KR100544713B1 - 압력 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

압력 검출 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 압력 검출 장치는 외부로부터 가해지는 압력의 영향을 받아 회로 기판과 센싱부가 전기적으로 단선 내지는 손상되는 것을 방지함으로써 제품의 높은 신뢰성과 큰 피로 수명(fatigue life)을 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 압력 검출 장치는 회로 기판과 압력 전달 물질, 센싱부를 포함한다. 회로 기판은 상면과 하면을 갖고, 압력 전달 홀이 형성된다. 압력 전달 물질은 회로 기판의 상면에 설치되어 외부로부터 가해지는 압력을 압력 전달 홀을 통해 전달한다. 센싱부는 플립 칩 본딩 방식을 통해 회로 기판의 하면에 실장되어 압력 전달 물질을 통해 전달되는 압력에 대응하는 크기의 출력을 발생시킨다.

Description

압력 검출 장치{PRESSURE DETECTING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에서 압력 검출용 다이(칩)가 실장될 회로 기판을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 회로 기판에 압력 검출용 다이(칩)를 플립 칩 본딩 방식을 통해 실장하는 방법을 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 나타낸 플립 칩 본딩 방식을 통해 제조된 본 발명에 따른 압력 검출 장치를 나타낸 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
102 : 압력 전달 홀 104 : 센싱부 실장 위치
106 : 회로 기판 108 : 상부 금속층
200 : 센싱부 204 : 캐비티
206 : 솔더 범프 206a : 하부 금속층
208 : 유리 기판 210 : 다이
214 : 액상 실리콘 고무(RTV) 220, 326 : 에폭시
320 : 소프트 에폭시 322 : 소프트 겔
324 : 하우징
본 발명은 압력 검출 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 압력 센서를 이용하는 압력 검출 장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 첨단 핵심 기술의 전자화, 고기능, 다양화가 진행되면서 각 분야에서 필요로 하는 센서에 대한 요구가 급증하고 있으며, 이에 따른 센서 수요의 증가로 선진 각국에서는 이미 센서기술 개발 사업을 첨단 기술 사업으로 분류하여 연구 개발에 집중적인 지원을 하고 있다. 따라서 센서의 기술 수준도 진일보하여 점차 대량 생산체제가 확립되면서 저가격화 및 초소형화, 스마트화가 실현되고 있다.
보다 정밀한 압력 측정을 위해 반도체 칩 형태의 센서가 많이 활용되는데, 반도체 칩의 크기가 점차 소형화됨에 따라 이 반도체 칩과 회로 기판을 전기적으로 연결하기 위한 구조도 매우 정밀해질 수밖에 없다. 이와 같은 정밀한 연결 구조는 외부로부터 압력이 가해질 때의 인장 스트레스와 진동 등으로 인하여 쉽게 손상될 수 있어 이를 방지하기 위한 대책이 요구된다.
본 발명에 따른 압력 검출 장치는 외부로부터 가해지는 압력의 영향을 받아 회로 기판과 센싱부가 전기적으로 단선 내지는 손상되는 것을 방지함으로써 제품의 높은 신뢰성과 큰 피로 수명(fatigue life)을 확보할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 압력 검출 장치는 회로 기판과 압력 전달 물질, 센싱부를 포함한다. 회로 기판은 상면과 하면을 갖고, 압력 전달 홀이 형성된다. 압력 전달 물질은 회로 기판의 상면에 설치되어 외부로부터 가해지는 압력을 압력 전달 홀을 통해 전달한다. 센싱부는 플립 칩 본딩 방식을 통해 회로 기판의 하면에 실장되어 압력 전달 물질을 통해 전달되는 압력에 대응하는 크기의 출력을 발생시킨다.
솔더 범프 플립 칩 본딩(solder bump flip chip bonding)은 소자가 형성되어 있는 칩의 전면에 직경 200μm 이하의 미세한 솔더 범프를 형성한 다음, 칩을 뒤집어 솔더 범프가 형성되어 있는 면을 회로를 구성하고자 하는 기판 위에 접합시켜 칩을 실장하는 기술이다. 플립 칩 본딩 기술을 이용하면 실장 면적을 크게 줄이고 실장 밀도는 크게 높일 수 있다.
플립 칩 패키지에서 소자의 입출력 패드로는 일반적으로 알루미늄을 사용한다. 그러나 알루미늄은 솔더 범프와의 젖음성이 나쁘기 때문에 젖음성을 확보하기 위하여 알루미늄 패드 위에 하부 금속층(Under Bump Metallurgy)을 증착하고, 회로 기판 상에도 상부 금속층(Top Surface Metallurgy)을 형성시켜 이 두 금속층 사이에서 솔더 범프가 용착되도록 하는 것이 플립 칩 본딩의 기본 개념이다.
이와 같은 플립 칩 본딩 방식을 이용한 본 발명에 따른 압력 검출 장치의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시예에서 압력 검출용 다이(칩)가 실장될 회로 기판을 나타낸 도면이 다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 회로 기판(106) 상에는 실질적으로 압력을 검출하게 될 반도체 칩 즉 다이가 실장될 위치에 압력 전달 홀(102)이 형성되고, 그 주변에는 다이의 입출력 패드에 대응하는 위치에 상부 금속층(108)들이 형성된다. 실제로 다이를 본딩할 경우 다이의 입출력 패드에 마련되는 하부 금속층들과 회로 기판(106)에 마련되는 이 상부 금속층들이 솔더 범프를 통해 기계적으로 결합되고 또 전기적으로 연결된다.
도 2는 도 1에 나타낸 회로 기판에 압력 검출용 다이(칩)를 플립 칩 본딩 방식을 통해 실장하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 2(I)은 센싱부(200)의 구조를 나타낸 것으로서, 다이(210)의 일면에는 캐비티(cavity, 204)가 형성되고, 이 캐비티(204)가 형성된 면 위에 유리 기판(208)이 부착된다. 그 반대쪽에는 입출력 패드(미도시) 위에 하부 금속층(206a)이 형성되고, 그 위에 솔더 범프(206)가 안착된다.
도 2(II)는 센싱부(200)가 회로 기판(106)의 한쪽 면에 플립 칩 본딩 방식을 통해 실장되는 것을 나타낸 것이다. 센싱부(200)에 안착된 솔더 범프(206)가 회로 기판(106)의 상부 금속층(108)에 접합됨으로써 센싱부(200)와 회로 기판(106)이 기계적으로 결합되고 또 전기적으로 연결된다. 센싱부(200)를 본딩할 때 솔더 범프(206)에 열을 가하여 상부 금속층(108) 및 하부 금속층(206a)과 용착되도록 한다.
도 2(III)은 센싱부(200)가 플립 칩 본딩된 상태에서 회로 기판(106)과 센싱부(200) 사이를 액상 실리콘 고무(RTV, 214)를 이용하여 밀폐시킨 상태를 나타낸 것인데, 이 밀폐는 압력 전달 홀(102)을 통해 다이(210)에 전달되는 압력이 회로 기판(106)과 센싱부(200) 사이의 틈새를 통해 외부로 누설되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 2(IV)는 센싱부(200)의 외측을 에폭시(epoxy, 220)로 도포한 상태를 나타낸 것이다. 이와 같이 에폭시(220)를 이용하여 센싱부(200)의 외측을 도포함으로써 센싱부(200)의 기계적 결합 및 전기적 연결 상태를 견고히 하고, 또 외부로터의 오염 물질에 의한 센싱부(200)의 오염을 막을 수 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 플립 칩 본딩 방식을 통해 제조된 본 발명에 따른 압력 검출 장치를 나타낸 단면도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 센싱부(200)가 실장된 회로 기판(106)이 하우징(324)의 하부에 결합되어 밀봉재(예를 들면 에폭시, 326)를 통해 밀봉되고, 하우징(324)의 내부 공간에는 압력 전달 물질인 소프트 에폭시(320)와 소프트 겔(322)이 차례로 채워진다. 하우징(324)의 상부에는 소프트 에폭시(320)가 부분적으로 돌출되는데, 이 돌출부에 화살표 방향으로 압력이 가해지면 소프트 에폭시(320)와 소프트 겔(322)을 통해 센싱부(200)에 압력이 전달된다.
반도체 제조 공정을 통해 칩의 형태로 만들어지는 센싱부(200)는 선형성이 우수하고 소형 경량으로 진동에도 매우 강하며, 고감도, 고 신뢰성으로 양산성이 좋다. 일반적으로 다이(210)의 두께는 10㎛ - 50㎛로서 압력을 받으면 그 가장 자리에 가장 많은 인장 스트레스를 받는다. 다이(210)가 가지고 있는 전기적 저항은 이 인장 스트레스에 비례하는 크기를 갖는데, 이를 압 저항효과(Piezoresistive effect)라 한다. 센싱부(110)에 압력이 가해지면 다이(210)는 휘게 된다. 즉 다이(210)는 외부로부터 가해지는 압력에 반응하여 왜(歪) 응력을 발생시키는데, 이 왜 응력에 의해 발생하는 전기적 특성(저항)의 변화를 압력 검출에 이용한다.
본 발명에 따른 압력 검출 장치는 센싱부를 압력 전달 물질의 외부에 설치하고, 더 나아가 플립 칩 본딩 방식을 이용하여 회로 기판에 실장함으로써 외부로부터 가해지는 스트레스로부터 센싱부를 보호함으로써, 센싱부와 회로 기판 사이의 기계적 결합 상태 및 전기적 연결 상태가 장기간에 걸쳐 양호하게 유지될 수 있도록 함으로써 제품의 높은 신뢰성과 높은 피로 수명을 확보할 수 있도록 한다.

Claims (8)

  1. 상면과 하면이 연통하도록 압력전달 홀이 형성되는 회로기판과, 상기 회로기판의 상면에 마련되어 외부로부터 가해지는 압력이 상기 압력전달 홀을 통해 상기 회로기판의 하면 측으로 전달되도록 하는 압력전달물질과, 상기 압력전달물질을 통해 전달되는 압력에 대응하는 크기의 출력을 발생시키는 센싱부를 포함하며,
    상기 센싱부는 상기 회로기판의 하면에 플립칩 본딩 방식을 통해 실장되고 그 외측에 보호재가 도포 되어 외부압력에 의해 손상되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 압력검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센싱부는,
    일면이 상기 회로 기판의 하면에 용착되고 반대쪽 면에 캐비티가 형성되며, 상기 압력 전달 홀을 통해 전달되는 압력에 의해 전기적 특성이 변화하는 다이와;
    상기 캐비티를 밀폐시켜 진공 상태로 만들기 위한 유리 기판을 포함하는 압력 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이의 일면에 입출력 패드가 마련되고, 상기 입출력 패드 위에 하부 금속층과 솔더 범프가 차례로 안착되며;
    상기 회로 기판의 하면에 상부 금속층이 마련되어 상기 솔더 범프가 상기 상부 금속층에 용착됨으로써 상기 센싱부가 상기 회로 기판에 전기적으로 연결되는 압력 검출 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기적 특성이 압 저항 특성인 압력 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 전달 홀이 상기 압력 전달 물질로 채워지는 압력 검출 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 센싱부와 상기 회로 기판의 하면 사이에 밀폐용 물질이 도포 되어 상기 압력 전달 홀을 통해 상기 센싱부에 전달되는 압력이 외부로 누설되지 않도록 이루어지는 압력 검출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호재가 에폭시인 압력 검출 장치.
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