JP2007000986A

JP2007000986A - マイクロ構造体

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Publication number: JP2007000986A
Application number: JP2005185624A
Authority: JP
Inventors: Narimasa Iwamoto; 成正岩本; Hirofumi Motokawa; 裕文元川; Yoshiharu Nakamura; 芳春中村; Ryoji Imai; 良治今井; Tomohiro Nakatani; 友洋中谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP4835048B2

Abstract

【課題】気密封止の信頼性が向上したマイクロ構造体を提供する。
【解決手段】凹部を有する第１の基板１と、多層基板からなり第１の基板１に結合して凹部を密封し第１の基板１との間に密閉空間１０を形成する第２の基板２とを備える。第２の基板２の両面には、第１及び第２の導電パターン３１，３２と、第２の基板２の内部に設けられた第３の導電パターン３３を露出させるビアホール２ａとがそれぞれ設けられている。第１及び第２の導電パターン３１，３２は、ビアホール２ａ内に設けられた第４の導電パターン３４と第３の導電パターン３３を介して互いに連結されている。第２の基板２を貫通するスルーホールを設けてスルーホール内面に設けた導電パターンを介して第１の導電パターン３１と第２の導電パターン３２とを電気的に接続する場合に比べ、気密封止の信頼性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、密封された空間と該空間の内外に跨る導電パターンとを有するマイクロ構造体に関するものである。

従来から、マイクロマシニング技術を用いたマイクロ構造体がリレーやセンサ等のデバイスに使用されている。この種のマイクロ構造体を使用したデバイスとして、例えば図１０に示す静電容量型の加速度センサがある。

詳しく説明すると、この加速度センサは、図１０における下面に凹部を有する第１の基板１と、凹部を密閉して第１の基板１との間に密閉空間１０を形成する形で第１の基板１に接合された第２の基板２とからなる。

第１の基板１は、加速度による慣性力を受ける変位部１１ａと、変位部１１ａを包囲し第２の基板２に結合する枠部１１ｂと、変位部１１ａと枠部１１ｂとにそれぞれ連結され変位部１１ａを枠部１１ｂに対して変位自在に支持する支持部１１ｃとを有するベース１１と、ベース１１を挟んで第２の基板２の反対側において枠部１１ｂに結合することによりベース１１の枠部１１ｂとともに図１０における下側に開口した凹部を構成するカバー１２とからなる。

また、変位部１１ａにおいて第２の基板２に対向する面には可動電極４１が設けられ、第２の基板２において可動電極４１に対向する位置には固定電極４２が設けられている。すなわち、加速度が、加速度に応じた慣性力を受けた変位部１１ａの枠部１１ｂに対する変位量に変換され、更に、変位部１１ａの変位量が、可動電極４１と固定電極４２との間の静電容量の変化に変換される。

この種のマイクロ構造体を使用したデバイスとしては、上記のように変位部１１ａが加速度に応じた慣性力を受けて変位することを利用する加速度センサの他、変位部１１ａを静電力によって振動させる電極を備え、変位部１１ａが角速度に応じたコリオリ力を受けて変位することを利用する角速度センサがある。また、変位部１１ａの変位を電気信号に変換する変換手段としては、上記のような可動電極４１と固定電極４２との他、例えば、支持部１１ｃに設けられ支持部１１ｃの歪みを電気信号に変換するピエゾ素子も用いられる。

可動電極４１や固定電極４２を密閉空間１０内に設けることにより、密閉空間１０外から埃等の異物やガスが入り込むことを防ぎ、可動電極４１や固定電極４２が腐食されることを防いで寿命を延長することができる。又は、第１の基板１をベース１１のみで構成し、変位部１１ａと支持部とを、枠部１１ｂとともに凹部を形成するダイアフラム状とすれば、密閉空間１０の内外の圧力差に応じた変位量で変位部１１ａが枠部１１ｂに対して変位するようになるから、圧力センサとなる。

あるいは、変位部１１ａに磁性体（図示せず）を取り付けるとともに可動接点（図示せず）を設け、可動接点に対向する固定接点（図示せず）を第２の基板２に設け、密閉空間１０外の電磁石（図示せず）によって変位部１１ａを駆動して可動接点を固定接点に離接させるように構成すれば、上記のマイクロ構造体を電磁リレーとすることもできる。以下、センサにおける変換手段と、電磁リレーにおける可動接点及び固定接点とを総称して機能部と呼ぶ。

機能部と密閉空間１０外とを電気的に接続するに当たっては、従来は、第２の基板２において、密閉空間１０内に向けられる一方の面に第１の導電パターン３１を設け、他方の面（すなわち密閉空間１０外）に第２の導電パターン３２を設け、スルーホール２ｂを表裏に貫設し、第１の導電パターン３１とスルーホール２ｂ内面に設けた導電パターン３５とを介して機能部と第２の導電パターン３２とを電気的に接続していた。第２の導電パターン３２は、例えばプリント配線板Ｐ（図１１参照）への面実装に用いられる。スルーホール２ｂは、例えば図１０に示すように第１の基板１によって閉塞したり、図１１に示すような例えば合成樹脂からなる封止材Ｒや金属メッキをスルーホール２ｂ内に設けることによって閉塞していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１４１４６３号公報

しかし、金属メッキや封止材Ｒによってスルーホール２ｂを閉塞する場合、金属メッキや封止材Ｒと、第２の基板２との間の熱膨張率の差により、スルーホール２ｂの内面と金属メッキ又は封止材Ｒとの間に隙間が生じる可能性があったため、気密封止の信頼性が低かった。また、第１の基板１によってスルーホール２ｂを閉塞する場合、スルーホール２ｂを設ける部位を確保する必要があるために第１の基板１が大型化しやすかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、気密封止の信頼性が向上したマイクロ構造体を提供することにある。

請求項１の発明は、凹部を有する第１の基板と、第１の基板に表面を向けて凹部を密封する形で第１の基板に接合された多層基板からなる第２の基板とを備え、第２の基板は、表面に設けられ少なくとも一部が凹部の内面に対向する第１の導電パターンと、反対面に設けられた第２の導電パターンと、内部に設けられた第３の導電パターンとを備え、第２の基板の両面には、それぞれ内面に第３の導電パターンを露出させる凹部が設けられ、各凹部の内面にはそれぞれ第４の導電パターンが設けられ、第３の導電パターンと第４の導電パターンとを介して第１の導電パターンと第２の導電パターンとが電気的に接続されていることを特徴とする。

この発明によれば、第２の基板を貫通するスルーホールを設けてスルーホール内面に設けた導電パターンを介して第１の導電パターンと第２の導電パターンとを電気的に接続する場合に比べ、気密封止の信頼性が向上する。また、スルーホールを第１の基板によって閉塞する場合と異なり、第１の基板の大型化を招くことがない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、第３の導電パターンは、第２の基板の端面に露出しないことを特徴とする。

この発明によれば、第３の導電パターンを第２の基板の端面に露出させる場合に比べ、第３の導電パターンと第２の基板との境界からは気体が入り込みにくくなるから、気密封止の信頼性が更に向上する。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、第１の導電パターンと、第１の導電パターンに電気的に接続された第３の導電パターン及び第４の導電パターンと、第３の導電パターン及び第４の導電パターンを介して第１の導電パターンに電気的に接続された第２の導電パターンとが、複数組設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、第３の導電パターンを１個のみ設ける場合に比べ、より複雑な回路を構成することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、第３の導電パターンを、第２の基板の厚さ方向の中央よりも一方の面に近い位置に設けたことを特徴とする。

この発明によれば、凹部の内面は一般的に開口に近付くほど内径を大きくする方向に傾斜するから、第２の基板における第３の導電パターンに近い側の面で、凹部と第４の導電パターンとをより高い密度で設けることができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、第４の導電パターンは、凹部の内面全体を覆うことを特徴とする。

この発明によれば、第３の導電パターンとの間に隙間を空ける場合に比べ、気密性が更に向上する。

本発明によれば、第２の基板の内部に設けられた第３の導電パターンを介して第１の導電パターンと第２の導電パターンとを電気的に接続するので、第２の基板を貫通するスルーホールを設けてスルーホール内面に設けた導電パターンを介して第１の導電パターンと第２の導電パターンとを電気的に接続する場合に比べ、気密封止の信頼性が向上する。また、スルーホールを第１の基板によって閉塞する場合と異なり、第１の基板の大型化を招くことがない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下ではマイクロ構造体を使用したデバイスとして、加速度センサを例に挙げて説明するが、本発明は、互いに接合される基板間に密閉空間を有する構造であれば、従来例で説明した角速度センサ、圧力センサ、電磁リレー等にも適用可能である。

本実施形態は、図１に示すように、凹部を有する第１の基板１と、第１の基板１に結合して凹部を閉塞し第１の基板１との間に密閉空間１０を形成する第２の基板２とからなる。以下、上下左右は図１を基準とする。つまり、第２の基板２の厚さ方向を上下方向とし、うち第１の基板１が結合した側を上側とする。

第１の基板１は、加速度による慣性力を受ける変位部１１ａと、変位部１１ａよりも厚さ寸法が大きく変位部１１ａを包囲し第２の基板２の上面に結合する枠部１１ｂと、変位部１１ａよりも厚さ寸法が小さく変位部１１ａと枠部１１ｂとにそれぞれ連結され弾性を有し変位部１１ａを枠部１１ｂに対して変位自在に支持する支持部１１ｃとを有するベース１１と、枠部１１ｂの上面に結合することによりベース１１の枠部１１ｂとの間に下側に開口した凹部を形成するカバー１２とからなる。ベース１１は例えばシリコンからなり、カバー１２は例えばガラスからなる。ベース１１は、従来周知の半導体プロセスによって形成することができる。ベース１１の枠部１１ｂは、例えば陽極接合により、カバー１２と第２の基板２とにそれぞれ接合される。

変位部１１ａの下面には、可動電極４１が設けられている。また、第２の基板２の上面には、可動電極４１に対向する固定電極４２と、複数個の第１の導電パターン３１が設けられている。第１の導電パターン３１のうち、１個は可動電極４１に電気的に接続され、別の１個は固定電極４２に電気的に接続されている。

変位部１１ａが加速度による慣性力を受けて枠部１１ｂに対して上下に変位すると、可動電極４１と固定電極４２との間の静電容量が変化する。つまり、可動電極４１と固定電極４２との間の静電容量に基いて加速度を検出することができるのであり、可動電極４１と固定電極４２と変位部１１ａとが機能部を構成している。また、カバー１２の下面には、変位部１１ｂの可動範囲を確保する凹部１２ａが設けられている。

第２の基板２は多層基板であって、内部に複数個の第３の導電パターン３３（１個のみ図示）を有し、下面に複数個の第２の導電パターン３２（１個のみ図示）を有する。さらに、第２の基板２の上下両面にはそれぞれ内面に第３の導電パターン３３を露出させるビアホール２ａが設けられ、各ビアホール２ａの内面にはそれぞれ第４の導電パターン３４が設けられていて、第３の導電パターン３３と第４の導電パターン３４とを介して第１の導電パターン３１と第２の導電パターン３２とは電気的に接続されている。

上記構成によれば、第２の基板２の内部の第３の導電パターン３３を介して第１の導電パターン３１と第２の導電パターン３２とを電気的に接続しているから、従来例のようにスルーホール２ｂを設けてスルーホール２ｂを封止材Ｒや金属メッキで封止する場合に比べて密閉空間１０の気密性が向上する。また、スルーホール２ｂを第１の基板１で閉塞する場合に比べ、第１の基板１にスルーホール２ｂを閉塞する部位を設ける必要がないから第１の基板１の小型化が可能となる。

ここで、第３の導電パターン３３は、図２に示すように第２の基板２の端まで設けるよりも、図３に示すように第２の基板２により完全に覆うようにした方が気密性が向上し望ましい。また、第４の導電パターン３４は、図４に示すようにビアホール２ａの内面の一部にのみ設けるよりも、図５に示すようにビアホール２ａの内面全体を覆うように設けた方が気密性が向上し望ましい。

以下、本実施形態の第２の基板２を形成する方法の例について説明する。ここで、マイクロ構造体は、通常の半導体プロセスと同様に、複数個が一体化したものを形成した後にダイシングによって個々に切り離して製造されるが、以下では主に１個のマイクロ構造体に対応する部分に着目して説明する。

第２の基板２は、例えば図６（ａ）に示すように上面に第３の導電パターン３３が設けられた第１層２１の上面に、図６（ｂ）に示すように第２層２２を接合し、次に図６（ｃ）に示すように第１層２１と第２層２２とにそれぞれビアホール２ａを設けて、最後に図６（ｄ）に示すように第１，第２，第４の導電パターン３１，３２，３４をそれぞれ形成する。固定電極４２のように第２の基板２に設けられる電極は、第１の導電パターン３１とともに形成される。第１層２１と第２層２２とは、それぞれ例えばアルミナからなるセラミックスやガラスからなり、厚さ寸法はそれぞれ例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである。第１層２１と第２層２２とで材料を異ならせることも可能ではあるが、同じ材料を用いたほうが熱応力が発生せず接合もさせやすいため望ましい。

各導電パターン３１〜３４及び可動電極４１及び固定電極４２の材料には、それぞれ例えば銅、アルミ、金などを用いることができる。また、第１及び第２の導電パターン３１，３２の厚さは、それぞれ例えば０．１μｍ〜１０μｍである。さらに、第３の導電パターン３３の厚さは、例えば０．１μｍ〜１００μｍである。各導電パターン３１〜３４は、例えばスパッタリングやメッキやペーストの塗布や薄膜の貼着といった周知の手段を用いて形成された導電体の層に、フォトリソグラフィーにより形成したレジストを利用したエッチングを施すことによって形成することができる。

また、第１層２１と第２層２２との接合には、溶融接合や、超音波溶接や、陽極接合や、接着剤を用いた貼着などの周知の手段を用いることができる。特に、溶融接合や陽極接合は、第１層２１と第２層２２とを強固に結合させることができる。

第１層２１と第２層２２との接合に陽極接合を用いる場合、例えば図７に示すようにそれぞれ長方形状の第１層２１が３行３列に計９個分切り取られる基板２０に、全ての第３の導電パターン３３を含む導電パターン３０を設け、この導電パターン３０を陽極接合に用いる。図７の例について詳しく説明すると、基板２０は円板形状であって、導電パターン３０は、第３の導電パターン３３となる部位の他、外周に沿って設けられ陽極接合時に電極が接続される円環部３０ａと、それぞれ第３の導電パターン３３となる部位と円環部３０ａとを連結する連結部３０ｂとを有する。この基板２０は、第２層２２を有する基板（図示せず）と、ベース１１の構造が設けられた基板（図示せず）と、カバー１２の構造が設けられた基板（図示せず）とに接合された後、上記各基板とともに図７の破線箇所が切断される。

さらに、ビアホール２ａを設ける方法としては、サンドブラストや、レーザ加工や、超音波加工や、ドリル加工や、ドライエッチングや、ウェットエッチングといった周知の手段を用いることができる。上記の方法のうち、サンドブラストを用いると加工時間を最も短縮することができる。ビアホール２ａの内径は、例えば５０μm〜５００μｍである。図６（ａ）〜（ｄ）のように第１層２１と第２層２２との接合後にビアホール２ａを設ける場合には、例えばＳＦ_６のような反応性ガスを用いたドライエッチングによってビアホール２ａを形成すれば、第３の導電パターン３３が侵食されず第３の導電パターン３３と第４の導電パターン３４との電気的接続の信頼性が確保されるから望ましい。

なお、第１層２１と第２層２２とを接合してからビアホール２ａを設ける代わりに、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように第１層２１と第２層２２との接合前にビアホール２ａを貫通穴の形で設けてもよい。この場合、図６（ａ）〜（ｄ）の製造方法に比べ、第１層２１と第２層２２との接合方法としてビアホール２ａが変形しにくい方法を選択する必要があるものの、第４の導電パターン３４を確実に第３の導電パターン３３に接続することができる。

また、第１及び第２の導電パターン３１，３２を、それぞれ第１層２１と第２層２２との接合前に設けてもよい。

ここで、第１層２１と第２層２２とで厚さ寸法を異ならせれば、図９に示すように第２の基板２の厚さ方向の中央よりも一方の面に近い位置に第３の導電パターン３３を設けることができる。ビアホール２ａを形成する方法には、サンドブラストのように、形成されるビアホール２ａの内側面が開口に近付くほど内径を大きくする方向に傾斜するものが多いから、上記のように第２の基板２の一方の面に近い位置に第３の導電パターン３３を設ければ、第３の導電パターン３３に近い方の面においてビアホール２ａの開口が小さくなり、より緻密な回路を形成することができる。

本発明の実施形態を示す断面図である。同上の比較例の要部を示す断面図である。同上の要部を示す断面図である。同上の比較例の要部を示す断面図である。同上の要部を示す断面図である。同上の第２の基板の製造方法の一例を示し、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる段階を示す断面図である。同上の製造過程において第２の基板の第１層を９個分有する基板を示す平面図である。同上の第２の基板の製造方法の別の例を示し、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる段階を示す断面図である。同上の別の形態の要部を示す断面図である。従来例を示す断面図である。別の従来例の要部を示す断面図である。

符号の説明

１第１の基板
２第２の基板
２ａビアホール
３１第１の導電パターン
３２第２の導電パターン
３３第３の導電パターン
３４第４の導電パターン

Claims

凹部を有する第１の基板と、第１の基板に表面を向けて凹部を密封する形で第１の基板に接合された多層基板からなる第２の基板とを備え、第２の基板は、表面に設けられ少なくとも一部が凹部の内面に対向する第１の導電パターンと、反対面に設けられた第２の導電パターンと、内部に設けられた第３の導電パターンとを備え、第２の基板の両面には、それぞれ内面に第３の導電パターンを露出させるビアホールが設けられ、各ビアホールの内面にはそれぞれ第４の導電パターンが設けられ、第３の導電パターンと第４の導電パターンとを介して第１の導電パターンと第２の導電パターンとが電気的に接続されていることを特徴とするマイクロ構造体。
第３の導電パターンは、第２の基板の端面に露出しないことを特徴とする請求項１記載のマイクロ構造体。
第１の導電パターンと、第１の導電パターンに電気的に接続された第３の導電パターン及び第４の導電パターンと、第３の導電パターン及び第４の導電パターンを介して第１の導電パターンに電気的に接続された第２の導電パターンとが、複数組設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロ構造体。
第３の導電パターンを、第２の基板の厚さ方向の中央よりも一方の面に近い位置に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のマイクロ構造体。
第４の導電パターンは、凹部の内面全体を覆うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のマイクロ構造体。