ЗАЩИТНЫЙ КОРПУС ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МИКРОСИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩИЙ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ТРАНСЛЯТОР ПРОВОДКИ
PROTECTIVE HOUSING OF ELECTROMECHANICAL MICROSYSTEM, WHICH CONTAINS INTERMEDIATE WIRING TRANSLATOR

Предлагаемое изобретение относится к области проводки электромеханических микросистем, также обозначаемых аббревиатурой MEMS (что является акронимом английского выражения Micro Electro Mechanical Systems) и, говоря более конкретно, микросистем, осуществляющих измерения физических величин, таких, например, как микрогирометры, микроакселерометры или микродатчики измерения давления.
Эти MEMS представляют собой системы, которые являются весьма чувствительными к тепловым и механическим возмущениям, вследствие чего, для обеспечения нормального функционирования, их необходимо помещать в защитный герметизированный корпус, внутри которого устанавливают контролируемую атмосферу.
На приведенной в приложении фиг.1 представлен схематический вид в поперечном разрезе такого защитного корпуса 10. Этот корпус 10 содержит дно 12 и кожух 11, которые объединены друг с другом посредством пайки 15, причем корпус 10 образует закрытую камеру, внутри которой может быть установлена контролируемая атмосфера.
Электромеханическая микросистема MEMS 1 обычно имеет, по существу, плоскую форму, содержащую две поверхности: по существу такая электромеханическая микросистема MEMS 1 может представлять собой просто плоскую конструкцию, реализованную при помощи соответствующей обработки кремниевой подложки на изолирующем материале (SOI), или кварцевой подложки, или подложки, изготовленной из другого материала, но другие способы изготовления также являются возможными, как это имеет место, например, в случае некоторых микроакселерометров, или эти микросистемы могут быть сформированы в форме пакета, состоящего из нескольких обработанных слоев кремния, как это имеет место, например, в некоторых микрогирометрах.
Электромеханическая микросистема MEMS 1 заключена в корпус 10. Первая поверхность микросистемы MEMS 1 устанавливается на нескольких опорных элементах 2. Эти опорные элементы 2 сами, в свою очередь, размещаются на внутренней стенке дна 12 корпуса 10. Эти опорные элементы 2 представляют собой элементы крепления при помощи пайки, которые изолируют микросистему MEMS 1 от корпуса 10. Эти опорные элементы 2 обычно имеют одинаковые высоты таким образом, чтобы минимизировать механические и тепловые возмущения, воздействующие на микросистему MEMS 1.
Вторая поверхность микросистемы MEMS 1 содержит электрические контакты 5 микросистемы, которые представляют собой электрические входы и выходы, позволяющие, соответственно, направлять управляющие электрические сигналы в эту микросистему MEMS, для ее функционирования соответствующим образом, или отправлять электрические сигналы, формируемые самой микросистемой 1, за пределы микросистемы.
Обычно передача электрических сигналов в направлении микросистемы MEMS 1 и передача электрических сигналов, поступающих из микросистемы MEMS 1, осуществляется при помощи проволочных соединений 20 (в целом обычно определяемых английским термином "bondings"), которые связывают электрические контакты 5 микросистемы с внутренними электрическими контактами 16, располагающимися на внутренних стенках корпуса. Эти внутренние электрические контакты 16 электрически соединяются при помощи промежуточных внутренних связей 18 с наружными электрическими контактами 17, располагающимися на наружных стенках дна 12 корпуса 10.
Электрические контакты 5 микросистемы занимают на второй поверхности микросистемы MEMS положение, которое определяется по результатам фазы проектирования данной микросистемы MEMS 1. Однако не всегда имеется возможность вывести и разместить все эти электрические контакты 5 микросистемы на периферийной зоне второй поверхности этой микросистемы MEMS. Именно поэтому для того, чтобы иметь возможность связать между собой электрическим образом электрические контакты 5 этой микросистемы и внутренние электрические контакты 16, необходимо, чтобы проволочные соединения 20 имели длину, которая может превышать несколько миллиметров.
Это обстоятельство представляет собой источник возникновения двух существенных недостатков.
Первый из этих недостатков связан с длиной проволочных соединений 20, необходимых для соединения электрических контактов 5 микросистемы с внутренними электрическими контактами 16, например, в том случае, когда эти электрические контакты 5 микросистемы располагаются в центральной зоне второй поверхности микросистемы 1.
Эти проволочные соединения 20 часто представляют собой металлические проволоки постоянного диаметра. В том случае, когда проволочные соединения 20 имеют длину, весьма значительную по сравнению с их диаметром, то есть обычно, когда отношение между длиной и диаметром этих проволочных соединений 20 имеет величину более 50, хрупкость этих проволочных соединений 20 оказывается очень большой, вследствие чего такое проволочное соединение 20 оказывается способным легко изгибаться, в частности, в том случае, когда корпус 10 подвергается воздействию весьма значительных ускорений. Это изгибание проволочных соединений 20 имеет следствием существенное изменение величины емкости, появляющейся на клеммах электрических контактов микросистемы. Это обстоятельство представляет собой серьезный недостаток, поскольку обычно процесс измерений, выполняемых данной микросистемой 1, основывается на обнаружении изменений емкости, существующей между некоторыми из ее контактов. Однако некоторые микросистемы предназначены для установки на борту того или иного носителя, подвергающегося воздействию достаточно больших ускорений, например воздушного судна или ракеты, и изменения емкости, вызываемые изгибанием проволочных соединений 20, имеют амплитуду, которая является достаточно большой по сравнению с изменениями емкости, вызываемыми физическими величинами, подлежащими измерению.
Второй из упомянутых выше недостатков также связан с относительными положениями, занимаемыми соответственно электрическими контактами 5 микросистемы, располагающимися на второй поверхности микросистемы MEMS 1, и внутренними электрическими контактами 16, располагающимися на внутренних стенках корпуса 10. В некоторых случаях эти относительные положения требуют того, чтобы проволочные соединения 20 оказывались наслаивающимися друг на друга или перекрещивались между собой. В том случае, когда корпуса подвергаются воздействию весьма существенных ускорений, имеющих величину, например, порядка 20000 g (где g представляет собой ускорение свободного падения), такие перекрещивающиеся проволочные соединения 20 могут входить в контакт друг с другом, что может вызвать короткое замыкание.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить отмеченные выше недостатки. Говоря более конкретно, объектом предлагаемого изобретения является защитный корпус электромеханической микросистемы, интегрированной в этот корпус, образованный стенкой, изготовленной из электроизоляционного материала, причем упомянутый корпус формирует закрытую камеру, и эта стенка имеет внутреннюю поверхность, ориентированную внутрь упомянутой камеры, и наружную поверхность, находящуюся в контакте с внешней к камере средой, причем внутренние электрические контакты располагаются на внутренних поверхностях и наружные электрические контакты располагаются на упомянутых наружных поверхностях, причем внутренние электрические контакты и наружные электрические контакты попарно электрически связаны между собой, и эта микросистема выполнена, по существу, плоской, причем первая поверхность данной микросистемы закрепляется на внутренней стенке корпуса и вторая поверхность этой микросистемы содержит электрические контакты этой микросистемы, причем первый конец проволочного соединения, изготовленного из электропроводного материала, закреплен на электрическом контакте микросистемы, отличающийся тем, что этот защитный корпус содержит промежуточный транслятор проводки, закрепленный, по меньшей мере, на одной внутренней стенке, причем упомянутый промежуточный транслятор изготовлен из электроизоляционного материала и содержит дорожки, изготовленные из электропроводного материала, и одна такая дорожка электрически связана, по меньшей мере, с одним внутренним контактом и с одним вторым концом проволочного соединения, причем упомянутый промежуточный транслятор дополнительно содержит, по меньшей мере, одно отверстие, сквозь которое проходит упомянутое проволочное соединение.
Первое преимущество предлагаемого изобретения состоит в том, что это изобретение позволяет связать электрические контакты 5 микросистемы с внутренними электрическими контактами 16 путем использования проволочных соединений 20, которые имеют относительно небольшую длину и которые, вследствие этого, очень редко подвергаются изгибанию даже в том случае, когда они подвергаются воздействию ускорений, величина которых может превышать 20000 g.
Второе преимущество предлагаемого изобретения связано с упрощением правил проектирования микросистемы. Действительно, в соответствии с предшествующим уровнем техники положение электрических контактов 5 микросистемы на второй поверхности микросистемы задавалось расположением внутренних электрических контактов 16 на внутренних стенках корпуса 10: таким образом, в процессе проектирования электромеханической микросистемы MEMS 1 стремятся, с одной стороны, разместить электрические контакты 5 микросистемы на периферийной зоне второй поверхности этой микросистемы, а с другой стороны, стараются ограничить возможные наслоения или перекрещивания между проволочными соединениями 20, если правила проектирования, связанные с изготовлением такой микросистемы, это позволяют. Используя промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением, становится очевидным, что здесь больше нет необходимости размещать электрические контакты 5 микросистемы строго на периферийной части второй поверхности этой микросистемы, а также оказывается более удобным избегать наслоения проволочных соединений 20, в результате чего существенно упрощаются требования к проектированию электромеханических микросистем.
Третье преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что промежуточный транслятор проводки в соответствии с этим изобретением дополнительно может содержать те или иные электронные компоненты, которые могут служить для реализации собственно микросистемы 1, или же могут использоваться для обработки электрических сигналов, вырабатываемых этой микросистемой 1.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже подробного описания неограничивающих примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
Фиг.1, уже описанная в предшествующем изложении, представляет собой вид в разрезе защитного корпуса, заключающего в себе электромеханическую микросистему;
Фиг.2 представляет собой вид защитного корпуса в соответствии с предлагаемым изобретением, предохраняющего электромеханическую микросистему и содержащего промежуточный транслятор проводки в соответствии с этим изобретением;
Фиг.3 представляет собой перспективный вид первого способа реализации промежуточного транслятора проводки в соответствии с предлагаемым изобретением со стороны его первой поверхности и со стороны его второй поверхности;
Фиг.4 представляет собой перспективный вид второго способа реализации промежуточного транслятора проводки в соответствии с предлагаемым изобретением со стороны его первой поверхности и со стороны его второй поверхности.
На приведенных в приложении фигурах одни и те же элементы обозначены одними и теми же цифровыми позициями.
На фиг.2 представлен корпус, защищающий электромеханическую микросистему 1. Этот корпус отличается от корпуса, представленного на фиг.1, тем, что он дополнительно содержит промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением.
Предпочтительным образом этот промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением является по существу плоским.
Этот промежуточный транслятор проводки обычно представляет собой пластину 100, изготовленную из электроизоляционного материала. Пластина 100 обычно закрепляется, по меньшей мере, на одной внутренней стенке корпуса 10. Эта пластина содержит первую поверхность и вторую поверхность. Дорожки 101, представленные на чертеже пунктирными линиями, проходят по первой и второй поверхности упомянутой пластины.
Эти дорожки 101 изготовлены из электропроводного материала: например, пластина 100 может быть изготовлена из эпоксидной смолы, а дорожки 101 из меди. Пластина 100 может содержать дорожки 101, которые проходят на нескольких уровнях: в этом случае говорят о "многослойных" дорожках 101.
Эти дорожки 101 обычно содержат два конца:
- первый конец 105, который электрически связан с внутренними электрическими контактами 16, располагающимися на внутренних стенках дна 12 корпуса 10,
- второй конец, который электрически связан с одним из вторых концов проволочного соединения 20.
Проволочные соединения 20 содержат первый конец, закрепленный на электрическом контакте 5 микросистемы, и второй конец, электрически связанный с вторым концом дорожек 101.
Предпочтительным образом проволочное соединение представляет собой металлическую проволоку постоянного диаметра и эта проволока имеет длину, которая является меньшей, чем пятидесятикратная величина диаметра этой проволоки.
Предпочтительным образом проволочные соединения имеют диаметр, составляющий 25 микрометров.
Вследствие наличия дорожек 101 на промежуточном трансляторе проводки в соответствии с предлагаемым изобретением проволочные соединения 20, используемые в защитном корпусе электромеханической микросистемы, содержащей такой промежуточный транслятор, имеют длину, существенно уменьшенную по сравнению с длиной проволочных соединений 20, используемых в защитном корпусе, не содержащем такого промежуточного транслятора проводки.
Уменьшенная длина проволочных соединений лежит в основе устойчивости этих проволочных соединений к изгибанию, которая остается достаточно высокой даже в том случае, когда они подвергаются воздействию ускорений, величина которых может достигать 20000 g.
Предпочтительным образом промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением располагается, по существу, параллельно второй поверхности компонента микросистемы и первая сторона этого промежуточного транслятора располагается напротив второй поверхности компонента.
Предпочтительным образом промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением содержит отверстия, сквозь которые проходят проволочные соединения.
Для установки электромеханической микросистемы 1 в корпус прежде всего закрепляют эту микросистему на стенке дна 12 корпуса 10. После этого закрепляют промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением на дне 12 корпуса 10 таким образом, чтобы первые концы дорожек 101 были электрически связанными с внутренними электрическими контактами 16.
Затем закрепляют первые концы проволочных соединений 20 на электрических контактах 5 микросистемы. Это крепление реализуется путем размещения первого конца проволочных соединений 20 на электрических контактах 5 микросистемы при помощи инструментов для электрического подключения (bondings) так называемого типа "дно колодца". Размещение осуществляется путем введения инструментов и проволочных соединений 20 в отверстия 102, располагающиеся поверх электрических контактов 5 микросистемы вертикально над ними и в непосредственной близости от этих контактов 5.
Затем второй конец проволочных соединений объединяется со вторым концом дорожки 101, размещенной, по меньшей мере, частично, на второй поверхности промежуточного транслятора.
И, наконец, кожух 11 закрепляется на дне 12 корпуса, обычно при помощи пайки.
В камере, образованной при помощи кожуха 11 и дна 12, можно установить ту или иную контролируемую атмосферу.
-4
Предпочтительным образом камера герметично закрыта и разрежение в этой камере имеет величину менее 10 миллибар.
Предпочтительным образом дорожки связаны с вторыми концами проволочных соединений на второй поверхности упомянутого промежуточного транслятора.
Предпочтительным образом отношение между сечением отверстия и площадью поперечного сечения проволочного соединения, которое проходит сквозь это отверстие, имеет величину, превышающую 1600.
Отверстия 102 имеют поперечное сечение, достаточное для того, чтобы инструменты для выполнения электрического подключения (bondings) типа "дно колодца", введенные через эти отверстия 102, могли достигнуть электрических контактов 5 микросистемы.
Необходимо также, чтобы отверстие 102 имело поперечное сечение, достаточное для того, чтобы проволочное соединение 20, проходящее через это отверстие, не входило в контакт с промежуточным транслятором проводки. Например, отверстие 102 имеет круглую форму и обладает диаметром, составляющим 1000 микрометров, а проволочное соединение 20 представляет собой металлическую проволоку, круглое поперечное сечение которой имеет диаметр, составляющий 25 микрометров.
Предпочтительным образом промежуточный транслятор проводки в соответствии с предлагаемым изобретением дополнительно содержит электронные компоненты, которые связаны с дорожками.
Обычно рассматривают две категории микросистем:
- первая категория микросистем может быть квалифицирована как проницаемые микросистемы. Эти микросистемы имеют стенки, которые не способны поддерживать разреженную атмосферу внутри микросистемы;
- вторая категория микросистем может быть квалифицирована как герметичные микросистемы. Эти микросистемы имеют стенки, которые имеют возможность сохранять внутреннюю разреженную атмосферу.
Микросистемы 1, принадлежащие к первой категории, в обязательном порядке должны быть защищены при помощи корпусов, которые сами являются герметичными, то есть это означает, что корпуса представляют собой корпуса, внутри которых имеется возможность поддерживать разреженную атмосферу. Функционирование таких микросистем 1 ухудшается в результате наличия электронных компонентов, располагающихся на одной или на нескольких поверхностях промежуточного транслятора проводки и предназначенных для выдачи электрических сигналов, служащих для обеспечения функционирования микросистемы, или для обработки электрических сигналов, создаваемых этой микросистемой. Действительно, эти компоненты производят газоотделение, которое нарушает вакуум, существующий в камере.
Микросистемы, принадлежащие к второй категории, могут быть заключены в защитные корпуса 10, которые не обязательно являются полностью герметичными, то есть это означает, что речь идет о корпусах, внутри которых устанавливается нейтральная атмосфера. При этом функционирование микросистемы не ухудшается в результате возможного газоотделения электронных компонентов, располагающихся на одной из поверхностей промежуточного транслятора.
Предпочтительным образом электронные компоненты формируют электрические сигналы, используемые для обеспечения функционирования данной микросистемы.
Предпочтительным образом электронные компоненты принимают электрические сигналы, формируемые данной микросистемой.
На фиг.3а и 3b представлены схематические перспективные виды первого способа реализации промежуточного транслятора проводки в соответствии с предлагаемым изобретением. На фиг.3а представлена вторая поверхность по первому способу его реализации. На фиг.3b представлена первая поверхность по первому способу его реализации.
Этот способ реализации предпочтительным образом адаптирован для микросистемы 1, содержащей относительно небольшое количество электрических контактов 5 микросистемы, например микросистемы, в которой количество электрических контактов 5 микросистемы, подлежащих соединению с внешними контактами 17, меньше или равно 6.
Для этого способа реализации, который соответствует схематическому виду в разрезе, представленному на фиг.2, второй конец дорожек 101, представленный черным кружком, размещается на второй поверхности промежуточного транслятора, в непосредственной близости от отверстия 102, выполненного в пластине этого промежуточного транслятора.
Проволочное соединение 20, представленное пунктирной линией, содержит первый конец 105, объединенный с электрическим контактом 5 микросистемы, причем этот первый конец не представлен на фиг.3а, и второй конец, который связан со вторым концом дорожек 101.
Дорожки 101 связывают свои вторые концы с первым концом 105, который представлен белым прямоугольником на фиг.3а. Эти первые концы 105 размещаются в непосредственной близости от периферийной зоны пластины и пересекаются насквозь, то есть это означает, что эти концы появляются также и на первой поверхности пластины 100 этого промежуточного транслятора.
На фиг.3b можно видеть первые концы 105 дорожек 101, которые занимают на пластине 100 положение, которое обеспечивает их контакт с внутренними электрическими контактами 16 корпуса 10.
Первый этап установки, в соответствии с предлагаемым изобретением по первому способу реализации, промежуточного транслятора на дне 12 корпуса 10 состоит в припаивании внутренних электрических контактов 16, не показанных на фиг.3а и 3b, к вторым концам 105 дорожек 101 для того, чтобы, с одной стороны, закрепить промежуточный транслятор в этом корпусе, а с другой стороны, обеспечить электрическое соединение наружных электрических контактов 17 с вторыми концами дорожек 101.
Второй этап установки промежуточного транслятора на дне части корпуса 10 состоит в закреплении двух концов проволочных соединений 20 так, как об этом было сказано в предшествующем изложении, соответственно на электрических контактах микросистемы и на вторых концах дорожек 101.
Форма пластины 100 выполнена такой, чтобы обеспечить возможность введения в корпус промежуточного транслятора в соответствии с предлагаемым изобретением.
На фиг.4а и 4b представлены перспективные виды второго способа реализации промежуточного транслятора проводки в соответствии с предлагаемым изобретением. На фиг.4а представлена вторая поверхность по второму способу его реализации. На фиг.4b представлена первая поверхность по второму способу его реализации.
Этот способ реализации предпочтительным образом адаптирован для микросистемы 1, содержащей относительно большое количество электрических контактов 5 микросистемы, например микросистемы, в которой количество электрических контактов микросистемы, подлежащих соединению с внешними контактами, больше или равно 6.
Вторая поверхность промежуточного транслятора по второму способу реализации отличается от второй поверхности по первому способу его реализации тем, что дорожки 101 продолжаются вспомогательными проволочными соединениями 20′, а также тем, что первые концы 105 этих дорожек 101 не являются проходящими насквозь.
Один конец вспомогательных проволочных соединений 20′ связан с первым концом 105 дорожки 101, который представлен на фиг.4а белым прямоугольником. Этот первый конец 105 размещается в непосредственной близости от кромок пластины 100.
Первая поверхность промежуточного транслятора по второму способу реализации отличается от первой поверхности этого промежуточного транслятора по первому способу его реализации тем, что она содержит зону 110 пайки, покрывающую кромки пластины 100.
Первый этап установки промежуточного транслятора в соответствии с предлагаемым изобретением по второму способу реализации на дне корпуса состоит в объединении при помощи пайки пластины и дна 12 корпуса 10 путем нанесения припоя на зону 110 пайки.
Второй этап установки промежуточного транслятора проводки состоит в закреплении двух концов проволочных соединений 20 так, как об этом было сказано в предшествующем изложении, соответственно на электрических контактах микросистемы 1 и на вторых концах дорожек 101.
Третий этап установки состоит в закреплении двух концов вспомогательных проволочных соединений 20′ соответственно на внутренних контактах 16 и на первых концах 105 дорожек 101.
В том случае, когда микросистема содержит достаточно большое количество электрических контактов 5 микросистемы и вторые концы 105 дорожек 101 также являются многочисленными и располагаются весьма близко друг к другу, оказывается более удобным устанавливать на дно 12 корпуса 10 промежуточный транслятор по второму способу его реализации, чем по первому способу реализации.
Действительно, установка промежуточного транслятора проводки в соответствии с предлагаемым изобретением по первому способу его реализации является весьма сложной в реализации вследствие трудностей при нанесении припоя на вторые концы 105, располагающиеся очень близко друг к другу, например, в том случае, когда упомянутые вторые концы 105 отделены друг от друга расстоянием, составляющим несколько десятков микрометров.