KR100872114B1

KR100872114B1 - 멤스 모듈 패키지 및 패키징 방법

Info

Publication number: KR100872114B1
Application number: KR1020050097906A
Authority: KR
Inventors: 이영규
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2008-12-05
Also published as: KR20070042244A

Abstract

구동신호에 따라 미세 동작하는 멤스(MEMS) 디바이스; 상기 멤스 디바이스가 실장되고 외부로부터의 신호에 따른 상기 구동신호를 생성하여 상기 멤스 디바이스에 전달하는 기판; 및 내부에 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지고 상기 기판 상에 부착되어 밀봉되는 밀봉 캡(sealing cap)을 포함하는 멤스 모듈 패키지가 제공될 수 있다. 외부 환경에 노출되는 밀봉 접착제의 표면적을 최소화하여 수분의 침투를 최소화할 수 있다. 또한, 기밀 공간의 부피를 크게 함으로써 침투된 수분에 대한 민감도를 낮추어 멤스 디바이스의 오동작을 줄일 수 있다.

멤스, 패키지, 캡, 수분, 기밀

Description

멤스 모듈 패키지 및 패키징 방법{MEMS module package and packaging method}

도 1은 멤스 디바이스의 기밀도를 확보하기 위한 종래 에폭시 밀봉 방법의 일 실시예.

도 2는 멤스 디바이스의 기밀도를 확보하기 위한 종래 에폭시 밀봉 방법의 다른 실시예.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(MEMS module package)(30)의 개략적인 구조를 나타낸 도면.

도 4는 멤스 디바이스의 구성을 나타낸 도면.

도 5는 도 4에 도시된 멤스 디바이스에서의 입사광 변조 원리를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(60)의 개략적인 구조를 나타낸 도면.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(70, 80)의 개략적인 구조를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300 : 멤스 디바이스

310 : 기판

320 : 밀봉 캡

330 : 접합부

340 : 인쇄회로기판

370 : 모듈 내부 공간

본 발명은 멤스 모듈 패키지(MEMS module package)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충분한 기밀 공간을 제공하며 기판 상의 멤스 디바이스를 캡 실링(cap sealing)하는 방법 및 멤스 모듈 패키지에 관한 것이다.

최근, 인터넷과 IMT-2000 등 광대역 서비스를 위한 대용량 통신의 필요성이 부각되면서 광통신 방식이 급속히 표준화의 자리를 잡아가고 있다. 이에 연동하여 파장(wavelength), 데이터 레이트(data rate) 및 신호 포맷(signal format)에 의존하지 않rh 광학적으로 투명(optically transparent)한 특성을 가지는 미세전기기계시스템(MEMS : Micro Electro-Mechanical Systems, 이하 '멤스'라고 함) 기술이 포스트 일렉트로닉스(post-electronics)를 주도할 시스템 소형화 기술로서 소개되고 있다.

종래, 이와 같은 멤스 기술을 이용하여 상용화된 제품으로는 가속도계, 압력 센서, 잉크젯 헤드, 하드 디스크용 헤드, 프로젝션 디스플레이, 스캐너 등이 있으며, 최근에는 광통신 기술의 발전과 더불어 더욱 고성능이 요구되는 광통신용 부품 기술에 대한 관심이 점점 더 증가하고 있다.

특히, 마이크로 미러를 제작하여 멤스 방식의 엑츄에이터로 구동하는 스위칭 기법을 이용한 공간형 광변조기에 대한 관심이 집중되고 있으며, 이러한 광변조기는 많은 데이타 양의 실시간 처리가 불가능한 기존의 디지털 정보처리 장치와는 달리 고속성과 병렬처리 능력, 대용량의 정보처리의 장점을 지니고 있다.

상술한 바와 같은 광변조기를 이용하여 이진위상 필터 설계 및 제작, 광논리게이트, 광증폭기 등과 영상처리 기법, 광소자, 광변조기 등의 연구가 진행되고 있으며, 이중에서 특히 공간 광변조기는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 홀로그램 및 표시장치 등의 분야에 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 멤스 디바이스의 경우, 소정의 외부환경, 보다 구체적으로는 온도, 습도, 미세 먼지, 진동 및 충격 등의 외부 환경에 민감하게 반응하고, 이에 의하여 동작을 수행하지 않거나 또는 동작 중에 에러가 빈번히 발생한다는 문제점이 있었다.

따라서, 외부로부터의 습기 및 먼지 등을 차단해주는 기밀 밀봉(hermetic sealing)이 필요하게 된다. 기밀 밀봉은 제품의 성능 및 신뢰성을 확보하기 위해서 필수적이다.

멤스 디바이스의 기밀도를 확보하기 위한 밀봉 방법으로 솔더링(soldering) 또는 에폭시 밀봉(epoxy sealing) 방법이 사용된다.

솔더링의 경우 공정이 복잡하고 어려우며 높은 온도를 필요로 하여 실제 공정에서의 적용이 어려운 문제점이 있다. 에폭시 밀봉의 경우 솔더링에 비하여 공정에 비교적 간단히 적용할 수 있으며 상대적으로 낮은 온도를 필요로 하는 등의 장점으로 인하여 많이 활용된다.

도 1은 멤스 디바이스의 기밀도를 확보하기 위한 종래 에폭시 밀봉 방법의 일 실시예를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 인쇄회로기판(PCB) 또는 유리(glass) 기판(110) 상에 멤스 디바이스(100)를 이방성 전도 필름(ACF : anisotropic conductive film) 형식의 필름 형태의 제1 밀봉 접착제(120)를 이용하여 전기적으로 접속시키고 기판(110)과 멤스 디바이스(100)에 각각 형성된 상부 범프(미도시) 및 하부 범프(미도시) 간의 접합을 제공한다. 그리고 멤스 디바이스(100)의 측면에 바로 제2 밀봉 접착제(130)인 에폭시(epoxy)를 부착시켜 2차적으로 밀봉한다.

멤스 디바이스(100)와 기판(100) 사이에는 자유 공간(140)이 형성되며, 멤스 디바이스(100)에 포함되는 미세 구동부(미도시)는 자유 공간(140) 내에서 제어 신호에 따라 정해진 동작을 하게 된다.

하지만, 제2 밀봉 접착제(130)가 외부 환경에 노출되는 표면적이 넓음으로 인해 기밀도가 낮아 고온 고습의 환경 내에서는 수분이 자유 공간(140) 내로 침투 하여 미세 구동부의 오동작을 유발하거나 멤스 디바이스(100)의 고장을 일으키는 원인이 된다.

도 2는 멤스 디바이스의 기밀도를 확보하기 위한 종래 에폭시 밀봉 방법의 다른 실시예를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 인쇄회로기판(PCB) 또는 유리(glass) 기판(110) 상에 멤스 디바이스(100)를 이방성 전도 필름(ACF : anisotropic conductive film) 형식의 필름 형태의 제1 밀봉 접착제(120)를 이용하여 전기적으로 접속시키고 기판(110)과 멤스 디바이스(100)에 각각 형성된 상부 범프(미도시) 및 하부 범프(미도시) 간의 접합을 제공한다. 그리고 멤스 디바이스(100)에 멤스 캡(cap)(200)을 씌우고, 상기 멤스 캡(200)과 기판(110) 사이의 공간은 제2 밀봉 접착제(130)를 이용하여 밀봉한다.

하지만, 이 경우에도 제1 및 제2 밀봉 접착제(120, 130)를 침투한 수분이 미세하게나마 존재하게 되며, 멤스 캡(200) 내부의 부피가 매우 작아 미세량의 수분에 의해서도 큰 영향을 받는 등 민감도가 높아져 미세 구동부의 오동작을 유발하거나 멤스 디바이스(100)의 고장을 일으키는 원인이 된다.

따라서, 상술한 문제점들을 해결하기 위해 본 발명은 외부 환경에 노출되는 밀봉 접착제의 표면적을 최소화하여 수분의 침투를 최소화할 수 있는 멤스 모듈 패 키지 및 패키징 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 기밀 공간의 부피를 크게 함으로써 침투된 수분에 대한 민감도를 낮추어 멤스 디바이스의 오동작을 줄일 수 있는 멤스 모듈 패키지 및 패키징 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 구동신호에 따라 미세 동작하는 멤스(MEMS) 디바이스; 상기 멤스 디바이스가 실장되고 외부로부터의 신호에 따른 상기 구동신호를 생성하여 상기 멤스 디바이스에 전달하는 기판; 및 상기 기판 상에 부착되어 상기 멤스 디바이스를 밀봉하는 밀봉 캡(sealing cap)을 포함하는 멤스 모듈 패키지가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 밀봉 캡은 내부에 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지고 있고, 상기 홈의 내부 공간의 부피가 상기 멤스 디바이스보다 클 수 있다.

또는 상기 기판은 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지고 있고, 상기 홈 내에 상기 멤스 디바이스가 실장될 수 있다.

바람직하게는, 상기 밀봉 캡은 유리(glass), 실리콘(silicon) 및 저흡습도 특성을 가지는 플라스틱(plastic) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 밀봉 접착제에 의해 밀봉되되, 상기 밀봉 접 착제는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 및 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy) 중 어느 하나일 수 있다.

또는 상기 밀봉 캡은 금속(metal)으로 이루어지고, 상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 용접(welding) 또는 솔더링(soldering)에 의해 밀봉되거나, 상기 밀봉 캡을 이루는 금속은 상기 기판과 열팽창계수가 동일 또는 유사한 인바(Invar), 코바(Covar) 및 냉간압연강판(SPCC) 중 어느 하나일 수 있다.

바람직하게는, 상기 멤스 디바이스는 상기 구동신호에 따른 구동전압을 생성하는 구동 집적회로와, 그리고 상기 구동전압에 따라 미세 동작하는 미세 구동부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 미세 구동부는 상기 구동신호에 따라 입사광을 변조하여 회절광 또는 반사광을 생성하는 광변조기이고, 상기 기판은 상기 입사광, 상기 회절광 또는 상기 반사광이 통과할 수 있는 광투과성 기판일 수 있다.

바람직하게는, 상기 밀봉 캡은 내부에 흡습제 또는 히터(heater)가 부착될 수 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 기판 상에 멤스 디바이스를 실장하는 단계; (b) 내부에 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지는 밀봉 캡과 상기 기판을 접합하는 단계; 및 (c) 상기 밀봉 캡과 상기 기판을 밀봉하는 단계를 포함하는 멤스 모듈 패키징 방법이 제공될 수 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 기판 상에 형성된 홈 내부에 멤스 디바이스를 실장하는 단계; (b) 상기 홈을 덮도록 밀봉 캡과 상기 기판을 접합하는 단계; 및 (c) 상기 밀봉 캡과 상기 기판을 밀봉하는 단계를 포함하는 멤스 모듈 패키징 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 (a) 단계는 상기 멤스 디바이스를 상기 기판에 플립칩 접속 또는 와이어 본딩 접속시켜 전기적 접속을 유지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 밀봉 캡은 유리(glass), 실리콘(silicon) 및 저흡습도 특성을 가지는 플라스틱(plastic) 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 (c) 단계는 상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 밀봉 접착제에 의해 밀봉되되, 상기 밀봉 접착제는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 및 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy) 중 어느 하나일 수 있다.

또는 상기 밀봉 캡은 금속(metal)으로 이루어지고, 상기 (c) 단계는 상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 용접(welding) 또는 솔더링(soldering)에 의해 밀봉될 수 있다. 여기서, 상기 밀봉 캡을 이루는 금속은 상기 기판과 열팽창계수가 동일 또는 유사한 인바(Invar), 코바(Covar) 및 냉간압연강판(SPCC) 중 어느 하나일 수 있다.

바람직하게는, 상기 (a) 단계 이후에, (a-1) 상기 밀봉 캡의 내부에 흡습제 또는 히터를 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 방법 및 이를 사용하는 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 동일 또는 유사한 개체를 순차적으로 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(MEMS module package)(30)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 도 4는 멤스 디바이스의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 멤스 디바이스에서의 입사광 변조 원리를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 멤스 모듈 패키지(MEMS module package)(30)는 멤스 디바이스(MEMS device)(300), 기판(310) 및 밀봉 캡(sealing cap)(320)을 포함한다. 외부 제어회로(미도시)와의 연결 또는 인터커넥션(interconnection)을 위해 인쇄회로기판(PCB : printed circuit board)(340)을 더 포함할 수 있다.

멤스 디바이스(MEMS device)(300)는 구동신호에 따라 미세 동작한다.

멤스 디바이스(300)는 플립칩 접속 또는 와이어 본딩을 통해 기판(310)과의 전기적 접속을 유지한다.

플립칩 접속의 경우는 도 3에 도시된 바와 같이, 멤스 디바이스(300)의 실링 지역(미도시) 상에 위치한 상부 범프(미도시)는 제1 밀봉 접착제(305)와 멤스 디바이스(300)의 접합을 제공한다. 기판(310) 상에서 멤스 디바이스(300)가 부착되는 위치에 상응하는 위치에 있는 하부 범프(미도시)는 제1 밀봉 접착제(305)와 기판(310)의 접합을 제공한다.

제1 밀봉 접착제(305)는 이방성 도전 필름(ACF: Anisotropic Conductive Film)일 수 있다. 이방성 도전 필름은 열에 의해 경화되는 접착제와 그 안에 미세한 도전볼(conductive ball)을 혼합시킨 양면 테이프 상태의 재료로 고온의 압력을 가하면 회로패턴의 범프가 맞닿는 부분의 도전볼이 파괴되면서 파괴된 도전볼이 범프 간의 통전을 하게 되고, 범프 부분 외의 요철면에 나머지의 접착제가 충진/경화되어 서로 접착을 하도록 해준다.

이방성 도전 필름은 두께가 15~35㎛인 절연 접착필름(adhesive film)에 지름이 3~15㎛를 갖는 미세한 전도성 입자(conductive particle)를 흩뿌린(dispersed) 상태의 접착 필름을 말한다. 전도성 입자에는 여러 종류가 있는데 탄소 섬유(Carbon Fiber), 금속(예를 들어, 니켈(Ni), 솔더(Solder) 등) 그리고 금속 코팅 플라스틱 볼(Metal(Ni/Au)-Coated Plastic Ball) 등이 주로 사용된다.

와이어 본딩의 경우는 도시되지 않았지만, 멤스 디바이스(300)에 제1 패드가 있고 기판(310) 상에 제2 패드가 있으며, 제1 패드 및 제2 패드가 와이어(wire) 를 통해 통전을 하게 된다.

멤스 디바이스(300)는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 호롤그램 및 스캐닝 디스플레이 장치(프로젝션) 등의 분야에 사용되는 회절형, 반사형 또는 투과형 등의 광변조기, 광소자 등을 포함한다.

도 4를 참조하면, 멤스 디바이스(300)의 일예로 기판(410), 절연층(420), 희생층(430), 리본 구조물(440) 및 압전체(450)를 포함하는 광변조기가 가능하다. 광변조기 외에 다른 멤스 디바이스(300)도 가능함은 물론이다.

도 5의 (a) 및 (b)는 도 4에서 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다. 빛의 파장이 λ인 경우 광변조기가 변형되지 않은 상태에서(어떠한 전압도 인가되지 않은 상태에서) 상부 반사층(440a)이 형성된 리본 구조물(440)과 하부 반사층(420a)이 형성된 절연층(420) 간의 간격은 λ/2와 같다. 따라서 리본 구조물(440)과 절연층(420)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 λ와 같아서 빛은 보강 간섭을 한다(도 5의 (a) 참조).

또한, 적정 전압이 압전체(450)에 인가될 때, 리본 구조물(440)이 압전체(450)에서 발생한 압력에 의해 절연층(420) 쪽으로 이동하거나 또는 그 반대 방향으로 이동하게 된다. 이때 리본 구조물(440)과 하부 반사층이 형성된 절연층(420) 간의 간격은 λ/4 또는 3λ/4와 같게 된다. 따라서 리본 구조물(440)과 절연층(420)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 λ/2와 같아서 빛은 상쇄 간섭을 한다(도 5의 (b) 참조).

이러한 간섭의 결과를 이용하여, 광변조기는 입사광의 광량을 조절하여 신 호를 빛에 실을 수 있다. 여기서 희생층(430)의 일부가 식각되지 않고 리본 구조물(440)을 지지하는데 사용된다.

여기서, 리본 구조물(440) 및 하부 반사층(420a)이 형성된 절연층(420)이 입사되는 빛을 반사시켜 회절광을 생성하는 마이크로 미러가 된다.

도 4에 도시된 멤스 디바이스는 하나의 화소를 담당하여 그레이 스케일 즉, 광강도를 조절한다.

하나의 화소를 담당하는 도 4에 도시된 멤스 디바이스가 복수 개 모여서 1차원 영상인 하나의 라인(화면을 구성하는 수평 라인 또는 수직 라인) 즉, 복수 개의 화소를 담당하는 광변조기를 형성한다.

본 발명에서 광변조기는 GLV 디바이스(200) 또는 멤스 디바이스이 병렬로 복수 개 모여서 간섭 원리에 의해 일정한 입사광에 대하여 다양한 신호 크기를 가지는 회절광을 생성하게 되고, 신호를 빛에 실을 수 있는 장치로써, 상술한 바와 같이 1차원 영상 화소를 담당하는 장치를 통칭한다.

기판(310)은 멤스 디바이스(300)가 형성된 반도체 기판 자체이거나, 또는 멤스 디바이스(300)가 다이 본딩(die bonding)되어 실장되는 매개체 역할을 수행한다. 소정의 전기신호를 외부로 전달하거나 외부로부터 전달받기 위한 와이어(350)가 연결되는 기판 패드(315)가 형성되어 있다. 기판(310)의 내부 또는 표면에는 전기신호의 흐름을 멤스 디바이스(300)로 전달하기 위한 회로 패턴(미도시)이 형성되어 있다.

상기 멤스 디바이스(300)가 도 4에 도시된 것과 같이 빛을 이용하는 광변조기 인 경우에 기판(310)은 멤스 디바이스(300)에 빛이 도달할 수 있도록 하는 유리(glass) 등과 같은 광투과성 물질로 형성된 광투과성 기판일 수 있다. 또는 기판(310)은 세라믹(ceramic)으로 형성될 수도 있다.

밀봉 캡(sealing cap)(320)은 기판(310) 상에 부착된다. 밀봉 캡(320)이 내부에 홈을 가지고 있거나 또는 기판(310) 상에 홈이 형성되어 있어 멤스 디바이스(300)는 밀봉 캡(320)의 홈 또는 기판(310)의 홈에 수용된다. 멤스 디바이스(300)를 수용한 후에도 충분히 내부 공간(370)을 가지도록 밀봉 캡(320)의 홈 또는 기판(310)의 홈을 형성하는 것이 바람직하다. 추후 설명할 수학식 1 및 수학식 2의 원리에 의해 멤스 디바이스(300)가 수용될 수 있는 모듈 내부의 부피가 클수록 침투되는 수분에 대한 민감도가 낮아져 멤스 디바이스(300)의 오작동이 적어지고 높은 신뢰성을 확보할 수 있기 때문이다.

밀봉 캡(320)은 금속(metal)으로 이루어진다. 금속 기밀(metal hermetic) 방법을 통해 금속으로 형성된 밀봉 캡(320)을 기판(310) 상에 정해진 위치에 부착시킨다. 금속 기밀 방법은 용접(welding) 또는 솔더링(soldering)이 가능하며, 대략 400 ℃ 이상의 고온 공정으로 고기밀 특성을 가진다. 기밀 특성이라 함은 모듈 내부 공간(370)으로의 수분 침투를 막아내는 특성을 의미한다.

용접(welding)에 의하면 밀봉 캡(320)과 기판(310)이 접하는 접합부(330)를 국부 가열하여 녹여서 접합한다. 솔더링(soldering)에 의하면 접합부(330)에 녹는점이 다른 금속을 높고 이것을 녹여서 합금화시켜서 붙인다. 427℃를 경계로 하여 녹는점이 427℃ 이상인 납을 사용하는 것을 납땜이라고 하고, 녹는점이 427℃ 이하인 납을 사용하는 것을 블레이징(blazing)이라고 한다. 레이저를 이용하는 경우에 레이저 용접(laser welding)이라고 하며, 접합부(330)의 모양에 따라 점의 형태로 다수 부분을 녹여서 접합시키는 포인트 용접(point welding), 선의 형태로 접합부(330)를 녹여서 접합시키는 심 용접(seam welding) 등이 있다.

기판(310)이 세라믹(ceramic) 또는 유리(glass)로 형성된 경우에 금속 기밀 방법에 의한 고온 공정에서 금속으로 이루어진 밀봉 캡(320)과 기판(310)은 열팽창 계수가 다름으로 인해 휨이 발생할 수 있다. 따라서, 이 경우 밀봉 캡(320)은 기판(310)과 열팽창 계수가 동일 또는 유사한 금속 즉, 인바(Invar), 코바(Covar) 또는 냉간압연강판(SPCC)으로 이루어짐이 바람직하다. 여기서, 인바(Invar)는 철 63.5%에 니켈 36.5%를 첨가하여 열팽창계수가 작은 합금이다.

또는 밀봉 캡(320)은 유리(glass), 실리콘(silicon) 또는 저흡습도 특성을 가지는 플라스틱(plastic)으로 이루어진다. 저흡습도라 함은 수분 흡수량이 작은 것을 의미하는 것으로, 밀봉 캡(320)을 통해 외부 환경으로부터 모듈 내부 공간(370)으로 침투되는 수분량이 매우 작음을 의미한다. 밀봉 캡(320)이 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 이루어진 경우에 밀봉방법은 유리 밀봉 또는 에폭시 밀봉(epoxy sealing)을 이용한다.

유리 밀봉은 밀봉 캡(320)과 기판(310)이 접하는 접합부(330)로 다른 유리를 사용하여 고온으로 용융시키고 밀봉 캡(320)을 접합시키는 방법이다. 대략 400℃ 이상의 고온공정이 된다.

에폭시 밀봉(epoxy sealing)은 접합부(330)에 에폭시(epoxy)로 이루어진 밀봉 접착제를 이용하여 밀봉 캡(320)을 기판(310)과 접합시켜 밀봉하는 방법이다. 밀봉 접착제로는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 또는 열-자외선 경화성 에폭시가 사용될 수 있다. 열 경화성이라 함은 밀봉 접착제에 고온의 열을 가하면 경화되는 것을 의미하고, 자외선 경화성은 밀봉 접착제에 자외선을 조사하면 경화되는 것을 의미하며, 상온 경화성은 상온에서 특정 조건을 충족시켜 밀봉 접착제를 경화시키는 것을 의미하고, 열-자외선 경화성은 고온의 열을 가하면서 자외선을 동시에 조사하여 경화시키는 것을 의미한다.

여기서, 멤스 모듈 패키지(30)는 외부 제어회로(미도시)와의 연결 또는 인터커넥션(interconnection)을 위해 인쇄회로기판(PCB)(340)을 더 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(340)에는 패드(345)가 형성되어 와이어(350)를 통해 기판(310)의 기판 패드(315)와 전기적 접속을 유지하게 되고, 외부 제어회로로부터의 전기신호를 기판(310)으로 전달하게 된다.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(60)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 멤스 모듈 패키지(30)와 유사한 바 차이점을 중심으로 상세히 설명한다.

멤스 디바이스(300)는 구동신호에 따라 구동전압을 생성하는 구동 집적회로(Drive IC)(410)와, 구동전압에 따라 미세 동작을 하는 미세 구동부(400)를 포함한 다.

구동 집적회로(410)와 미세 구동부(400)는 기판(310) 상에 플립칩 접속 또는 와이어 본딩으로 통전하게 된다. 기판(310) 내부 또는 표면에 형성된 회로 패턴에 의해 구동 집적회로(410)에서 생성된 구동전압은 미세 구동부(400)에 전달되고, 구동전압에 따라 미세 구동부(400)는 정해진 동작을 하게 된다.

미세 구동부(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 입사광을 변조하여 회절광 또는 반사광을 생성하는 광변조기일 수 있다. 이 경우 기판(310)은 입사광, 회절광, 반사광이 통과할 수 있는 광투과성 기판임이 바람직하다. 예를 들어, 유리 기판이 가능하다.

도 7 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 멤스 모듈 패키지(70, 80)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 멤스 모듈 패키지(70)는 도 3에 도시된 멤스 모듈 패키지(30)의 모듈 내부 공간(370)에 흡습제(700) 또는 히터(heater)(700)를, 도 8에 도시된 멤스 모듈 패키지(80)는 도 6에 도시된 멤스 모듈 패키지(60)의 모듈 내부 공간(370)에 흡습제(700) 또는 히터(700)를 더 포함한다.

흡습제(700)는 모듈 내부 공간(370) 안의 잔류 기체분자(예를 들어, 수증기)를 흡착하거나 또는 그것과 화합해서 고체화합물을 만드는 작용이 강한 물질이다. 예를 들면, 게터(getter) 등이 있다.

흡습제(700)를 모듈 내부 공간(370)에 소정 위치에 위치시킴으로써 잔류되 어 있던 수분 즉, 수증기를 흡수하거나 접합부(330)를 투과하여 침투되는 수분을 흡수하여 모듈 내부 공간(370)의 수분량을 감소시킨다.

히터(700)는 모듈 내부 공간(370)을 국부적으로 가열함으로써 잔류한 수증기 또는 접합부(330)를 투과하여 침투되는 수분을 제거하여 기밀 처리한다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 멤스 모튤 패키징 방법을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 단계 S910에서, 기판(310) 상에 멤스 디바이스(300)를 실장한다. 멤스 디바이스(300)는 구동 집적회로와 미세 구동부를 포함한다. 여기서, 미세 구동부는 도 4에 도시된 광변조기일 수 있다. 멤스 디바이스(300)는 기판(310)에 플립칩 접속 또는 와이어 본딩 접속을 통해 통전하게 된다.

단계 S920에서, 내부에 멤스 디바이스(300)를 수용하는 홈(370)을 가지는 밀봉 캡(320)과 기판(310)을 접합한다. 홈(370)은 멤스 디바이스(300)보다 큰 것이 바람직하며, 충분히 넓은 공간을 확보하여 침투되는 수분에 대한 민감도를 낮게 하여 멤스 디바이스(300)의 오동작을 방지하는 역할을 한다.

단계 S930에서, 밀봉 캡(320)과 기판(310)의 접합부(330)를 밀봉하여 멤스 모듈 패키지를 패키징한다. 밀봉 방법은 밀봉 캡(320)을 이루는 물질에 따라 다른 방법이 적용가능하며, 이에 대해서는 앞서 자세히 설명하였으므로 여기서는 설명을 생략한다.

본 발명에서 기밀도(즉, 모듈 내부 공간(370)이 외부 환경으로부터 분리된 정도)와 부피와의 관계는 수학식 1과 같다.

<수학식 1>

여기서,

는 내부로 침투하는 수분의 양이고, V는 모듈 내부 공간(370)의 부피이며, t는 시간(초)이고,

는 수분 침투율이며,

는 모듈 내부 공간(370)의 부분압과 외부의 부분압 간의 최초 차이이다.

상기한 수학식 1에 의할 때 수분 침투율

는 모듈 내부 공간(370)의 부피 V에 비례한다. 즉, 같은 양의

가 모듈 내부에 침투하게 되는 경우에 모듈 내부 공간(370)의 부피 V가 클수록 요구되어지는 수분 침투율

도 커지게 된다. 따라서, 내부 공간(370)의 부피가 큰 경우에 수분 침투율이 큰(즉, 기밀도 특성이 낮은) 밀봉 접착제를 사용할 수 있어 밀봉 접착제 선택의 폭이 넓어지는 장점이 있다.

상기한 수학식 1에 의할 때 내부로 침투하는 수분의 양

는 모듈 내부 공간(370)의 부피 V에 반비례한다. 따라서, 수분 침투율이 동일한 밀봉 접착제를 사용하는 경우에 모듈 내부 공간(370)의 부피 V가 클수록 내부로 침투하는 수분의 양

는 작아지게 된다.

본 발명에서 밀봉 접착제가 외부 환경과 접촉하는 표면적과 수증기의 투과율 간의 관계는 수학식 2와 같다.

<수학식 2>

여기서, R은 1초 동안에 고체(밀봉 접착제)를 투과하는 기체(수증기)의 양이며, A는 고체(밀봉 접착제)가 외부 환경과 접촉하는 표면적(cm²)이고, S는 고체(밀봉 접착제) 내에서 기체(수증기)의 용해도(solubility)이며, D는 1초당 고체(밀봉 접착제)를 통한 기체(수증기)의 확산 정도(diffusion)이고, ΔP는 고체(밀봉 접착제)를 사이에 둔 기체(수증기) 간의 부분압 차이이며, d는 고체(밀봉 접착제)의 두께이고, K는 고체(밀봉 접착제)에 대한 기체(수증기)의 투과율(permeability)이다.

상기한 수학식 2에서, 밀봉 접착제가 외부 환경과 접촉하는 표면적 A는 1초 동안에 밀봉 접착제를 투과하는 수증기량 R과 비례한다. 즉, 동일한 수증기 투과율 K를 가지는 밀봉 접착제를 사용한 경우에 표면적 A가 작을수록 밀봉 접착제를 투과하는 수증기량 R도 작아지고, 높은 기밀 공간을 형성하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 멤스 모듈 패키지 및 패키징 방법은 외부 환경에 노출되는 밀봉 접착제의 표면적을 최소화하여 수분의 침투를 최소화할 수 있다.

또한, 기밀 공간의 부피를 크게 함으로써 침투된 수분에 대한 민감도를 낮추어 멤스 디바이스의 오동작을 줄일 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

구동신호에 따라 미세 동작하는 멤스(MEMS) 디바이스;

상기 멤스 디바이스와 전기적으로 접속되고, 외부로부터 전기신호인 상기 구동신호를 전달 받아 상기 멤스 디바이스로 전달하는 기판; 및

상기 기판 상에 부착되어 상기 멤스 디바이스를 밀봉하는 밀봉 캡(sealing cap)을 포함하되,

상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 밀봉 접착제에 의해 밀봉되고, 상기 밀봉 접착제는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 및 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제1항에 있어서,

상기 밀봉 캡은 내부에 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지고 있고, 상기 홈의 내부 공간의 부피가 상기 멤스 디바이스보다 큰 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제1항에 있어서,

상기 기판은 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지고 있고, 상기 홈 내에 상기 멤스 디바이스가 실장되는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제1항 에 있어서,

상기 밀봉 캡은 유리(glass), 실리콘(silicon) 및 저흡습도 특성을 가지는 플라스틱(plastic) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
삭제
제1항에 있어서,

상기 밀봉 캡은 금속(metal)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제6항에 있어서,

상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 용접(welding) 또는 솔더링 (soldering)에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제6항에 있어서,

상기 밀봉 캡을 이루는 금속은 상기 기판과 열팽창계수가 동일 또는 유사한 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제8항에 있어서,

상기 금속은 인바(Invar), 코바(Covar) 및 냉간압연강판(SPCC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제1항에 있어서,

상기 멤스 디바이스는

상기 구동신호에 따른 구동전압을 생성하는 구동 집적회로와, 그리고

상기 구동전압에 따라 미세 동작하는 미세 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제10항에 있어서,

상기 미세 구동부는 상기 구동신호에 따라 입사광을 변조하여 회절광 또는 반사광을 생성하는 광변조기이고,

상기 기판은 상기 입사광, 상기 회절광 또는 상기 반사광이 통과할 수 있는 광투과성 기판인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
제1항에 있어서,

상기 밀봉 캡은 내부에 흡습제 또는 히터(heater)가 부착된 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키지.
(a) 기판 상에 멤스 디바이스를 실장하는 단계;

(b) 내부에 상기 멤스 디바이스를 수용하는 홈을 가지는 밀봉 캡과 상기 기판을 접합하는 단계; 및

(c) 상기 밀봉 캡과 상기 기판을 밀봉 접착제에 의해 밀봉하는 단계를 포함하되,

상기 밀봉 접착제는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 및 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
(a) 기판 상에 형성된 홈 내부에 멤스 디바이스를 실장하는 단계;

(b) 상기 홈을 덮도록 밀봉 캡과 상기 기판을 접합하는 단계; 및

(c) 상기 밀봉 캡과 상기 기판을 밀봉 접착제에 의해 밀봉하는 단계를 포함하되,

상기 밀봉 접착제는 열 경화성, 자외선 경화성, 상온 경화성 및 열-자외선 경화성 에폭시(epoxy) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 (a) 단계는 상기 멤스 디바이스를 상기 기판에 플립칩 접속 또는 와이어 본딩 접속시켜 전기적 접속을 유지하는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 밀봉 캡은 유리(glass), 실리콘(silicon) 및 저흡습도 특성을 가지는 플라스틱(plastic) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
삭제
제13항 또는 제14항에 있어서,

상기 밀봉 캡은 금속(metal)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제18항에 있어서,

상기 (c) 단계는 상기 밀봉 캡과 상기 기판 사이의 접합부는 용접(welding) 또는 솔더링(soldering)에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제18항에 있어서,

상기 밀봉 캡을 이루는 금속은 상기 기판과 열팽창계수가 동일 또는 유사한 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제20항에 있어서,

상기 금속은 인바(Invar), 코바(Covar) 및 냉간압연강판(SPCC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤스 모듈 패키징 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 (a) 단계 이후에,

(a-1) 상기 밀봉 캡의 내부에 흡습제 또는 히터를 부착시키는 단계

를 더 포함하는 멤스 모듈 패키징 방법.