TWI488801B - 利用下壓方式組裝之三維斜面微結構 - Google Patents

利用下壓方式組裝之三維斜面微結構 Download PDF

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Description

利用下壓方式組裝之三維斜面微結構
本發明係有關一種三維斜面微結構，特別是一種可使用電子封裝的標準設備且只需下壓及卡扣固定組裝，可應用於任意角度的斜面組裝。
近年來在半導體技術的發展之下，微機電系統(Microelectromechanical System,MEMS)技術有許多重大的發展。對於光學系統而言，微光機電技術(Micro Optical Electro Mechanical System)正是提供製造更小更輕的微光學系統的一個好方法。
其中三維微結構有許多微機電系統方面的應用，例如微光學系統所需之鏡面與平面光學元件，以及射頻應用所需之線圈電感。多數這些元件在一層薄膜上利用表面微機械加工(Micromachining)技術製作，再被豎立以形成三維微系統。
習知有許多技術可用來組裝三維元件，其中，微鉸鏈為一種普遍的固定豎立元件之方式。除了用探針手動組裝以外，運用外力的組裝包括磁力、靜電力、離心力、超音震動或微致動器。自組裝包括運用預應力雙層樑(Pre-stressed bimorph beams)以及表面張力。因為系統封裝需要將多個晶片接合及打線，所以自動化組裝可使用電子封裝製程的標準設備或使用特殊設備。使用標準設備中的取放(Pick-and-place)及打線設備來輔助微機電系統元件的組裝可以達成一個更具可靠性、彈性，及更系統化的組裝和封裝過程。
使用電子封裝製程的標準設備來組裝三維微機電系統其中一個主要的困難是探針或尖取物器的控制與定位，因為將被豎立之元件與基板之間的縫隙很小，將探針插入縫隙的動作需要多自由度與高精準度的控制。另，透過微鉸鏈為固定豎立元件所產生結構的角度誤差問題，尚有改善空間外，微鉸鏈之設計於半導體製程尚無法簡化，生產效率及產品良率均不高。
於是，為解決上述之缺點，本發明之目的係在提供一種利用簡單下壓方式組裝之三維斜面微結構，透過斜面主體與U型支撐架的轉動與卡扣固定，依卡扣位置的設置，利用此下壓組裝方法，可輕易組裝符合在光學平台應用中不同角度三維微結構的需求。
本發明之另一目的係在提供一種利用簡單下壓方式組裝之三維斜面微結構，利用此下壓方法組裝且透過卡扣固定固定斜面主體與U型支撐架，依卡扣位置的設置，半導體製程相當簡化，生產效率及產品良率高。
為達上述之目的，一種利用簡單下壓方式組裝之三維斜面微結構，其包括：一基底層；一斜面主體，其設置於該基底層上，該斜面主體兩側相對應各設有一第一凸出部，該斜面主體底部設有一第一推墊，該第一推墊下方處前述基底層設有一第一容置空間用以容納該第一推墊，且該斜面主體底部設有向兩側水平延伸之第一扭轉樑；以及一U型支撐架，其設置於該基底層上，該U型支撐架之兩支架部內側相對應各設有一第二凸出部，該U型支撐架底部設有一第二推墊，該第二推墊下方處前述基底層設有一第二容置空間用以容納該第二推墊，且該U型支撐架底部設有向兩側水平延伸之第二扭轉樑；俾藉，下壓推動該第一推墊及第二推墊，使該斜面主體經由第一扭轉樑為軸心轉動，該U型支撐架經由第二扭轉樑為軸心轉動，並藉由該些第一凸出部與第二凸出部互相卡扣固定形成一三維斜面微結構。
其中，該斜面主體之第一推墊與該U型支撐架之第二推墊形成於相反方向，斜面主體上方對應於U型支撐架底部。或該斜面主體之第一推墊與該U型支撐架之第二推墊形成於相同方向，該斜面主體之第一推墊對應於U型支撐架底部。
其中，該斜面主體兩側之第一凸出部位置係依所欲傾斜角度設置，對應於該U型支撐架之第二凸出部卡扣固定。且，該U型支撐架之支架部內側之第二凸出部位置係依該斜面主體所欲傾斜角度設置，對應於該斜面主體之第一凸出部卡扣固定。
本發明的優點在於，可應用於組裝陣列設置之複數個微結構，每一個均包含斜面主體與U型支撐架，利用自動化控制之複數個探針，同時推動前述微結構上之推墊，藉由此下壓及卡扣固定組裝，依卡扣位置的設置，可輕易組裝符合在光學平台應用中不同角度三維微結構的需求，且半導體製程相當簡化，生產效率及產品良率高。
茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
請參閱圖1與圖2，為本發明實施例之立體及未組裝之平面示意圖。實施上可採用應力幾乎為零且結構較厚的SOI(Silicon On Insulator)基板製作微鏡面，避免一般利用多晶矽製作時可能發生的翹曲現象。實施上其包括：一基底層100；一斜面主體200設置於該基底層100上。
該斜面主體200兩側相對應各設有一第一凸出部210，該斜面主體200底部設有一第一推墊220，該第一推墊220下方處前述基底層100設有一第一容置空間110用以容納該第一推墊220，且該斜面主體200底部設有向兩側水平延伸之第一扭轉樑230。本發明實施例之斜面主體200可為一微面鏡，其表面為可反射之鏡片，此實施例可應用於微型化光資訊儲存系統，光纖(fiber optic)通訊之光開關(optical switch)，及顯示器等，亦可為應用於顯示器之微透鏡，或是射頻應用之線圈電感。
一U型支撐架300，也是設置於該基底層100上，該U型支撐架300之兩支架部310內側相對應各設有一第二凸出部311，該U型支撐架300底部設有一第二推墊320，該第二推墊320下方處前述基底層100設有一第二容置空間120用以容納該第二推墊320，且該U型支撐架300底部設有向兩側水平延伸之第二扭轉樑330。
請再參閱圖3A~圖3D，為本發明實施例之組裝示意圖。組裝時透過第一探針410先下壓該第二推墊320至第二容置空間120內，使該U型支撐架300經由兩側之第二扭轉樑330為軸心向上轉動至一角度(如圖3A所示)；然後再藉由第二探針420下壓該第一推墊220至第一容置空間110內，使該斜面主體200經由兩側之第一扭轉樑230為軸心向上轉動至一角度(如圖3B所示)；放開第一探針410，使U型支撐架300藉由第二扭轉樑330的回復力使U型支撐架300的兩支架部310分別壓制於該斜面主體200兩側的第一凸出部210側邊(如圖3C所示)；最後，放開第二探針420，使該斜面主體200藉由第一扭轉樑230的回復力使斜面主體200下壓，斜面主體200下壓至U型支撐架300兩支架部310內側之第二凸出部311(如圖3D所示)，形成斜面主體200與U型支撐架300分別藉由該些第一凸出部210與第二凸出部311互相卡扣固定之狀態。
實施上，該斜面主體200與該U型支撐架300可由任何已知半導體技術形成於該基底層100表面，例如該斜面主體200與該U型支撐架300可形成於SOI基板之矽(Si)層，利用微影蝕刻方法，將矽(Si)層圖案化。該斜面主體200兩側之第一凸出部210位置係依所欲傾斜角度設置，對應於該U型支撐架300之第二凸出部311卡扣固定。相同的該U型支撐架300之支架部310內側之第二凸出部311位置係依該斜面主體200所欲傾斜角度設置，對應於該斜面主體200之第一凸出部210卡扣固定。
依前述製程可知，該斜面主體200之第一扭轉樑230及U型支撐架300之第二扭轉樑330的設置位置，配合該斜面主體200之第一凸出部210及U型支撐架300之第二凸出部311就可以定義出該斜面主體200的傾斜角度。實施上透過半導體製程的佈局調整，其中在該斜面主體200之第一扭轉樑230及U型支撐架300之第二扭轉樑330的設置相對應位置固定的情況下，當該斜面主體200之傾斜角度不大於90°，該斜面主體200之第一推墊220與該U型支撐架300之第二推墊320形成於相反方向，且藉由蝕刻製成定義出U型支撐架300之兩支架部310的長度及第二凸出部311的位置，及該斜面主體200兩側的第一凸出部210位置，即可組裝符合在光學平台應用中不大於90°不同斜面角度之三維微結構。
例如，當該斜面主體200高度與支架部310等長的佈局(如圖4所示)，可用於組裝形成45°三維斜面微結構。當該斜面主體200高度小於該支架部310長度之佈局(如圖5所示)，可用於組裝形成大於45°三維斜面微結構，如圖5為60°三維斜面微結構之佈局示意圖。當該斜面主體200高度大於該支架部310長度之佈局(如圖6所示)，可用於組裝形成小於45°三維斜面微結構，如圖6為30°三維斜面微結構之佈局示意圖。
請再參閱圖7及圖8，實施上，當該斜面主體200之傾斜角度大於90°，該斜面主體200之第一推墊220與該U型支撐架300之第二推墊320形成於相同方向(如圖7所示)。藉由蝕刻製成定義出U型支撐架300之兩支架部310的長度及第二凸出部311的位置，及該斜面主體200兩側的第一凸出部210位置，即可組裝符合在光學平台應用中大於90°不同斜面角度之三維微結構。
例如，當該斜面主體200高度與支架部310等長的佈局(如圖8所示)，可用於組裝形成135°三維斜面微結構。其它如前面述類推，當該斜面主體200高度小於該支架部310長度之佈局，可用於組裝形成大於135°三維斜面微結構；當該斜面主體200高度大於該支架部310長度之佈局，可用於組裝形成小於135°三維斜面微結構。
圖9A~圖9F為圖7(135°三維斜面微結構)實施例之組裝示意圖。大於90°不同斜面角度之三維微結構組裝為：先透過第一探針410先下壓該第一推墊220至第一容置空間110內，使該斜面主體200經由兩側之第一扭轉樑230為軸心向上轉動至一角度(不大於90°)(如圖9A所示)；藉由第二探針420抵在該斜面主體200背面固定暫時支撐住該斜面主體200，不要使該斜面主體200因第一扭轉樑230的回復力而壓回(如圖9B所示)；再由第一探針410下壓該第二推墊320至第二容置空間120內，使該U型支撐架300經由兩側之第二扭轉樑330為軸心向上轉動至一角度(如圖9C所示)；然後，再藉由第二探針420由該斜面主體200往前推，使該斜面主體200經由兩側之第一扭轉樑230為軸心再轉動超過90°(如圖9D所示)；放開第一探針410，使U型支撐架300藉由第二扭轉樑330的回復力使U型支撐架300的兩支架部310分別壓制於該斜面主體200兩側的第一凸出部210側邊(如圖9E所示)；最後，放開第二探針420，使該斜面主體200藉由第一扭轉樑230的回復力使斜面主體200上彈，斜面主體200回復抵至U型支撐架300兩支架部310內側之第二凸出部311(如圖9F所示)，形成斜面主體200與U型支撐架300分別藉由該些第一凸出部210與第二凸出部311互相卡扣固定之狀態。
實施上，可利用微影蝕刻方法，該第一容置空間110及第二容置空間120進一步可為通孔貫穿該基底層100。該第一容置空間110及第二容置空間120容置空間提供探針在垂直方向的定位許多裕度，即探針(410及420)可以推的較深但仍不影響該斜面主體200及U型支撐架300的最後角度。橫向定位亦不需很精準，只要探針是在組裝推墊面積含蓋的範圍內即可。
所以，利用微影蝕刻方法，將該第一推墊220下方的基底層100除去，進一步該第一容置空間110延伸到該斜面主體200下方，且前述第一容置空間110表面積大於該斜面主體200表面積(如圖10所示)。或，利用微影蝕刻方法，該第一推墊220下方的基底層100透過陣列穿孔111形成一大凹槽狀的第一容置空間110，且該第一容置空間110表面積大於該斜面主體200表面積(如圖11所示)。更進一步可保留該斜面主體200背面的基底層100，使前述第一容置空間110大於該斜面主體200表面積(如圖12所示)。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧基底層
110‧‧‧第一容置空間
111‧‧‧陣列穿孔
120‧‧‧第二容置空間
200‧‧‧斜面主體
210‧‧‧第一凸出部
220‧‧‧第一推墊
230‧‧‧第一扭轉樑
300‧‧‧U型支撐架
310‧‧‧支架部
311‧‧‧第二凸出部
320‧‧‧第二推墊
330‧‧‧第二扭轉樑330
410‧‧‧第一探針
420‧‧‧第二探針
圖1為本發明實施例之立體示意圖。
圖2為圖1實施例未組裝之平面示意圖。
圖3A~圖3D為本發明實施例之組裝示意圖。
圖4為本發明45°三維斜面微結構之佈局示意圖。
圖5為本發明60°三維斜面微結構之佈局示意圖。
圖6為本發明30°三維斜面微結構之佈局示意圖。
圖7為本發明另一實施例未組裝之平面示意圖。
圖8為本發明135°三維斜面微結構之佈局示意圖。
圖9A~圖9F為圖7實施例之組裝示意圖。
圖10為本發明之容置空間另一實施示意圖一。
圖11為本發明之容置空間另一實施示意圖二。
圖12為本發明之容置空間另一實施示意圖二。
100‧‧‧基底層
110‧‧‧第一容置空間
120‧‧‧第二容置空間
200‧‧‧斜面主體
210‧‧‧第一凸出部
220‧‧‧第一推墊
230‧‧‧第一扭轉樑
300‧‧‧U型支撐架
310‧‧‧支架部
320‧‧‧第二推墊
330‧‧‧第二扭轉樑

Claims (10)

  1. 一種利用下壓方式組裝之三維斜面微結構，其包括：一基底層；一斜面主體，其設置於該基底層上，該斜面主體兩側相對應各設有一第一凸出部，該斜面主體底部設有一第一推墊，該第一推墊下方處前述基底層設有一第一容置空間用以容納該第一推墊，且該斜面主體底部設有向兩側水平延伸之第一扭轉樑；以及一U型支撐架，其設置於該基底層上，該U型支撐架之兩支架部內側相對應各設有一第二凸出部，該U型支撐架底部設有一第二推墊，該第二推墊下方處前述基底層設有一第二容置空間用以容納該第二推墊，且該U型支撐架底部設有向兩側水平延伸之第二扭轉樑；俾藉，下壓推動該第一推墊及第二推墊，使該斜面主體經由第一扭轉樑為軸心轉動，該U型支撐架經由第二扭轉樑為軸心轉動，並藉由該些第一凸出部與第二凸出部互相卡扣固定形成一三維斜面微結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，該斜面主體之第一推墊與該U型支撐架之第二推墊形成於相反方向，斜面主體上方對應於U型支撐架底部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，該斜面主體之第一推墊與該U型支撐架之第二推墊形成於相同方向，該斜面主體之第一推墊對應於U型支撐架底部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，該斜面主體兩側之第一凸出部位置係依所欲傾斜角度設置，對應於該U型支撐架之第二凸出部卡扣固定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，該U型支撐架之支架部內側之第二凸出部位置係依該斜面主體所欲傾斜角度設置，對應於該斜面主體之第一凸出部卡扣固定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，該第一容置空間及第二容置空間表面積大於該第一推墊及第二推墊的面積。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，進一步該第一容置空間及第二容置空間為通孔貫穿該基底層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之三維斜面微結構，其中，進一步該第一容置空間延伸到該斜面主體下方，且表面積大於該斜面主體表面積。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之三維斜面微結構，其中，前述第一容置空間貫穿該基底層。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之三維斜面微結構，其中，前述第一容置空間貫穿該基底層，且保留該斜面主體背面的基底層。
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