慣性センサを取り付けるシステムおよび方法

【課題】板上に慣性センサを取り付けるシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】センサパッケージは基板層３２、３４、センサ層２４、およびセンサ層２４と基板層３２、３４との間に配置される絶縁層２６、２８を有し、基板層３２、３４の１つにＶ溝が非等方性エッチングにより形成される。基板層３２、３４は１００結晶面方位にある。センサパッケージは、その後、ウェハから分離され、エッチングにより形成された基板層３２または３４の表面は、板に取り付けられる。一例において、検出軸が互いに垂直になるように３つのセンサパッケージが板に取り付けられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサを取り付けるシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]慣性誘導システムにおいて、測定すべき６の自由度がある。ｘ、ｙ、ｚ方向の加速度、およびｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の周りの回転の全てが測定されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
センサ（加速度計およびジャイロ）は、典型的には、１つの軸において、または１つの軸を中心において感度がある。これは、センサが誘導システム内の垂直および水平の両方の表面に取り付けなければならないことを意味し（いくつかは９０°で取り付けられる）、または、いくつかは１つの面における慣性に感度があり、いくつかは平面から９０°である混合センサを使用しなければならないことを意味する。垂直にセンサを取り付けることは高価であり、センサのタイプを混合することは、性能の強さおよび弱さを不都合に混合することがある。
【０００４】
[0002]センサを互いに直交するように取り付ける他の手段は、「スキュー（skew）」マウントである。この方法において、全てのセンサは、仮想的な立方体の３つの面に配置されているかのように、所定角度で取り付けられ、立方体の角部においてこれらはすべて「直上」または「直下」の方向を共有する。しかし、センサを「スキュー」マウント方式で取り付ける手段は、高価であり、時間がかかり、また、多数の製造ステップを必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0003]本発明は、センサをスキューマウント式に取り付けることを可能にし、結晶シリコンの本来の特性を用いて、適切な「取り付け」角度を形成する。これは高価でなく、また小さい。また、これはシリコンウェハ上に形成されたＭＥＭＳセンサ内に直接的に形成することができ、部品、コスト、および空間を削減することができる。
【０００６】
[0004]エレクトロニクスおよびＭＥＭＳ業界で標準的なウェハに形成されたシリコン結晶は、結晶面に沿って優先的に（preferentially）エッチングされる。シリコン結晶は、立方体構造に中心決めされた面を備える。シリコンのウェハは、「バルク」エッチング（ＢＯＥのような溶液のタンク内におけるエッチング）が自然に適切な角度を備える構造を形成するように向き決めされた立方体構造により順序付けられ、ここに慣性「立方体の角部」の解法のためのセンサを取り付ける。
【０００７】
[0005]結晶面に沿うバルクエッチングの組み合わせ、反応性イオンエッチング（結晶の方向に感度を持たずにエッチングする方法）、および、ダイシング、レーザー切断、超音波加工、および粒子アブレーションのような機械的プロセスは、ＭＥＭＳダイに直接的に傾斜した取り付け表面を形成するのに用いられる。
【０００８】
[0006]本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明される。添付図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】改良されるパッケージの構成において使用される多層ウェハの断面図である。
【図２】図１に示されるパッケージ上で実行されるエッチングプロセスの部分断面図である。
【図３】図２のエッチングステップの後に実行される金属被覆ステップを示す図である。
【図４−１】本発明の一実施形態により形成される単一運動センサパッケージの斜視図である。
【図４−２】回路板または同等の層値に取り付けられた後の、図４−１のセンサパッケージの側面図である。
【図４−３】回路板に直交構成で取り付けられた図４−１の３つのセンサパッケージの斜視図である。
【図５−１】本発明の他の実施形態により形成されたセンサパッケージの端部の図である。
【図５−２】回路板に取り付けられた図５−１のセンサパッケージの側面図である。
【図５−３】回路板に直交するように取り付けられた図５−１の３つのセンサパッケージの斜視図である。
【図６】回路板に緊密に取り付けられた３つのセンサパッケージの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0017]図１−３は、センサ装置を覆う基板の外側壁の正確な角度形成エッチングを実行するプロセスの段階の間におけるセンサパッケージ２０を示している。図１に示されるように、センサパッケージ２０は、単一の軸の運動またはその周りの運動を検出するための１つ以上のＭＥＭＳ加速度計またはジャイロを含む装置層２４を含む。装置層２４の両側に取り付けられているのは絶縁層２６、２８である。絶縁層２６、２８の外側に取り付けられているのは、シリコン基板層３２、３４であり、これは１００結晶面構造を備える。一実施形態において、シリコン基板層３２、３４の一方のみが１００結晶面構造を備える。全ての補充の面構造も機能する。０１０結晶面構造および００１結晶面構造は、１１１面に対して５４．７°の傾斜表面を形成する。
【００１１】
[0018]図２は、非等方性エッチングを示し、これはシリコン基板層３２、３４内で実行される。このエッチングは、基板の表面に対して５４．７°の傾斜表面を生成する。この実施形態において、非等方性エッチングは、絶縁層２６、２８までは実行されず、Ｖ溝３８を生成する。シリコン基板層３２、３４の一部は残る。図２、３において、絶縁層２６、２８および装置層２４は明瞭さのために図示していない。１００結晶方位を備えるシリコン基板層３２、３４において、正確な角度形成エッチングが生じる。エッチング時間の長さは、どれくらい表面を露出させたいかに依存する。エッチングの後に残るシリコン基板層３２、３４における面は、結晶構造の１１１面である。様々な非等方性エッチング剤を使用することができ、たとえば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ４ＯＨのようなアルカリ水溶液、または４基からなるアンモニウム水酸化物、などであり、アルコールを添加してもよい。他のアルカリ有機剤を使用することもできる。
【００１２】
[0019]図３に示されるように、公知のプロセスを使用して金属層４０がエッチングされたＶ溝３８の少なくとも一部に付与される。エッチングされた表面に付与する材料の例は
、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ；Ｃｒ、Ａｕ；Ｗ、Ｐｔ、Ａｕなどである。他の金属を使用することもできる。金属層４０は、装置層２４内のセンサと外部部品（たとえば回路板）との間に形成される電気的接続部に応じてパターン形成される。装置層２４の内部部品に電気的に取り付けるためにビアが用いられるならば、金属層４０が付与される前に、エッチング形成されたＶ溝３８の一部に絶縁体が付与される（図５−１、５−２参照）。Ｖ溝の金属化が実行された後、複数のＭＥＭＳセンサを収容するウェハは、図４−１および図５−１に示されるような個別のユニットに分離される。この分離を実行するために、ダイシング、レーザー切断、超音波加工、または粒子アブレーションが用いられる。
【００１３】
[0020]図４−１に示されるように、単一のセンサパッケージ５０は、従来のダイシング技術を用いて切断され、上述のステップの後に隣接するパッケージから分離させる。基板層３２の１つは、さらに切断またはエッチングされて、絶縁層２８の一部を露出させ、これは、１つ以上の電離リードを含み、これは装置層２４内に配置されるセンサに取り付けられる。
【００１４】
[0021]次に図４−２および図４−３を参照すると、センサパッケージ５０は、回路板またはいくつかの他のシステム部品５６に搭載される。センサパッケージ５０は、下基板３４の傾斜した側部の１つに取り付けられる。その後、露出された電気リード５２は、ワイヤ付きリード５８を介して回路板またはシステム部品５６の表面上のコネクタに取り付けられる。回路板またはシステム部品５６は、少なくとも部分的にＰＴＦＥ、アルミナ（ＡｌＯ_３）、ＳｉＮ_３、ＡｌＮ_３、Ｓｉまたはガラスから形成することができる。
【００１５】
[0022]センサパッケージ５０は、各センサの検出方向が互いに直交するように回路板またはシステム部品５６上に搭載される。たとえば、センサパッケージ５０内に配置される各センサが、センサパッケージの中心点から出るベクトルにより示されるような平面内センサであるなら、ベクトルは立方体の角部を形成する（すなわち、ベクトルは互いに直交する）。平面外センサをセンサパッケージ５０内に統合することもできる。
【００１６】
[0023]図５−１はセンサパッケージ６０を示し、これは、個別のユニットに分離されたときに、図４−１に示されるように装置層２４内のリードを露出させないことが必要である。非等方性エッチングの前または後で、シリコン基板層３２、３４の一方において等方性エッチングが実行され、１つまたはそれ以上のビアを生成し、これは最終的に絶縁される電導性材料が充填され電導ビア７０を形成する。ビア７０は、シリコン基板層３２、または３４、および対応する絶縁層２６、または２８の両方を通る。ビア７０内の金属化された材料は、装置層２４上に配置されるリードに取り付けられる。絶縁材料は金属化の前にビア７０の壁に付与されることに注意されたい。金属化のステップは、図３において説明した金属化と同時に行ってもよい。
【００１７】
[0024]図５−２に示されるように、センサパッケージ６０は、金属化ビア７０を含むセンサパッケージ６０の傾斜エッジに沿って回路板（またはシステム部品）６４に搭載される。伝導ビード７６は、センサパッケージ６０と回路板６４との間の取り付け手段を提供する。回路板６４は伝導ビード７６に取り付けるトレースを含む。図５−３は、３つのセンサパッケージが回路板６４に取り付けられていることを除いて、図４−３に類似している。
【００１８】
[0025]図６は、システム１００を示し、３つのセンサパッケージ１０２が取り付け表面１０４上で互いに緊密にフィットするように切断され、パッケージのサイズを最小化する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳセンサパッケージシステムであって、
少なくとも１つのセンサパッケージ（６０）を有し、
前記センサパッケージ（６０）は、少なくとも１つの基板層（３２、３４）と、
ＭＥＭＳセンサを有するセンサ層（２４）と、
少なくとも１つの絶縁層（２６、２８）と、を有し、
前記ＭＥＭＳセンサパッケージシステムはさらに板（６４）を有し、
少なくとも１つの前記絶縁層は、前記センサ層に接着され、前記少なくとも１つの基板層は、前記少なくとも１つの絶縁層に取り付けられ、前記層は第１表面を有し、前記第１表面が互いにほぼ平行であり、前記少なくとも１つの基板層は、前記第１表面の法線ベクトルから５４°から５５．５°間で異なる法線ベクトルを備える第１側部表面を有し、前記側部表面は前記板に取り付けられ、
前記センサパッケージは、１つ以上の伝導ビアを有し、前記伝導ビアは、前記センサ層上の電気的トレースに電気的に接続され、前記１つ以上の伝導ビアは、前記第１側部表面で前記基板層を通り、また、前記少なくとも１つの絶縁層の１つを通る、ＭＥＭＳセンサパッケージシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記板および前記センサパッケージに取り付けられる少なくとも１つの伝導ビードを有し、前記少なくとも１つの伝導ビードは、前記１つ以上の伝導ビアおよび前記板上の電気トレースに電気的に連結される、システム。
【請求項３】
方法であって、前記方法は、
ウェハ上に１つ以上のセンサパッケージを形成するステップを有し、前記センサパッケージは、
少なくとも１つの基板層（６６）と、
ＭＥＭＳセンサを有するセンサ層（２４）と、
前記センサ層と前記少なくとも１つの基板層との間に配置される少なくとも１つの絶縁層（２６、２８）と、を有し、
前記ＭＥＭＳセンサの周囲の位置において、前記少なくとも１つの基板層の１つにマスキングし、Ｖ溝を非等方性エッチング形成するステップを有し、前記少なくとも１つの基板層は、１００結晶面方位であり、
前記方法はさらに、前記ウェハから前記少なくとも１つのセンサパッケージを分離するステップと、
エッチングにより形成された前記基板層の表面を板に取り付けるステップと、
エッチングの前に、前記少なくとも１つの基板層（３４）および前記少なくとも１つの絶縁層に１つ以上の伝導ビア（７０）を形成するステップと、
前記１つ以上の伝導ビアは、前記センサ層上の少なくとも１つの電気トレースに電気的に接続され、
前記取り付けるステップはさらに、前記板および前記センサパッケージに少なくとも１つの伝導ビードを付与するステップを有し、前記少なくとも１つの伝導ビードは、前記１つ以上の伝導ビアおよび前記板上の電気トレースに電気的に接続される、方法。

【図１】