(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超小型電機システム（ＭＥＭＳ）センサの入力軸を直交するように移動させるための装置であって、前記装置は、
ブラケット本体および前記ブラケット本体から延びるブラケット脚部を備えるブラケットを有し、前記ブラケット本体および前記ブラケット脚部は、それぞれ、互いに直交する実質的に平面状の第１および第２の表面を形成し、
前記ブラケット本体により形成される前記第１の表面はさらに、ＭＥＭＳセンサダイを取り付けるために構成される、ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部を有し、
前記ブラケット脚部により形成される前記第２の表面はさらに、監視されるホスト構造と連絡するように構成される、複数の電気的インターフェース接点を有し、
前記装置はさらに、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部に隣接する前記ブラケット本体の一部と、前記ブラケット脚部のインターフェース表面上に位置決めされる前記複数の電気的インターフェース接点との間を連絡する、複数の電気信号キャリアを有し、前記複数の電気信号キャリアは、前記ブラケットを通り、
前記ブラケット脚部は、前記ブラケット本体とともにオフセットＴ型またはＬ型を形成する、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、さらに、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部に隣接する複数の電気的インターフェース接点を有し、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部に隣接する前記電気的インターフェース接点は前記電気信号キャリアに連絡する、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部に隣接する前記電気的インターフェース接点はさらに、ワイヤボンド接点、ハンダボール接点、およびフリップチップ接点からなる電気的インターフェース接点のグループから選択される電気的インターフェース接点を有する、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記ブラケット本体はさらに、凹状ダイキャビティを有する、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、前記ダイキャビティは密封シールされる、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、前記ブラケット脚部の前記インターフェース表面は、前記ブラケット本体のベース表面に対してオフセットしている、装置。
【請求項７】
請求項５に記載の装置であって、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部上に搭載され、前記電気信号キャリアと電気的に連絡する、単一のＭＥＭＳ慣性センサダイを有する、装置。
【請求項８】
請求項４に記載の装置であって、前記ブラケット本体は、前記凹状ダイキャビティに隣接する複数の電気的インターフェース接点を有し、前記電気信号キャリアは、前記凹状ダイキャビティに隣接する前記電気的インターフェース接点および前記ブラケット脚部の前記インターフェース表面上に位置決めされる前記電気的インターフェース接点と電気的に連絡する、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、前記凹状ダイキャビティに隣接する前記複数の電気的インターフェース接点はさらに、前記ＭＥＭＳセンサダイ取り付け表面平面部上に形成される、複数のフリップチップ電気的インターフェース接点を有する、装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の装置であって、前記ブラケット本体と前記ブラケット脚部との間に直角が形成される、装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の装置であって、前記凹状ダイキャビティに隣接する前記複数の電気的インターフェース接点は、前記凹状ダイキャビティに隣接する複数のワイヤボンド接点を有する、装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記ブラケット本体はさらに、前記凹状キャビティに隣接し、また、前記凹状キャビティに対して隆起した棚構造を有し、前記複数のワイヤボンド接点は、前記棚構造上に形成される、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサのパッケージ（packaging）装置及び方法に関するものであり、特に超小型電機システム（Micro Electro-Mechanical System; ＭＥＭＳ）センサ装置のパッケージング用三次元構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計、ジャイロスコープ及び磁力計を含む超小型電機システム（ＭＥＭＳ）慣性センサは、一般に周知であり、本特許出願の譲受人であるHoneywell International社から商業的に利用できる。ＭＥＭＳ慣性センサは、通常単一入力軸線を備える。有効な３軸慣性系を達成するために、三つの個々のＭＥＭＳ慣性センサが直交させて設けられる。例えば、三つの個々の慣性センサは、モニタすべきホスト構造体に直接装着できる。代わりに、個々のＭＥＭＳ慣性センサは、本願の譲受人に譲渡され、本願明細書に参照文献として結合される米国特許第６，９１８，２９７号、発明の名称：Miniature 3-Dimentional Package for MEMS Sensorsにおいて本願の発明者が記載したように、三つの直交方向における入力を感知するため三次元構造のパッケージに組込まれる。
【０００３】
しかし、ＭＥＭＳ慣性センサの直交配置は通常、少なくとも一つのセンサ、しばしば二つのセンサを容易に利用できる装着平面に垂直に配置する必要がある。また、殆どの慣性センサは、真空か又は乾燥窒素のような安定した雰囲気内で通常動作しなければならないので内部環境のシーリングを維持する形式のパッケージングを必要とする。典型的なＭＥＭＳセンサパッケージングは、Leadless Chip Carriers、Ball-Grid Arrays、或いはFlip-Chip又はChip-Scale Level packagesのような平面状の集積回路パッケージを取り囲むように設計される。これらのＩＣパッケージは単に一方向のＭＥＭＳセンサ感知軸線をもつ。機能的な３軸線慣性座標系（ＩＲＳ）の組立ては、これらのＩＣパッケージの少なくとも一つ、そしてしばしば二つを機能的電子印刷回路ボード（printed circuit board）の表面に垂直に配置する必要がある。このような装着の強制は、ＰＣＢに垂直にＭＥＭＳ  ＩＣパッケージを装着するためにＩＲＳサイズを大きくする必要がある。さらに付加的に生じる問題は、ＭＥＭＳ  ＩＣパッケージからＰＣＢへ信号を伝送する必要があり、ＩＣパッケージの普通でない方向決めと関連して組立てコストがかさみ、また動作環境を通してのＭＥＭＳ  ＩＣパッケージの取付けの歪みのために信頼性が損なわれることを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、３軸線慣性座標系（Inertial Reference System;ＩＲＳ）における超小型電機システム（ＭＥＭＳ）慣性センサの感知軸線の移動に伴う問題を解決するＭＥＭＳ慣性センサ用の小型パッケージ構造体である。本発明の小型パッケージ構造体は、感知軸線の移動したＭＥＭＳ慣性センサを、標準ＳＭＴアタッチメント及びアッセンブリプロセスで処理できる密封ＩＣ型パッケージにおけるＩＲＳＰＣＢに装着することを提供する。本発明の小型パッケージ構造体は、標準ＭＥＭＳセンサパッケージアッセンブリの利点を備える。本発明の小型パッケージ構造体は、標準の入力平面に垂直な感知軸線を移動し、そしてパッケージＭＥＭＳセンサを密封シールさせる。さらに、本発明の小型パッケージ構造体は、大きなサイズ、高価格、システムアッセンブリの問題及び低信頼性の不利益を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明は、移動型感知軸線を備えた超小型電機システム（ＭＥＭＳ）慣性センサの小型パッケージ構造体用の装置及び方法を提供する。本発明の装置は、本体部分および本体部分からのびる脚部分を備えるセラミックＬ型又はＴ型ベースブラケットを有し、本体部分は、脚部分の内部装着面にほぼ垂直なほぼ平面状の凹状ダイ取付け面平面部（recessed die attach surface plane）を備える。ダイ取付け面平面部は、ＭＥＭＳセンサダイの有効感知軸線をＬ型又はＴ型のベースに対して移動できるように構成される。
【０００６】
本発明の異なる複数の特徴によれば、本体部分は、ＭＥＭＳ慣性センサダイのワイヤボンドか又はフリップチップ取付けを可能にする。
【０００７】
本発明の一つの特徴によれば、脚部分の内面はほぼ平面状であり、そしてシステム水準（System-level）ＰＣＢに直接取付けるようにした多数のインターフェースパッドを備える。多数の相互に分離した電気信号キャリアは、接地、駆動、フィードバック及び出力の各信号を搬送するため、本体装着面と脚部分の内面におけるインターフェースパッドとの間にのびる。本発明の異なる複数の特徴によれば、脚部分の内面におけるインターフェースパッドは、標準の面実装技術のはんだリフローパッドであり、或いははんだボールか又はフリップチップアタッチメントに適用される。
【０００８】
本発明の一つの特徴によれば、保護蓋又はカバーは、ＭＥＭＳ慣性センサダイ（inertial sensor die）上方の凹状ダイ取付け面平面部を取り巻く壁に密封シールされる。
【０００９】
本発明のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、標準のＩＣパッケージング製造法を用いて製造される。本発明の種々の特徴によれば、セラミックを基材としたパッケージは、低温コファイヤードセラミック（Low Temperature Co-Fired Ceramic;ＬＴＣＣ）又は高温コファイヤードセラミック（ＨＴＣＣ）のような公知の方法を用いて製造される。本発明の一つの特徴によれば、有機基材を用いてパッケージを作るのに従来のプラスチック積層法が利用される。
【００１０】
本発明の一つの特徴によれば、ＭＥＭＳ慣性センサダイは、凹状ダイ取付け面平面部に取付けられ、そして従来のワイヤボンド、はんだボール、又はフリップチップ取付け法を用いて電気信号キャリアに電気的にインターフェースされる。
【００１１】
本発明の上記の特徴及び多くの付随した利点は、添付図面に関連してなされる以下の詳細な説明を参照してよく理解され、容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面において同じ符号は同じ要素を示す。本発明は、移動感知軸線を備えた超小型電機システム（ＭＥＭＳ）慣性センサ用の小型パッケージ構造体の装置及び方法にある。本発明の装置は、本体部分と本体部分からのびる脚部分とを備えた実質的に堅固なＬ型又はＴ型のベースブラケットを有し、本体部分は、脚部分の内部装着面にほぼ垂直であるほぼ平面状の凹状ダイ取付け面平面部を備える。ダイ取付け面平面部は、ＭＥＭＳセンサダイの有効感知軸線をＬ型又はＴ型のベース脚部分に対して移動できるように構成される。
【００１３】
脚部分の内面はほぼ平面状であり、システム水準の印刷回路ボード（ＰＣＢ）に直付けするようにした多数のインターフェースパッドを備える。多数の相互に分離した電気信号キャリアは、接地、駆動、フィードバックおよび出力信号を搬送するため、本体部分の装着面と脚部分の内面上のインターフェースパッドとの間にのびる。脚部分の内面をシステム水準のＰＣＢの頂面又は底面に取付ける際に、凹状ダイ取付け面平面部に装着したＭＥＭＳセンサダイの入力軸線は、ＰＣＢ面に垂直な軸線からＰＣＢ面の平面における直交軸線に移動する。
【００１４】
図１は、標準のＩＣパッケージング製造法を用いて製造した小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１０を示す。パッケージ１０は、従来のＩＣパッケージング製造方法及びプロセスを用いてセラミックのような実質的に堅固な材料で形成した実質的に堅固なＴ型又はＬ型ベースブラケット１２を有する。例えば、ベースブラケット１２は、低温コファイヤードセラミック（ＬＴＣＣ）又は高温コファイヤードセラミック（ＨＴＣＣ）プロセスを用いて形成する。代わりに、プラスチック積層法を利用して有機基材を用いてベースブラケット１２を形成する。ベースブラケット１２は、選択した基材材料の層を用いて製作する。
【００１５】
ベースブラケット１２は、本体ベース面１６で形成した通常長方形の足型をもつ本体部分１４と、本体ベース面１６からほぼ直角にのびる脚部分１８とを有する。ベースブラケット１２をＬ型と成るように形成する際には（図示していない）、脚部分１８は、ブラケットの本体部分１４の一つの外側面２０に隣接してのびる。脚部分１８は、本体ベース面１６から対向しかつ本体ベース面１６に対してほぼ垂直なほぼ平面状の内側インターフェース面２２を有する。脚部分１８の内側インターフェース面２２に形成された電気的インターフェースパッド２４はシステム水準の印刷回路ボード（ＰＣＢ）に直付けできるようにする。電気的インターフェースパッド２４は、標準の（ＳＴＭ）表面実装技術パッドとして実施され、或いは代わりにはんだボール又はフリップチップ取付けように構成される。
【００１６】
図２には、ブラケットの本体部分１４の内側部分２６を例として制限なしに例示し、内側部分２６にはＭＥＭＳ慣性センサダイ２８が密封シールされる。例えば、ブラケットの本体部分１４の内側部分２６はダイキャビティ３２の床として形成したほぼ平面状のダイ取付け面平面部３０を備える。ダイ取付け面平面部３０は、脚部分１８の内側インターフェース面２２にほぼ垂直に形成される。符合して、ダイ取付け面平面部３０はまたブラケットの本体部分１４の本体ベース面１６に平行であるが、このように平行であることは本発明の実施に重要でない。ダイ取付け面平面部３０は、密封的にシールしたブラケット本体部分の内側部分２６内の周囲の棚構造体３４に対して随意に凹状である。ＭＥＭＳ慣性センサダイ２８のダイ取付けは、共融混合物か又はエポキシ結合法を用いて行う。
【００１７】
例えば、周囲の棚構造体３４に多数の電気的インターフェース接点36を設け、ベースブラケット１２内に埋め込みかつ脚部分18の内側インターフェース面２２における電気的インターフェースパッド２４に通じる回路にMEMSセンサダイ２８を結合する。ＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１０内のルーチン回路は、適当なセンサ接地、電力及び出力信号をＴ型又はＬ型ベースブラケット１２へ通す。ベースブラケット１２のＴ型又はＬ型脚部分１８により、ＭＥＭＳセンサダイ取付け部のダイ取付け面平面部３０に垂直な装着面、例えばシステム水準ＰＣＢにインターフェースするように電気トレースできる。こうして、Ｔ型又はＬ型脚部分１８は、センサダイ２８に装着したＭＥＭＳ慣性センサ３８の有効な感知軸線Ｉを、ダイ取付け形態（ダイ取付け面平面部３０に平行か又は垂直）から最初のダイ方向にほぼ垂直な直交方向へ移動する。通常のＭＥＭＳセンサは、ダイ２８に平行な（平面内感知軸線）であるか又は垂直な（平面外感知軸線）である単一感知軸線Ｉを有する。ＭＥＭＳ慣性感知軸線Ｉの方向は、当該技術分野における関連文献に適切に記述され、本明細書では説明しない製造の容易さ、性能の問題及び物理的事項などを考慮することで普通に決められる。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、電気的インターフェース接点３６は、周囲の棚構造体３４に堆積したワイヤボンド接点として実施される。ＭＥＭＳセンサダイ２８をダイキャビティ３２に取付けた後、ＭＥＭＳセンサダイ２８とワイヤボンド接点３６との間にワイヤボンド４０が形成される。
【００１９】
保護セラミック蓋即ちカバー４２は、真空又は安定な雰囲気、例えば乾燥窒素のような内部環境を収容する凹状ダイキャビティ３２を密封シールする。例えば、蓋４２は、ろう付けはんだ付け又はエポキシのような普通の密封シール方法を用いてブラケット本体１４の内側部分２６を包囲し且つダイキャビティ３２を取巻く壁４５に取付けられる。ＭＥＭＳセンサダイキャビティ３２の密封シーリングには、密封的にシールした内部環境におけるトレース要素と結合するゲッターが組込まれる。
【００２０】
図３は、簡潔にするため蓋４２を外して示す。図示したように、ダイキャビティ３２を取巻く棚構造体３４は、単にＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１０内にワイヤボンド接点３６を位置決めする領域を形成するのに用いられだけである。従って、棚構造体３４は、フリップチップ接点として実施した電気的インターフェース接点３６を用いてＭＥＭＳセンサダイ２８を装着する場合には、除去できる。ワイヤボンド棚構造体３４を除去することにより、壁４５を直交方向Ｘ、Ｙの一方又は両方に沿って動かすことができ、それによりパッケージ１０の総体寸法は減少できる。
【００２１】
さらに、センサダイ２８上のブラケット本体１４の内側部分２６の容積の大きな部分は、ＭＥＭＳセンサダイ２８とワイヤボンド電気的インターフェース接点３６との間のワイヤボンド４０を通すためのスペースを作るためだけに設けられる。従って、壁４５の高さは、ワイヤボンド４０を除去する場合には低減でき、それによりパッケージ１０の全高寸法Ｚは小さくなる。
【００２２】
図４は、本発明を限定しない例として、ダイキャビティ３２を示す。電気的インターフェース接点３６は、ＭＥＭＳセンサダイ２８と平面状ダイ取付け面平面部３０との間のはんだボール又はフリップチップ接点として実施される。ＭＥＭＳセンサダイのはんだボール又はフリップチップ取付けは、本願の譲受人に譲渡され、本願明細書に参照文献として結合される、Eskridgeの米国特許出願第１０／８０４，６０９号、発明の名称“フリップチップボンデッド超小型電機システム（ＭＥＭＳ）装置”に開示され多様に周知である。ベースブラケット１２内に埋め込まれた回路（点線で示す）は、ＭＥＭＳ慣性センサ３８の接地、駆動、フィードバック及び出力信号を搬送する、脚部分１８の内側インターフェース面２２における異なる電気的インターフェースパッド２４とはんだボール又はフリップチップ電気的インターフェース接点３６との間の幾つかの異なる電気信号キャリア４４を構成する。
【００２３】
ＭＥＭＳセンサダイ２８には、ダイキャビティ３２内で平面状ダイ取付け面平面部３０に対してＭＥＭＳ慣性センサ３８を平行に方向決めするスタンドオフ４６が形成される。電気的インターフェース接点３６としてフリップチップ接点を用いることにより、ワイヤボンド４０を通すオーバーヘッドスペースを必要としないので、随意に周囲のワイヤボンド接点棚構造体３４を削除したり壁４５を短くできる。従ってパッケージ１０の全体容積は性能や信頼性を損なうことなしに最小にできる。
【００２４】
図５は、システム水準印刷回路ボード（ＰＣＢ）４８に装着した移動感知軸線をもつＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１０を示す。この場合、ＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１０は、それのブラケット本体１４を、ＰＣＢ４８を介して開口５０に部分的に通すように位置決めし、脚部分１８の内側インターフェース面２２はＰＣＢ４８の表面５２に装着する。脚部分１８の内側インターフェース面２２におけるＳＭＴ即ち他の電気的インターフェースパッド２４はＰＣＢ４８の表面５２の接続パッドに結合される。従って、ＭＥＭＳセンサパッケージ１０はシステム水準ＰＣＢ４８の表面５２上にベースブラケット本体１４の一部分だけを配置して装着し、ベースブラケット本体１４の他の部分はＰＣＢ４８の下側に位置決めし、表面５２から反対側５４へのびる。ＭＥＭＳセンサパッケージ１０の上記の装着により、ＭＥＭＳ慣性センサ３８の有効な感知軸線Ｉは、ダイ取付け形態（ダイ取付け面平面部３０に平行か又は垂直）から最初のダイ方向にほぼ垂直でしかもシステム水準ＰＣＢ４８の表面にほぼ平行な直交方向へ移動する。
【００２５】
電気的インターフェースパッド２４を備えた脚部分１８の内側インターフェース面２２はブラケット本体１４の本体ベース面１６の中心線ＣＬに対してオフセットされ、それで、脚部分１８はブラケット本体１４と共にオフセットＴ型を形成する。任意ではあるが、脚部分１８の外側面５６はブラケット本体１４の外側面２０とほぼ連続させ、それにより脚部分１８はブラケット本体１４と共にＬ型を形成する。オフセットＴ型又はＬ型により、ブラケット本体１４の少なくとも一部分はシステム水準ＰＣＢ４８の表面５２の下側に位置決めされる。従ってベースブラケット１２のオフセット形状は、システム水準ＰＣＢ４８の表面５２、５４の一方又は両方上におけるベースブラケット１２の全体の伸張を短縮するのに役立つ。
【００２６】
任意ではあるが、システム水準ＰＣＢ４８の表面５２上の移動ＭＥＭＳパッケージ１０の第１部分ａ及びシステム水準ＰＣＢ４８の下方の第２部分ｂの高さは両方とも二側付きシステム水準ＰＣＢ４８における他の電子構成要素の高さより低いか又は等しい。
【００２７】
ベースブラケット１２の本体部分１４は、システム水準ＰＣＢ４８の表面５２、５４上でほぼ等しい距離ａ、ｂのびる。言い換えれば、脚部分１８の高さｈは、ＰＣＢ４８の第２部分ｂに厚さｃを加えたものに等しい。従って、移動感知軸線ＭＥＭＳセンサパッケージ１０の全体装着高さｈは最小化される。
【００２８】
図６は、ＭＥＭＳセンサパッケージ１０の脚部分１８をＰＣＢ４８の反対側５４に装着した例を示し、ＭＥＭＳ慣性センサ３８の有効感知軸線Ｉは、ダイ取付け形態（ダイ取付け面平面部３０に平行か又は垂直）から最初のダイ方向及びシステム水準ＰＣＢ４８の表面５２にほぼ平行な方向へ移動する。
【００２９】
図７は、ＭＥＭＳセンサパッケージ１０をＰＣＢ４８の縁部５８に装着した例を示し、ＭＥＭＳ慣性センサ３８の有効感知軸線Ｉは、ダイ取付け形態（ダイ取付け面平面部３０に平行か又は垂直）から最初のダイ方向及びシステム水準ＰＣＢ４８の表面５２にほぼ平行な方向へ移動する。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態について図示し説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに種々の変更ができることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージの斜視図。
【図２】本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージの別の斜視図。
【図３】理解し易くするため蓋部分をはずした本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージの別の斜視図。
【図４】フリップチップを用いてＭＥＭＳセンサダイを取付けた本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージの断面図。
【図５】システム水準の印刷回路ボード（ＰＣＢ）の第１の側に移動感知軸線を装着した本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージを示す図。
【図６】システム水準の印刷回路ボード（ＰＣＢ）の第２の側に移動感知軸線を装着した本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージを示す図。
【図７】システム水準の印刷回路ボード（ＰＣＢ）の縁部表面に移動感知軸線を装着した本発明の小型ＭＥＭＳ慣性センサパッケージを示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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