电连接弯曲部件的制作方法

本申请要求2016年6月14日提交的题为“电连接弯曲部件(electricconnectionflexures)”的美国专利申请序列号为15/182,389的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

本公开一般涉及用于微机电系统(mems)的弯曲部件，更具体地，涉及用于移动平台的电连接弯曲部件的实施例。

技术实现要素：

根据本文所公开技术的各种实施例，公开了用于微机电系统(mems)装置的移动平台的电连接弯曲部件。所公开的弯曲部件具有低电阻和刚度，并且充分移位使得移动平台(例如，承载传感器的平台)可以相对于固定电路板以三个自由度自由移动，同时保持与电路板的电连接。弯曲部件的两个端部可以嵌入相应的框架中，这些框架相对于彼此移位，使得可以限制相对于移动平台的平面外运动，并且可以更紧凑地设计移动平台组件。

在本文所公开技术的第一实施例中，致动器包括：外框架；内框架；以及将外框架电连接和机械连接到内框架的弯曲部件。弯曲部件包括嵌入外框架中的第一端；嵌入内框架中的第二端；以及从第一端延伸到第二端的主体。在实施方式中，弯曲部件包括金属或金属合金，并且外框架和内框架包括硅。

在特定实施方式中，致动器包括电路板和传感器，外框架结合在电路板上，并且内框架电连接和机械连接(electricallyandmechanicallycoupledto)到包括传感器的移动平台。在该实施方式中，弯曲部件可以将电路板电连接到传感器。

在本文所公开技术的第二实施例中，一种形成移动平台组件的方法包括：在包括硅的衬底中形成多个沟槽，所述多个沟槽包括：对应于弯曲部件的第一端的第一沟槽，对应于弯曲部件的第二端的第二沟槽，对应于弯曲部件的主体的第三沟槽；用导电材料电镀沟槽；并去除弯曲部件的主体周围的硅。通过去除弯曲部件的主体周围的硅，释放弯曲部件，其中弯曲部件包括嵌入第一硅结构中的第一导电端，独立导电体和嵌入第二硅结构中的第二导电端。在实施方式中，电镀材料是诸如铜的金属或金属合金，第三沟槽的深度在5微米和50微米之间，并且第三沟槽的宽度在0.5微米和10微米之间。

在进一步的实施方式中，该方法另外包括：在镀覆沟槽上沉积光致抗蚀剂图案层，光致抗蚀剂图案层的图案对应于弯曲部件的形状。在又一些实施方式中，该方法还包括：在电镀沟槽之前在沟槽中沉积氧化物和多晶硅层。

如本文所用，术语“约”在定量方面是指正或负10％。例如，“大约10”将包含9-11。此外，当本文结合定量术语使用“约”时，应理解，除了加或减10％的值之外，还预期和描述了定量术语的确切值。例如，术语“约10”明确地考虑，描述并且恰好包括10。

这里使用的术语“在...之上”，“在...之下”，“在...之间”和“在...上”是指一个媒介层相对于其他层的相对位置。这样，例如，设置在另一层之上或之下的一层可以直接与另一层接触，或者可以具有一个或多个中间层。此外，设置在两层之间的一层可以直接与两层接触，或者可以具有一个或多个中间层。相反，第二层“上”的第一层与第二层接触。另外，假设在不考虑衬底的绝对取向的情况下相对于衬底进行操作，提供一层相对于其他层的相对位置。

通过以下结合附图的详细描述，本公开的其他特征和方面将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了根据各种实施例的特征。发明内容并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

附图说明

参考以下附图详细描述根据一个或多个不同实施例的所公开技术。提供附图仅用于说明的目的，并且仅描绘了所公开技术的典型或示例实施例。提供这些附图是为了便于读者理解所公开的技术，而不应视为限制其广度，范围或适用性。应该注意，为了清楚和便于说明，这些附图不一定按比例绘制。

图1示出了根据本文所公开技术的实施例的包括电连接弯曲部件的示例性多维致动器。

图2示出了根据本文所公开技术的实施例的多维致动器的特定实施方式，其包括通过一个或多个嵌入式电连接弯曲部件连接到内框架的外框架。

图3a示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图3b示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图3c示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图3d示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图3e示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图3f示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件。

图4是操作流程图，其示出了根据本文所公开技术的实施例用于制造装置的示例性过程，该装置包括通过一个或多个导电弯曲部件连接到第二框架的第一框架，其中端部嵌入框架中。

图5a-5h是经过各种流程操作后说明图4的装置的横截面图。

图6a是根据本文所公开技术的实施例的示例模型，出示了当移动平台处于静止时移动平台的相邻电连接弯曲部件。

图6b是根据本文所公开技术的实施例的示例模型，出示了当移动平台在移动平面中达到最大位移时移动平台的相邻电连接弯曲部件。

图7是根据所公开技术的各种实施例使用的示例图像传感器封装的分解透视图。

附图并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。应当理解，本发明可以通过修改和改变来实施，并且所公开的技术仅受权利要求及其等同物的限制。

具体实施方式

根据所公开技术的各种实施例，公开了用于微机电系统(mems)装置的移动平台的导电电连接弯曲部件。所公开的弯曲部件可以提供移动平台和与移动平台相对移动的印刷电路板(pcb)之间的电连接。例如，在一些实施例中，弯曲部件可以在运动图像传感器，显示芯片或其他光电器件与pcb之间提供电连接。所公开的弯曲部件被设计成具有低电阻，低刚度和足够的位移，使得移动平台(例如，承载传感器的平台)可以相对于固定电路板以三个自由度自由移动，同时保持与电路板的电气连接。

在实施例中，可以使用将弯曲部件的两个端部嵌入相对于彼此移位的相应框架(例如，移动平台和固定框架)中的过程来形成弯曲部件。例如，弯曲部件端部可以嵌入框架的硅材料中，而不是耦合到框架的表面。通过嵌入弯曲部件的端部，可以限制相对于移动平台的平面外运动，并且可以更紧凑地设计移动平台组件。

在详细描述所公开的导电弯曲部件之前，描述可以实现它们的示例装置是有用的。图1示出了根据本公开的实施例的一个这样的示例设备，多维致动器100。如该实施例中所示，致动器100包括通过一个或多个弯曲部件180连接到内框架146的外框架148。在各种实施例中，外框架148可以使用环氧树脂，焊料或者其他合适的粘合机制接合在pcb(未示出)上。尽管在该实施方式中外框架148被分成四个部分，但是在其他实施方式中，它可以是单个框架件。

作为各种实施例中的移动平台的内框架146可以电连接和机械连接到电子或光电装置，例如传感器(未示出)。传感器可以是图像传感器，例如电荷耦合器件(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。在操作期间，致动器(未示出)可以驱动移动平台在如图1所示的x和y方向(平台的平面)上以及旋转方向(绕z)上的移动。

弯曲部件180是导电的并且可以在面内移动自由度方面是柔软的并且在平面外移动自由度方面是刚性的。参考图1，弯曲部件180可以在x和y方向上是柔软的并且在平面外是刚性的。例如，z方向上的刚度(垂直于x-y平面)与x方向或y方向上的刚度之间的比率可以大于10(例如，图3中所示的设计)。另外，弯曲部件180的每个端部可以分别嵌入或附接在内框架146和外框架148中。使用嵌入或附接的弯曲部件180，i)移动平台可以电连接到pcb，该pcb连接到外框架148；ii)移动平台可以在多个自由度上自由移动；iii)在框架之间的相对运动期间，弯曲部件180可以保持在平面内。在示例致动器100中，弯曲部件180将外框架148上的电接触垫182(例如，铝接触垫)之间的电信号路由到内框架146上的电接触垫184(例如，铝接触垫)。

图2示出了多维致动器40的特定实施方式，其包括通过一个或多个嵌入式导电弯曲部件80连接到内框架46的外框架48。嵌入式弯曲部件80在外框架48上的表面电接触垫82之间路由电信号到内框架46上的表面电接触垫84。可以随后将这些电信号中的一些路由到内框架内的致动器(图2中未示出)。

在一些情况下，由致动器驱动的内框架可以在平面中移动大约+/-100微米，并且可以设计弯曲部件80以容忍该运动范围而不彼此接触(例如，使得可以在各种弹簧元件80上布置单独的电信号)。内框架的平面移动范围的最大值可取决于致动器的具体应用，并且在各种实施例中，最大移动范围可在约10至约200微米之间。在实施例中，内框架可在平面中旋转达约2度。

在示例致动器40中，梳状驱动致动器(未示出)可以驱动耦合(coupledto)到内框架46或外框架48的移动台或平台(例如，图像传感器)的移动。例如，梳状驱动致动器可以应用内框架46和中心锚固件42之间的受控力。

图3a示出了可以在本文所公开技术的实施例中使用的示例性电连接弯曲部件200a。如图所示，弯曲部件200a包括锚固件(anchor)或端部210a-210b，其由包括部分220a-220b，230a-230b和240a-240b的柔性主体连接。在制造期间，如下面进一步描述的，端部210a-210b可各自嵌入或附接在相应的第一框架(例如，移动硅平台)或第二框架(例如，包括电棒的外部硅框架)中。在各种实施例中，弯曲部件200a在切向方向和径向方向上提供到端部210a-210b的低刚度和在运动平面外的高刚度。因此，可以在从端部210a到端部210b的两个框架之间建立电气和柔性连接。在各种实施例中，弯曲部件200a可包括提供高导电性和延展性的金属或金属合金弯曲部件(例如，铜弯曲部件)。在各种实施例中，弯曲部件200a的主体的两个直线部分中的每一个可具有200至1000微米的长度(l)，1至20微米的宽度(w)和5至50微米的高度(h)。

如该特定实施例所示，弯曲部件200a具有由包括两个直线部分的主体形成的“v”形设计，所述两个直线部分在端部210a和210b处连接在部分240a和240b处。在该特定实施方式中，弯曲部件200a的主体的每个直线部分包括连接到相应端部210a-210b并从相应端部210a-210b延伸的薄部分220a-220b，连接到相应的薄部分220a-220b并从相应的薄部分220a-220b延伸的厚部分230a-230b，以及连接到相应的厚部分230a-230b并从相应的厚部分230a-230b延伸的薄部分240a-240b。在一些实施例中，该设计可以改善可承受的最大应力弯曲200a，因为它在与端部210a-210b相切并且径向于端部210a-210b的方向上行进。

在各种实施例中，部分220a-220b，230a-230b和240b的“v”形的角度和长度(l)以及宽度(w)被设计成适合几何约束，最大化导电性，并且最小化刚度和弯曲变形应力。例如，在一些实施例中，“v”形的角度可以在20和120度之间，较薄部分220a-220b的长度l1可以在50和500微米之间，较厚部分220a-220b的长度l2可以在50和2000微米之间，并且较薄部分240a-240b的长度l3可以在50和500微米之间。在一些实施例中，较薄部分220a-220b和240a-240b的宽度可以在0.5和10微米之间，并且较厚部分230a-230b的宽度可以是较薄部分220a-220b的宽度的2至5倍。

尽管在该示例中示出了沿其直线部分具有不同宽度的特定配置，但是弯曲部件200不必限于该特定配置。例如，弯曲部件200可以替代地在部分240a-240b处更厚。作为另一个例子，弯曲部件200的直线部分可以具有多于一个厚的部分或仅具有一个薄的部分。另外，弯曲部件200可沿其整个直线部分具有均匀的宽度。此外，弯曲部件200的主体不必限于图3中所示的特定几何形状。在一些实施方式中，下面进一步示出，弯曲部件200可以是例如w形，蛇形，s形，l形或z形。

图3b示出了可以在实施中使用的另一电连接弯曲部件200b的设计。在该实施方式中，弯曲部件200b具有不对称的v形设计，其中一个直的部分比另一个直的部分宽。图3c示出了可以在实施中使用的用于电连接弯曲部件200c的w形设计。

图3d示出了可在实施方式中使用的一对相邻弯曲部件200d的蛇形形状设计。在该实施方式中，相邻的弯曲部件200d沿着它们的长度从一端到另一端是平行的。图3e示出了可在实施方式中使用的一对相邻弯曲部件200e的替代蛇形形状设计。在该实施方式中，相邻的弯曲部件200e被倒置。

图3f示出了可用于实施中的一对相邻弯曲部件200f的又一蛇形形状设计。在该实施方式中，每个弯曲部件200f的端部彼此水平地移位。另外，相邻弯曲部件200f的最近端210f-1和210f-2机械地和电气地连接在一起。

在实施例中，单个致动器可以根据几何约束和其他设计要求使用多个不同形状的电连接弯曲部件。在一些实施方案中，导电弯曲部件可经设计以在移动平台的最大位移或移动期间防止与相邻导电弯曲部件接触。

图4是示出用于制造器件的示例性过程300的操作流程图，该器件包括通过一个或多个导电弯曲部件(例如，金属弯曲部件)连接到第二框架的第一框架，其中端部嵌入框架中。图5a-5h是说明在各种处理操作之后并将结合图4描述的装置的横截面图。为简单起见，可省略一些处理操作，并且可能未在图中示出一些沉积层。

在开始过程300之前，可以提供衬底400(例如，硅衬底)。衬底400可具有在其上形成的先前特征，例如，对应于外框架的特征和对应于内框架(例如，移动平台架)的特征。现在参考过程300，在操作302处，在衬底400中制造沟槽405a和405b。在一个实施例中，衬底中的沟槽可以通过深反应离子蚀刻(drie)过程形成。

如该示例所示，形成沟槽405a和405b。如下面将进一步描述的，每个沟槽405a可以对应于导电弯曲部件的端部(例如，一端结合到内框架并且一端结合到外框架)，并且每个沟槽405b可以对应于导电弯曲部件的主体。在实施例中，形成的沟槽405b的纵横比(深度/宽度比)可以根据所形成的弯曲部件的导电性，柔性和空间要求而变化。例如，在形成多个导电弯曲部件的情况下，可以形成具有不同纵横比或相同纵横比的沟槽。在特定实施例中，沟槽可以具有在5μm至50μm范围内的深度(弯曲部件高度)和在0.5μm至10μm范围内的宽度(弯曲部件宽度)。

在衬底中形成沟槽之后，在操作304处，在表面衬底上生长或沉积氧化物和多晶硅膜410。可以调节多晶硅层的厚度以将沟槽的宽度调节到所需的范围。在特定实施例中，氧化物和多晶硅膜的总厚度可以在100nm和2μm之间。在操作306处，在衬底上沉积阻挡金属层(例如，ta，tan，tin，ti)，接着是种子层420，以准备电镀。在实施例中，种子层(seedlayer)可以包括具有足够导电性并且能够为镀覆材料提供层的任何材料。例如，种子层可以是铜种子层。

然后可以在操作308中用导电材料对沟槽进行电镀以形成弯曲层430。在特定实施例中，导电材料可以包括铜或铜合金，其具有高导电性，高强度并且便宜。然而，在替代实施例中，可以使用提供高弯曲强度和导电性的其他导电材料。例如，银(ag)，金(au)，铝(al)或其他导电金属，金属合金或材料可用作电镀材料。在一个实施例中，通过应用电镀过程对沟槽进行电镀，以确保沟槽填充有导电材料(例如，cu)而没有任何空隙。

在电镀导电材料之后，在操作310处，从衬底移除沟槽外部的多余导电材料。例如，在一个实施例中，通过应用诸如化学机械平坦化(cmp)过程的平坦化过程来去除过量的导电材料。或者，在其他实施例中，可以通过应用蚀刻过程来去除多余的导电材料。

在操作312处，应用光刻图案化过程来图案化弯曲部件。如图5f的示例中所示，在衬底上沉积光致抗蚀剂图案层440。在各种实施例中，光致抗蚀剂图案层440具有与一个或多个弯曲部件的形状对应的图案。另外，可以在光致抗蚀剂图案层上沉积诸如钽(ta)或铬(cr)层的硬掩模层(未示出)。

在光刻图案化过程之后，在操作314处，去除暴露的衬底材料400(例如，硅)，如图5g所示。在各种实施例中，可以通过应用诸如各向同性蚀刻过程的蚀刻过程来去除衬底材料。然后可以去除光致抗蚀剂图案层440(例如，通过氧等离子体剥离)。

如图5g-5h所示，在去除衬底材料之后，已经去除了一个或多个导电弯曲部件的主体周围的所有衬底材料。换句话说，所有导电弯曲部件现在是独立的(即，从衬底释放)并且通过嵌入端连接到第一框架(例如，电棒)和第二框架(例如，移动平台)。如图5h的实施例中所示，第一端430a嵌入第一框架400a中，第二端430b嵌入第二框架400b中。弯曲部件的主体430c-d被释放并且将两个框架电气地和机械地连接在一起。在形成导电弯曲部件之后，可以对组件执行附加的过程操作，例如，将每个弯曲部件的嵌入端分别连接到电接触垫，所述电接触垫形成在第一和第二框架的表面上或连接到第一和第二框架的表面上。

如上所述，在实施例中，导电弯曲部件可以设计成在它们连接到的移动平台或框架的最大位移或移动期间防止与相邻导电弯曲部件接触。因此，可以防止导线干扰。图6a-6b是示出相邻导电弯曲部件200a-1和200a-2在移动平台的最大位移期间彼此不接触的示例的模型。图6a示出了当移动平台静止时的弯曲部件200a-1和200a-2。弯曲部件沿其主体的长度平行。图6b示出了当移动平台在x和y方向上都达到最大位移时的弯曲部件200a-1和200a-2。在弯曲部件200a-1和200a-2的彼此最接近的部分中存在小的间隙(即，没有重叠)。

图7是示出组装的运动图像传感器封装55的分解透视图，其可以使用根据一个实施例的在此描述的弯曲部件。在实施例中，运动图像传感器封装55可以是微型相机的组件(例如，用于移动设备的微型相机)。运动图像传感器封装55可包括但不限于以下部件：衬底73；多个电容器和/或其他无源电子元件68；mems致动驱动器69；mems致动器57；图像传感器70；图像传感器帽71；和红外线(ir)截止滤光器72。衬底73可包括具有凹槽65和平面内移动限制特征67的刚性电路板74，以及用作背板66的柔性电路板。刚性电路板74由陶瓷或复合材料制成，例如用于制造普通电路板(pcb)或一些其他适当材料的材料。运动图像传感器封装55可包括一个或多个驱动器69。

由于空气的热传导与间隙大致成反比，并且图像传感器70可以消耗100mw和1w之间的大量功率，图像传感器70，mems致动器57的静止部分，mems致动器57的移动部分和背板66之间的间隙保持在小于约50微米。在一个实施例中，背板66可以由具有良好导热性的材料(例如铜)制成，以进一步改善图像传感器70的散热。在一个实施例中，背板66具有大约50至100微米的厚度，并且刚性电路板74的厚度约为150微米至200微米。

虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，而不是限制。同样地，各种图可以描绘用于本发明的示例架构或其他配置，其用于帮助理解可以包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示出的示例架构或配置，而是可以使用各种替代架构和配置来实现期望的特征。实际上，对于本领域技术人员来说，如何实现替代的功能，逻辑或物理分区和配置以实现本发明的所需特征将是显而易见的。此外，除了这里描述的那些之外的多个不同的组成模块名称可以应用于各种分区。另外，关于流程图，操作描述和方法权利要求，在此呈现步骤的顺序不应强制要求实施各种实施例以按相同顺序执行所述功能，除非上下文另有规定。

尽管以上根据各种示例性实施例和实现描述了本发明，但是应该理解，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征，方面和功能不限于它们对于它们所属的特定实施例的适用性。相反，可以单独或以各种组合方式应用于本发明的一个或多个其他实施例，无论是否描述了这些实施例，以及这些特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制。

除非另有明确说明，否则本文件中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的而非限制性的。作为前述的例子：术语“包括”应理解为“包括但不限于”等含义；术语“示例”用于提供讨论中项目的示例性实例，而不是其详尽或限制性列表；术语“一”或“一个”应理解为“至少一个”，“一个或多个”等；诸如“常规”，“传统”，“正常”，“标准”，“已知”和类似含义的术语之类的形容词不应被解释为将所描述的项目限制在给定时间段或者可用的项目，但应该阅读包含现在或将来可能获得或已知的惯例，传统，常规或标准技术。同样地，在本文件涉及本领域普通技术人员显而易见或已知的技术的情况下，此类技术包括现在或将来的任何时间本领域技术人员显而易见或已知的技术。

在某些情况下，诸如“一个或多个”，“至少”，“但不限于”或其他类似短语的扩大词和短语的存在不应被理解为在可能缺少这种扩大的短语的情况下，意图或要求较窄的案例。术语“模块”的使用并不意味着作为模块的一部分描述或要求保护的组件或功能都在普通封装中配置。实际上，模块的任何或所有组件，无论是控制逻辑还是其他组件，都可以组合在单个封装中或单独维护，并且可以进一步分布在多个分组或封装中或跨多个位置。

另外，本文阐述的各种实施例是根据示例性框图，流程图和其他图示来描述的。在阅读本文之后，对于本领域普通技术人员将变得显而易见的是可以在不限制所示示例的情况下实现所示实施例及其各种替代方案。例如，框图及其随附的描述不应被解释为强制要求特定的体系结构或配置。