들을 포함하고, 상기 제 1 셋의 리브들은 상기 제 2 셋의 리브들보다 더 긴, 센서.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 센서는 직사각형의 형상을 가지며 상기 제 1 셋의 리브들은 상기 제 2 셋의 리브들보다 상기 직사각형의 대각선들에 더 가깝게 연장되는, 센서.
11. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 패턴은 상기 기판의 제 2 측면으로부터 충분히 큰 거리만큼 양각되어 그것은 상기 제 2 측면의 나머지를 상기 다이 본딩 재료로부터 분리시키는, 센서.
12. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 기판들은 유리로 형성되고, 상기 센서 엘리먼트는 실리콘으로 형성되는, 센서.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 패턴은 파우더 블라스팅(powder blasting) 또는 습식 에칭(wet etching)에 의해 형성되는, 센서.
14. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 기판들은 실리콘으로 형성되고, 상기 센서 엘리먼트는 실리콘으로 형성되는, 센서.
15. 패키징된 센서에 있어서,
    패키지;
    상기 패키지에 부착된 다이 본딩 계층(die bond layer); 및
    청구항 1 또는 2의 센서로서, 기판의 제 2 표면의 패턴은 상기 다이 본딩 계층에 부착되는, 패키징된 센서.

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