KR100346320B1 - 센서다이를보호하기위해기밀밀봉된응력분리플랫폼을갖는압력센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전자 압력 센서(10)는 유사한 열 팽창 계수를 갖는 접착제(42)를사용하여 센서 다이(18)를 응력 분리 플랫폼(12)에 부착하므로써 개량된다. 접착제는 응력 분리 플랫폼과 압력 센서 다이 사이에 기밀 밀봉을 제공한다. 응력 분리 플랫폼내의 개구(20)는 압력을 센서 다이에 적용하기 위한 구멍을 제공한다. 응력 분리 플랫폼은 패키지 본체와 응력 분리 플랫폼 사이에 응력 분리와 기밀 밀봉을 제공하기 위해 반경질 접착제(40)를 거쳐서 플라스틱 패키지 본체(16)에 부착 되어 있다. 개구에 들어가는 어떤 엄격한 화학 제품은 적용된 압력을 나타내는 전기 신호를 발생하기 위해 압전 네트워크(52)에 대해 압력을 부가하는 센서 다이의 노출된 다이어프램(50)과 접촉하나 기밀 밀봉에 의해 감응성 상호 연결부로부터 떨어져서 유지된다.

Description

센서 다이를 보호하기 위해 기밀 밀봉된 응력 분리 플랫폼을 갖는 압력 센서
발명의 배경
본 발명은 일반적으로 압력 센서에 관한 것이며, 특히, 기밀 밀봉된 응력 분리 플랫폼(hermatically sealed stress isolated platform)에 의해 엄격한 환경 (hostile environment)으로부터 보호되는 검출 다이(sensing die)를 갖는 전자 압 력 센서에 관한 것이다.
1996년까지, 미국 연방 정부는 미국에서 시판되는 모든 자동차(automobile)와 소형 트럭에 자동차 연료 시스템 증기 압력 센서(vapor pressure sensor)를 장착할 것을 규정하고 있다. 연료 시스템의 석유 화학적 환경(petrochemical environment)은 매우 엄격하다. 기계적 압력 센서는 유해한 화학적 환경에 대해서 내성을 갖도록 제조되는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 기계적 센서는 매우 고가이고, 스트레인 게이지(strain gauge)-압전(piezoelectric) 센서를 갖는 부피 큰 금속 패키지(package)에 의해 특성화된다. 이러한 센서의 치수와 비용은 자동차 분야에서 사용하기에 비실용적이다.
집적 전자 기술의 비용, 치수 및, 신뢰성의 장점으로 인해, 자동차 분야의 석유 화학적 환경에 전자 센서 기술을 적용하는 것이 요구된다. 전자 압력 센서는 주위 및 대기 분야에서 사용된다. 그러나, 석유 화학적 환경에 전자 압력 센서의 적용은 이 기술에 새로운 문제점이 있다. 상기 문제점 중 하나는 센서에 따른 상호 접속부의 건전성이 있다. 전자 압력 센서의 기존 용도는 센서 와이어 본드와, 패키지 도선 및, 검출된 엄격하지 않은 압력 매체 사이에서 긴밀한 접촉을 허용한다. 엄격한 화학 제품(hostile chemicals)을 갖는 어떤 접촉은 센서의 영구적인 파손을일으키는 것이 증명되어 있다.
더욱이, 전자 압력 센서 기술을 가스를 함유하는 고압 용도에 적용하는 것이 요구된다. 이 경우에, 센서 다이와 상호 접속부의 부서지기 쉬운 성질에 의해 응력 문제가 발생하여 불시에 센서가 파손되는 경우가 많다.
그러므로, 엄격한 화학적 및 압력 환경에서 사용할 수 있는 저 비용이고 신뢰성이 높은 기밀 밀봉된 압력 센서가 필요하게 된다.
양호한 실시예의 상세한 설명
본 발명은 광범위한 유체 또는 가스 압력을 검출하고, 적용된 압력을 나타내는 전기 신호를 공급하기 위해 기밀 밀봉된 전자 압력 센서(hermetically sealed electronic pressure sensor)를 제공하는 것이다. 압력 감응성 반도체 다이는 유사한 열 팽창 계수를 가지며, 플랫폼(platform)과 센서 다이(sensor die) 사이에 기밀 밀봉(hermetric seal)을 제공하는 접착제를 사용하여 응력 분리 플랫폼(stress isolation platform)에 부착된다. 상기 응력 분리 플랫폼은 압력을 반도체 센서 다이에 적용하기 위한 개구를 구비하는 개구 포트(via port)를 포함한다. 응력 분리 플랫폼은 플라스틱 패키지 본체와 응력 분리 플랫폼 사이에 응력 분리 및 기밀 밀봉을 제공하는 반경질 접착제(semi-rigid adhesive)에 의해 패키지 본체에 부착된다. 연속하여 패키지 본체상의 외부 접속부에 전기 신호를 전달하기 위해 센서 다이와 패키지 도선 사이에서 와이어 본드(wirebond)를 거쳐서 전기 접속부가 이루어진다.
압력 센서 소자는 상기 소자의 신뢰성 또는 성능에 영향을 미치지 않는 센서의 구성 요소에 대해 일반적으로 엄격하게 고려되는 각종의 유체와 가스로부터 광범위한 압력을 검출할 수 있다. 이러한 엄격한 화학 제품의 실예는 염화 칼슘(calcium chloride), 구리 , 증류수, 에틸 알코올, 에틸렌글리콜, 포름산(formic acid), 유압 유체, 인돌렌(Indolene), 이소옥탄, 메타놀, 염화나트륨, 질산, 황산, 티-부틸(t-butyl) 산화수소, 테르트-부틸 메틸에테르(tert-butyl methyl ether), 톨루엔, 크실렌(xylene) 및, 아연 등을 포함한다.
제 1도를 참조하면, 패키지 본체(16)의 엣지(14)상의 외주에 장착된 응력 분리 플랫픔(stress isolation platform; 12)을 포함하는 압력 센서(10)의 상부 평면 도가 도시되어 있다. 응력 분리 플랫폼(12)의 하면에 센서 다이(18)가 장착되어 있다. 응력 분리 플랫폼(12)은 엣지(14)와 센서 다이(18)를 상면으로부터 볼 수 있도록 투명하게 도시되어 있다. 응력 분리 플랫폼(12)의 중심에 배치된 개구(via; 20)는 외부 압력이 센서 다이(18)에 도달하게 하기 위한 구멍을 제공한다. 센서 다이(18)는 개구(20) 주위에 기밀 밀봉을 제공하기 위해 글래스 본딩 접착제로 응력 분리 플랫폼(12)에 부착된다. 센서 다이(18)는 개구(20)를 통해 적용된 압력과 패키지 본체(16)의 캐비티(cavity) 내부의 기준 압력간의 압력 차를 검출한다. 센서 다이(18)는 검출된 압력을 그 본체를 가로질러 압력 차를 나타내는 전기 신호로 변환한다.
패키지 본체(16)는 노발릭 에폭시(novalac epoxy)로 성형되고, 센서 다이(18)용 하우징과 전기적 상호 접속부를 제공한다. 패키지 본체(16)를 위한 다른 가능한 재료는 유기 에폭시(organic epoxy)와, 무기물질(inorganic matter)로 충진된 탄성중합체(elastomer) 및, 극성과 비극성(non-polar) 화학적 저항성을 갖는 세라믹을 포함한다. 본드 와이어(bondwire; 22, 24, 26, 28)는 양호하게 금으로 만들어지고, 종래의 집적 회로 본딩 기술을 사용하여 센서 다이(18)의 하면의 알루미늄 본딩 패드에 부착되어 있다. 더욱이, 본드 와이어(22, 24, 26, 28)는 패키지 본체 구리 도선(30, 32, 34, 36)에 각각 전기적으로 결합되어 있다.
응력 분리 플랫폼(12)은 센서 다이(18)와 유사한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 구성된다. 열 팽창 계수를 정합시키므로써 응력 분리를 제공하는 응력 분리 플랫폼(12)을 위한 적합한 재료는 보로실리케이트 글래스(borosllicate glass), 여러 등급의 알루미나, 코디어릿트(cordierite) 및, 스테아타이트(steatite) 등을 포함한다. 응력 분리 플랫폼(12)은 본드 와이어(22 내지 28)와 센서 다이(18)의 후면에 배치된 압전 압력 검출 네트워크(제 1도에 도시 안됨)를 엄격한 화학 제품으로부터 보호하기 위해 패키지 본체(16)의 내부 캐비티에 기밀적으로 밀봉되는 반경질 본딩 접착제(40)를 사용하여 패키지 본체(16)의 엣지(14)상에 장착된다. 또한, 응력 분리 플랫폼(12)은 극성과 비극성 화학적 저항성을 가지면서 기밀성이 유지되도록 비다공성(non-porosity) 특징을 가져야만 한다. 응력 분리 플랫폼(12)을 형성 하기 위해 사용되는 재료는 몰딩 또는 보링 개구(20)의 성능을 양호하게 갖는다.
압력 센서(10)의 단면도가 제 2도에 도시되어 있다. 응력 분리 플랫폼(12)과 엣지(14) 사이의 열적 접착제(40)는 패키지 본체(16)의 독립적인 열 팽창을 허용하기 위해 응력 분리를 제공하고, 극성과 비극성 화학적 저항성을 제공한다. 열팽창율을 정합시키므로써 응력 분리를 제공하는 접착제(40)를 위한 적합한 재료는 경질 및 반경질 에폭시와 탄성 중합체를 포함한다. 센서 다이(18)는 그 외주 둘레에서 글래스 본딩 접착제(42)를 사용하여 응력 분리 플랫폼(12)의 하면에 부착된다. 접착제(42)는 응력 분리 플랫폼(12)과 센서 다이(18) 사이에서 기밀 밀봉과 응력 정합을 유지하기 위해 비다공성 특성을 가져야만 한다. 접착제(42)는 극성과 비극성 화학적 저항성을 제공하는 한편 센서 다이(18)와 응력 분리 플랫폼(12)과 동일한 열 팽창 계수를 갖는 납 티탄산염 글래스와 여러 등급의 납 붕산염 글래스와 같은 재료가 적합하다.
제 2도에 도시된 본드 와이어(26)는 센서 다이(18)의 후면상에 있는 종래의 본드 패드와 패키지 본체 도선(34) 사이에 결합되어 있다. 패키지 본체(16)의 후면은 압력 센서(10)의 내부 캐비티로 개방되는 압력 입구(48)를 포함한다. 압력 입구(48)는 통상적으로 외부 기준 압력원에 접속되어 있다. 외부 게이지 압력은 센서 다이(18)의 후면에 대해 적용되어서 개구(20)를 거쳐서 적용된 압력과 입구(48)에 들어가는 압력 사이에서 압력 차를 측정한다.
제 3도는 센서 다이(18)를 더 상세히 도시한 도면이다. 센서 다이(18)는 변환기 다이어프램(50)을 제공하기 위해 일 측면이 정밀 가공된 실리콘으로 이루어진다. 압전 압력 검출 네트워크(52)는 센서 다이(18)의 하면에 형성된다. 변환기 다이어프램(50)은 유체 또는 가스 압력 차의 적용시 구부러져서 압전 네트워크(52)의 저항 필름을 변화시키며, 그 결과 각 레지스터에서 흐르는 전류에 대응하는 변화가 발생한다. 전류 탭 포인트 또는 전기 접속부는 압전 네트워크(52)의 저항 통로를따라 형성된다. 전기 접속부는 종래 본드 패드에서 본드 와이어(22 내지 28)와 센서 다이(18)와의 부착점의 접합부에서 결정된다. 전류 흐름의 변화는 압전 네트워크(52)의 전류 탭상에서 전위차로 나타난다. 전류 탭은 본드 와이어(22 내지 28)를 거쳐서 전기 패키지 본체 도선(30 내지 36)에 각각 전기적으로 결합되어 있다.
압전 네트워크(52)는 매립식(implanted) 변환기, 증착된 박막 레지스터, 증 착된 메탈라이제이션(metallization) 및, 알루미늄 증착된 본드 패드를 포함한다. 변환기, 레지스터 및, 본드 패드는 알루미늄 메탈라이제이션을 사용하여 상호 접속되어 있다. 압전 네트워크(52)의 기능은 적용된 압력 차에 반응하여 변환기 다이어프램(50)의 가요성을 검출하고, 두개의 패키지 본체 도선 사이에 적용된 전압에 의해 발생하는 직류 전류에 대해서 적용된 압력 차의 함수로서 가변 저항 통로를 제공하는 것이다.
본 발명의 주 특징은 압전 네트워크(52)와 본드 와이어(22 내지 28) 및 관련된 본딩 패드를 개구(20)를 통하여 도입된 엄격한 화학 제품으로부터 보호하는 것이다. 접착제(40)를 사용하는 엣지(14)와 응력 분리 플랫폼(12)간의 기밀 밀봉과 접착제(42)를 사용하는 센서 다이(18)와 응력 분리 플랫폼(12)간의 기밀 밀봉은 압 전 네트워크(52)와 본드 와이어(22 내지 28)를 위한 필요한 분리부를 제공한다. 개구(20)에 들어가는 엄격한 화학 제품은 다이어프램(50)과 접촉하고 압전 네트워크(52)에 대해 압력을 부가하여 상술한 바와 같은 전기 신호를 발생하나 기밀 밀봉에 의해 감응성 상호 접속부로부터 떨어져서 유지된다.
제 4도에는 본 발명의 다른 실시예가 공통의 게이지 압력 입구(56)를 갖는이중 패키지 압력 센서로 도시되어 있다. 동일 참조 부호를 갖는 구성요소는 제 1도 내지 제 3도에 기술된 바와 같은 유사한 기능을 실행한다. 압력 센서 패키지는 두개의 완성된 연속적인(back-to-back) 센서 다이(18, 60)를 포함한다. 센서 다이(60)는 센서 다이(18)에 대해서 설명한 바와 같이 구성되어 작동한다. 입구(56)는 양 센서 다이(18, 60)에 공통의 외부 압력을 제공한다. 각 센서 다이(18, 60)는 내부 캐비티에 있는 공통의 게이지 압력과 각 개구(20, 62)에 적용된 압력간의 압력 차를 측정한다. 센서 다이(18)는 상술한 바와 같이 본드 와이어(26)를 통해서 패키지 도선(34)에 결합된다. 센서 다이(60)는 센서 다이(60)를 가로지르는 압력 차의 측정치를 제공하기 위해 본드 와이어(64)를 통해서 패키지 도선(66)에 결합된다.
이상 압력 센서는 압전 네트워크와 상호 접속부를 엄격한 조건으로부터 보호하기 위해 패키지에 기밀 밀봉된 응력 분리 플랫폼을 포함한다. 압력 센서 패키지는 연료 시스템, 유압 시스템, 냉각/가열 시스템과 같은 적극적인 증기와 액체 화학 제품 및, 극성, 비극성 또는 이들의 조합중 하나인 화학 제품을 포함하는 많은 엄격한 환경에서 전자 압력 검출 다이를 위한 보호성을 제공한다. 센서 다이와 응력 분리 플랫폼과 동일한 열 팽창 계수를 갖는 글래스 본딩 접착제는 응력 분리 플랫폼과 센서 다이 사이에 기밀 밀봉 및 응력 정합을 제공한다. 응력 분리 플랫폼에서의 개구는 압력원이 센서 다이에 도달하는 것을 가능하게 한다. 압력 센서 패키지는 압력 차를 확립하기 위해 캐비티의 내부 캐비티에 도달하기 위한 입구를 포함한다. 대안적으로, 센서 패키지는 입구를 통해서 내부 캐비티에 적용된 공통 게이지 압력을 공용하는 다중 센서 다이를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명된 반면에, 다른 변경과 개량은 본 기술분야에 숙련된 자들에 의해 명백하게 나타날 것이다. 본 발명은 도시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어남 없이 모든 변경을 커버하는 첨부된 청구범위에 의해 의도되는 것을 이해해야만 한다.
제 1도는 기밀 밀봉된(hermetically sealed) 전자 압력 센서의 상면도.
제 2도는 제 1도의 전자 압력 센서의 단면도.
제 3도는 제 2도의 센서 다이를 상세히 도시한 도면.
제 4도는 공통의 게이지 압력을 수용하는 연속적인(back-to-back) 압력 센서를 갖는 다른 실시예를 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 압력 센서 12 : 응력 분리 플랫폼
14 : 엣지 16 : 패키지 본체
18, 60 : 센서 다이 20 : 개구
22, 24, 26, 28 : 본드 와이어 30, 32, 34, 36 : 패키지 본체 도선
40, 42 : 접착제 48, 56 압력 입구
50 : 다이어프램 52 : 네트워크

Claims (3)

  1. 제 1 압력을 수용하기 위한 개구(20)를 구비하는 응력 분리 플랫폼(12)과, 상기 응력 분리 플랫폼의 개구로부터 상기 제 1 압력을 수용하기위해 제 1 접착제(42)로 상기 응력 분리 플랫폼에 장착된 센서 다이(18) 및,
    내부 캐비티내에 배치된 상기 센서 다이를 보호하기 위해 밀봉을 형성하는 제 2 접착제로 상기 응력 분리 플랫폼을 장착하기 위한 엣지를 갖는 패키지 본체(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 제 1 압력을 수용하기 위한 개구를 구비하는 응력 분리 플랫폼(12)을 제공하는 단계와,
    상기 제 1 압력을 수용하기 위해 상기 응력 분리 플랫폼의 개구상에 제 1 접착제(42)로 센서 다이(18)를 장착하는 단계 및,
    내부 캐비티내에 배치된 상기 센서 다이를 보호하기 위해 밀봉을 형성하는 제 2 접착제로 패키지 본체(16)의 엣지상에 상기 응력 분리 플랫폼을 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 밀봉 방법.
  3. 제 1 및 제 2 압력 사이의 압력 차를 검출하기 위해 제 1 및 제 2 면을 갖는 제 1 센서 다이(18)와,
    제 2 및 제 3 압력 사이의 압력차를 검출하기 위해 제 1 및 제 2 면을 갖는제 2 센서 다이(60) 및,
    제 1 및 제 3 압력을 각각 수용하기 위한 제 1 및 제 2 개구를 갖는 제 1 및 제 2 센서 다이를 장착하기 위한 패키지 본체(56)를 포함하며, 상기 패키지 본체가 제 2 압력을 수용하기 위한 제 3 개구를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
KR1019950003301A 1994-04-04 1995-02-21 센서다이를보호하기위해기밀밀봉된응력분리플랫폼을갖는압력센서 KR100346320B1 (ko)

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