KR100558213B1 - 통합된 전기적 및 기계적 패키징을 사용한 실리콘 마이크로 가공된 가속도계 - Google Patents

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Abstract

저온으로 동시소성된 세라믹 어셈블리 기술을 이용하여 형성된 통합된 센서 패키지(10) 및 그 제조방법이 개시되었다.
Figure 112000012394463-pct00001
패키지, 센서, 세라믹, 어셈블리, 기판

Description

통합된 전기적 및 기계적 패키징을 사용한 실리콘 마이크로 가공된 가속도계{SILICON MICRO-MACHINED ACCELEROMETER USING INTEGRATED ELECTRICAL AND MECHANICAL PACKAGING}
본 발명은 마이크로 가공된 실리콘 가속도계에 관한 것이고 특히 기계적인 패키징과 전기 신호 라우팅에 관한 것이다.
산업의 많은 다른 분야는 물론 석유와 가스 유전 시추와 탐사 분야는 저 가격, 고도의 정확성과 고신뢰의 측정 기구와 센서를 요구한다. 석유와 가스 유전 시추와 조사분야 및 많은 다른 산업분야, 예를 들면, 항공기 장비와 군에서 사용되어지는 측정기구와 센서는 극도의 환경조건, 즉, 영하와 섭씨 수백도에 이르는 온도에서 경험되어지는 극도의 진동과 충격에서도 견뎌야하고 정확하게 작동해야한다. 이 적용에서, 측정기구와 센서는 흔히 20 g RMS에서 1000 Hz에 이르는 극도의 무작위 진동 환경과 30 g 피크의 극도의 사인 진동환경; 2000g 의 쇼크에 견디면서 1000g 의 영역의 쇼크와 충격 환경; 그리고 섭씨 -40도에서 +200도에 이르는 극도의 온도에서의 작동을 위해 테스트된다.
석유와 가스산업에서, 센서 패키징과 환경적 필요는 매장물이 더욱 깊은 시추공에서 구해짐에 따라 더욱 절실해졌다. 시추공이 깊어질수록 드릴 스트링과 드릴 스트링 조정 기구가 작동해야 할 온도가 더 극도로 된다. 시추공은 역시 그 깊이에 따라 다양한 지점에서 방향의 변화를 종종 포함한다. 깊고 모난 시추공은 직경이 기껏해야 1 인치인 매우 작은 공간에서 작동하도록 드릴 스트링을 안내하는 측정 기구 또는 센서를 종종 요구한다. 현재 방향성 기구는 너무 크고 이런 적용에 효과적으로 작동하는 온도는 한정되어 있다. 예컨대, 현재의 기구는 전형적으로 직경이 1-1/4에서 1-1/2인치이고 섭씨 +150도 이하의 온도환경에서 작동하도록 제한되어 있다.
유전 드릴링과 벌목 작업은 전형적으로 매우 비싼 장비와 고도의 숙련된 일꾼이 먼 위치에서 일할 것을 요구한다. 이런 구성요소의 결합은 하루 약 오십만 달러 이상의 운용비를 요한다. 따라서, 작업을 중단시키는 장비고장은 매우 큰 손실이다. 장비고장과 관련된 손실을 제한하기 위해서 많은 운용자들은 여분의 부품이 매우 비쌈에도 불구하고 여분의 측정 기구와 센서를 포함한 여분의 부품을 지닌다. 그런 극한 환경조건에서의 그런 고비용의 작업은 치밀하고 매우 튼튼하고 고신뢰성의 센서와 측정 기구를 요구한다.
다양한 드릴링, 탐사 그리고 산업 적용에 요구되는 필요를 충족하기 위하여 제조업자들은 다양한 패키지 방법을 센서를 보호하기 위하여 도입했다. 고도의 정확한 센서 패키징 방법은 하우징안에 센서 소자를 패키징하고, 전력과 구동 신호를 입력하고 센서 신호를 출력하는 인터커넥트 핀들을 갖는 헤더와 하우징을 시일링하는 것을 포함한다. 하우징은 금속 콘테이너, 예컨대, 깊게 패인 금속 캔 또는 가공된 금속 하우징으로 구성되어진다. 역시 금속으로 제조되어진 헤더는 전력과 신호 라우팅 인터페이스를 제공하기 위하여 금속 인터커넥트 핀을 사용한다. 인터커넥트 핀은 전형적으로 종래의 유리 시일링 기술을 이용하여 헤더에 시일링된다.
극도의 진동과 쇼크 환경 외에도, 기구가 작동되어져야하는 외부 온도가 내부 센서의 구동에 역영향을 줄 수 있다. 예컨대, 실리콘 센서 요소와 금속 하우징/헤더 배치사이의 온도 팽창의 차이는 설치 인터페이스에 변형을 가져올 수 있고 측정에러를 가져올 수도 있다. 많은 색다른 방법들이 내부 센서의 작동을 방해 또는 간섭하는 외부 환경 요인들을 예방하려는 시도에서 사용되어졌다. 그러나, 이러한 환경적으로 극한 환경에 있는 장치의 사용에도 불구하고 온도 제한을 받는다.
(발명의 개요)
상기 환경적으로 요구되는 어플리케이션에 있어서, 실리콘 마이크로 가공된 센서는 작은 크기, 쉬운 제조, 및 고유신뢰성을 포함하는 수개의 이점을 제공한다.
본 발명은 마이크로 가공된 센서의 모든 이점이 실현되도록 하는 고유의 튼튼하고 고정확성을 갖는 센서 패키지, 및 고유의 튼튼하고 고정확성을 갖는 센서 패키지를 만드는 방법을 제공함으로써 종래기술의 상당한 문제를 해결한다. 본 발명은 지름에 있어서 1인치보다 상당히 작은 것을 측정하고 섭씨 -40도 내지 200도의 범위의 온도에서 동작할 수 있는 방향 지시장치를 제공함과 동시에, 쇼크 및 진동 영역과 유사한 환경영역, 유사한 적용에서 동작하는 현재의 더 큰 측정 장치와 비교했을 때 동일하거나 더 우수한 성능을 제공한다. 본 발명은 전기 신호 라우팅과 기계적 패키징을 통합함으로써 현재의 장치 패키지 및 패키징 기술의 위험을 피할 수 있는 고유의 튼튼한 패키지 및 패키징 방법을 제공한다.
본 발명은 박막 기술을 사용함으로써 전기전력 및 신호 라우팅과 결합된 기계적 패키지를 제공한다. 본 발명의 태양에 따라서, 박막 프로세싱은 전기전력 및 신호라우팅을 하나이상의 층의 세라믹 기판상에 위치시킨다. 금속화된 전기 비아(vias)는 세라믹 기판의 개별층 사이에 신호를 라우팅하기 위해 사용된다. 개별 세라믹 기판층은 함께 정렬되어 적층되고 통합된 세라믹 패키지를 만들도록 가압되어 동시소성된다(co-fired). 세라믹 패키지는 실리콘 센서를 위한 장착면, 센서를 전기적으로 통합하는 와이어 본드 패드, 및 입력 전력 및 출력 신호 인터페이스를 제공하는 외부 본드 패드를 제공한다.
일체로 통합된 세라믹 패키지는 실리콘 센서에 유사한 열적환경을 제공함으로써 열적으로 유도된 스트레인 에러를 최소화하는 패키지를 제공한다. 세라믹은 실리콘과 매우 유사한 열팽창계수를 갖는다. 따라서, 상이한 물질의 열팽창률 사이의 불일치에 의해 열적으로 유도된 스트레인 에러가 최소화된다. 기계적인 패키지는 공업적으로 널리 사용되는 표준 리드 실링 기술을 사용하여, 예를 들면 에폭시 실링, 솔더링, 또는 레이저 또는 전자 빔 웰딩을 사용하여 쉽게 실링된다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 실리콘 센서를 구동시키고 센서신호를 센싱하는 능동전자장치가 세라믹 기판층상에 직접 통합될 수 있다. 이러한 능동 전자장치의 통합은 회로층을 개별세라믹 층에 집적화시킴으로써, 또는 세라믹 기판상에 종래의 후막 처리를 행함으로써 수행된다. 회로층을 개별 세라믹 층에 집적화에 의한 능동 전자장치의 통합은 증가된 회로 밀도를 제공하고 즉, 전체적으로 더 작은 장치 패키지 크기를 제공한다.
본 발명의 세라믹 패키지는 정확하고 튼튼하며, 고신뢰성의 가속도계의 제조에만 제한되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 세라믹 패키지는 압력 센서 뿐만아니라 다른 마이크로 가공된 실리콘 측정 디바이스, 특히, 환경적으로 능력을 시험하는 적용에서 사용되는 센서에 대해서도 적용가능하다.
본 발명은 다양한 실시예로 실현되며, 수개의 실시예가 아래 설명되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도계 패키지의 절단면도,
도 2는 도 1의 가속도계 패키지의 분해도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서 가속 센서 장착 패드의 위치의 설명을 포함하는 실리콘 가속 센싱 메커니즘의 설명도,
도 4는 두개의 가지(tine)를 가진 진동 빔하중 센싱 트랜스듀서의 실시 설명도,
도 5는 두개의 가지를 가진 진동 빔하중 센싱 트랜스듀서의 기계적 동작의 설명도,
도 6은 정전기 구동식 진동 가속도계 시스템의 설명도,
도 7은 본 발명의 대안적인 실시예에 따라서 가속 센서 장착 패드의 위치의 설명도,
도 8은 2층의 하이브리드 전자 패키지 또는 멀티칩 모듈의 실시예의 설명도.
본 발명의 일 태양에 따라서, 외부 인터페이스, 전기적인 입력전력 및 출력신호 라우팅과 함께 기계적인 패키징을 통합하는, 가속도계를 포함하는, 고정확성의 튼튼한 장치를 제조하는 방법이 제공된다.
일 실시예에 따라서, 본 발명은 장치 패키지를 어셈블리하도록 저온으로 동시소성된 세라믹(LTCC) 어셈블리로서 종래에 공지된 프로세스를 사용한다. LTCC 어셈블리는 예를 들면, 멀티칩 모듈과 같은 다층 세라믹 하이브리드 기판을 제조하는데 사용되는 프로세스이다.
도 1은 소형의 튼튼한 마이크로 가공된 실리콘 가속도계를 제조하도록 LTCC 패키징을 사용하여 실현되는 본 발명의 일실시예를 설명한다. 도 1은 가속도계 패키지(10)의 상부에서 본 절단면도를 도시한다. 도 1에 도시된 가속도계는 완전히 패키징되었을 때, 1 인치보다 작은 지름을 가지며, 다음의, 120Hz 내지 1000Hz의 120 g's RMS로 적용되는 무작위 진동; 30 g's 피크로 적용되는 사인 진동; 동작동안의 1000g's로 적용되는 쇼크; 및 잔존기간동안의 2000 g's로 적용되는 쇼크; 섭씨 -40도 내지 200도의 극한 온도에 놓이는 경우와 같은 환경도 기꺼이 받아들이도록 수행한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가속도계 패키지(10)의 분해도이다. 도 2에 도시된 실시예에 따라서, 가속도계 패키지(10)는 4개의 LTCC 부재: 헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합; 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합; 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합; 및 하부 하이브리드 커버(18)로 이루어져 있다. 본 발명의 범주를 넘는 추가 구성요소, 예를 들면, 자석(20,22), 온도 센서(24), 가속 센서(30), 및 하우징(도시생략)은 동작하는 가속도계를 인에이블하도록 포함된다. 이들 구성요소의 일반적인 어셈블리는 도 1에 도시되어 있다. 마이크로 가공된 가속 센서의 실시예에 대해, 참조로 되어 있는 미국특허 제4,766,768호 및 제 5,241,861호에 일반적으로 설명되어 있다.
본 발명의 일실시예에 따라서, 가속 센서(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 3은 양단식 튜닝 포크(DETF;double-ended tuning fork) 트랜스듀서-기반 가속 센서(30)의 실시예를 설명한다. 전형적인 DETF 트랜스듀서-기반 가속 센싱 메커니즘은 예를 들면, 실리콘 또는 석영과 같은 적절한 기판물질로 형성된 프레임(310)을 포함한다. 반작용 질량부 또는 프루프 질량부(proof mass)(312a)는 하나이상의 힌지(314)에 의해 프레임(310)으로부터 회전가능하게 떠올려진다. 힘 센싱 트랜스듀서(316a)는 프레임(310) 및 반작용 질량부(reaction mass)(312)사이에 떠올려진다. 프레임(310)은 도 2에 도시된 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합에 있는 성형화된 중공(48)에 장착되어, 반작용 질량부(312a)의 평면에 수직인 입력축(320a)를 따라 입력된 힘에 응하여 힌지축(318a) 주변을 회전하도록 반작용 질량부(312a)가 제한된 공간을 갖는다. 반작용 질량부(312a)는 입력축(320a)을 따라서 받게되는 힘에 응하여 프레임(310)에 관련해 회전할 때, 힘센싱 트랜스듀서(316a)는 길이축(322a)을 따라서 압축력 또는 장력을 받는다. 다시 말하면, 반작용 질량부(312a)가 프레임(310)에 관하여 영점위치에서부터 멀어져 배치되거나 회전될 때, 힘 센싱 트랜스듀서(316a)는 프레임(310) 및 반작용 질량부(312a)사이에서 압축되거나 신장된다.
두개의 힘 센싱 트랜스듀서(316a)는 반작용 질량부(312a)와 함께 사용되어, 공통모드효과를 제거시키거나 감소시킨다. 두개의 트랜스듀서는 반작용 질량부(312a)의 배치 또는 회전이 제 1 트랜스듀서가 압축상태인 동시에 제 2 트랜스듀서가 인장상태로 위치되도록 장착된다. 예를 들면, 제 1 힘 센싱 트랜스듀서(316a)가 프레임(310)의 제 1 면상에 장착될 때, 제 2 트랜스듀서(도시 생략)는 프레임(310)의 반대측면상에 장착된다. 반작용 질량부(312a)의 배치 또는 회전이 제 1 트랜스듀서가 압축상태인 동시에 제 2 트랜스듀서가 인장상태로 위치되도록 장착되는 또 다른 구성이 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들면, 수개의 대안적인 구성이 참조로 되어 있는 미국특허 제 5,005,413호에 개시되어 있다.
마이크로 가공된 실리콘 가속 센서(30)는 센싱된 가속도에 비례적으로 공칭공진으로부터의 변화를 갖는 다양한 진동수로서 가속 신호 출력을 제공한다. 다시 말하면, 도 3의 반작용 질량부(312a)가 가속 입력에 응하여 프레임(310) 관하여 배치되고 회전되며, 힘 센싱 트랜스듀서(316a)는 압축 및 인장상태에 있도록 위치된다. 힘 센싱 트랜스듀서(316a)의 기본 진동수는 힘 센싱 트랜스듀서(316a)가 압축되거나 인장될 때 변한다. 힘 센싱 트랜스듀서(316a)의 기본 진동수는 힘 센싱 트랜스듀서(316a)가 압축될 때 공칭 공진이하로 감소하며, 힘 센싱 트랜스듀서(316a)가 인장될 때 공칭공진이상으로 증가한다. 진동수에서의 결과적인 변화는 반작용 질량부(312a)에 적용되는 힘 또는 가속도에 비례한다. 이러한 당기고/미는 현상은 미국특허 제 5,005,413호에 자세히 개시되어 있다.
비록 명확화를 위하여 단독으로 설명되어 있지만, 가속 센서(30)는 프레임(310)으로부터 회전가능하게 장착된 두개의 개별적인 반작용 질량부(312a,312b)를 포함할 수 있다. 각각의 반작용 질량부(312a,312b)는 자신의 입력축(320a,320b)을 따라 힘입력에 응하여 자신의 힌지축(318a,318b)에 대해 독립적으로 회전하며, 각 트랜스듀서(316a,316b)는 서로 독립적으로 압축되거나 인장된다.
도 4는 두개의 가지를 가진 진동 빔 힘 센싱 트랜스듀서(316a)의 상세한 실시예이다. 마이크로 가공된 실리콘 가속 센서(30)는 예를 들면, 도 4에 도시되어 있는 일반적인 구성의 진동 빔 힘 센싱 트랜스듀서를 채택할 수 있다. 트랜스듀서(316a)는 장착 탭(334,336)에 부착된 두개의 가지(330,332)를 포함한다. 가지(330,332)는 구동 회로에 의해 적용된 구동 신호에 응하여 이들 각각의 기본 진동수에서 오실레이팅하거나 진동하도록 적용된다.
도 5는 트랜스듀서(316a)의 기계적인 동작을 설명한다. 가지(330,332)에서의 오실레이션을 유도하는 다양한 방법은 공지되어 있다. 예를 들면, 가지(330,332)는 예를 들면 도핑된 도전성 폴리실리콘과 같은 반도체 재료내에 가지(330,332)를 형성함으로써 전기전류가 흐르도록 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 도전성 막 전극(338)이 도 5에 도시된 바와 같이, 가지(330,332)의 표면상에 성막될 수 있다. 가지(330,332)의 진동 및 오실레이션은 다양한 수단에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 전형적인 자기 구동 센서에서, 가지(330,332)는 하나이상의 영구자석 (20,22)의 필드(B)내에 장착된다. 구동 회로는 오실레이팅 전류 또는 교류(I)를, 도전성 막전극(338)내에 공진 교류 자기장을 유도하는 전기도전막 전극(338)에 적용한다. 도전성 막전극(338)에서의 교류 또는 오실레이팅 전류 유도 자기장은 가지(330,332)가 오실레이션으로 구동시키는 힘(F1,F2)을 형성하는 영구자석의 자기장(B)과 함께 상호작용한다. 대안적인 구성(도시생략)에 있어서, 힘 센싱 트랜스듀서(316a)는 4개의 가지에 의해서 제조될 수 있다. 4개의 가지가 있는 트랜스듀서에서, 센싱 회로는 두 쌍의 구동 및 센싱 가지를 포함하며, 각 쌍은 참조로 되어 있는 미국특허 제 5,367,217호 및 제5,331,242호에 개시된 바와 같이 내부 가지 및 외부가지를 포함한다.
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대안적으로, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 정전기 혹은 용량성 드라이브 진동 시스템(350)을 사용해서 실용화될 수 있다. 도 6의 실시예에서, 가지 오실레이션은 가지(352, 354)상의 전기적인 유도 표면 및 가지(352, 354)상의 유도 표면에 인접하며, 동시에 프레임(310)상에 위치한 인접 컨덕터(356, 358) 사이의 정전기력을 교류시키고 오실레이션시킴으로서 구동된다. 정전기적으로 구동된 이중 진동 빔 하중 트랜스듀서는 종래의 기술에 공지되며, 미국 특허 제 4,901,586호, 제 5,456,111호 및 1996년 5월 21일에 출원된 "가속도계용 정전기 드라이브"를 명칭으로한 공동 출원중인 미국 특허 출원 제 08/651,927호에 공지되며, 본 출원의 양수인에게 양수되었고, 모두 본 출원의 참조로서 포함된다. 본 발명에 사용될 수 있는 마이크로 가공된 실리콘 센서의 기타 예는 미국 특허 제 4,766,768 및 제 5,241,861에 설명되어 있으며, 참조로서 포함된다.
DETF 트랜스듀서(316)는 공동출원 중이며 "진동 빔 가속도계 및 제조방법"을 명칭으로 하는, 1996년 10월 22일에 출원된 미국 출원 제 08/735/299호에 설명된 방법을 사용해서 구성될 수 있으며, 이것은 본 발명 특허 출원의 양수인에게 양도되었으며, 참조로서 포함된다. 임의적으로, DETF 트랜스듀서는 이 기술의 공지된 임의의 디자인을 사용해서 구성된다. 예를 들어, DETFs를 디자인하는 전형적인 형식은 미국 특허 제 4,372,173에 설명되고, DETFs를 디자인하는 유한 요소 분석 기술은 미국 특허 제 5,668,329에 도시되며, 둘 다 참조문헌으로서 포함된다.
헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합; 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합; 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합; 및 하부 하이브리드 커버(18)의 모두 4개의 LTCC 패키지는 개개의 피스를 구성하는 다양한 세라믹 레이어를 통해서 전기 신호 라우팅을 통합한다. 각 개개의 피스는 전체 가속도계 센서(10)를 고정시키는 기계적으로 강화된 방법을 제공한다. 도 2에 도시된 본 발명의 특정 실시예는 이중진동 빔 또는 이중 단부 튜닝 포크 마이크로 가공된 실리콘 가속 센서가 어떻게 본 발명의 기술을 사용해서 고안되었는지를 도시한다. 예를 들어, 전형적인 마이크로 가공된 이중 단부 튜닝 포크 가속 센서(30)의 패키징이 도 2에 도시된다. 예를 들어 대안의 가속 센서 또는 가압 센서 등의 다른 센서를 패키징함에 있어서는, 신뢰할만한 장치 패키지를 고안하기 위해 더 많은 또는 더 적은 개개의 LTCC 피스들을 포함할 수도 있지만, 전체 과정은 다음의 상세한 설명과 일치한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합은 인터페이스 핀(32)를 통해서 외부 환경과의 인터페이스를 제공한다. 핀(32)은 상부 하이브리드 커버(12)의 세라믹 테이프 기판을 거쳐서 캐치 패드로 공지된 세라믹 패키지의 하부 본드 패드(34)에 전기적으로 연결된다. 이 캐치 패드는 널리 공지되며 집적 회로 산업에서 사용되는 종래의 리플로우 기술을 사용해서, 상호 접속 핀(32)과 메이팅 세라믹 피스, 상부 하이브리드(14)의 사이에 전기적인 접촉을 제공한다.
헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합은 또다른 기능을 제공한다. 헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합은 상부 하이브리드(14)의 전기적인 요소(38, 40)용 커버를 제공한다. 도 2의 실시예에서, 제 1 전기회로는 실리콘 마이크로 가공된 진동 빔 가속 센서(30)를 구동하며, 별개의 제 2 전기회로는 진동 빔 가속 센서(30)를 센싱한다. 추가적으로, 헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)는 헤더 및 상부 하이브리드 커버(12)의 조합이 메이팅 시일 링(42)을 거쳐서 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합에 기밀 시일링되도록 하는 시일 링(도시 생략)을 포함한다. 기밀 시일은 집적 회로 산업에서 사용되는 주지의 종래의 리플로우 리드 시일링 기술을 사용해서 얻어진다.
본 발명의 일실시예에 따라서, 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합은 두가지 기능을 제공한다. 상부 하이브리드(14)는 진동 빔 가속 센서의 일 섹션의 전기회로 기능을 제공한다. 상부 하이브리드(14)는 두개의 DETF 트랜스듀서 중 하나의 공진 동작, 구동 및 센싱을 제공하는 회로 기능을 포함한다. 회로는 전력 컨디셔닝, 오실레이터 구동 및 DETF 트랜스듀서 센싱 기능부를 포함한다. 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합은 제 2 DETF 트랜스듀서에 동일한 기능을 제공하는 듀플리케이트 회로를 포함한다. 비록 간결하게 하기 위해서 두 기능이 분리되었지만, 제 1 및 제 2 회로의 기능은 단일 회로 기판내에 조합될 수도 있다.
본 발명은 센서 시스템의 전자 특질의 신뢰도를 향상시키기 위하여 마이크로 전자공학을 이용한다. 예를들면, 상부 하이브리드(14)와 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합의 전력 조절, 오실로스코프 구동 및 DETF 트랜스듀서 센싱 기능은 제 1 및 제 2의 하이브리드 전자 패키지에서 구현된다. 트레이스가 서로 크로싱할 수 있고 간섭 또는 "크로스 토크"없이 회로 구성요소 아래서 라우팅될 수 있도록, 구별된 층들에 수직적으로, 다양한 구성요소 사이에서 신호를 운반하는 도전성 트레이스를 쌓음으로써, 복잡한 회로의 하이브리드화는 더 높은 구성요소 밀도를 제공한다.
도 8은 2층 하이브리드 전자 패키지 또는 멀티칩 모듈의 예를 보인다. 당업자들은 회로의 복잡성에 따라 30개 이상의 층들에서 실제로 하이브리드 전자 패키지가 구현될 수 있음을 이해한다. 도 8의 하이브리드 전자 패키지(400)는 예를들면 적당한 물질, 예를들면, 세라믹으로 형성된 기판(410,412)을 포함한다. 트레이스(414, 416, 418)는 회로 설계에 따라서 신호를 라우팅시키는 패턴으로 기판(410, 412)의 표면에 실크 스크린된다. 트레이스(414, 416)는 적당한 전도성 물질, 예를 들어, 금으로 형성된 페이스트를 사용하여 형성된다. 기판(410, 412)에 펀치된 구멍들 또는 "비아"(420, 422)는 기판(410)으로 형성된 제1 층상의 트레이스(414)를 기판(412)으로 형성된 제2 층상의 트레이스(416)에 전기적으로 연결하기 위하여 전도성 페이스트로 채워져 있다. 실크 스크린 후에, 기판(410, 412)은 트레이스(414, 416, 418)와 비아(420, 422)가 정렬된 채로 수직적으로 적층되고 이 적층된 스택은 전도성 트레이스로 삽입되어진 기판 물질의 본질적으로 고체인 블록을 형성하기 위하여 구워지거나 "소성된다".
각각 그 자신의 솔더 패드(426)위에 설치된 구성요소 또는 다이(424)는 하나 이상의 표면(428, 430)위에 설치된다. 구성요소(424)는 구성요소(424)위의 와이어 본드 패드(434)와 기판(410)위의 와이어 본드 패드(436) 사이에 전도체(432), 예를 들어, 금 와이어를 본딩함으로써 액세스된다. 각각 그 자신의 솔더 패드(440)위에 설치된 하나 이상의 핀(438)은 하나 이상의 기판(428,430)위에 설치된다. 핀(432)은 결과적인 하이브리드 회로(400)를 위한 신호 입력과 출력을 제공한다.
도 2의 실시예에 있어서, 회로 기능은 세 개의 세라믹 층위에 고밀도 박막 금속화를 사용해서 구현된다. 전기적 비아는 가속 센서(30)내외로의 전력 및 신호 라우팅은 물론 회로에 층간 접속을 제공한다. 대안으로, 전기 회로 기능은 종래의 후막 하이브리드 기술을 사용하여 오로지 최외각 세라믹 층에만 제조될 수 있다.
상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합은 외측 장착 시스템에 가속 센서(30)의 정렬을 이전하는 기계적 수단을 부가적으로 제공한다. 정렬 이전은 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합의 마운트 플랜지부(44)가 시일 링(42)의 외측으로 확장하도록 세라믹 레이아웃을 설계하는 종래의 집적 회로 설계 기술을 사용함으로써 달성된다. 상부 하이브리드 및 마운트 플랜지(14)의 조합과 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합 사이의 결과적인 기밀 시일은 플랜지부(44)가 시일 링(42)의 외측에 있을 때 방해받지 않는다.
다이 캐리어와 하부 하이브리드(16)의 조합은 진동 빔 가속 센서(30)의 제2 DETF 트랜스듀서에 제2 전기회로 기능을 제공한다. 제2 전기회로 기능은 상부 하이브리드(14)에 의해 제공된 제1 전기회로 기능과 유사하고 상기한 바와 같은 박막 또는 후막 하이브리드 기술중의 하나에 의해 구현될 수 있다. 다이 캐리어와 하부 하이브리드(16)의 조합은 실리콘 가속 센서 다이(30)를 장착시키기 위한 기계적 및 전기적 인터페이스를 더 제공한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 개별적인 솔리드 상태 열 센서(24)는 다이 캐리어와 하부 하이브리드(16)의 조합에 통합된다. 다이 캐리어와 하부 하이브리드(16)의 조합은 상부 하이브리드와 마운트 플랜지의 조합 (14)에 기밀 시일링된다. 시일 링(46)은 집적회로 기술분야에서 널리 공지되고 사용되는 종래의 리플로우 리드 시일링 기술을 이용하는 기밀 시일을 제공한다.
실리콘 가속 센서(30)의 기계적 부착이 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합의 다이 캐리어부의 세라믹층 내부에 통합된 3개의 세라믹 부착면의 설계를 통하여 제공된다. 실리콘 가속 센서(30)는 가속 센서(30)를 정렬하고 장착 스트레스를 최소화하기 위해 본질적으로 평평한 기준면인, 레벨을 제공하는 3개의 세라믹 장착 패드(360a, 360b, 360c)상에 장착된다. 도 7은 본 발명의 대안 실시예를 나타내며, 여기서 장착 패드(360d, 360e, 360f)는 도 3에 예시된 구성으로부터 90도 회전되어 있다. 장착 패드(360)들은 센서(30)의 면(324)에 형성되며 이에따라, 센서(30)가 도 2의 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16)의 조합에 형태를 이룬 중공(48)에 장착될 때, 와이어 본드(50)와 같은 센서(30)에 대한 모든 전기적 인터페이스는 중공(48)를 포위하는 세라믹 쉘프(54)상의 와이어 본드 패드(52)에 이끌려진다. 세라믹 쉘프(54)는 본질적으로 센서(30)의 면과 공면을 이룬다. 센서(30)와 인접 쉘프(54)의 공면성은 짧고, 저질량이고 용이하게 분리된 상호연결 와이어를 제공함으로써 강도, 제조가능성 및 신뢰성을 향상시키는 최소길이의 와이어 본드(50)를 제공한다.
가속 센서(30)의 장착을 제공하기 위해 세라믹 장착 패드를 사용하는 하나의 이점은, 세라믹이 실리콘의 열 팽창 계수와 거의 근사한 열 팽창 계수를 갖는다는 것이다. 세라믹은 또한 열적인 변화, 기계적 진동 및 기계적 충격에 대해 안정한 기계적 면을 제공한다. 따라서, 본 발명의 방법에 따른 세라믹 층 내부의 장착면에 가속 센서(30)를 장착시키는 것은, 실리콘 가속 센서(30)에 열적으로 또는 기계적으로 유도된 스트레인을 본질적으로 제거하여, 유해환경에 노출되어 있는 동안의 성능을 개선시키고 장기간의 응답 안정성을 증가시키며 환경 생존적 특성을 증대시킨다.
도 2에 예시된 실시예에 따른 가속도계 패키지(10)의 제 4 부분은 하부 하이브리드 커버(18)이다. 하부 하이브리드 커버(18)는 다이 캐리어 및 하부 하이브리드(16) 조합에 기밀 시일 및 커버를 제공한다. 기밀 시일은 종래의 리플로우 리드 시일링 기술을 이용하여 시일 링(56)에 의해 제공된다.
대안 실시예
본 발명은 저온 LTCC 프로세스와 양립할 수 있는 알루미나를 만드는 유리 바인더로, 알루미나로도 알려진 알루미늄 옥사이드를 사용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 대안 실시예는 실리콘 옥사이드, 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드 및 지르코니아를 포함하는 다양한 등급의 알루미나 또는 알루미늄 니트라이드를 포함하는, 테이프 층 증대를 위한 알루미나 이외의 다양한 세라믹 물질을 사용하는 것을 포함한다. 알루미늄 니트라이드는 4.7 내지 5.0 ppm/℃ 의 열 팽창계수를 갖는 데 이는 2.6 ppm/℃ 인 실리콘 열 팽창계수와 거의 근사하다. 대조적으로, 알루미나는 6.7 내지 7.5 ppm/℃ 범위의 비교적 높은 열 팽창계수를 갖는다. 알루미늄 니트라이드는 또한 다른 세라믹에 비해 매우 높은 열 전도계수를 갖는다. 예로서, 알루미늄 니트라이드는 3 내지 4 와트/미터/℃ 인 열 전도계수를 갖는 알루미나에 비해 180 내지 200 와트/미터/℃ 인 열 전도계수를 갖는다. 또한, 알루미늄 니트라이드 라미네이트는 알루미나 라미네이트 보다 덜 부스러지기 쉽다. 알루미늄 니트라이드는 대개 다른 세라믹 보다 고가이고 박형 알루미늄 니트라이드 라미네이트를 사용하는 프로세스는 현재까지 잘 정립되어 있지 않다.
다른 범주의 대안 물질은 유리섬유 강화된 플라스틱(FRP; fiberglass reinforced plastic) 라미네이트이다. FRP 라미네이트는 흔히 인쇄회로 기판에 사용되며 고온 폴리이미드계 플라스틱을 포함한다. FRP 라미네이트는 일반적으로 세라믹 보다 높은 열 팽창계수를 가지며 세라믹 보단 강도가 낮다. 그러나, FRP 라미네이트는 본 발명을 이용하는 몇몇 응용의 경우, 예로서 상용 등급 압력 센서 및 가속도계 응용의 경우에 세라믹에 대한 실용적인 대체물이다.
대안으로, 전기회로가 하부 하이브리드 커버(18) 또는 상부 하이브리드 커버(12)의 내부 커버 기판 표면내에 통합될 수 있다. 대안 센서, 예로서, 압력 센서 또는 가속 센서의 대안 설계구조를 구동 및/또는 센싱하기 위한 전기회로가 부가되거나 대치될 수 있다. 본 발명은 가속 센서 또는 압력 센서에 한정되지 않는다. 다양한 센서, 예로서, 각속도 센서 또는 자이로스코우프, 화학적 센서 또는 자계 센서를 포함하는 비능동성 센서로 대치될 수 있다.
본 발명의 패키징 기술을 가속도계에 응용하는 제한내에서, 하나 이상의 LTCC 피스가 제거되거나 그 기능이 나머지 다른 피스들에 통합될 수 있거나, 그 기능이 제거될 수 있거나, 하나이상의 LTCC 피스의 사용이 필요없도록 수정될 수 있다. 본 패키징 발명을 대안 센서에의 응용은 하나이상의 LTCC 피스를 제거할 수 있게 한다.
LTCC 피스 사이에 전기적 연결을 제공하는 대안 방법은 도전성 또는 열가소성 수지, 다양한 솔더 합금 또는 엘라스토메트릭 도전성 패드의 사용을 포함한다. LTCC 피스를 밀봉하는 대안 방법은 다양한 솔더 합금 및 도전성 또는 비도전성 또는 열가소성 수지를 사용하는 리플로우 솔더의 이용을 포함한다. 본 패키징 발명은 본 명세서에 개시된 것과는 다른 대안 형태 및 구성을 이용하여 구체화될 수 있다.
본 발명의 여러 대안 실시예를 포함하여, 바람직한 실시예가 설명되었다. 추가의 변경 및 수정은 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.

Claims (22)

  1. 복수의 다층 하이브리드 기판;
    상기 기판중 하나에 장착된 측정 디바이스;
    상기 다층 하이브리드 기판중 하나에 집적되어 있고, 상기 측정 디바이스를 구동하고 센싱하는 회로;
    상기 기판으로 형성되어 있고, 상기 측정 디바이스 및 상기 구동하고 센싱하는 회로를 인클로우징하는 하우징; 및
    전력 및 구동 신호를 입력하고 측정 디바이스 신호를 출력하는 인터페이스;를 포함하고,
    상기 기판중 하나는 마운트 플랜지를 포함하고, 상기 측정 디바이스는 상기 마운트 플랜지에 대하여 정렬되는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 측정 디바이스는 멀티칩 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 멀티칩 모듈은 저온으로 동시소성된 세라믹(LTCC) 어셈블리 기술을 사용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 가속 센서인 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 가속 센서는 마이크로 가공된 실리콘 센서인 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 하이브리드 기판 중 적어도 하나는 복수의 개별층을 포함하며 상기 회로는 상기 기판의 상기 층에 집적되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 회로는 후막 처리를 이용하여 상기 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 제 1 열팽창 계수를 가지고 있으며, 상기 측정 디바이스는 상기 제 1 열팽창 계수와 실질적으로 동일한 제 2 열팽창 계수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 세라믹 및 유리섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  10. 전력 및 신호를 라우팅하는 전기회로를 포함하는 복수의 다층 저온 동시소성 세라믹 하이브리드 기판;
    상기 기판중 제 1 기판에 장착된 측정 디바이스;
    상기 기판중 제 2 기판에 집적되어 있고, 상기 측정 디바이스를 구동하고 센싱하는 회로;
    상기 기판중 제 3 및 제 4 기판으로 형성되어 있고, 상기 측정 디바이스 및 상기 구동하고 센싱하는 회로를 인클로우징하는 하우징; 및
    상기 기판중 하나에 집적되어 있고, 전력 및 구동 신호를 입력하고 상기 측정 디바이스로부터의 신호를 출력하는 인터페이스;를 포함하고,
    상기 제 3 및 제 4 기판중 하나는 장착 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 복수의 다층 하이브리드 기판은
    상부 하이브리드 커버;
    상부 하이브리드;
    하부 하이브리드; 및
    하부 하이브리드 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 기판 중 적어도 하나는 집적된 전기 신호 라우팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 상부 하이브리드 커버는 헤더를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 상부 하이브리드는 상기 장착 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 하부 하이브리드는 상기 측정 디바이스를 장착하기 위한 수단을 포함하고, 상기 장착하기 위한 수단은 상기 측정 디바이스를 상기 장착 플랜지와 정렬하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  16. 상부 하이브리드 커버,
    외주변의 장착 플랜지와 결합된 상부 하이브리드,
    하부 하이브리드, 및
    하부 하이브리드 커버를 포함하고,
    전력 및 신호를 라우팅하는 전기회로를 포함하는 복수의 다층 저온 동시소성 세라믹 하이브리드 기판;
    상기 기판중 하나에 장착된 측정 디바이스;
    상기 기판중 하나에 집적되어 있고, 상기 측정 디바이스를 구동하고 센싱하는 회로;
    상기 기판중 적어도 2개로 형성되어 있고, 상기 측정 디바이스 및 상기 구동하고 센싱하는 회로를 인클로우징하는 하우징; 및
    상기 하이브리드 커버중 하나에 집적되어 있고, 전력 및 구동 신호를 입력하고 상기 측정 디바이스로부터의 신호를 출력하는 인터페이스;를 포함하고,
    측정 디바이스의 정렬을 상기 외주변의 장착 플랜지에 이전하기 위한 기계적 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 측정디바이스는 멀티칩 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 멀티칩 모듈은 저온으로 동시소성 세라믹(LTCC) 어셈블리 기술을 사용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 가속 센서인 것을 특징으로 하는 센서 패키지.
  20. 전력 및 신호를 라우팅하는 전기회로를 포함하는 복수의 다층 저온 동시소성 세라믹 하이브리드 기판;
    상기 기판중 하나에 장착된 가속 센서;
    상기 기판중 하나에 집적되어 있고, 상기 가속 센서를 구동하고 센싱하는 회로;
    상기 기판중 적어도 2개로 형성되어 있고, 상기 가속 센서 및 상기 구동하고 센싱하는 회로를 인클로우징하는 하우징; 및
    상기 기판중 하나에 집적되어 있고, 전력 및 구동 신호를 입력하고 상기 가속 센서로부터의 신호를 출력하는 수단;을 포함하고,
    상기 기판중 하나는 장착 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도계 패키지.
  21. 센서를 패키징하는 방법에 있어서,
    a) 측정 디바이스를 기판층에 장착하는 단계;
    b) 상기 측정 디바이스를 구동하고 센싱하는 회로를 기판층에 형성하는 단계;
    c) 전력 및 구동 신호를 입력하고 측정 디바이스 신호를 출력하는 인터페이스를 기판층에 형성하는 단계;
    d) 상기 기판층들을 정렬하여 함께 적층하는 단계;
    e) 센서 패키지를 형성하도록 상기 정렬하여 함께 적층된 기판층들을 가압하고 동시소성하는 단계; 및
    f) 상기 센서 패키지를 하우징에 인클로우징하는 단계;를 포함하고,
    상기 측정 디바이스는 상기 기판층중 하나에 결합된 마운트 플랜지에 대하여 정렬되는 것을 특징으로 하는, 센서를 패키징하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 센서 패키지를 형성하도록 상기 정렬하여 함께 적층된 기판층들을 가압하고 동시소성하는 단계는 상기 기판층들을 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 어셈블링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서를 패키징하는 방법.
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