KR0162950B1 - 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 감지 세라믹 기판과 하우징 핀을 미세 금속 와이어를 이용하여 연결하며 와이어 본딩을 용이하게 하기 위하여 하우징 핀의 배열을 일직선으로 되도록 한 가스 센서 소자를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 금속와이어는 순도 90%이상의 금이며 굵기는 0.5내지 5밀이다. 본 발명의 구조를 가지는 가스 센서 소자는 제조 공정이 기존의 알루미나 튜브형 보다 간단하여 양산에 유리하며 와이어 본딩 접점의 기계적 강도에 있어서 알루미나 튜브형과 대등한 특성을 가지고 있다.

Description

와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자

제1도에서 (a)는 본 발명에 따른 가스 센서 소자의 사시도이고, (b)는 측면도이며, (c)는 정면도이고, (d)는 (a)의 가스 감지 기판의 확대도이다.

제2도에서(a)는 종래 기술에 따른 가스 센서 소자의 사시도이고,(b)는 측면도이며, (c)는 정면도이고, (d)는 (a)의 가스 감지 튜브의 확대도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가스 감지 세라믹 기판 2,12 : 핀

3,13 : 플라스틱 베이스 4,14 : 미세 와이어

5 : 전극 단자 6 : 가스 감지 물질 및 히터

11 : 가스 감지 튜브 15 : 알루미나 튜브

16 : 금속 발열체 코일

본 발명은 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 패키징을 용이하게 하기 위하여 하우징 핀을 직선형으로 배열하고 평판형 가스 센서 기판과 하우징 핀을 와이어 본딩 방법에 의해 전기적으로 연결한 가스 센서 소자에 관한 것이다. 일반적으로 반도체식가스 센서는 반도체에 가스가 흡착되면 그 전기 저항이 감소하는 성질을 이용한 것으로 후막이나 박막으로 가스 감지 재료를 제조하는 경우에는 절연 기판위에 SnO₂, ZnO등의 막을 입혀 양단에 전극을 설치한 구조를 기본으로 하고 있으나, 흡착한 가스가 오래 동안 머무르고 있게 되면 가스량의 연속 측정이 불가능하므로 히터를 적절히 설계하여 설치하고, 항상 가열하여 계속적인 흡착이 없도록 가스를 탈리시키는 구조로 되어 있다. 이러한 반도체식 가스 센서는 그 구조에 따라 A1₂O₃기판등을 이용하여 기판의 표면에 감지 물질과 히터 등을 박막 또는 후막으로 제작한 평판형과 A1₂O₃소형관의 내부에 금속 발열체를 코일로 만들어 넣고 전기적으로 발열체와 절연된 A1₂O₃소형관의 표면에 감지 물질을 두껍게 도포한 다음 열처리 하는 방법 등을 이용하는 소결체 형으로 나눌 수 있다. 첨부 도면 제2도는 종래의 기술에 의한 소결체 형 가스 센서 소자를 예시한 것으로 A1₂O₃튜브(15)를 이용한 소결체형 가스 센서 소자는 접점 스파크를 이용한 전기 용접으로 가스 감지 튜브(11)의 가스 감지 단자와 히터 단자를 플라스틱 베이스(13)의 하우징 핀(12)에 연결시키고 있다. 그리고, 평판형 가스 센서 소자에서는 히터와 감지 물질을 후막 또는 박막으로 세라믹 기판위에 인쇄하는 구조로 되어 있으며, 이러한 구조의 가스 감지 기판을 이용하여 가스 센서 소자를 제작하는 것은 소결체형에서의 금속 발열체 코일(16)과 같은 기계적 지지대가 없고 가스 감지 물질이 300℃내지 400℃의 온도에서 동작하는 특성이 있기 때문에 패키징에 어려움이 있었다. 이러한 이유로 평판형 후막 가스 센서 소자는 실험실적으로 연구되어 왔지만, 실제 상품화가 되지 못하고, 소형 세라믹 튜브 등을 이용한 가스 센서 소자만이 상품화에 이용되어 왔다. 종래의 소결체 형 등의 가스 센서 소자는 제조 공정에 있어서, 평판형 보다 복잡하고, 자동화가 어렵다는 한계를 가지고 있다. A1₂O₃튜브형은 튜브(15)의 표면에 전극 감지 물질용 미세 금속 와이어(14)를 형성하고, 가스 감지 물질을 입힌 다음에 A1₂O₃튜브(15)속으로 금속 발열체 코일(16)을 수작업으로 넣어야 하며, 그 전에 금속 발열체 코일(16)을 수작업으로 코일화하는 번거로운 작업을 필요로 한다.

A1₂O₃튜브형은 제조 공정상 동시에 일관 작업으로 처리할 수 있는 수량에 한계가 있으며, 중간에 수작업 공정이 많다, 이에 비해서 평판형은 1000개정도의 소자가 배열되어 있는 A1₂O₃기판을 스크린 프린팅 법으로 4회 내지 5회 인쇄 및 열처리하면 종래의 A1₂O₃튜브의 복잡한 공정을 대체할 수 있게 된다. 이에 본 발명은 종래의 소결체형에 비해서 생산성이 월등함에도 불구하고, 페키징의 어려움과 약한 본딩 강도에 따른 상품화에 있어서의 문제점을 해결하기 위해서 하우징 핀을 직선형으로 배열하고, 평판형 가스 센서 기판과 하우징 핀을 와이어 본딩 방법에 의해 전기적으로 연결한 가스센서 소자를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 가스 감지 물질과 히터가 인쇄된 소형 A1₂O₃기판과 가스 센서 소자의 하우징 핀의 사이를 미세 금속 와이어를 사용해서 와이어 본딩 법으로 연결하고, 와이어 본딩이 용이하도록 하우징 핀의 배열을 일직선형으로 하여서 제작한 가스 센서 소자인 것이다. 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부 도면 제1도는 본 발명에 따른 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자를 예시한 것으로, 제1(a)도에 나타낸 바와 같이 가스 센서 소자의 플라스틱 베이스(3)에 일렬로 배열된 하우징 핀(2)과 가스감지 세라믹 기판(1)의 사이를 와이어 본딩법에 의해서 미세 금속 와이어를 연결한 가스 센서 소자로서, 제1(b)도 및 제1(c)도와 같이 하우징 핀(2)이 일렬(일직선형)로 배열된 것을 특징으로 하며, 원하는 접합 강도를 얻기 위해서 와이어 본딩 중에 하우징 핀(2)을 가열하여 주어야 하며 따라서 하우징플라스틱 베이스(3)는 200℃이상의 온도에서도 열변형이 없는 내열성 수지로 이루어져 있다. 와이어 본딩 공정에 의해 패키징을 하는 것은 여러 가지 측면에서 제약이 따르며 미세 금속 와이어(4)와 전극 단자(5)의 본딩 패드의 재질 측면에서는 알루미늄, 금, 니켈만 와이어 본딩이 가능하다. 또한, 동일한 재질에 있어서도 순도가 중요하며, 순도가 낮은 합금은 와이어 본딩이 불가능할 때가 많으며 가능하다고 하더라도 접합 강도가 낮아서 실제 사용에 어려움이 많다. 이러한 재질의 제약은 각 금속 물질의 용융 온도와 상대 금속 물질 사이의 젖음 각에 따라 결정된다. 따라서, 하우징 핀(2)의 재질을 99%이상 순도의 니켈, 미세 금속 와이어(4)를 90%이상 순도의 금, 가스 센서 세라믹 기판(1)의 본딩 패드를 금 후막으로 하여 150℃이상 가열하여 와이어 본딩을 하면 본딩 강도 10g중 이상을 얻을 수 있으며, 니켈 핀의 표면에 금을 도금할 경우에는 본딩 강도가 증가하여 15g중 이상을 얻을 수 있고, 도금하지 않는 경우에는 미세 금속 와이어(4)의 굵기가 2밀(mil)이하 까지만 적용 가능하였으나, 금 도금할 경우에는 미세 금속 와이어를 0.5내지 5밀의 굵기까지 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면 상기 하우징 핀(2)과 금속 와이어(4)의 본딩 지점은 금 도금 되어 있으며, 금속 와이어의 본딩 방법은 초음파와 열 또는 초음파를 사용하면서 압력을 가하여 금속 와이어(4)와 전극 단자(5)를 본딩할 수 있다. 가스 센서 세라믹 기판(1)의 크기를 가로×세로×두께가 3.0mm×1.5mm×0.5mm로 하고 재질을 A1₂O₃로 하여 제작한 기판의 무게는 약 0.01g이고, 본딩 강도는 10g중이며 약 1000배의 본딩 강도에 이르므로 가스 센서 세라믹 기판(1)이 공중에 매달리더라고 충분히 기계적 강도를 가질 수 있다. 또한 약 300℃의 작동 온도하에서 발생할 수 있는 본딩 접점의 탈락을 방지하기 위해서 힘이 많이 걸리는 상부의 2개 금 와이어를 1줄 내지 그 이상, 바람직하기로는 1줄 내지 4줄로 할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

첨부 도면 제1도에서와 같이 두께가 0.5mm이고 가로×세로 크기가 1.5mm×3.0mm인 알루미나 기판의 위에 가스 감지 물질, 히터(6)와 전극 단자(5)를 인쇄, 열처리한 후 2밀 굵기의 미세 금속와이어를 이용하여 니켈 핀과 와이어 본딩하여 가스 센서 소자를 제작하였다.

[실시예 2]

첨부 도면 제1도에서와 같이 두께가 0.5mm이고 가로×세로 크기가 1.5mm×3.0mm인 알루미나 기판의 위에 가스 감지 물질, 히터(6)와 전극 단자(5)를 인쇄, 열처리한 후 2밀 굵기의 미세 금속와이어를 이용하여 금 도금된 니켈 핀과 와이어 본딩하여 가스 센서 소자를 제작하였다.

[비교예 1]

첨부 도면 제2도에서와 같이 두께가 0.5mm, 길이가 3.0mm, 내부 직경이 2mm인 세라믹 튜브(5)의 위에 전극 단자 패드를 인쇄 열처리한 후 미세 금속 와이어(4)를 본딩하고 그 위에 가스 감지 물질을 입힌다. 그와 별도로 히터 코일을 권선기를 이용하여 코일화하여 잘라 둔다. 제조된 알루미나 튜브와 히터 코일을 조립하여 가스 감지 튜브를 완성한다. 완성된 가스 감지 튜브와 하우징 핀의 사이를 접점 스파크를 이용한 전기 용접 방법에 의해 연결하여 가스 센서 소자를 제작하였다. 상기 실시예 1과 2 및 비교예 1의 제조 조건으로 소자를 제작하여 가속도 100G의 조건으로 동일하게 충격 실험을 한 결과는 다음 표1과 같다.

상기 실시예 1과 2 및 비교예 1의 제조 조건으로 1000개의 소자를 제작하였을 때 소자의 기계적 강도는 실시예 1,2와 비교예 1이 유사하였으며, 생산 공정은 기판을 이용하기 때문에 비교예 1에 비해서 실시예 1,2의 공정이 단순하고 공정 수가 적으며 동일 기판에서 동시에 1000개 이상의 소자가 제작이 가능하였다.

Claims (5)

1. 가스 감지 물질과 히터(6)가 인쇄된 가스 감지 세라믹 기판(1)과 가스 센서 소자의 하우징 핀(2)사이를 미세 금속 와이어(4)를 이용하여 와이어 본딩 방법으로 연결하고 상기 하우징 핀(2)은 와이어 본딩이 가능하도록 하우징 플라스틱 베이스(3)에 일렬로 배치하여서 되는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자.
2. 제1항에 있어서, 하우징 핀(2)과 미세 금속 와이어(4)의 본딩 지점이 금 도금 되어 있는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자.
3. 제1항에 있어서, 와이어 본딩 방법은 초음파와 열 또는 초음파를 사용하면서 압력을 가하여 미세 금속 와이어(4)와 전극 단자(5)를 본딩하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자.
4. 제1항에 있어서, 하나의 전극 단자(5)와 하나의 하우징 핀(2)의 사이에 금속 와이어(4)를 1줄 내지 4줄 사용한 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자.
5. 제1항에 있어서, 금속 와이어(4)의 재질은 90%이상 순도의 금이며, 와이어 굵기는 0.5내지 5밀인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 소자.