リードフレームベースのパッケージに統合された可動要素を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム
ＭＥＭＳデバイス（１００）が集積回路チップ（１０１）と、リードフレームベースのプラスチック成形本体（１２０）を含むパッケージとを有し、パッケージは本体の厚み（１２１）を通る開口（１２２）を備える。可動フォイル部品（１３０）が本体（１２０）に固定され、開口（１２２）を少なくとも部分的に横切って延びうる。チップ（１０１）は、フォイルを横切って拡がるようにリード（１１０）にフリップ実装され、フォイル（１３０）からギャップにより隔てられうる。リードは、予め製造された個別部品のリードフレーム上にあってもよく、或いは犠牲キャリア上に金属を堆積し、その金属層をパターニングするプロセスフローによって製造されてもよい。その結果のリードフレームは平坦であってもよく、或いは積層型のパッケージ・オン・パッケージデバイスに有用なオフセット構造を有してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的に半導体デバイス及びプロセスの分野に関し、更に詳細にはリードフレームベースの成形パッケージに統合された可動要素を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスの構造及び製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスと総称される幅広い種類の製品は、マイクロメータからミリメータ規模の小型軽量デバイスであり、半導体マイクロエレクトロニクスデバイスに用いられるものと同様のバッチ製造技術に基づいて生成される。ＭＥＭＳデバイスは、機械的要素、センサ、アクチュエータ、及び電子部品を共通キャリア上で統合する。ＭＥＭＳデバイスは機械的、熱的、化学的、放射性、磁気的、及び生物量及び入力を検知し、出力として信号を生成するように開発されている。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスは、エネルギー流（音響、熱、又は光）、温度又は電圧差、或いは外的な力又はトルクの影響下で機械的に可動する部品を有しうる。薄膜、プレート、又はビームを備える或るＭＥＭＳデバイスは、例えばマイクロホンやスピーカ等の圧力センサ又はアクチュエータ、例えば加速度計等の慣性センサ、或いは例えば歪ゲージ等の静電容量センサとして用いられうる。また他のＭＥＭＳデバイスは変位又は傾きの動きセンサとして動作する。バイメタル薄膜は温度センサとして機能する。これらの薄膜動作型またはプレート動作型センサに対する一般的な要求として、小型化はもとより、長期安定性、小温度感度、圧力及び温度に対する低ヒステリシス性、腐食性環境に対する耐性、及びしばしば気密性が求められている。
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスでは、機械的可動部品は、典型的にはセンサやアクチュエータと共に半導体チップ上に電子集積回路（ＩＣ）のプロセスフローで製造される。一例としてＩＣ製造工程中のいずれかのステップにおいてアンダーカットエッチングにより機械的可動部品が生成されうる。ＭＥＭＳセンサ製造において、バルク半導体結晶に、可動要素とそれらが動くためのキャビティをつくるために採用されるバルク微細加工プロセスには、異方性ウェットエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、及び深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が含まれる。これらの技術はフォトリソグラフフィマスキングを採用し、結晶配向に依存し、エッチストップを必要とするが、それらはすべて時間及びスループットの点から高コストである。更に、半導体ウエハの表面上の薄いフィルム内に構造物を構築するためのバルク及び表面微細加工技術も同様に高価な技術である。自動ウエハボンディング等の他のプロセスは比較的安価である。
【０００５】
ＭＥＭＳデバイスは可動し影響を受けやすい部品であるため物理的及び環境雰囲気的に保護を必要とする。従って、ＭＥＭＳは環境及び電気的外乱や環境的応力からＭＥＭＳデバイスをシールドするハウジング又はパッケージによって囲まれている。多くのデバイスに関しては、完全気密はもとより、準気密のパッケージでさえも、特にセラミックパッケージやガラスプレート等の精密部品が必要とされるとき著しいコスト増となる。
【０００６】
圧力センサの基本動作原理の中には、ピエゾ抵抗式、静電容量式、及び共振式の動作がある。ピエゾ抵抗式動作では、圧力が電子的検出可能信号に変換され、その変換は圧力に曝される薄膜等の構造の弾性変形に依存する。すなわち圧力が歪を起こし、歪が抵抗に変化を起こす。ＭＥＭＳシリコン技術では、薄膜の厚み、サイズ、及び整合を制御するには精密プロセスステップが必要となる。共振式動作では、圧力が、振動するマイクロ構造に機械的応力を生成させ、その機械的応力に依存して共振周波数が測定される。ＭＥＭＳデバイスシリコンダイアフラムの励起や減衰、及び周波数−圧力の非線形の関係は、高精度の較正を必要とする。静電容量式動作では圧力が変位−依存出力信号を生成させる。圧力の変化が変位を起こし、その変位が静電容量に変化を起こし、その静電容量変化がコンデンサマイクロホンの動作に類似する電気的信号を生成させる。非線形及び寄生静電容量、及び残留薄膜応力が、シリコン及びエピタキシャルシリコンのＭＥＭＳデバイス薄膜製造における課題である。
【０００７】
静電容量式圧力センサを例に挙げると、幾つかの製造方法が選択されうる。１つの方法では、センサは、垂直フィードスルーを備えるガラス・シリコン・ガラス構造としてバルク微細加工される。別の方法では、選択的にエッチングされたウエハが、深いボロン拡散及び浅いボロン拡散及び誘電体堆積を受け、そのウエハが最終的に溶解可能なように、ガラス上に搭載される。更に別の方法では、ｎ＋ドープされたシリコン電極の上にギャップ（幅０．８μｍ）で隔てられたポリシリコン層（厚み１．５μｍ）によって表面微細加工された静電容量式圧力センサを作成する。センサは検知回路に一体的に統合されている。センサは小型で、約１バールから約３５０バールまでの動作範囲に亘り、過圧力安定性が高く、温度依存性が低く、電力消費が低い。
【０００８】
加速度計の基本動作原理では、機械的及び電気的感度は可動プレートの中心の変位の関数である。変位検知加速度計では、入力として加えられた加速は出力としての可動マス（プレート）の変位に変換される。懸架ビームは弾性バネとして機能する。力検知加速度計はプルーフマスに加えられた力を直接検知する。可動プレート、懸架ビーム、及びプルーフマスのバルク単結晶シリコン内のＭＥＭＳデバイス製造にはデリケートな半導体エッチング技術を必要とする。
【発明の概要】
【０００９】
圧力センサ、マイクロホン、加速度計、及び外部アナログ入力を電気的出力に変換するために可動部材を必要とするその他の応用技術を自動車産業、医療業界、及び宇宙産業のシステムに幅広く統合することを妨げている主要な要因は、その製造コストであると考えられている。
【００１０】
これに関連し、標準のウエハ製造技術及び標準のウエハ製造リソグラフィ法によってウエハの表面上又はウエハ内に構築されるＭＥＭＳデバイスは、高コストアプローチであるだけでなく、標準のウエハプロセスに適合しなければならないため、ＭＥＭＳ構成要素に使用可能な材料や構造の選択が制限されることが分かっている。ウエハの製造後も標準技術においては既知のパッケージング材料及びプロセスを用いてＭＥＭＳデバイスをパッケージングしなければならないため、これも更なるコスト増となる。
【００１１】
機械的要素及びセンサ等の可動ＭＥＭＳ部品を、それらの全体的な製造を含めて、統合することにより低コスト半導体を中心としたＭＥＭＳデバイス大量生産における問題点を、ここでは低コストのデバイス材料及びパッケージを用い、且つ電子部品及び信号処理部品のみを集積回路の中に残すことによって、解決する。可動部品をその中に統合するパッケージは、リードフレームベース、或いは基板ベースのいずれかのプラスチック成形ハウジングであってよい。この発明によれば、ＭＥＭＳデバイスは、可動構造のない標準のＣＭＯＳチップと、中に可動構造を構築したパッケージング構成要素を用いてもよい。
【００１２】
これに関連し、可動部品と電子部品の分離は、パッケージ・オン・パッケージＭＥＭＳデバイス等の他の構成要素とのより大きいシステムレベル統合を提供することと、それによって電気的製品の効率が向上することが更に見出された。
【００１３】
リードフレームベースのパッケージに統合された可動要素を持つ実施形態において、リードフレームは予め製造された個別部品であってもよく、或いは犠牲キャリア上に金属を堆積することと、その金属層をパターニングすることとを含むプロセスフローで製造されてもよい。いずれの場合も、その結果のリードフレームは平坦であってもよく、或いは金属セグメントが互いに対して２つ以上の平面に配置されるオフセット構造を有してもよい。後者の構造は、特に薄型ＭＥＭＳデバイスに関して、積層型のパッケージ・オン・パッケージデバイスに技術的利点を提供する。
【００１４】
例示の実施形態は、マイクロホン、圧力センサ、加速度計、及び外部入力を電気的出力に変換するために可動部材を必要とするその他の応用例のためのビーム又は薄膜を偏向させるため、静電気力、重力、空気圧等を利用することを含む。
【００１５】
可動薄膜が引き起こす静電容量変化で動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスは、薄膜がプラスチックデバイスパッケージに統合されているとき、シリコンチップの一部として従来の方式で製造されるものに比べて８０％低い製造コストを提供することができる。
【００１６】
本発明の原理の１つの実施形態は、或る厚みと、第１の表面と、反対側の第２の表面とを有する本体、及び本体の厚みを通る開口であって、第１の表面から第２の表面まで延びる開口を含む、ＭＥＭＳデバイスを提供する。本体の第１の表面内に金属リードが埋め込まれ、金属フォイルが、本体内に固定され第１の表面の開口を少なくとも部分的に横切って延びる。第１の表面上のリードに集積回路チップがフリップ実装される。このチップは少なくとも部分的にフォイルを横切って拡がり、ギャップによりフォイルから隔てられる。
【００１７】
別の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法を提供する。この方法は、第１の表面及び第２の表面、複数のリード、及びセグメントを有するリードフレームを提供するステップ、リードフレームの第２の表面を或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、その厚みを通る開口が、そのセグメントの第２の表面の一部を封止されないまま残すようにするステップ、封止されていないセグメントの第２の表面を薄くして、そのセグメントをＭＥＭＳの可動部品として適切なフォイルにするステップ、及び第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップをリードの第１の表面へ接続し、それによって第１のチップ表面がフォイルを横切って拡がり、フォイルからギャップにより隔てられるようにするステップを含む。
【００１８】
更に別の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法を提供する。この方法は平坦な犠牲キャリア上に、ＭＥＭＳの薄膜に適した薄さを有する金属層を堆積させるステップ、この金属層をパターニングして複数のリードとセグメントとを有するリードフレームにするステップ、リード及びセグメントを、或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、この厚みを通る開口が、セグメントの一部を封止されないままで残すようにするステップ、犠牲キャリアを除去し、リード及びセグメントの、封止されていない側を露出させるステップ、及び第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、リードの封止されていない側に接続し、それによって、第１のチップ表面が、セグメントへ拡がり、ギャップによりセグメントと隔てられるようにするステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、可動薄膜がリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式モードで動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図を示す。図１に示す例ではすべてのリード及び薄膜が同一面に配置されている。
【００２０】
【図２】図２は図１に例示したタイプの完成ＭＥＭＳデバイスの概略斜視図を示し、プラスチックパッケージが図示されている。
【００２１】
【図３】図３は、可動プレートがリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式加速度計として動作する慣性センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図を示す。図３に示す例では、すべてのリード、懸架ビーム、及び可動プレートは同一平面に配置されている。
【００２２】
【図４】図４は、本発明の実施形態に従って製造された圧力センサＭＥＭＳデバイスを含む、半田本体によって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示す。
【００２３】
【図５】図５は、可動薄膜がリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式モードで動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図である。５に示した例では、外部部品への接続を意図されたリードの組は、薄膜及びリードの他の組の平面からオフセットされた平面にある。
【００２４】
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に従って製造された慣性センサ（加速度計）ＭＥＭＳデバイスを含む、圧力（タッチ）コンタクトによって積層された別のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示す。
【００２５】
【図７Ａ】図７Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２６】
【図８Ａ】図８Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｄ】図８Ｄは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別のフローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｅ】図８Ｅは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｆ】図８Ｆは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｇ】図８Ｇは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２７】
【図９Ａ】図９Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｆ】図９Ｆは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｇ】図９Ｇは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｈ】図９Ｈは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２８】
【図１０Ａ】図１０Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明の例示の実施形態を示すもので、静電容量式モードで動作し変位依存出力信号を備える圧力センサファミリのマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスの概略断面図を示す。図１で全体として１００で示す例示のＭＥＭＳデバイスは、ＱＦＮ（Quad Flat No-lead）型及びＳＯＮ（Small Outline
No-lead）型の半導体デバイスのように構成されたシステムである。図１の実施形態では集積回路チップ１０１が金属性リード上に実装される。これらのリードは他のリードと共に複数を示し、図１では１１０で示す。これらのリードは次にプラスチック本体１２０内に埋め込まれる。プラスチック本体１２０は好ましくは成形化合物から作成される。リード及びプラスチック本体は、チップ１０１のパッケージに相当する。更にプラスチック本体内に埋め込まれるのはＭＥＭＳデバイスの可動部品であり、図１では１３０で示す。チップ１０１はパッケージの可動部品１３０からギャップ１０７によって隔てられている。図１のチップ１０１はパッケージ上にフリップ実装されている。フリップ実装は典型的には半田ボールや半田本体のような導電スペーサを用い、上に集積回路が形成されているチップ表面を機械的及び電気的に基板の反対側の表面に取り付ける。基板の反対側の表面は多数の集積回路又は他の電気的構成要素を相互接続する。この実施形態では、基板がＭＥＭＳデバイスの可動部品と外部システムへの電気的接続とを提供する。
【００３０】
図１では、プラスチック本体１２０は、全体的な厚み１２１、第１の表面１２０ａ及び反対側の第２の表面１２０ｂを有する。好ましくはプラスチック本体１２０はエポキシベースの成形化合物を用いて成形技術（例えば、トランスファー成形法）によって製造される。すなわち化合物が重合によって硬化されてデバイス１００に機械的強度を付与する。好ましくは化合物の熱膨張係数（ＣＴＥ）をシリコンのＣＴＥに一層良好に適合させるために、化合物は約８０〜９０体積％の無機充填剤粒子（二酸化シリコン又は窒化珪素等）を含む。
【００３１】
本体１２０の厚み１２１を貫通しているのが開口１２２であり、開口１２２は第１の表面１２０ａから第２の表面１２０ｂへ延びている。開口１２２の形状は円筒形、又は図１に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面１２０ａの側において開口１２２は直径１２３を有する。図１の実施形態では、可動部品１３０は直径１２３を横切って伸び、プラスチック本体１２０内で、開口の周囲に沿ってｘ及びｙ方向に固定される。他の実施形態（以下参照）において、可動部品は開口１２３を部分的にのみ横切って延びる。
【００３２】
可動部品１３０は典型的には銅やニッケル等の金属で作成されたフォイルであり、チップ１０１に対面する表面はパラジウム又は金で作成されることが多い。代替的には可動部品１３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又はアルミニウムから作成されてもよい。幾つかのＭＥＭＳデバイスでは、可動部品１３０はリード１１０と同じ厚み１１４を有する。多くの実施形態では、可動部品１３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においてはこれより厚い又は薄いことがありうる。この厚み範囲では、可動部品１３０は、ｚ方向に可撓性があり、開口１２２の空間及びギャップ１０７の空間において可動である薄膜として機能できる。薄膜であるため、部品１３０は、開口１２２を介してｚ方向から到達する外部圧力変化の影響を受け易く、薄膜をギャップ１０７の内側や外側に曲げる。幾つかの実施形態において、可動部品１３０は約０．５〜２．３ｍｍ２の間の面積を有する。別の実施形態ではこの面積がより小さい又はより大きいことがありうる。
【００３３】
リード１１０は典型的には銅又はニッケルから作成され、チップ１０１に対面する表面はパラジウム又は金で作成される場合もある。代替的にはリード１１０は、Ａｌｌｏｙ４２、又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウムから作成されてもよい。図１の複数のリード１１０は各組にグループ化されてもよい。１１１で示す第１組のリードは、可動部品１３０とチップ１０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。１１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にし、それらによって半田ボール１４０の取り付けが可能になる。１１３で示す第３組のリードは、開口１２２を囲む金属シールリングとして構成されている。図１が示すように、第１組、第２組、及び第３組のリードは１つの平面内に整合され、可動部品１３０は同一平面に配置される。
【００３４】
チップ１０１は、例えば銅で作成され、距離１０７ａをはさんで可動部品１３０に対面している金属性監視プレート１０８を含む。チップの回路側１０１ａの監視プレート１０８は可動部品１３０に対して平行であり、典型的には可動部品１３０と同じ面積を有する。この面積は、しばしば約０．５〜２．２５ｍｍ２の間である。チップ１０１は、典型的には厚みが約１０〜５０μｍの銅から作成される、複数のコンタクトパッド１０２を更に有する。図１の実施形態では、半田本体１０９によってチップがパッケージリードに取り付けられ、半田本体１０９は、可動部品１３０とプレート１０８との間にギャップ１０７が形成されるように半田合金をリフローして作成されている。チップ取り付けでは、電気的パッド１０２は第１組のリード１１１に整合され、金属性シールリング形状のパッド１０３は第３組のリードの金属シールリング１１３に整合される。
【００３５】
代替的な実施形態において、銅チップパッド１０２及び半田本体１０９の代わりに、金バンプを用いてもよい。金バンプはワイヤボールボンディング技術を用いその後コイニング技術を用いる平坦化プロセスにより製造されてもよい。別の代替実施形態において、金バンプの代わりに低融点の金共晶、例えば、金／ゲルマニウム共晶（１２．５重量％のＧｅ、共晶温度３６１℃）を用いてもよい。
【００３６】
１つの実施形態においてギャップ１０７は、約１０〜６０μｍの間、典型的には約２５μｍの距離１０７ａを有する。可動部品１３０及びリード１１１、１１２及び１１３の厚み１１４は好ましくは約１０〜２５μｍの間であるが、別の実施形態においては、これより薄くても又は厚くてもよい。薄膜の厚み、並びに薄膜と検知プレートの間のギャップは後述するように圧力センサの所望の感度に合わせた寸法にすることができる。
【００３７】
第３組のリード１１３が、適合するシールリング形状のパッド１０３に半田リング１５０によって取り付けられた後、ギャップ１０７の空間は準気密シーリングされる。ギャップ空間１０７は粒子等の環境外乱に対して保護されているが、本体１２０にプラスチックの化合物を用いるため水分子に対しては完全には保護されない。代替的にセラミック材料を用いてデバイス１００のパッケージを作成するとギャップ空間１０７が気密シーリングされる。
【００３８】
代替的な実施形態において半田以外の材料によってリング１５０のシーリングを提供することができる。このようなシーリング材料には、ガラス、エポキシ、共晶金属合金、及び拡散合金、及び、その他適切な材料が含まれる。
【００３９】
典型的には同一面積を有し、且つギャップにより隔てられている検知プレート１０８と薄膜１３０は、キャパシタを形成する。上述のように、薄膜１３０は例えば１０μｍの薄さの例えば銅等の金属から作成され、圧力変化に対して可撓性及び感度を有する。従って実装されたデバイス１００は圧力センサ又はマイクロホンとして機能する。開口１２２を介して到達する圧力に応答して内側又は外側に曲がることにより、薄膜１３０は静止プレート１０８に対する距離１０７ａを変化させる。電極としての薄膜１３０及びプレート１０８の面積をＡとし、元の圧力下の電極間の距離をＤ０とし、電極間の空間の誘電率をεとすると、電極の静電容量ＣはＣ＝ε・Ａ／Ｄ０で求められる。ｚ方向の圧力が可撓性の薄膜を変形させるので、変形された面積は小面積要素ｄｘ、ｄｙの積分として計算しなければならない。一方、距離Ｄ０は、ｘ方向及びｙ方向の両方向において偏向ｗｘ、ｙ分が修正される。その結果の静電容量の変化がチップ１０１の回路によって測定される。
【００４０】
例示の圧力センサＭＥＭＳデバイスのコスト概算を提供するために、図２は、辺長２０１及び２０２を備える本体全体のサイズを示している。成形された材料１２０の辺長は、３×３ｍｍ、４×４ｍｍ、３×４ｍｍ、又はこれ以外の顧客が所望する任意のサイズであってよい。リード（１１１、１１２、及び１１３）及び薄膜（図２には図示されていない）の基材は銅、アルミニウム、又は鉄合金であってよい。可動部品を含むこの成形パッケージの大量生産のコストは約０．１０ＵＳドルである。チップのコスト約０．００９ＵＳドルを足すと、本発明に係る可動部品を含むプラスチックパッケージ内のＭＥＭＳデバイスの総コストは約０．１０９ＵＳドルである。このコストを従来の同じ本体サイズの圧力センサＭＥＭＳデバイス、及びＦＲ−４ベースの基板材料のコストと比較すると、次のようになる。従来のパッケージのコストは約０．５４ＵＳドルであり、可動部品を含むチップのコストは約０．０１７ＵＳドルであるので、ＭＥＭＳデバイスの総コストは約０．５５７ＵＳドルである。このコストは本発明に係るＭＥＭＳデバイスのコストのおよそ５倍である。
【００４１】
図３は本発明の別の実施形態を示すもので、静電容量式加速度計として動作する慣性センサ型のＭＥＭＳデバイスを示す。これらのセンサでは加速度が可動マス又はプレートの変位に変換され、位置変化は、固定されたプレートに対する静電容量の変化として測定される。静電容量式加速度計は、高感度性、良好なＤＣ応答及び雑音特性、低ドリフト、及び低い電力損失及び感温性を示す。
【００４２】
図３の例は、キャビティがシーリングされず開放されたままである、簡略化した低コストバージョンを示す。。図３において全体として３００で示す例示のＭＥＭＳデバイスは、ＱＦＮ及びＳＯＮ型の半導体デバイスのように構成されたデバイスである。図３の実施形態において、第１組の金属性リード３１１上に集積回路チップ３０１がフリップ実装される。第１組のリードは、好ましくは成形化合物から作成されるプラスチック本体３２０中に埋め込まれる。リード及びプラスチック本体はチップ３０１のパッケージに相当する。更にプラスチック本体内に埋め込まれているのはＭＥＭＳデバイスの可動プレート３３０、及び第２組のリード３１２である。第２組のリード３１２は外部部品へのコンタクトを可能にし、特に半田ボール３４０の取り付けを可能にする。チップ３０１はギャップ３０７によってパッケージの可動部品３３０から隔てられている。ギャップ３０７の幅は好ましくは約１０〜６０μｍ、より好ましくは約２５μｍである。
【００４３】
図３においてプラスチック本体３２０は全体の厚み３２１、第１の表面３２０ａ、及び反対側の第２の表面３２０ｂを有する。プラスチック本体３２０は、典型的にはエポキシベースの化合物を用い、例えばトランスファー成形法などの成形技術によって製造される。化合物は重合によって硬化されてデバイス３００に機械的強度を付与する。
【００４４】
本体３２０の厚み３２１を貫通しているのが開口３２２であり、第１の表面３２０ａから第２の表面３２０ｂへ延びている。開口３２２の形状は円筒形、又は図３に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面３２０ａの側において開口３２２は直径３２３を有する。図３の実施形態では、可動部品３３０は直径３２３を部分的に横切って伸び、プラスチック本体３２０の第１の表面３２０ａ内に固定される。
【００４５】
可動部品３３０は典型的には銅又はニッケル等の金属で作成される。代替的には可動部品３３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ等）又はアルミニウムで作成されてもよい。可動部品３３０は典型的にはリード３１１及び３１２と同じ厚みを有する。多くの実施形態では、可動部品３３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においては、より厚く又はより薄くしうる。この厚み範囲において、可動部品３３０は第１の表面に対して垂直方向に可撓性があり、開口３２２の空間及びギャップ３０７の空間において可動である。幾つかの実施形態において可動部品３３０は長さ３３１の懸架ビーム及び長さ３３２の可動プレートを含む。可動プレート３３２は、チップ表面上に固定されたプレート３０８の面積に等しい面積を有して、キャパシタを形成する。更に幾つかの実施形態では、可動プレート３３２に、周知のワイヤボールボンディングプロセスにおいて形成されるような、変形された金の球体のマスを追加することによって、可動プレート３３２のマスを拡大することができる。
【００４６】
リード３１１及び３１２、及び可動部品３３０は典型的には銅又はニッケルで作成される。代替的にはリード及び可動部品３３０は、Ａｌｌｏｙ４２、又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウムで作成されてもよい（リードフレームアプローチ、以下を参照）。上述したように複数のリードは各組にグループ化されてもよい。３１１で示す第１組のリードは、可動部品３３０とチップ３０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。３１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にし、特に半田ボール３４０の取り付けを可能にする。リード及び可動部品の厚みは、好ましくは約５〜２５μｍの間であるが、幾つかの実施形態においては、これより厚くても薄くてもよい。第１組及び第２組のリードは１つの平面内に整合され、可動部品３３０は同一平面に配置される。
【００４７】
本発明によれば、開口３２２の材料及び寸法、懸架ビーム３３１の長さ、可動プレート３３２の面積、マス３３３、及び可動プレート３３２と固定プレート３０８との間の静電容量を選択すること可能である。従って図３の加速度計を、加速度を可動マスの変位に変換する静電容量式の変位検知加速度計として、或いはプルーフマスに印加された力を直接検知する力検知加速度計として、特化させることができる。選択された構成要素の機械的伝達関数は、入力として印加された加速度を、出力としてのマス（可動プレート３３２及びマス３３３）の変位に関連付ける。図３の構成要素は、慣性力、弾性力、及び減衰力等の付加的な力間での設計された出力分配を可能にする。
【００４８】
図１及び図３に示した例のような実施形態はデバイスの積層に向いている。図４は、半田本体１４０及び４４０によって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示すもので、図１に関連して説明した圧力センサＭＥＭＳデバイス１００を含んでいる。構成要素４０１及び４０２は、ボールグリッドアレイファミリのオーバーモールドされたデバイスである。図３に関連して説明したような慣性センサＭＥＭＳデバイス３００を用いて類似のパッケージ・オン・パッケージデバイスを構成することもできる。
【００４９】
図５は、本発明の別の例示の実施形態５００を示すもので、静電容量式モードで動作し、変位依存出力信号を備える圧力センサファミリのＭＥＭＳデバイスを図示している。例示のＭＥＭＳデバイスは、プラスチック封止されるリードフレームベースのＱＦＮ及びＳＯＮ型の半導体デバイスのように構成されたデバイスである。５２０で示す封止プラスチック本体は開口５２２を有する。５３０で示す可動の薄膜状の部品は、開口５２２を横切って延びている。１０１で示すフリップ実装された半導体デバイスは、可動薄膜５３０に対して平行である。デバイス１０１は、例えば銅で作成される金属性検知プレート５０８を含み、ギャップ５０７をはさんで可動部品５３０に対面する。ギャップ５０７の高さは、約１０〜６０μｍの間であり、典型的には約２５μｍである。デバイス１０１の回路側１０１ａ上の検知プレート５０８は可動部品５３０に対して平行であり、典型的には可動部品５３０と同じ面積を有する。この面積は典型的には約０．５〜２．３ｍｍ２の間である。
【００５０】
図５の実施形態において、プラスチック本体５２０に埋め込まれている金属リードは、銅又はニッケル、代替的にはＡｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウム又は他の適切な材料で作成される。図５の複数のリードは各組にグループ化されてもよい。５１１で示す第１組のリードは、可動部品５３０とチップ１０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。リード５１１とチップ１０１との間の物理的相互接続は、半田本体５０９によって達成される。５１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にする。これらのコンタクトは、圧力コンタクトに適切な表面冶金構造を有していてもよく、或いはこれらは半田ボールを取り付けるのに適切な表面冶金構造を有していてもよい。５１３で示す第３組のリードは、開口５２２を囲む金属シールリングとして構成されている。リード５１３とチップ１０１との間の物理的相互接続は、半田本体５０９と同じ高さの半田リング５５０によって達成される。
【００５１】
代替的実施形態において、銅チップパッド５０２及び半田本体５０９の代わりに金バンプを用いてもよい。金バンプはワイヤボールボンディング技術を用い、その後コイニング技術を用いる平坦化プロセスにより製造されうる。別の代替実施形態において金バンプの代わりに低融点の金共晶、例えば金／ゲルマニウム共晶（１２．５重量％のＧｅ、共晶温度３６１℃）を用いてもよい。
【００５２】
図５に示すように、第１組及び第３組のリード５１１及び５１３（及び可動部品５３０）は第１の平面５６１に整合されるが、第２組のリード５１２は第１の平面からオフセットされた第２の平面５６２に配置される。このオフセット５６０のサイズは、半田本体５０９の高さと共にしたチップ１０１の合計の厚みが、オフセット５６０に適合するように選択される。従って、回路側１０１ａの反対側のチップ表面１０１ｂの平面は、リード５１２の表面の平面５６２から突出しない。
【００５３】
ＭＥＭＳデバイス５００のプラスチック本体５２０は、好ましくはエポキシベースの成形化合物を用いる成形技術（例えば、トランスファー成形法）によって製造される。成形化合物は重合によって硬化されて、デバイス５００に機械的強度を付与する。上述したように、プラスチック本体５２０は、第１の表面５２０ａから第２の表面５２０ｂに延びる開口５２２を有する。開口５２２の形状は円筒形、又は図５に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面５２０ａの側において開口５２２は直径５２３を有する。図５の実施形態では可動部品５３０は直径５２３を横切って伸び、プラスチック本体５２０の中に、開口の周囲に沿ってｘ及びｙ方向に固定される。他の実施形態（例えば、図３に類似するもの）においては、可動部品は開口５２３を部分的にのみ横切って延びる。
【００５４】
可動部品５３０は典型的には銅やニッケル等の金属で作成され、パラジウム又は金で作成されたチップ１０１に対面する表面を任意選択的に備える。代替的には可動部品５３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又はアルミニウムから作成されてもよい。可動部品５３０は典型的にリード５１１、５１２、及び５１３と同じ厚みを有する。多くの実施形態では、可動部品５３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においては、より厚い又はより薄いことがありうる。この厚み範囲内では、可動部品５３０は、ｚ方向に可撓性があり、開口５２２の空間及びギャップ５０７の空間において可動である、薄膜として機能できる。薄膜であるため、可動部品５３０は、開口５２２を介してｚ方向から到達する外部圧力変化の影響を受けやすく、薄膜をギャップ５０７の内側や外側に曲げる。幾つかの実施形態において可動部品５３０は約０．５〜２．３ｍｍ２の間の面積を有する。別の実施形態ではこの面積が、より小さい又はより大きいことがありうる。
【００５５】
第３組のリード５１３が、適合するシールリング形状のパッド５０３に半田リング５５０によって取り付けられた後、ギャップ５０７の空間は準気密シーリングされる。ギャップ空間５０７は、粒子等の環境外乱に対して保護されているが、本体５２０にプラスチックの化合物を用いるため水分子に対しては完全には保護されない。代替的にセラミック材料を用いてデバイス５００のパッケージを作成するとギャップ空間５０７が気密シーリングされる。
【００５６】
図５に示した例のような実施形態はデバイスの積層に向いている。図６は、２つの個別のデバイスの導電端末間に、サーフェス・ツー・サーフェスタッチコンタクトを形成することによって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイス６００を示す。このようなコンタクトは僅かな圧力下で保たれたときに最も高い信頼性で機能するため、これらのコンタクトはしばしば圧力コンタクトと称される。パッケージの１つは慣性センサＭＥＭＳデバイス６０１であり、もう１つのパッケージ６０２はボールグリッドアレイファミリのオーバーモールドされたデバイスである。ＭＥＭＳデバイス６０１は、図３のデバイスに関連して説明したような静電容量式加速度計の特徴と、図５のデバイスに関連して説明したようなリードフレームベースのパッケージの特徴とを組み合わせる。
【００５７】
概略的な図７Ａ〜図１０Ｃは、デバイスパッケージに統合された可動要素を有する、例示のリードフレームベースのＭＥＭＳデバイスを製造するための幾つかのプロセスフローステップを説明する。図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｇは単一平面にリードを備える圧力センサ及び慣性センサＭＥＭＳデバイスを製造するためのプロセスフローステップを示す。図９Ａ〜図９Ｈ及び図１０Ａ〜図１０Ｃはオフセット平面にリードを備える圧力センサ及び慣性センサＭＥＭＳデバイスを製造するためのプロセスフローステップを示す。すべてのプロセスフローのＭＥＭＳデバイスは薄い可動部品を有する。しかしながら、図７Ａ〜図７Ｃのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードの厚みは、図８Ａ〜図８Ｇのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードより厚くてもよい。同様に図１０Ａ〜図１０Ｃのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードの厚みは、図９Ａ〜図９Ｈのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードより厚くてもよい。
【００５８】
図７Ａにおいて、厚み７１４が典型的には１００〜２００μｍの範囲であり、しばしば約１５０μｍである平坦な金属シートから、複数のリードと薄膜となるセグメントとを含むリードフレームが、スタンピング又はエッチングによってパターニングされる。１つの実施形態によれば、このシートは銅、銅合金、又はアルミニウムで作成される。代替的には鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又は他の適切な金属を選択してもよい。ベースシートが平坦であるため、リード及びセグメントが単一平面にあるようになる。シートの表面７０１ａは重合体封止化合物への接着性を改善するために酸化又は粗面化することができる。一方、表面７０１ｂは、ニッケルの薄層、及び半田付け性を改善するための金やパラジウムなどの貴金属の最外層を有することができる。リードフレームのセグメント７３０は、ＭＥＭＳデバイスの感度薄膜となるために、図７Ａの概略図によって示されるものよりもはるかに大きい面積を有してもよい。
【００５９】
次のプロセスステップの図７Ｂでは、パターニングされたリードフレームの表面７０１ａ上にプラスチック本体１２０が製造されてリードフレームを封止し、それによってリードと薄膜がデバイス内に一体化され、リードフレームに強度と堅牢性を付与する。典型的な製造プロセスは、エポキシベースの化合物を無機充填剤とともにトランスファー成形技術を用いる。成形の場合、金型の鋼がキャビティ内に到達する突起を有することで、本体１２０内にセグメント７３０の金属を固定するために必要となる周辺部７３０ａを除いてキャビティが化合物で充填されるときに、リードフレームのセグメント７３０が封止化合物がないままとなる。この固定は、ビーム又はプレートを留める必要がある慣性センサＭＥＭＳデバイスの場合は、セグメント７３０の周辺の局所部分のみに影響しうる。薄膜を留める必要がある圧力センサＭＥＭＳデバイスの場合は、この固定が、セグメント７３０の周辺全体に影響しうる。封止プロセス中、リードフレームの表面７０１ｂはプラスチックフィルムによって遮蔽されて、成形化合物がないままである。このフィルムは成形ステップの完了後に表面７０１ｂから剥がされる。
【００６０】
次のプロセスステップではエリア７３０の封止化合物がない金属部分がエッチングされて金属を、典型的には約１００〜２００μｍの間であるシート厚み７１４から、約５〜５０μｍの厚み範囲に典型的には約１０〜２５μｍの範囲に薄くすることで、ＭＥＭＳデバイスの薄膜としてのセグメント７３０の可撓性を増強する。図７Ｂではエッチングされた薄膜の薄い部分を７３１で示す。
【００６１】
図７Ｃのプロセスステップでは、半導体デバイス１０１が、それぞれリードに取り付けられ、各リードには外部部品との接続のための半田ボール１４０が取り付けられる。図７Ｃの完成したＭＥＭＳデバイスは、図１のデバイスに似ているが薄膜の薄くされた部分７３１だけが異なる。
【００６２】
図８Ａ〜８Ｇに示すプロセスフローについては、図８Ａで平坦な犠牲キャリア８０１を選択することでプロセスが開始する。犠牲キャリアは、例えば厚みが１００〜２００μｍの間であるむきだしの銅又はむきだしのアルミニウムの基板であってよい。代替的にはキャリア８０１は、プロセスが終了した後エッチングによって溶解できるものであれば、これ以外の任意の適切な材料であってもよい。次にキャリアの各表面８０１ａ及び８０１ｂ上にフォトレジスト層が堆積される（図８Ｂ参照）。表面８０１ａ上の層８０２は、次にマスキング、現像、及びエッチングを行うことによってパターニングされる。一方、表面８０１ｂ上の層８０３はパターニングされないままである。エッチングされた開口は、将来のコンタクトパッド８１１及び８１２、及び将来のリング形状のシールパッド８１３のための場所を含む。
【００６３】
図８Ｃに示されたステップでは、パターニングされたフォトレジストの各開口において、キャリア表面８０１ａ上に１つ又はそれ以上の金属層が堆積される。金属層は（図１との類似において）セグメント８１１、８１２、８１３、及び８３０で示す。１つの堆積技術はめっきプロセスである。典型的な金属は、キャリア表面８０１ａと接するパラジウム又は金等の半田付け可能な金属の層を含み、その後にニッケルの最外層が続く。代替的には、銅又はアルミニウム等の他の適切な任意の金属、又は金属合金を選んでもよい。最終層の表面は、重合体化合物に付着するための化学的親和性を呈するように粗面化されてもよい。このための１つの方法は金属酸化物の形成を含む。層の総厚はすべてのセグメント８１１、８１２、８１３及び８３０に関して同じであり、典型的には７〜２５μｍの間である。これはフォトレジスト層８０２の厚みに等しいか、或いはそれより薄くてもよい。その後、フォトレジスト層８０２及び８０３は除去される。図８Ｄを参照されたい。
【００６４】
図８Ｅに示す次のプロセスステップでは、キャリア側８０１ａ上の特徴の上に封止材料８２０が堆積される。キャビティ８２２が開口したままで、セグメント８３０のエリアのほとんどを露出させる一方、セグメント８３０の周囲がシーリングされるように堆積が形成される。典型的な封止プロセスはトランスファー成形技術であり、典型的な封止材料はエポキシベースの重合体成形化合物であり、セグメント８１１、８１２、８１３及び８３０のトップ金属に化合物が強力に付着するように選択される。上述したように、トランスファー成形技術に用いられる金型キャビティ内に突出する鋼のヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）が、開口８２２を化合物で充填するのを防ぐための低コストの方法を提供する。成形ステップの後、重合体化合物を重合によって硬化させてＭＥＭＳデバイスのための頑丈なパッケージを生成する。
【００６５】
図８Ｆではキャリア８０１が化学エッチング等の方法によって除去される。それによって、金属層８１１、８１２、及び８１３の、貴金属等の半田付け可能な表面を露出させる。残るプロセスステップ（図８Ｇ参照）では、半導体デバイス１０１が半田本体によってそれぞれ層８１１及びシールリング８１３に取り付けられ、半田ボール１４０が層８１２に取り付けられる。その結果のＭＥＭＳデバイスでは、金属層８３０は圧力センサ及びマイクロホンの薄膜として動作するために必要な薄さを既に有している。
【００６６】
図９Ａ〜図９Ｈに示すプロセスフローについては、図９Ａにおいて平坦な犠牲キャリア９０１を選択することでプロセスが開始する。犠牲キャリアは例えば厚みが１００〜２００μｍの間のむきだしの銅又はむきだしのアルミニウムの基板であってよい。代替的には、キャリア９０１は、スタンピング又は押圧によって平坦からオフセットされた形状にし、その後、プロセスの終了後エチャントに溶解するのに適した他の任意の材料であってよい。次にキャリアの各表面９０１ａ及び９０１ｂ上にフォトレジスト層が堆積される（図９Ｂ参照）。表面９０１ａ上の層９０２は、次にマスキング、現像、及びエッチングを行うことによってパターニングされ、一方、表面９０１ｂ上の層９０３は、パターニングされないままである。エッチングされた開口は、将来のコンタクトパッド９１１及び９１２、及び将来のリング形状の封止パッド９１３のための場所を含む。
【００６７】
図９Ｃに示されたステップでは、パターニングされたフォトレジストの各開口において、キャリア表面９０１ａ上に、１つ又はそれ以上の金属層が堆積される。金属層は（図５に類似して）セグメント９１１、９１２、９１３、及び９３０で示す。典型的な堆積技術は、めっきプロセスである。適切な金属は、キャリア表面９０１ａと接触するパラジウム又は金等の半田付け可能な金属の層が含まれ、その後にニッケルの最外層が続く。銅又はアルミニウム等の他の適切な任意の金属、又は金属合金を選んでもよい。最終層の表面は粗面化されてもよく、重合体化合物に付着するための化学的親和性を呈するものとする。１つの方法は金属酸化物の形成を含む。層の総厚はすべてのセグメント９１１、９１２、９１３及び９３０に関して同じであり、典型的には７〜２５μｍの間である。これはフォトレジスト層９０２の厚みに等しいか、或いはそれより薄くてよい。その後、フォトレジスト層９０２及び９０３は除去される（図９Ｄ参照）。
【００６８】
図９Ｅに示す次のプロセスステップでは、スタンピング装置を用いてキャリア９０１を押圧してオフセット形状にし、金属セグメント９１２のためのキャリア部分が、金属セグメント９１１、９１３、及び９３０のための元の平面からオフセットされた平面に配置されるようにする。オフセットの高さ９６０は、チップ１０１がセグメント９１２のオフセット平面から突出することなく、それぞれのセグメントにフリップ実装できるように選択される。
【００６９】
図９Ｆに示す次のプロセスステップでは、キャリア側９０１ａ上の特徴の上に封止材料９２０が堆積される。堆積は、キャビティ９２２が開口したままで、セグメント９３０のエリアの多くを露出させる一方、セグメント９３０の周囲が封止されるように形成される。１つの封止プロセスはトランスファー成形技術であり、典型的な封止材料は、エポキシベースの重合体成形化合物であり、セグメント９１１、９１２、９１３及び９３０のトップ金属に化合物が強力に付着するように選択される。上述したように、トランスファー成形技術に用いられる金型キャビティ内に突出する鋼のヒロックが、開口９２２を化合物で充填するのを防ぐための低コストの方法を提供する。成形ステップの後、重合体化合物を重合によって硬化させてＭＥＭＳデバイスのための頑丈なパッケージを生成してもよい。
【００７０】
図９Ｇでは、キャリア９０１が化学エッチング等の方法によって除去される。それによって、金属セグメント９１１、９１２、及び９１３の、貴金属等の半田付け可能な表面を露出させる。残るプロセスステップ（図９Ｈ参照）では、半導体デバイス１０１が、半田本体によってそれぞれ層９１１及びシールリング９１３にフリップ実装される。完成したＭＥＭＳデバイスは、外部部品への接続のための圧力コンタクト又はタッチコンタクト９１２を有する。その結果のＭＥＭＳデバイスにおいて、金属セグメント９３０は圧力センサ及びマイクロホンの薄膜として動作するために必要な薄さを既に有している。図６に示すような他のＭＥＭＳデバイスに関しては、セグメント９３０は慣性センサＭＥＭＳデバイスファミリの静電容量式加速度計として動作するために必要な薄さを有している。
【００７１】
図１０Ａでは、厚み１０１４が典型的には１００〜２００μｍの範囲の一般的には約１５０μｍの平坦な金属シートから、複数のリードと薄膜となるセグメント１０３０とを含むリードフレームが、スタンピング又はエッチングによってパターニングされる。パターニングステップと同時に又はそれに続いて、図１０Ａに示すオフセット形状にリードフレームはスタンピングされる。ここではセグメント１０１２は、リード１０１１、１０１３、及びセグメント１０３０の平面とは異なる平面にある。オフセットの高さ１０６０は、チップ１０１がセグメント１０１２のオフセット平面から突出することなく、それぞれのセグメントにフリップ実装（図１０Ｃ参照）できるように選択される。このシートは典型的には銅、銅合金、又はアルミニウムで作成される。代替的には、鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又は他の適切な金属を選択してもよい。シートの表面１００１ａは、重合体封止化合物への接着性を改善するために、酸化、又は粗面化されうる。一方、表面１００１ｂは、ニッケルの薄層、及び半田付け性を改善するための金やパラジウムなどの貴金属の最外層を有することができる。リードフレームのセグメント１０３０は、ＭＥＭＳデバイスの感度薄膜となるために、図１０Ａの概略図によって示されるものよりもはるかに大きい面積を有してもよい。
【００７２】
次のプロセスステップの図１０Ｂでは、パターニングされたリードフレームの表面１００１ａ上にプラスチック本体１０２０が製造されてリードフレームを封止する。それによってリードと薄膜がデバイス内に一体化され、リードフレームに強度と堅牢性を付与する。１つの製造プロセスは、エポキシベースの化合物を無機充填剤とともに用いるトランスファー成形技術である。成形の場合、金型の鋼がキャビティ内に到達する突起を有することで、本体１０２０内にセグメント１０３０の金属を固定するために必要となる周辺部１０３０ａを除いてキャビティが化合物で充填されるときに、リードフレームのセグメント１０３０は封止化合物がないままとなる。この固定は、ビーム又はプレートを留める必要がある慣性センサＭＥＭＳデバイスの場合は、セグメント１０３０の周辺の局所部分のみに影響しうる。薄膜を留める必要がある圧力センサＭＥＭＳデバイスの場合は、この固定は、セグメント１０３０の周辺全体に影響しうる。封止プロセス中、リードフレームの表面１００１ｂはプラスチックフィルムによって遮蔽されて化合物がないままである。プラスチックフィルムは成形ステップの完了後に表面１００１ｂから剥がされる。
【００７３】
次のプロセスステップでは、封止化合物がないエリア１０３０の金属部分がエッチングされて、金属を、約１００〜２００μｍの間のシート厚み１０１４から、約５〜５０μｍの厚み範囲に典型的には約１０〜２５μｍの範囲に薄くすることで、ＭＥＭＳデバイスの薄膜としてのセグメント１０３０の可撓性を増強する。図１０Ｂでは、エッチングされた薄膜の薄い部分は１０３１で示す。図１０Ｃのプロセスステップにおいて、半導体デバイス１０１がそれぞれのリードに取り付けられる。図１０Ｃの完成したＭＥＭＳデバイスは図９Ｈのデバイスに似ている。
【００７４】
説明した実施形態には様々な変更を行うことができる。一例として、ＭＥＭＳパッケージのための、プラスチック及びセラミックを含む任意の材料や、半導体デバイス、集積回路、ならびに個別デバイス等のための、シリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、或いはその他製造に用いられる任意のその他の半導体又は化合物材料等に本発明を適用することができる。別の例として、圧力の電気的検出可能信号への変換が圧力に曝される薄膜又は一般的には構造の弾性変形に依存するピエゾ抵抗圧力センサに、可動要素をリードフレームベースのＭＥＭＳパッケージへ統合することを応用することができる。他の例としては、共振周波数が振動する微細構造における機械的応力に依存する共振圧力センサに、可動要素をリードフレームベースのＭＥＭＳパッケージへ統合することを応用することができる。他の例としては、可動要素をＭＥＭＳパッケージに統合する方法によれば、薄膜の厚みを制御することと、ワイヤボンディング技術で生成される１つ又は複数のマス単位の潰れ（squashed）ボールを追加することとで、安価に機械的伝達関数の微調整を行うことができる。当業者にとっては本発明の特許請求の範囲内で他の多くの実施形態及び変形が可能であることが理解されるであろう。例示の実施形態の文脈で説明したような特徴又はステップのすべて又はその幾つかを有する例示の実施形態の文脈で説明した一つ又はそれ以上の特徴又はステップの異なる組合せを有する実施形態も、本明細書に包含されることを意図している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的に半導体デバイス及びプロセスの分野に関し、更に詳細にはリードフレームベースの成形パッケージに統合された可動要素を有するマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスの構造及び製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスと総称される幅広い種類の製品は、マイクロメータからミリメータ規模の小型軽量デバイスであり、半導体マイクロエレクトロニクスデバイスに用いられるものと同様のバッチ製造技術に基づいて生成される。ＭＥＭＳデバイスは、機械的要素、センサ、アクチュエータ、及び電子部品を共通キャリア上で統合する。ＭＥＭＳデバイスは機械的、熱的、化学的、放射性、磁気的、及び生物量及び入力を検知し、出力として信号を生成するように開発されている。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスは、エネルギー流（音響、熱、又は光）、温度又は電圧差、或いは外的な力又はトルクの影響下で機械的に可動する部品を有しうる。薄膜、プレート、又はビームを備える或るＭＥＭＳデバイスは、例えばマイクロホンやスピーカ等の圧力センサ又はアクチュエータ、例えば加速度計等の慣性センサ、或いは例えば歪ゲージ等の静電容量センサとして用いられうる。また他のＭＥＭＳデバイスは変位又は傾きの動きセンサとして動作する。バイメタル薄膜は温度センサとして機能する。これらの薄膜動作型またはプレート動作型センサに対する一般的な要求として、小型化はもとより、長期安定性、小温度感度、圧力及び温度に対する低ヒステリシス性、腐食性環境に対する耐性、及びしばしば気密性が求められている。
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスでは、機械的可動部品は、典型的にはセンサやアクチュエータと共に半導体チップ上に電子集積回路（ＩＣ）のプロセスフローで製造される。一例としてＩＣ製造工程中のいずれかのステップにおいてアンダーカットエッチングにより機械的可動部品が生成されうる。ＭＥＭＳセンサ製造において、バルク半導体結晶に、可動要素とそれらが動くためのキャビティをつくるために採用されるバルク微細加工プロセスには、異方性ウェットエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、及び深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が含まれる。これらの技術はフォトリソグラフフィマスキングを採用し、結晶配向に依存し、エッチストップを必要とするが、それらはすべて時間及びスループットの点から高コストである。更に、半導体ウエハの表面上の薄いフィルム内に構造物を構築するためのバルク及び表面微細加工技術も同様に高価な技術である。自動ウエハボンディング等の他のプロセスは比較的安価である。
【０００５】
ＭＥＭＳデバイスは可動し影響を受けやすい部品であるため物理的及び環境雰囲気的に保護を必要とする。従って、ＭＥＭＳは環境及び電気的外乱や環境的応力からＭＥＭＳデバイスをシールドするハウジング又はパッケージによって囲まれている。多くのデバイスに関しては、完全気密はもとより、準気密のパッケージでさえも、特にセラミックパッケージやガラスプレート等の精密部品が必要とされるとき著しいコスト増となる。
【０００６】
圧力センサの基本動作原理の中には、ピエゾ抵抗式、静電容量式、及び共振式の動作がある。ピエゾ抵抗式動作では、圧力が電子的検出可能信号に変換され、その変換は圧力に曝される薄膜等の構造の弾性変形に依存する。すなわち圧力が歪を起こし、歪が抵抗に変化を起こす。ＭＥＭＳシリコン技術では、薄膜の厚み、サイズ、及び整合を制御するには精密プロセスステップが必要となる。共振式動作では、圧力が、振動するマイクロ構造に機械的応力を生成させ、その機械的応力に依存して共振周波数が測定される。ＭＥＭＳデバイスシリコンダイアフラムの励起や減衰、及び周波数−圧力の非線形の関係は、高精度の較正を必要とする。静電容量式動作では圧力が変位−依存出力信号を生成させる。圧力の変化が変位を起こし、その変位が静電容量に変化を起こし、その静電容量変化がコンデンサマイクロホンの動作に類似する電気的信号を生成させる。非線形及び寄生静電容量、及び残留薄膜応力が、シリコン及びエピタキシャルシリコンのＭＥＭＳデバイス薄膜製造における課題である。
【０００７】
静電容量式圧力センサを例に挙げると、幾つかの製造方法が選択されうる。１つの方法では、センサは、垂直フィードスルーを備えるガラス・シリコン・ガラス構造としてバルク微細加工される。別の方法では、選択的にエッチングされたウエハが、深いボロン拡散及び浅いボロン拡散及び誘電体堆積を受け、そのウエハが最終的に溶解可能なように、ガラス上に搭載される。更に別の方法では、ｎ＋ドープされたシリコン電極の上にギャップ（幅０．８μｍ）で隔てられたポリシリコン層（厚み１．５μｍ）によって表面微細加工された静電容量式圧力センサを作成する。センサは検知回路に一体的に統合されている。センサは小型で、約１バールから約３５０バールまでの動作範囲に亘り、過圧力安定性が高く、温度依存性が低く、電力消費が低い。
【０００８】
加速度計の基本動作原理では、機械的及び電気的感度は可動プレートの中心の変位の関数である。変位検知加速度計では、入力として加えられた加速は出力としての可動マス（プレート）の変位に変換される。懸架ビームは弾性バネとして機能する。力検知加速度計はプルーフマスに加えられた力を直接検知する。可動プレート、懸架ビーム、及びプルーフマスのバルク単結晶シリコン内のＭＥＭＳデバイス製造にはデリケートな半導体エッチング技術を必要とする。
【発明の概要】
【０００９】
圧力センサ、マイクロホン、加速度計、及び外部アナログ入力を電気的出力に変換するために可動部材を必要とするその他の応用技術を自動車産業、医療業界、及び宇宙産業のシステムに幅広く統合することを妨げている主要な要因は、その製造コストであると考えられている。
【００１０】
これに関連し、標準のウエハ製造技術及び標準のウエハ製造リソグラフィ法によってウエハの表面上又はウエハ内に構築されるＭＥＭＳデバイスは、高コストアプローチであるだけでなく、標準のウエハプロセスに適合しなければならないため、ＭＥＭＳ構成要素に使用可能な材料や構造の選択が制限されることが分かっている。ウエハの製造後も標準技術においては既知のパッケージング材料及びプロセスを用いてＭＥＭＳデバイスをパッケージングしなければならないため、これも更なるコスト増となる。
【００１１】
機械的要素及びセンサ等の可動ＭＥＭＳ部品を、それらの全体的な製造を含めて、統合することにより低コスト半導体を中心としたＭＥＭＳデバイス大量生産における問題点を、ここでは低コストのデバイス材料及びパッケージを用い、且つ電子部品及び信号処理部品のみを集積回路の中に残すことによって、解決する。可動部品をその中に統合するパッケージは、リードフレームベース、或いは基板ベースのいずれかのプラスチック成形ハウジングであってよい。この発明によれば、ＭＥＭＳデバイスは、可動構造のない標準のＣＭＯＳチップと、中に可動構造を構築したパッケージング構成要素を用いてもよい。
【００１２】
これに関連し、可動部品と電子部品の分離は、パッケージ・オン・パッケージＭＥＭＳデバイス等の他の構成要素とのより大きいシステムレベル統合を提供することと、それによって電気的製品の効率が向上することが更に見出された。
【００１３】
リードフレームベースのパッケージに統合された可動要素を持つ実施形態において、リードフレームは予め製造された個別部品であってもよく、或いは犠牲キャリア上に金属を堆積することと、その金属層をパターニングすることとを含むプロセスフローで製造されてもよい。いずれの場合も、その結果のリードフレームは平坦であってもよく、或いは金属セグメントが互いに対して２つ以上の平面に配置されるオフセット構造を有してもよい。後者の構造は、特に薄型ＭＥＭＳデバイスに関して、積層型のパッケージ・オン・パッケージデバイスに技術的利点を提供する。
【００１４】
例示の実施形態は、マイクロホン、圧力センサ、加速度計、及び外部入力を電気的出力に変換するために可動部材を必要とするその他の応用例のためのビーム又は薄膜を偏向させるため、静電気力、重力、空気圧等を利用することを含む。
【００１５】
可動薄膜が引き起こす静電容量変化で動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスは、薄膜がプラスチックデバイスパッケージに統合されているとき、シリコンチップの一部として従来の方式で製造されるものに比べて８０％低い製造コストを提供することができる。
【００１６】
本発明の原理の１つの実施形態は、或る厚みと、第１の表面と、反対側の第２の表面とを有する本体、及び本体の厚みを通る開口であって、第１の表面から第２の表面まで延びる開口を含む、ＭＥＭＳデバイスを提供する。本体の第１の表面内に金属リードが埋め込まれ、金属フォイルが、本体内に固定され第１の表面の開口を少なくとも部分的に横切って延びる。第１の表面上のリードに集積回路チップがフリップ実装される。このチップは少なくとも部分的にフォイルを横切って拡がり、ギャップによりフォイルから隔てられる。
【００１７】
別の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法を提供する。この方法は、第１の表面及び第２の表面、複数のリード、及びセグメントを有するリードフレームを提供するステップ、リードフレームの第２の表面を或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、その厚みを通る開口が、そのセグメントの第２の表面の一部を封止されないまま残すようにするステップ、封止されていないセグメントの第２の表面を薄くして、そのセグメントをＭＥＭＳの可動部品として適切なフォイルにするステップ、及び第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップをリードの第１の表面へ接続し、それによって第１のチップ表面がフォイルを横切って拡がり、フォイルからギャップにより隔てられるようにするステップを含む。
【００１８】
更に別の実施形態は、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法を提供する。この方法は平坦な犠牲キャリア上に、ＭＥＭＳの薄膜に適した薄さを有する金属層を堆積させるステップ、この金属層をパターニングして複数のリードとセグメントとを有するリードフレームにするステップ、リード及びセグメントを、或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、この厚みを通る開口が、セグメントの一部を封止されないままで残すようにするステップ、犠牲キャリアを除去し、リード及びセグメントの、封止されていない側を露出させるステップ、及び第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、リードの封止されていない側に接続し、それによって、第１のチップ表面が、セグメントへ拡がり、ギャップによりセグメントと隔てられるようにするステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、可動薄膜がリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式モードで動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図を示す。図１に示す例ではすべてのリード及び薄膜が同一面に配置されている。
【００２０】
【図２】図２は図１に例示したタイプの完成ＭＥＭＳデバイスの概略斜視図を示し、プラスチックパッケージが図示されている。
【００２１】
【図３】図３は、可動プレートがリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式加速度計として動作する慣性センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図を示す。図３に示す例では、すべてのリード、懸架ビーム、及び可動プレートは同一平面に配置されている。
【００２２】
【図４】図４は、本発明の実施形態に従って製造された圧力センサＭＥＭＳデバイスを含む、半田本体によって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示す。
【００２３】
【図５】図５は、可動薄膜がリードフレームベースのプラスチックパッケージの一部である、静電容量式モードで動作する圧力センサファミリの例示のＭＥＭＳデバイスの概略断面図である。５に示した例では、外部部品への接続を意図されたリードの組は、薄膜及びリードの他の組の平面からオフセットされた平面にある。
【００２４】
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に従って製造された慣性センサ（加速度計）ＭＥＭＳデバイスを含む、圧力（タッチ）コンタクトによって積層された別のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示す。
【００２５】
【図７Ａ】図７Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、すべてのリードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２６】
【図８Ａ】図８Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｄ】図８Ｄは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別のフローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｅ】図８Ｅは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｆ】図８Ｆは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図８Ｇ】図８Ｇは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードと同じ単一平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳデバイスの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２７】
【図９Ａ】図９Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｆ】図９Ｆは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｇ】図９Ｇは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図９Ｈ】図９Ｈは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【００２８】
【図１０Ａ】図１０Ａは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、リードフレームベースのプラスチックパッケージに統合され、リードの或るの組と同じ平面に配置された可動薄膜を備える圧力センサＭＥＭＳの別の製造フローの或るプロセスステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明の例示の実施形態を示すもので、静電容量式モードで動作し変位依存出力信号を備える圧力センサファミリのマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスの概略断面図を示す。図１で全体として１００で示す例示のＭＥＭＳデバイスは、ＱＦＮ（Quad Flat No-lead）型及びＳＯＮ（Small Outline
No-lead）型の半導体デバイスのように構成されたシステムである。図１の実施形態では集積回路チップ１０１が金属性リード上に実装される。これらのリードは他のリードと共に複数を示し、図１では１１０で示す。これらのリードは次にプラスチック本体１２０内に埋め込まれる。プラスチック本体１２０は好ましくは成形化合物から作成される。リード及びプラスチック本体は、チップ１０１のパッケージに相当する。更にプラスチック本体内に埋め込まれるのはＭＥＭＳデバイスの可動部品であり、図１では１３０で示す。チップ１０１はパッケージの可動部品１３０からギャップ１０７によって隔てられている。図１のチップ１０１はパッケージ上にフリップ実装されている。フリップ実装は典型的には半田ボールや半田本体のような導電スペーサを用い、上に集積回路が形成されているチップ表面を機械的及び電気的に基板の反対側の表面に取り付ける。基板の反対側の表面は多数の集積回路又は他の電気的構成要素を相互接続する。この実施形態では、基板がＭＥＭＳデバイスの可動部品と外部システムへの電気的接続とを提供する。
【００３０】
図１では、プラスチック本体１２０は、全体的な厚み１２１、第１の表面１２０ａ及び反対側の第２の表面１２０ｂを有する。好ましくはプラスチック本体１２０はエポキシベースの成形化合物を用いて成形技術（例えば、トランスファー成形法）によって製造される。すなわち化合物が重合によって硬化されてデバイス１００に機械的強度を付与する。好ましくは化合物の熱膨張係数（ＣＴＥ）をシリコンのＣＴＥに一層良好に適合させるために、化合物は約８０〜９０体積％の無機充填剤粒子（二酸化シリコン又は窒化珪素等）を含む。
【００３１】
本体１２０の厚み１２１を貫通しているのが開口１２２であり、開口１２２は第１の表面１２０ａから第２の表面１２０ｂへ延びている。開口１２２の形状は円筒形、又は図１に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面１２０ａの側において開口１２２は直径１２３を有する。図１の実施形態では、可動部品１３０は直径１２３を横切って伸び、プラスチック本体１２０内で、開口の周囲に沿ってｘ及びｙ方向に固定される。他の実施形態（以下参照）において、可動部品は開口１２３を部分的にのみ横切って延びる。
【００３２】
可動部品１３０は典型的には銅やニッケル等の金属で作成されたフォイルであり、チップ１０１に対面する表面はパラジウム又は金で作成されることが多い。代替的には可動部品１３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又はアルミニウムから作成されてもよい。幾つかのＭＥＭＳデバイスでは、可動部品１３０はリード１１０と同じ厚み１１４を有する。多くの実施形態では、可動部品１３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においてはこれより厚い又は薄いことがありうる。この厚み範囲では、可動部品１３０は、ｚ方向に可撓性があり、開口１２２の空間及びギャップ１０７の空間において可動である薄膜として機能できる。薄膜であるため、部品１３０は、開口１２２を介してｚ方向から到達する外部圧力変化の影響を受け易く、薄膜をギャップ１０７の内側や外側に曲げる。幾つかの実施形態において、可動部品１３０は約０．５〜２．３ｍｍ２の間の面積を有する。別の実施形態ではこの面積がより小さい又はより大きいことがありうる。
【００３３】
リード１１０は典型的には銅又はニッケルから作成され、チップ１０１に対面する表面はパラジウム又は金で作成される場合もある。代替的にはリード１１０は、Ａｌｌｏｙ４２、又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウムから作成されてもよい。図１の複数のリード１１０は各組にグループ化されてもよい。１１１で示す第１組のリードは、可動部品１３０とチップ１０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。１１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にし、それらによって半田ボール１４０の取り付けが可能になる。１１３で示す第３組のリードは、開口１２２を囲む金属シールリングとして構成されている。図１が示すように、第１組、第２組、及び第３組のリードは１つの平面内に整合され、可動部品１３０は同一平面に配置される。
【００３４】
チップ１０１は、例えば銅で作成され、距離１０７ａをはさんで可動部品１３０に対面している金属性監視プレート１０８を含む。チップの回路側１０１ａの監視プレート１０８は可動部品１３０に対して平行であり、典型的には可動部品１３０と同じ面積を有する。この面積は、しばしば約０．５〜２．２５ｍｍ２の間である。チップ１０１は、典型的には厚みが約１０〜５０μｍの銅から作成される、複数のコンタクトパッド１０２を更に有する。図１の実施形態では、半田本体１０９によってチップがパッケージリードに取り付けられ、半田本体１０９は、可動部品１３０とプレート１０８との間にギャップ１０７が形成されるように半田合金をリフローして作成されている。チップ取り付けでは、電気的パッド１０２は第１組のリード１１１に整合され、金属性シールリング形状のパッド１０３は第３組のリードの金属シールリング１１３に整合される。
【００３５】
代替的な実施形態において、銅チップパッド１０２及び半田本体１０９の代わりに、金バンプを用いてもよい。金バンプはワイヤボールボンディング技術を用いその後コイニング技術を用いる平坦化プロセスにより製造されてもよい。別の代替実施形態において、金バンプの代わりに低融点の金共晶、例えば、金／ゲルマニウム共晶（１２．５重量％のＧｅ、共晶温度３６１℃）を用いてもよい。
【００３６】
１つの実施形態においてギャップ１０７は、約１０〜６０μｍの間、典型的には約２５μｍの距離１０７ａを有する。可動部品１３０及びリード１１１、１１２及び１１３の厚み１１４は好ましくは約１０〜２５μｍの間であるが、別の実施形態においては、これより薄くても又は厚くてもよい。薄膜の厚み、並びに薄膜と検知プレートの間のギャップは後述するように圧力センサの所望の感度に合わせた寸法にすることができる。
【００３７】
第３組のリード１１３が、適合するシールリング形状のパッド１０３に半田リング１５０によって取り付けられた後、ギャップ１０７の空間は準気密シーリングされる。ギャップ空間１０７は粒子等の環境外乱に対して保護されているが、本体１２０にプラスチックの化合物を用いるため水分子に対しては完全には保護されない。代替的にセラミック材料を用いてデバイス１００のパッケージを作成するとギャップ空間１０７が気密シーリングされる。
【００３８】
代替的な実施形態において半田以外の材料によってリング１５０のシーリングを提供することができる。このようなシーリング材料には、ガラス、エポキシ、共晶金属合金、及び拡散合金、及び、その他適切な材料が含まれる。
【００３９】
典型的には同一面積を有し、且つギャップにより隔てられている検知プレート１０８と薄膜１３０は、キャパシタを形成する。上述のように、薄膜１３０は例えば１０μｍの薄さの例えば銅等の金属から作成され、圧力変化に対して可撓性及び感度を有する。従って実装されたデバイス１００は圧力センサ又はマイクロホンとして機能する。開口１２２を介して到達する圧力に応答して内側又は外側に曲がることにより、薄膜１３０は静止プレート１０８に対する距離１０７ａを変化させる。電極としての薄膜１３０及びプレート１０８の面積をＡとし、元の圧力下の電極間の距離をＤ０とし、電極間の空間の誘電率をεとすると、電極の静電容量ＣはＣ＝ε・Ａ／Ｄ０で求められる。ｚ方向の圧力が可撓性の薄膜を変形させるので、変形された面積は小面積要素ｄｘ、ｄｙの積分として計算しなければならない。一方、距離Ｄ０は、ｘ方向及びｙ方向の両方向において偏向ｗｘ、ｙ分が修正される。その結果の静電容量の変化がチップ１０１の回路によって測定される。
【００４０】
例示の圧力センサＭＥＭＳデバイスのコスト概算を提供するために、図２は、辺長２０１及び２０２を備える本体全体のサイズを示している。成形された材料１２０の辺長は、３×３ｍｍ、４×４ｍｍ、３×４ｍｍ、又はこれ以外の顧客が所望する任意のサイズであってよい。リード（１１１、１１２、及び１１３）及び薄膜（図２には図示されていない）の基材は銅、アルミニウム、又は鉄合金であってよい。可動部品を含むこの成形パッケージの大量生産のコストは約０．１０ＵＳドルである。チップのコスト約０．００９ＵＳドルを足すと、本発明に係る可動部品を含むプラスチックパッケージ内のＭＥＭＳデバイスの総コストは約０．１０９ＵＳドルである。このコストを従来の同じ本体サイズの圧力センサＭＥＭＳデバイス、及びＦＲ−４ベースの基板材料のコストと比較すると、次のようになる。従来のパッケージのコストは約０．５４ＵＳドルであり、可動部品を含むチップのコストは約０．０１７ＵＳドルであるので、ＭＥＭＳデバイスの総コストは約０．５５７ＵＳドルである。このコストは本発明に係るＭＥＭＳデバイスのコストのおよそ５倍である。
【００４１】
図３は本発明の別の実施形態を示すもので、静電容量式加速度計として動作する慣性センサ型のＭＥＭＳデバイスを示す。これらのセンサでは加速度が可動マス又はプレートの変位に変換され、位置変化は、固定されたプレートに対する静電容量の変化として測定される。静電容量式加速度計は、高感度性、良好なＤＣ応答及び雑音特性、低ドリフト、及び低い電力損失及び感温性を示す。
【００４２】
図３の例は、キャビティがシーリングされず開放されたままである、簡略化した低コストバージョンを示す。。図３において全体として３００で示す例示のＭＥＭＳデバイスは、ＱＦＮ及びＳＯＮ型の半導体デバイスのように構成されたデバイスである。図３の実施形態において、第１組の金属性リード３１１上に集積回路チップ３０１がフリップ実装される。第１組のリードは、好ましくは成形化合物から作成されるプラスチック本体３２０中に埋め込まれる。リード及びプラスチック本体はチップ３０１のパッケージに相当する。更にプラスチック本体内に埋め込まれているのはＭＥＭＳデバイスの可動プレート３３０、及び第２組のリード３１２である。第２組のリード３１２は外部部品へのコンタクトを可能にし、特に半田ボール３４０の取り付けを可能にする。チップ３０１はギャップ３０７によってパッケージの可動部品３３０から隔てられている。ギャップ３０７の幅は好ましくは約１０〜６０μｍ、より好ましくは約２５μｍである。
【００４３】
図３においてプラスチック本体３２０は全体の厚み３２１、第１の表面３２０ａ、及び反対側の第２の表面３２０ｂを有する。プラスチック本体３２０は、典型的にはエポキシベースの化合物を用い、例えばトランスファー成形法などの成形技術によって製造される。化合物は重合によって硬化されてデバイス３００に機械的強度を付与する。
【００４４】
本体３２０の厚み３２１を貫通しているのが開口３２２であり、第１の表面３２０ａから第２の表面３２０ｂへ延びている。開口３２２の形状は円筒形、又は図３に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面３２０ａの側において開口３２２は直径３２３を有する。図３の実施形態では、可動部品３３０は直径３２３を部分的に横切って伸び、プラスチック本体３２０の第１の表面３２０ａ内に固定される。
【００４５】
可動部品３３０は典型的には銅又はニッケル等の金属で作成される。代替的には可動部品３３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ等）又はアルミニウムで作成されてもよい。可動部品３３０は典型的にはリード３１１及び３１２と同じ厚みを有する。多くの実施形態では、可動部品３３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においては、より厚く又はより薄くしうる。この厚み範囲において、可動部品３３０は第１の表面に対して垂直方向に可撓性があり、開口３２２の空間及びギャップ３０７の空間において可動である。幾つかの実施形態において可動部品３３０は長さ３３１の懸架ビーム及び長さ３３２の可動プレートを含む。可動プレート３３２は、チップ表面上に固定されたプレート３０８の面積に等しい面積を有して、キャパシタを形成する。更に幾つかの実施形態では、可動プレート３３２に、周知のワイヤボールボンディングプロセスにおいて形成されるような、変形された金の球体のマスを追加することによって、可動プレート３３２のマスを拡大することができる。
【００４６】
リード３１１及び３１２、及び可動部品３３０は典型的には銅又はニッケルで作成される。代替的にはリード及び可動部品３３０は、Ａｌｌｏｙ４２、又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウムで作成されてもよい（リードフレームアプローチ、以下を参照）。上述したように複数のリードは各組にグループ化されてもよい。３１１で示す第１組のリードは、可動部品３３０とチップ３０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。３１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にし、特に半田ボール３４０の取り付けを可能にする。リード及び可動部品の厚みは、好ましくは約５〜２５μｍの間であるが、幾つかの実施形態においては、これより厚くても薄くてもよい。第１組及び第２組のリードは１つの平面内に整合され、可動部品３３０は同一平面に配置される。
【００４７】
本発明によれば、開口３２２の材料及び寸法、懸架ビーム３３１の長さ、可動プレート３３２の面積、マス３３３、及び可動プレート３３２と固定プレート３０８との間の静電容量を選択すること可能である。従って図３の加速度計を、加速度を可動マスの変位に変換する静電容量式の変位検知加速度計として、或いはプルーフマスに印加された力を直接検知する力検知加速度計として、特化させることができる。選択された構成要素の機械的伝達関数は、入力として印加された加速度を、出力としてのマス（可動プレート３３２及びマス３３３）の変位に関連付ける。図３の構成要素は、慣性力、弾性力、及び減衰力等の付加的な力間での設計された出力分配を可能にする。
【００４８】
図１及び図３に示した例のような実施形態はデバイスの積層に向いている。図４は、半田本体１４０及び４４０によって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイスを示すもので、図１に関連して説明した圧力センサＭＥＭＳデバイス１００を含んでいる。構成要素４０１及び４０２は、ボールグリッドアレイファミリのオーバーモールドされたデバイスである。図３に関連して説明したような慣性センサＭＥＭＳデバイス３００を用いて類似のパッケージ・オン・パッケージデバイスを構成することもできる。
【００４９】
図５は、本発明の別の例示の実施形態５００を示すもので、静電容量式モードで動作し、変位依存出力信号を備える圧力センサファミリのＭＥＭＳデバイスを図示している。例示のＭＥＭＳデバイスは、プラスチック封止されるリードフレームベースのＱＦＮ及びＳＯＮ型の半導体デバイスのように構成されたデバイスである。５２０で示す封止プラスチック本体は開口５２２を有する。５３０で示す可動の薄膜状の部品は、開口５２２を横切って延びている。１０１で示すフリップ実装された半導体デバイスは、可動薄膜５３０に対して平行である。デバイス１０１は、例えば銅で作成される金属性検知プレート５０８を含み、ギャップ５０７をはさんで可動部品５３０に対面する。ギャップ５０７の高さは、約１０〜６０μｍの間であり、典型的には約２５μｍである。デバイス１０１の回路側１０１ａ上の検知プレート５０８は可動部品５３０に対して平行であり、典型的には可動部品５３０と同じ面積を有する。この面積は典型的には約０．５〜２．３ｍｍ２の間である。
【００５０】
図５の実施形態において、プラスチック本体５２０に埋め込まれている金属リードは、銅又はニッケル、代替的にはＡｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等の鉄ニッケル合金、又はアルミニウム又は他の適切な材料で作成される。図５の複数のリードは各組にグループ化されてもよい。５１１で示す第１組のリードは、可動部品５３０とチップ１０１の集積回路との間の電気的相互接続を可能にする。リード５１１とチップ１０１との間の物理的相互接続は、半田本体５０９によって達成される。５１２で示す第２組のリードは、外部部品へのコンタクトを可能にする。これらのコンタクトは、圧力コンタクトに適切な表面冶金構造を有していてもよく、或いはこれらは半田ボールを取り付けるのに適切な表面冶金構造を有していてもよい。５１３で示す第３組のリードは、開口５２２を囲む金属シールリングとして構成されている。リード５１３とチップ１０１との間の物理的相互接続は、半田本体５０９と同じ高さの半田リング５５０によって達成される。
【００５１】
代替的実施形態において、銅チップパッド５０２及び半田本体５０９の代わりに金バンプを用いてもよい。金バンプはワイヤボールボンディング技術を用い、その後コイニング技術を用いる平坦化プロセスにより製造されうる。別の代替実施形態において金バンプの代わりに低融点の金共晶、例えば金／ゲルマニウム共晶（１２．５重量％のＧｅ、共晶温度３６１℃）を用いてもよい。
【００５２】
図５に示すように、第１組及び第３組のリード５１１及び５１３（及び可動部品５３０）は第１の平面５６１に整合されるが、第２組のリード５１２は第１の平面からオフセットされた第２の平面５６２に配置される。このオフセット５６０のサイズは、半田本体５０９の高さと共にしたチップ１０１の合計の厚みが、オフセット５６０に適合するように選択される。従って、回路側１０１ａの反対側のチップ表面１０１ｂの平面は、リード５１２の表面の平面５６２から突出しない。
【００５３】
ＭＥＭＳデバイス５００のプラスチック本体５２０は、好ましくはエポキシベースの成形化合物を用いる成形技術（例えば、トランスファー成形法）によって製造される。成形化合物は重合によって硬化されて、デバイス５００に機械的強度を付与する。上述したように、プラスチック本体５２０は、第１の表面５２０ａから第２の表面５２０ｂに延びる開口５２２を有する。開口５２２の形状は円筒形、又は図５に示すような円錐台、或いは他の適切な立体形状であってよい。第１の表面５２０ａの側において開口５２２は直径５２３を有する。図５の実施形態では可動部品５３０は直径５２３を横切って伸び、プラスチック本体５２０の中に、開口の周囲に沿ってｘ及びｙ方向に固定される。他の実施形態（例えば、図３に類似するもの）においては、可動部品は開口５２３を部分的にのみ横切って延びる。
【００５４】
可動部品５３０は典型的には銅やニッケル等の金属で作成され、パラジウム又は金で作成されたチップ１０１に対面する表面を任意選択的に備える。代替的には可動部品５３０は鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又はアルミニウムから作成されてもよい。可動部品５３０は典型的にリード５１１、５１２、及び５１３と同じ厚みを有する。多くの実施形態では、可動部品５３０の厚みは約５〜５０μｍの間である。好ましい厚みは約１０〜２５μｍの間であるが、他の実施形態においては、より厚い又はより薄いことがありうる。この厚み範囲内では、可動部品５３０は、ｚ方向に可撓性があり、開口５２２の空間及びギャップ５０７の空間において可動である、薄膜として機能できる。薄膜であるため、可動部品５３０は、開口５２２を介してｚ方向から到達する外部圧力変化の影響を受けやすく、薄膜をギャップ５０７の内側や外側に曲げる。幾つかの実施形態において可動部品５３０は約０．５〜２．３ｍｍ２の間の面積を有する。別の実施形態ではこの面積が、より小さい又はより大きいことがありうる。
【００５５】
第３組のリード５１３が、適合するシールリング形状のパッド５０３に半田リング５５０によって取り付けられた後、ギャップ５０７の空間は準気密シーリングされる。ギャップ空間５０７は、粒子等の環境外乱に対して保護されているが、本体５２０にプラスチックの化合物を用いるため水分子に対しては完全には保護されない。代替的にセラミック材料を用いてデバイス５００のパッケージを作成するとギャップ空間５０７が気密シーリングされる。
【００５６】
図５に示した例のような実施形態はデバイスの積層に向いている。図６は、２つの個別のデバイスの導電端末間に、サーフェス・ツー・サーフェスタッチコンタクトを形成することによって積層された例示のパッケージ・オン・パッケージデバイス６００を示す。このようなコンタクトは僅かな圧力下で保たれたときに最も高い信頼性で機能するため、これらのコンタクトはしばしば圧力コンタクトと称される。パッケージの１つは慣性センサＭＥＭＳデバイス６０１であり、もう１つのパッケージ６０２はボールグリッドアレイファミリのオーバーモールドされたデバイスである。ＭＥＭＳデバイス６０１は、図３のデバイスに関連して説明したような静電容量式加速度計の特徴と、図５のデバイスに関連して説明したようなリードフレームベースのパッケージの特徴とを組み合わせる。
【００５７】
概略的な図７Ａ〜図１０Ｃは、デバイスパッケージに統合された可動要素を有する、例示のリードフレームベースのＭＥＭＳデバイスを製造するための幾つかのプロセスフローステップを説明する。図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｇは単一平面にリードを備える圧力センサ及び慣性センサＭＥＭＳデバイスを製造するためのプロセスフローステップを示す。図９Ａ〜図９Ｈ及び図１０Ａ〜図１０Ｃはオフセット平面にリードを備える圧力センサ及び慣性センサＭＥＭＳデバイスを製造するためのプロセスフローステップを示す。すべてのプロセスフローのＭＥＭＳデバイスは薄い可動部品を有する。しかしながら、図７Ａ〜図７Ｃのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードの厚みは、図８Ａ〜図８Ｇのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードより厚くてもよい。同様に図１０Ａ〜図１０Ｃのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードの厚みは、図９Ａ〜図９Ｈのフローによって製造されるＭＥＭＳデバイスのリードより厚くてもよい。
【００５８】
図７Ａにおいて、厚み７１４が典型的には１００〜２００μｍの範囲であり、しばしば約１５０μｍである平坦な金属シートから、複数のリードと薄膜となるセグメントとを含むリードフレームが、スタンピング又はエッチングによってパターニングされる。１つの実施形態によれば、このシートは銅、銅合金、又はアルミニウムで作成される。代替的には鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又は他の適切な金属を選択してもよい。ベースシートが平坦であるため、リード及びセグメントが単一平面にあるようになる。シートの表面７０１ａは重合体封止化合物への接着性を改善するために酸化又は粗面化することができる。一方、表面７０１ｂは、ニッケルの薄層、及び半田付け性を改善するための金やパラジウムなどの貴金属の最外層を有することができる。リードフレームのセグメント７３０は、ＭＥＭＳデバイスの感度薄膜となるために、図７Ａの概略図によって示されるものよりもはるかに大きい面積を有してもよい。
【００５９】
次のプロセスステップの図７Ｂでは、パターニングされたリードフレームの表面７０１ａ上にプラスチック本体１２０が製造されてリードフレームを封止し、それによってリードと薄膜がデバイス内に一体化され、リードフレームに強度と堅牢性を付与する。典型的な製造プロセスは、エポキシベースの化合物を無機充填剤とともにトランスファー成形技術を用いる。成形の場合、金型の鋼がキャビティ内に到達する突起を有することで、本体１２０内にセグメント７３０の金属を固定するために必要となる周辺部７３０ａを除いてキャビティが化合物で充填されるときに、リードフレームのセグメント７３０が封止化合物がないままとなる。この固定は、ビーム又はプレートを留める必要がある慣性センサＭＥＭＳデバイスの場合は、セグメント７３０の周辺の局所部分のみに影響しうる。薄膜を留める必要がある圧力センサＭＥＭＳデバイスの場合は、この固定が、セグメント７３０の周辺全体に影響しうる。封止プロセス中、リードフレームの表面７０１ｂはプラスチックフィルムによって遮蔽されて、成形化合物がないままである。このフィルムは成形ステップの完了後に表面７０１ｂから剥がされる。
【００６０】
次のプロセスステップではエリア７３０の封止化合物がない金属部分がエッチングされて金属を、典型的には約１００〜２００μｍの間であるシート厚み７１４から、約５〜５０μｍの厚み範囲に典型的には約１０〜２５μｍの範囲に薄くすることで、ＭＥＭＳデバイスの薄膜としてのセグメント７３０の可撓性を増強する。図７Ｂではエッチングされた薄膜の薄い部分を７３１で示す。
【００６１】
図７Ｃのプロセスステップでは、半導体デバイス１０１が、それぞれリードに取り付けられ、各リードには外部部品との接続のための半田ボール１４０が取り付けられる。図７Ｃの完成したＭＥＭＳデバイスは、図１のデバイスに似ているが薄膜の薄くされた部分７３１だけが異なる。
【００６２】
図８Ａ〜８Ｇに示すプロセスフローについては、図８Ａで平坦な犠牲キャリア８０１を選択することでプロセスが開始する。犠牲キャリアは、例えば厚みが１００〜２００μｍの間であるむきだしの銅又はむきだしのアルミニウムの基板であってよい。代替的にはキャリア８０１は、プロセスが終了した後エッチングによって溶解できるものであれば、これ以外の任意の適切な材料であってもよい。次にキャリアの各表面８０１ａ及び８０１ｂ上にフォトレジスト層が堆積される（図８Ｂ参照）。表面８０１ａ上の層８０２は、次にマスキング、現像、及びエッチングを行うことによってパターニングされる。一方、表面８０１ｂ上の層８０３はパターニングされないままである。エッチングされた開口は、将来のコンタクトパッド８１１及び８１２、及び将来のリング形状のシールパッド８１３のための場所を含む。
【００６３】
図８Ｃに示されたステップでは、パターニングされたフォトレジストの各開口において、キャリア表面８０１ａ上に１つ又はそれ以上の金属層が堆積される。金属層は（図１との類似において）セグメント８１１、８１２、８１３、及び８３０で示す。１つの堆積技術はめっきプロセスである。典型的な金属は、キャリア表面８０１ａと接するパラジウム又は金等の半田付け可能な金属の層を含み、その後にニッケルの最外層が続く。代替的には、銅又はアルミニウム等の他の適切な任意の金属、又は金属合金を選んでもよい。最終層の表面は、重合体化合物に付着するための化学的親和性を呈するように粗面化されてもよい。このための１つの方法は金属酸化物の形成を含む。層の総厚はすべてのセグメント８１１、８１２、８１３及び８３０に関して同じであり、典型的には７〜２５μｍの間である。これはフォトレジスト層８０２の厚みに等しいか、或いはそれより薄くてもよい。その後、フォトレジスト層８０２及び８０３は除去される。図８Ｄを参照されたい。
【００６４】
図８Ｅに示す次のプロセスステップでは、キャリア側８０１ａ上の特徴の上に封止材料８２０が堆積される。キャビティ８２２が開口したままで、セグメント８３０のエリアのほとんどを露出させる一方、セグメント８３０の周囲がシーリングされるように堆積が形成される。典型的な封止プロセスはトランスファー成形技術であり、典型的な封止材料はエポキシベースの重合体成形化合物であり、セグメント８１１、８１２、８１３及び８３０のトップ金属に化合物が強力に付着するように選択される。上述したように、トランスファー成形技術に用いられる金型キャビティ内に突出する鋼のヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）が、開口８２２を化合物で充填するのを防ぐための低コストの方法を提供する。成形ステップの後、重合体化合物を重合によって硬化させてＭＥＭＳデバイスのための頑丈なパッケージを生成する。
【００６５】
図８Ｆではキャリア８０１が化学エッチング等の方法によって除去される。それによって、金属層８１１、８１２、及び８１３の、貴金属等の半田付け可能な表面を露出させる。残るプロセスステップ（図８Ｇ参照）では、半導体デバイス１０１が半田本体によってそれぞれ層８１１及びシールリング８１３に取り付けられ、半田ボール１４０が層８１２に取り付けられる。その結果のＭＥＭＳデバイスでは、金属層８３０は圧力センサ及びマイクロホンの薄膜として動作するために必要な薄さを既に有している。
【００６６】
図９Ａ〜図９Ｈに示すプロセスフローについては、図９Ａにおいて平坦な犠牲キャリア９０１を選択することでプロセスが開始する。犠牲キャリアは例えば厚みが１００〜２００μｍの間のむきだしの銅又はむきだしのアルミニウムの基板であってよい。代替的には、キャリア９０１は、スタンピング又は押圧によって平坦からオフセットされた形状にし、その後、プロセスの終了後エチャントに溶解するのに適した他の任意の材料であってよい。次にキャリアの各表面９０１ａ及び９０１ｂ上にフォトレジスト層が堆積される（図９Ｂ参照）。表面９０１ａ上の層９０２は、次にマスキング、現像、及びエッチングを行うことによってパターニングされ、一方、表面９０１ｂ上の層９０３は、パターニングされないままである。エッチングされた開口は、将来のコンタクトパッド９１１及び９１２、及び将来のリング形状の封止パッド９１３のための場所を含む。
【００６７】
図９Ｃに示されたステップでは、パターニングされたフォトレジストの各開口において、キャリア表面９０１ａ上に、１つ又はそれ以上の金属層が堆積される。金属層は（図５に類似して）セグメント９１１、９１２、９１３、及び９３０で示す。典型的な堆積技術は、めっきプロセスである。適切な金属は、キャリア表面９０１ａと接触するパラジウム又は金等の半田付け可能な金属の層が含まれ、その後にニッケルの最外層が続く。銅又はアルミニウム等の他の適切な任意の金属、又は金属合金を選んでもよい。最終層の表面は粗面化されてもよく、重合体化合物に付着するための化学的親和性を呈するものとする。１つの方法は金属酸化物の形成を含む。層の総厚はすべてのセグメント９１１、９１２、９１３及び９３０に関して同じであり、典型的には７〜２５μｍの間である。これはフォトレジスト層９０２の厚みに等しいか、或いはそれより薄くてよい。その後、フォトレジスト層９０２及び９０３は除去される（図９Ｄ参照）。
【００６８】
図９Ｅに示す次のプロセスステップでは、スタンピング装置を用いてキャリア９０１を押圧してオフセット形状にし、金属セグメント９１２のためのキャリア部分が、金属セグメント９１１、９１３、及び９３０のための元の平面からオフセットされた平面に配置されるようにする。オフセットの高さ９６０は、チップ１０１がセグメント９１２のオフセット平面から突出することなく、それぞれのセグメントにフリップ実装できるように選択される。
【００６９】
図９Ｆに示す次のプロセスステップでは、キャリア側９０１ａ上の特徴の上に封止材料９２０が堆積される。堆積は、キャビティ９２２が開口したままで、セグメント９３０のエリアの多くを露出させる一方、セグメント９３０の周囲が封止されるように形成される。１つの封止プロセスはトランスファー成形技術であり、典型的な封止材料は、エポキシベースの重合体成形化合物であり、セグメント９１１、９１２、９１３及び９３０のトップ金属に化合物が強力に付着するように選択される。上述したように、トランスファー成形技術に用いられる金型キャビティ内に突出する鋼のヒロックが、開口９２２を化合物で充填するのを防ぐための低コストの方法を提供する。成形ステップの後、重合体化合物を重合によって硬化させてＭＥＭＳデバイスのための頑丈なパッケージを生成してもよい。
【００７０】
図９Ｇでは、キャリア９０１が化学エッチング等の方法によって除去される。それによって、金属セグメント９１１、９１２、及び９１３の、貴金属等の半田付け可能な表面を露出させる。残るプロセスステップ（図９Ｈ参照）では、半導体デバイス１０１が、半田本体によってそれぞれ層９１１及びシールリング９１３にフリップ実装される。完成したＭＥＭＳデバイスは、外部部品への接続のための圧力コンタクト又はタッチコンタクト９１２を有する。その結果のＭＥＭＳデバイスにおいて、金属セグメント９３０は圧力センサ及びマイクロホンの薄膜として動作するために必要な薄さを既に有している。図６に示すような他のＭＥＭＳデバイスに関しては、セグメント９３０は慣性センサＭＥＭＳデバイスファミリの静電容量式加速度計として動作するために必要な薄さを有している。
【００７１】
図１０Ａでは、厚み１０１４が典型的には１００〜２００μｍの範囲の一般的には約１５０μｍの平坦な金属シートから、複数のリードと薄膜となるセグメント１０３０とを含むリードフレームが、スタンピング又はエッチングによってパターニングされる。パターニングステップと同時に又はそれに続いて、図１０Ａに示すオフセット形状にリードフレームはスタンピングされる。ここではセグメント１０１２は、リード１０１１、１０１３、及びセグメント１０３０の平面とは異なる平面にある。オフセットの高さ１０６０は、チップ１０１がセグメント１０１２のオフセット平面から突出することなく、それぞれのセグメントにフリップ実装（図１０Ｃ参照）できるように選択される。このシートは典型的には銅、銅合金、又はアルミニウムで作成される。代替的には、鉄ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ４２又はＩｎｖａｒＴＭ合金等）又は他の適切な金属を選択してもよい。シートの表面１００１ａは、重合体封止化合物への接着性を改善するために、酸化、又は粗面化されうる。一方、表面１００１ｂは、ニッケルの薄層、及び半田付け性を改善するための金やパラジウムなどの貴金属の最外層を有することができる。リードフレームのセグメント１０３０は、ＭＥＭＳデバイスの感度薄膜となるために、図１０Ａの概略図によって示されるものよりもはるかに大きい面積を有してもよい。
【００７２】
次のプロセスステップの図１０Ｂでは、パターニングされたリードフレームの表面１００１ａ上にプラスチック本体１０２０が製造されてリードフレームを封止する。それによってリードと薄膜がデバイス内に一体化され、リードフレームに強度と堅牢性を付与する。１つの製造プロセスは、エポキシベースの化合物を無機充填剤とともに用いるトランスファー成形技術である。成形の場合、金型の鋼がキャビティ内に到達する突起を有することで、本体１０２０内にセグメント１０３０の金属を固定するために必要となる周辺部１０３０ａを除いてキャビティが化合物で充填されるときに、リードフレームのセグメント１０３０は封止化合物がないままとなる。この固定は、ビーム又はプレートを留める必要がある慣性センサＭＥＭＳデバイスの場合は、セグメント１０３０の周辺の局所部分のみに影響しうる。薄膜を留める必要がある圧力センサＭＥＭＳデバイスの場合は、この固定は、セグメント１０３０の周辺全体に影響しうる。封止プロセス中、リードフレームの表面１００１ｂはプラスチックフィルムによって遮蔽されて化合物がないままである。プラスチックフィルムは成形ステップの完了後に表面１００１ｂから剥がされる。
【００７３】
次のプロセスステップでは、封止化合物がないエリア１０３０の金属部分がエッチングされて、金属を、約１００〜２００μｍの間のシート厚み１０１４から、約５〜５０μｍの厚み範囲に典型的には約１０〜２５μｍの範囲に薄くすることで、ＭＥＭＳデバイスの薄膜としてのセグメント１０３０の可撓性を増強する。図１０Ｂでは、エッチングされた薄膜の薄い部分は１０３１で示す。図１０Ｃのプロセスステップにおいて、半導体デバイス１０１がそれぞれのリードに取り付けられる。図１０Ｃの完成したＭＥＭＳデバイスは図９Ｈのデバイスに似ている。
【００７４】
説明した実施形態には様々な変更を行うことができる。一例として、ＭＥＭＳパッケージのための、プラスチック及びセラミックを含む任意の材料や、半導体デバイス、集積回路、ならびに個別デバイス等のための、シリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、或いはその他製造に用いられる任意のその他の半導体又は化合物材料等に本発明を適用することができる。別の例として、圧力の電気的検出可能信号への変換が圧力に曝される薄膜又は一般的には構造の弾性変形に依存するピエゾ抵抗圧力センサに、可動要素をリードフレームベースのＭＥＭＳパッケージへ統合することを応用することができる。他の例としては、共振周波数が振動する微細構造における機械的応力に依存する共振圧力センサに、可動要素をリードフレームベースのＭＥＭＳパッケージへ統合することを応用することができる。他の例としては、可動要素をＭＥＭＳパッケージに統合する方法によれば、薄膜の厚みを制御することと、ワイヤボンディング技術で生成される１つ又は複数のマス単位の潰れ（squashed）ボールを追加することとで、安価に機械的伝達関数の微調整を行うことができる。当業者にとっては本発明の特許請求の範囲内で他の多くの実施形態及び変形が可能であることが理解されるであろう。例示の実施形態の文脈で説明したような特徴又はステップのすべて又はその幾つかを有する例示の実施形態の文脈で説明した一つ又はそれ以上の特徴又はステップの異なる組合せを有する実施形態も、本明細書に包含されることを意図している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
厚みと、第１の表面と、反対側の第２の表面とを有する本体、
前記本体の前記厚みを通る開口であって、前記第１の表面から前記第２の表面まで延びる前記開口、
前記本体の前記第１の表面に埋め込まれる金属リード、
前記本体に固定され、前記第１の表面の前記開口を少なくとも部分的に横切って延びる金属フォイル、及び
前記第１の表面上の前記リードにフリップ実装される集積回路チップであって、前記金属フォイルを少なくとも部分的に横切って拡がり、ギャップにより前記金属フォイルから隔てられている、前記集積回路チップ、
を含むデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記金属フォイルが、前記第１の表面上に固定される可動懸架ビームの構造を有し、前記可動懸架ビームが、前記固定部から離れたプレートへ延び、前記プレートを前記第１の表面に対して垂直に移動させるように動作可能である、デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のデバイスであって、前記プレートに取り付けられる追加のマスを更に含む、デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記金属リードは第１組及び第２組を含み、前記第１組の前記リードは前記金属フォイルと前記集積回路チップとの間の電気的相互接続を可能にし、前記第２組の前記リードは外部部品への半田コンタクトを可能にする、デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のデバイスであって、前記第１組の前記リードは前記金属フォイルと共に第１の平面に配置され、前記第２組の前記リードは前記第１の平面からオフセットされた第２の平面に配置される、デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、前記金属リードが、前記第１の平面に配置される第３組を更に含み、前記第３組が、前記開口を囲む金属シールリングとして構成される、デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のデバイスであって、前記集積回路チップ上の金属プレートを更に含み、前記プレートが、前記第１の表面に対面し、前記金属フォイルと共にキャパシタを形成する、デバイス。
【請求項８】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するための方法であって、
第１の表面及び第２の表面、複数のリード、及びセグメントを有するリードフレームを提供するステップ、
前記リードフレームの前記第２の表面を、或る厚みの重合体化合物内に封止し、前記厚みを通る開口が、前記セグメントの第２の表面の一部を封止されないまま残すようにするステップ、
前記封止されていないセグメントの第２の表面を薄くして、前記セグメントを前記ＭＥＭＳの可動部品として適切なフォイルになるようにするステップ、及び
第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、前記リードの前記第１の表面に接続して、前記第１のチップ表面が、前記フォイルを横切って拡がり、前記フォイルからギャップにより隔てられるようにするステップ、
を含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記リードフレームの前記第１の表面上に半田可能な冶金構造を形成するステップを更に含む、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記リードフレームの前記複数のリードが、第１組、第２組、及び第３組にグループ分けされ、前記第１組、第２組、及び第３組の前記リード、及び前記リードフレームの前記セグメントが１つの平面に配置される、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記提供するステップの後に、前記リードフレームを押圧して、前記第１組及び第３組の前記リードが、前記セグメントと共に、第１の平面にあるようにし、前記第２組の前記リードが、前記第１の平面からオフセットされた第２の平面にあるようにするステップを更に含む、方法。
【請求項１２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するための方法であって、
平坦な犠牲キャリア上に金属層を堆積させるステップであって、前記金属層がＭＥＭＳの薄膜に適した厚みを有する、ステップ、
前記金属層を、複数のリードとセグメントとを有するリードフレームにパターニングするステップ、
前記リード及び前記セグメントを、或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、前記厚みを通る開口が、前記セグメントの一部を封止されないまま残すようにする、ステップ、
前記犠牲キャリアを除去し、前記リード及び前記セグメントの前記封止されていない側を露出させるステップ、及び
第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、前記リードの前記封止されていない側に接続して、前記第１のチップ表面が、前記セグメントへ拡がり、ギャップにより前記セグメントと隔てられるようにするステップ、
を含む方法。
【請求項１】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
厚みと、第１の表面と、反対側の第２の表面とを有する本体、
前記本体の前記厚みを通る開口であって、前記第１の表面から前記第２の表面まで延びる前記開口、
前記本体の前記第１の表面に埋め込まれる金属リード、
前記本体に固定され、前記第１の表面の前記開口を少なくとも部分的に横切って延びる金属フォイル、及び
前記第１の表面上の前記リードにフリップ実装される集積回路チップであって、前記金属フォイルを少なくとも部分的に横切って拡がり、ギャップにより前記金属フォイルから隔てられている、前記集積回路チップ、
を含むデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記金属フォイルが、前記第１の表面上に固定される可動懸架ビームの構造を有し、前記可動懸架ビームが、前記固定部から離れたプレートへ延び、前記プレートを前記第１の表面に対して垂直に移動させるように動作可能である、デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のデバイスであって、前記プレートに取り付けられる追加のマスを更に含む、デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記金属リードは第１組及び第２組を含み、前記第１組の前記リードは前記金属フォイルと前記集積回路チップとの間の電気的相互接続を可能にし、前記第２組の前記リードは外部部品への半田コンタクトを可能にする、デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のデバイスであって、前記第１組の前記リードは前記金属フォイルと共に第１の平面に配置され、前記第２組の前記リードは前記第１の平面からオフセットされた第２の平面に配置される、デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、前記金属リードが、前記第１の平面に配置される第３組を更に含み、前記第３組が、前記開口を囲む金属シールリングとして構成される、デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のデバイスであって、前記集積回路チップ上の金属プレートを更に含み、前記プレートが、前記第１の表面に対面し、前記金属フォイルと共にキャパシタを形成する、デバイス。
【請求項８】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するための方法であって、
第１の表面及び第２の表面、複数のリード、及びセグメントを有するリードフレームを提供するステップ、
前記リードフレームの前記第２の表面を、或る厚みの重合体化合物内に封止し、前記厚みを通る開口が、前記セグメントの第２の表面の一部を封止されないまま残すようにするステップ、
前記封止されていないセグメントの第２の表面を薄くして、前記セグメントを前記ＭＥＭＳの可動部品として適切なフォイルになるようにするステップ、及び
第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、前記リードの前記第１の表面に接続して、前記第１のチップ表面が、前記フォイルを横切って拡がり、前記フォイルからギャップにより隔てられるようにするステップ、
を含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記リードフレームの前記第１の表面上に半田可能な冶金構造を形成するステップを更に含む、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記リードフレームの前記複数のリードが、第１組、第２組、及び第３組にグループ分けされ、前記第１組、第２組、及び第３組の前記リード、及び前記リードフレームの前記セグメントが１つの平面に配置される、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記提供するステップの後に、前記リードフレームを押圧して、前記第１組及び第３組の前記リードが、前記セグメントと共に、第１の平面にあるようにし、前記第２組の前記リードが、前記第１の平面からオフセットされた第２の平面にあるようにするステップを更に含む、方法。
【請求項１２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造するための方法であって、
平坦な犠牲キャリア上に金属層を堆積させるステップであって、前記金属層がＭＥＭＳの薄膜に適した厚みを有する、ステップ、
前記金属層を、複数のリードとセグメントとを有するリードフレームにパターニングするステップ、
前記リード及び前記セグメントを、或る厚みの重合体化合物内に封止するステップであって、前記厚みを通る開口が、前記セグメントの一部を封止されないまま残すようにする、ステップ、
前記犠牲キャリアを除去し、前記リード及び前記セグメントの前記封止されていない側を露出させるステップ、及び
第１のチップ表面上に電子回路を有する半導体チップを、前記リードの前記封止されていない側に接続して、前記第１のチップ表面が、前記セグメントへ拡がり、ギャップにより前記セグメントと隔てられるようにするステップ、
を含む方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図９Ｇ】
【図９Ｈ】
【図２】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ｆ】
【図８Ｇ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図９Ｇ】
【図９Ｈ】
【図２】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ｆ】
【図８Ｇ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【公表番号】特表２０１３−５１８７３１（Ｐ２０１３−５１８７３１Ａ）
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４７２６９（Ｐ２０１２−５４７２６９）
【出願日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６２３７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８２２４１
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６２３７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８２２４１
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]