KR101153722B1 - System in Package Method of Semi-Active Focal PlanSystem in Package Method of Semi-Active Focal Plane Array sensor using Diode witching e Array sensor using Diode witching - Google Patents

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김병일
김희연
경기명
박재홍
김경민
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한국과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A system in-packaging method of a semi-active focal plane array(SA-FPA) sensor using a diode switching process is provided to attach an SA-FPA sensor chip and an output control integrated circuit chip on the same wafer level by separately arranging the SA-FPA sensor chip and the output control integrated circuit chip, thereby detecting a malfunction of an output control integrated circuit in beforehand. CONSTITUTION: An insulating film(110) is laminated on a substrate(100). An ROIC(Read-Out Integrated Circuit) cap(120) and a bolometer array cap(130) are arranged side by side on the surface of the insulating film. The ROIC cap packages an output control integrated circuit chip. The bolometer array cap packages a bolometer array. An ROIC and the substrate are connected to each other using a wire bonding process and/or a flip chip bonding process.

Description

다이오드 스위칭을 이용한 ＳＡ－ＦＰＡ 센서의 시스템 인 패키징 방법{System in Package Method of Semi-Active Focal Plane Array sensor using Diode witching}System in Package Method of Semi-Active Focal Plane Array sensor using Diode witching

본 발명은 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA(Semi-Active Focal Plane Array) 센서의 시스템 인 패키징 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 SA-FPA 센서로부터 신호를 읽기 위한 출력제어 집적회로(ROIC: Read Out Integrated Circuit)를 SA-FPA 센서가 제작되어 있는 실리콘 기판상에서 패키징하는 방법에 대한 것이다.
The present invention relates to a system-in-packaging method of a SA-FPA (Semi-Active Focal Plane Array) sensor using diode switching, and more particularly, an output control integrated circuit (ROIC) for reading out a signal from a SA-FPA sensor. Integrated Circuit) is packaged on a silicon substrate on which a SA-FPA sensor is fabricated.

일반적으로 적외선 카메라로서 마이크로 볼로미터(micro-bolometer) 카메라는 당업자에게 잘 알려져 있다. 예를 들면, 미국 특허 5,688,699; 5,999,211; 5,420,419; 및 6,026,337 등을 들 수 있다. In general, micro-bolometer cameras as infrared cameras are well known to those skilled in the art. See, for example, US Pat. No. 5,688,699; 5,999,211; 5,420,419; And 6,026,337.

일반적으로 적외선 마이크로 볼로미터 카메라는, 온도에 따라서 변하는 저항을 가지며 적외선을 민감하게 감지하는 어레이 형태의 적외선 센서를 포함한다. 그리고, 이 적외선 센서는 여러 가지 방법으로 형성될 수 있는 볼로미터(bolometer)와 이 볼로미터를 제어하기 위한 집적회로(I.C: Integrated Circuit)를 갖는다. In general, infrared microbolometer cameras include an infrared sensor in the form of an array that has a resistance that varies with temperature and sensitively detects infrared light. The infrared sensor has a bolometer that can be formed in various ways and an integrated circuit (I.C) for controlling the bolometer.

적외선 카메라의 작동 원리는 적외선이 입사되면 각각의 볼로미터를 구성하고 있는 흡수층에 의하여 흡수되고 흡수된 적외선은 열에너지로 변환하게 되는데, 이 열은 감지층인 비정질 실리콘(a-si)의 저항을 변화시킨다. 이때의 저항 변화를 감지하여 이 신호를 출력제어 집적회로(ROIC)가 영상신호로 처리하여 디스플레이하게 되므로 우리가 영상을 보게 된다. The operating principle of the infrared camera is that when the infrared ray is incident, the absorbing layer constituting each bolometer is absorbed, and the absorbed infrared rays are converted into thermal energy, which changes the resistance of the amorphous silicon (a-si). . At this time, the resistance change is sensed and the output control integrated circuit (ROIC) processes the image signal and displays it, so we see the image.

그런데, 종래의 적외선 센서는 모놀리딕식으로 제작되기 때문에 적외선 센서가 제작 도중 파손이 되면 출력제어 집적회로(ROIC)가 버려지게 되어 수율 및 제작 단가 측면에서 불리하게 된다. 부연하면, 트랜지스터의 경우 부피가 커서 본딩 패드의 개수를 감소시킬 수 없어 패키지를 소형화하는 것이 어렵다. However, the conventional infrared sensor is manufactured in a monolithic manner, so if the infrared sensor is damaged during manufacturing, the output control integrated circuit (ROIC) is discarded, which is disadvantageous in terms of yield and manufacturing cost. In other words, in the case of transistors, the volume is large so that the number of bonding pads cannot be reduced, making it difficult to miniaturize a package.

또한, 적외선 센서와 출력 제어 집적회로(ROIC)가 각기 별도로 제작되어 와이어 본딩으로 서로 연결되므로 불량이 발생하기 쉽지만, 이러한 불량을 미리 검사하기가 용이하지 않다는 단점이 있다. In addition, since the infrared sensor and the output control integrated circuit (ROIC) are separately manufactured and connected to each other by wire bonding, defects are likely to occur, but there is a disadvantage that such defects are not easy to check in advance.

또한, 종래 기술은 모놀리딕(monolithic) 방식을 이용하므로, 출력 제어 집적회로 위에 볼로미터 어레이를 배열하게 되므로 칩의 직접도가 낮고 코스트(cost)가 증가한다는 단점이 있다.
In addition, since the conventional technology uses a monolithic method, since the bolometer array is arranged on the output control integrated circuit, the chip directivity is low and the cost is increased.

본 발명은 위에서 제기된 종래 기술에 따른 문제점을 극복하고자 제안된 것으로서, 본딩 패드의 개수를 감소시키면서도 적외선 센서의 패키징을 소형화하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA(Semi-Active Focal Plane Array) 센서의 시스템 인 패키징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to overcome the problems according to the prior art, and a system of a SA-FPA (Semi-Active Focal Plane Array) sensor using diode switching that reduces the number of bonding pads and reduces the packaging of the infrared sensor. Its purpose is to provide an in-packaging method.

또한, 본 발명은 적외선 센서와 출력 제어 집적회로(ROIC)를 일체화하면서도 불량을 미리 검사할 수 있도록 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a system-in-packaging method of a SA-FPA sensor using a diode switching that allows an infrared sensor and an output control integrated circuit (ROIC) to be integrated while checking defects in advance.

또한, 본 발명은 종래의 모놀리딕(monolithic) 방식을 이용하지 않고도, 고 집적도 및 낮은 코스트의 적외선 센서칩 제조가 가능한 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a packaging method of a system of a SA-FPA sensor using diode switching capable of manufacturing a high-integration and low-cost infrared sensor chip without using a conventional monolithic method. have.

본 발명의 일실시예는 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법을 제공한다. 이 시스템 인 패키징 방법은, 스위칭 기능을 수행하는 다이오드 어레이가 기판 상에 형성되는 다이오드 어레이 형성 단계; 상기 다이오드 어레이 상에 모놀리딕 방식을 이용하여 볼로미터 어레이를 연결시키는 볼로미터 어레이 형성 단계; 상기 볼로미터 어레이와 연결되며 연장된 다수의 컬럼 라인 및 로우 라인이 생성되는 연장 라인 형성단계; 상기 볼로미터 어레이의 출력을 제어하도록 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit)가 상기 연장된 다수의 컬럼 라인 및 로우 라인과 연결되는 라인 연결 단계; 출력 제어 집적회로 캡을 덮어 상기 출력 제어 집적회로를 진공 패키징하는 출력 제어 집적회로 진공 패키징 단계; 및 상기 출력 제어 집적회로 캡과 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 볼로미터 어레이 캡을 덮어 상기 볼로미터 어레이를 진공 패키징하는 볼로미터 어레이 진공 패키징 단계를 포함하는 적외선 센서 칩의 패키징 방법을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a system-in-packaging method of the SA-FPA sensor using a diode switching to achieve the problem raised above. The system in packaging method includes a diode array forming step of forming a diode array on a substrate to perform a switching function; Forming a bolometer array connecting the bolometer array on the diode array using a monolithic method; An extension line forming step connected to the bolometer array and generating a plurality of extended column lines and row lines; A line connection step of connecting an output control integrated circuit (ROIC) with the extended plurality of column lines and row lines to control the output of the bolometer array; An output control integrated circuit vacuum packaging step of vacuum packaging the output control integrated circuit by covering an output control integrated circuit cap; And a bolometer array vacuum packaging step of vacuum packaging the bolometer array by covering a bolometer array cap spaced apart from the output control integrated circuit cap in a horizontal direction by a predetermined distance.

이때, 상기 볼로미터 어레이 형성 단계는, 상기 연장된 다수의 컬럼 라인 및 로우 라인은 상기 볼로미터 어레이를 상기 기판상에 만들기 전에 사전에 상기 기판 상에 적층되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In this case, the step of forming the bolometer array, characterized in that the extended plurality of column line and row line comprises the step of stacking on the substrate in advance before making the bolometer array on the substrate.

이때, 상기 출력 제어 집적회로 진공 패키징 단계는, 상기 출력 제어 집적회로 캡과 상기 기판 사이에는 진공을 위한 출력 제어 집적회로 실링 가이드를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The output control integrated circuit vacuum packaging step may further include installing an output control integrated circuit sealing guide for vacuum between the output control integrated circuit cap and the substrate.

이때, 상기 볼로미터 어레이 진공 패키징 단계는, 상기 볼로미터 어레이 캡과 상기 기판 사이에는 진공을 위한 볼로미터 어레이 실링 가이드가 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. At this time, the bolometer array vacuum packaging step, characterized in that it further comprises the step of installing a bolometer array sealing guide for vacuum between the bolometer array cap and the substrate.

여기서, 상기 볼로미터 어레이는, 상기 볼로미터 어레이는, 상기 다이오드 어레이의 다이오드 각각에 직렬로 연결되며 상기 컬럼 라인 또는 로우 라인에 연결되는 다수의 볼로미터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The bolometer array may be characterized in that the bolometer array includes a plurality of bolometers connected in series to each diode of the diode array and connected to the column line or the row line.

여기서, 상기 다이오드 어레이는 상기 볼로미터 어레이의 하단에 위치하며, 상기 다수의 다이오드와 다수의 볼로미터 사이의 각각에는 리플렉터가 더 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. The diode array may be positioned at the bottom of the bolometer array, and a reflector may be further included between each of the plurality of diodes and the plurality of bolometers.

이때, 상기 볼로미터 어레이와 출력 제어 집적회로의 크기는 동일하거나 동일하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다. In this case, the size of the bolometer array and the output control integrated circuit may be the same or not the same.

또한, 상기 출력 제어 집적회로와 출력 제어 집적회로 캡은 미리 일체형으로 제작되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
The output control integrated circuit and the output control integrated circuit cap may be manufactured in one piece in advance.

본 발명에 따르면, 스위칭 역할을 하는 다이오드가 제작되어 있는 기판 위에 모놀리딕식으로 볼로미터를 제작하고 출력 제어 집적회로(ROIC)를 연결하여 패키징함으로써 본딩 패드(PAD)가 감소하므로 소형화가 가능하다. According to the present invention, miniaturization is possible because the bonding pad PAD is reduced by fabricating a bolometer monolithically on a substrate on which a diode serving a switching role is manufactured and connecting an output control integrated circuit (ROIC).

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 SA-FPA 센서 칩과 출력 제어 집적회로(ROIC) 칩을 별개로 구성하여 동일한 웨이퍼 레벨에서 접착시키므로 출력 제어 집적회로의 불량에 대한 사전 검사가 가능하다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that the SA-FPA sensor chip and the output control integrated circuit (ROIC) chip are separately configured and bonded at the same wafer level, so that the inspection of the defect of the output control integrated circuit is possible. have.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 적외선 센서 칩과 출력 제어 집적회로(ROIC) 칩을 동일한 웨이퍼 레벨에서 진공 패키지된 기판에 플립칩 본딩 또는 와이어 본빙을 이용하여 연결함으로써 고 집적도 및 낮은 코스트의 달성이 가능하다는 점을 들 수 있다.
In addition, another effect of the present invention is to achieve high integration and low cost by connecting an infrared sensor chip and an output control integrated circuit (ROIC) chip to a vacuum packaged substrate at the same wafer level using flip chip bonding or wire bonding. It is possible.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패키징된 SA-FPA 센서 칩의 사시도이다.
도 2a는 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따라 기판(100)상에 볼로미터, 본딩 패드 및 실링 가이드 등이 순서적으로 설치되는 공정을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터 어레이 구조만을 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 SA-FPA 센서 칩의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터 어레이의 개념도이다. 1 is a perspective view of a packaged SA-FPA sensor chip according to one embodiment of the invention.
2A to 2D are perspective views illustrating processes in which a bolometer, a bonding pad, a sealing guide, and the like are sequentially installed on a substrate 100 according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective view showing only the bolometer array structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a SA-FPA sensor chip according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of a bolometer array according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, process, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present disclosure does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, processes, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서 칩 및 이의 패키징 방법을 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, an infrared sensor chip and a packaging method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패키징된 SA-FPA 센서 칩의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 기판(100)상에 절연막(110)이 적층되고, 이 절연막(110)의 표면에 각각 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 칩을 패키징하는 ROIC 캡(120)과 볼로미터 어레이를 패키징하는 볼로미터 어레이 캡(130)이 나란히 배치된다. 물론 출력 제어 집적회로(ROIC)와 출력 제어 집적회로 캡(120)은 미리 일체형으로 제작되어 기판(100)에 부착될 수 있다. 이 경우, 출력 제어 집적회로(ROIC)의 불량 여부를 사전에 검사하는 것이 가능하다. 1 is a perspective view of a packaged SA-FPA sensor chip according to one embodiment of the invention. Referring to FIG. 1, an insulating film 110 is stacked on a substrate 100, and a ROIC cap 120 for packaging a read-out integrated circuit (ROIC) chip on the surface of the insulating film 110, respectively. ) And the bolometer array cap 130 for packaging the bolometer array are arranged side by side. Of course, the output control integrated circuit (ROIC) and the output control integrated circuit cap 120 may be manufactured in one piece in advance and attached to the substrate 100. In this case, it is possible to check in advance whether the output control integrated circuit ROIC is defective.

이해를 위해 본 발명의 제조 공정을 정리하면 다음과 같다. In order to understand the manufacturing process of the present invention is as follows.

① 스위칭 역할을 하는 다이오드 어레이가 기판(100)상에 미리 제작된다.A diode array serving as a switching function is fabricated on the substrate 100 in advance.

② 이 다이오드 어레이 상에 모놀리딕 방식으로 볼로미터 어레이가 제작된다.② On this diode array, a bolometer array is manufactured in a monolithic manner.

③ SIP(System In Package) 방식이 구현을 위해 다층의 메탈(metal) 라인을 이용하여 본딩 패드를 제작한다.③ For the implementation of SIP (System In Package) method, a bonding pad is manufactured using a multilayer metal line.

④ 와이어 본딩 및/또는 플립칩 본딩을 이용하여 출력 제어 집적회로(ROIC)와 기판(100)을 연결한다. ④ Connect the output control integrated circuit (ROIC) to the substrate 100 by using wire bonding and / or flip chip bonding.

이러한 제조 공정을 이해하기 쉽게 도시한 도면이 도 2a 내지 도 2d에 도시된다. 즉, 도 2a는 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따라 기판(100)상에 볼로미터, 본딩 패드 및 실링 가이드 등이 순서적으로 설치되는 공정을 보여주는 사시도이다.Figures are shown in Figures 2a to 2d to facilitate understanding of this manufacturing process. That is, FIGS. 2A to 2D are perspective views illustrating processes in which a bolometer, a bonding pad, a sealing guide, and the like are sequentially installed on a substrate 100 according to an embodiment of the present invention.

우선 볼로미터(즉, 적외선 센서)에 대하여 설명하면 다음과 같다. 보통 적외선 센서에 사용되는 적외선 센서의 재료로는 작동 원리에 따라 크게 양자형(photon)과 열형(thermal)으로 나눌 수 있다. 양자형은 주로 반도체 재료이며, 열형은 반도체 이외의 재료들이 된다. First, the bolometer (ie, infrared sensor) will be described. In general, the infrared sensor material used in the infrared sensor can be divided into quantum (photon) and thermal (thermal) according to the principle of operation. Quantum forms are mainly semiconductor materials, and thermal forms are materials other than semiconductors.

반도체 재료들은 특성은 좋으나 액체 질소 온도(-193℃)에서 작동한다는 단점이 있는 반면에, 열형 재료들은 성능은 반도체에 비해 다소 떨어지지만 대부분 상온에서 동작한다는 장점이 있다. While semiconductor materials have good characteristics but operate at liquid nitrogen temperature (-193 ° C.), thermal materials have the advantage that they operate at room temperature, although their performance is somewhat lower than that of semiconductors.

이들 반도체 재료들은 적외선에 반응하여 전기적 신호로 기여하는 전자가 내인성(intrinsic), 외인성(extrinsic), 그리고 자유 전자형(free electron) 인가에 따라 분류가 되며, 열형 재료들은 작동 원리에 따라 열전효과(thermoelectric), 볼로미터(bolometer), 그리고 초전효과(pyroelectric)를 이용한 재료들로 분류된다.These semiconductor materials are classified according to the application of intrinsic, extrinsic, and free electrons to electrons that contribute to electrical signals in response to infrared rays. thermoelectric, bolometer, and pyroelectric materials.

내인성 반도체 재료에는 PbS, PbSe, InSb, HgCdTe 등이 있으며, 외인성 반도체 재료에는 Si:In, Si:Ga, Ge:Hg 등이 있으며, 자유전자 반도체 재료에는 PtSi, Pt, Si 등이 있다. 이들의 작동 온도는 대부분 저온에서 작동하는 냉각형 재료들이다. Endogenous semiconductor materials include PbS, PbSe, InSb, HgCdTe, and the like. Exogenous semiconductor materials include Si: In, Si: Ga, Ge: Hg, and the like, and free electron semiconductor materials include PtSi, Pt, Si, and the like. Their operating temperatures are mostly chilled materials that operate at low temperatures.

이러한 반도체 재료를 이용하면 볼로미터 효과의 구현이 가능하다. 이 볼로미터 효과는 입사한 적외선에 의해 재료의 온도가 상승하여 저항이 급격히 변하는 효과를 이용한 것으로 Si, Ge, V2O5, 초전도체(Superconductor) 등이 있다. Using this semiconductor material, the bolometer effect can be realized. This bolometer effect uses the effect that the temperature of the material rises rapidly due to the incident infrared rays, and the resistance changes rapidly. Examples of the bolometer effect include Si, Ge, V2O5, and superconductor.

이러한 적외선 센서 재료들의 작동 온도 및 반응하는 적외선 파장 영역은 각각 다르다. 센서의 성능을 나타내는 값으로서 탐지도(Detectivity)라고 정의된 값이 있다. 이 값의 의미는 센서에 입사한 적외선을 전기적 신호로 얼마나 잘 변환시켜 주는가 하는 것과 미세한 온도 차이를 얼마나 잘 구분하는가를 표시해 주는 값이다. 그러므로 이 값이 클수록 성능이 우수한 적외선 센서이다. The operating temperature and reacting infrared wavelength region of these infrared sensor materials are each different. As a value representing the performance of the sensor, there is a value defined as Detectivity. This value indicates how well the infrared light incident on the sensor is converted into an electrical signal and how well the minute temperature difference is distinguished. Therefore, the higher this value, the better the infrared sensor.

계속, 도 2a를 참조하면, 도 2a는 위에서 기술한 볼로미터 현상을 이용하는 볼로미터(200 내지 202)가 어레이 형태로 기판(100)상에 형성되어 있는 상태를 보여준다. 부연하면, 실리콘 기판(100) 표면상에 절연 층 (oxide)(110))이 적층되고, 이 절연층(110)상에 볼로미터(200 내지 202)가 어레이 형태로 형성된다.  Referring to FIG. 2A, FIG. 2A shows a state in which the ballometers 200 to 202 using the above-described bolometer phenomenon are formed on the substrate 100 in an array form. In other words, an insulating layer (oxide) 110 is stacked on the surface of the silicon substrate 100, and the bolometers 200 to 202 are formed in the form of an array on the insulating layer 110.

도 2b는 컬럼 라인(column line)(210 내지 212)이 볼로미터(200 내지 202)와 연결된 상태를 보여준다. 부연하면, 제 1 컬럼 라인(210)은 제 1 볼로미터(200)에 연결되고, 제 2 컬럼 라인(211)은 제 2 볼로미터(201)에 연결되며, 제 3 컬럼 라인(212)은 제 3 볼로미터(202)에 연결된다. FIG. 2B shows a state in which column lines 210 to 212 are connected to the bolometers 200 to 202. In other words, the first column line 210 is connected to the first bolometer 200, the second column line 211 is connected to the second bolometer 201, and the third column line 212 is connected to the third bolometer. 202 is connected.

도 2c는 로우 라인(row line)(220 내지222)이 볼로미터(200 내지 202)와 연결된 상태를 보여준다. 부연하면, 제 1 로우 라인(220)은 제 1 볼로미터(200)에 연결되고, 제 2 로우 라인(221)은 제 2 볼로미터(201)에 연결되며, 제 3 로우 라인(222)은 제 3 볼로미터(202)에 연결된다.2C shows a state in which the row lines 220 to 222 are connected to the bolometers 200 to 202. In other words, the first row line 220 is connected to the first bolometer 200, the second row line 221 is connected to the second bolometer 201, and the third row line 222 is connected to the third bolometer. 202 is connected.

또한, 볼로미터(200 내지 202)와 이 볼로미터(200 내지 202)의 하단에 형성된 다이오드의 구조를 보여주는 도면이 도 3 및 도 4에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다. 3 and 4 show the structure of the bolometers 200 to 202 and the diodes formed at the lower ends of the bolometers 200 to 202. This will be described later.

물론, 연장된 다수의 컬럼 라인(210 내지 212) 및 로우 라인(220 내지 222)은 볼로미터 어레이(200 내지 202)를 기판(100)상에 만들기 전에 미리 기판(100) 상에 적층될 수 있다. 또한, 이러한 연장된 다수의 컬럼 라인(210 내지 212) 및 로우 라인(220 내지 222)이 기판(100) 상에서 미리 일정 부분 노출되게 형성되어 있으므로, 출력 제어 집적회로 캡(도 1의 120)과 볼로미터 어레이 캡(도 1의 130)의 본딩을 플립칩 본딩 방식으로 실행하는 것이 가능하다. Of course, the plurality of extended column lines 210-212 and row lines 220-222 may be stacked on the substrate 100 before making the bollometer arrays 200-202 on the substrate 100. In addition, since the extended plurality of column lines 210 to 212 and the row lines 220 to 222 are formed to be partially exposed on the substrate 100 in advance, the output control integrated circuit cap (120 in FIG. 1) and the bolometer Of the array cap (130 in FIG. 1) It is possible to perform the bonding in a flip chip bonding manner.

부연하면, 도 2d에 도시된 바와 같이 기판(100)상에 출력 제어 집적회로(ROIC) 실링 가이드(240) 및 볼로미터 어레이 실링 가이드(230)를 부착시키고, 이 출력 제어 집적회로 실링 가이드(240)에 출력 제어 집적회로 캡(도 1의 120)을, 볼로미터 어레이 실링 가이드(230)에 볼로미터 어레이 캡(도 1의 130)을 진공 부착시킨다.In other words, as shown in FIG. 2D, the output control integrated circuit (ROIC) sealing guide 240 and the bolometer array sealing guide 230 are attached to the substrate 100, and the output control integrated circuit sealing guide 240 is attached. The output control integrated circuit cap (120 in FIG. 1) is vacuum-attached to the bolometer array sealing guide 230 and the bolometer array cap (130 in FIG. 1).

물론, 앞서 기술한 바와 같이, 도 2d에서는 출력 제어 집적회로 캡(120)이 기판(100)상에 볼로미터 어레이 캡(130)과 동시에 부착되는 것으로 도시하였으나, 출력 제어 집적회로(ROIC)와 출력 제어 집적회로 캡(120)은 미리 일체형으로 제작되어 기판(100)에 부착될 수 있다. 이 경우, 출력 제어 집적회로를 기판(100)상에 부착시키는 방식으로는 와이어 본딩이 사용될 수 있다. Of course, as described above, in FIG. 2D, the output control integrated circuit cap 120 is shown to be attached to the substrate 100 at the same time as the bolometer array cap 130, but the output control integrated circuit (ROIC) and the output control are shown. The integrated circuit cap 120 may be manufactured in advance and attached to the substrate 100. In this case, wire bonding may be used as a method of attaching the output control integrated circuit on the substrate 100.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터 어레이 구조만을 보여주는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 볼로미터 어레이의 구조는 볼로미터(201 내지 202), 이 볼로미터(201 내지 202)의 바로 하단에 형성되어 적외선 광선을 집광하는 리플렉터(320 내지 322), 이 리플렉터(320 내지 322)의 하단에 형성되어 볼로미터(201 내지 202)를 스위칭하는 다이오드 어레이(310 내지 312) 및 리플렉터(320 내지 32)와 다이오드(310 내지 312) 사이에 놓이는 메탈층(340 내지 342)으로 구성된다. Figure 3 is a perspective view showing only the bolometer array structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the structure of the bolometer array includes the bolometers 201 to 202, reflectors 320 to 322 which are formed directly under the bolometers 201 to 202 to collect infrared rays, and the reflectors 320 to 322. A diode array 310 to 312 formed at the bottom of the switch and switching the bolometers 201 to 202 and the metal layers 340 to 342 disposed between the reflectors 320 to 32 and the diodes 310 to 312.

물론, 볼로미터(201 내지 202)는 4개의 고정구(330)에 의해 고정 체결되며, 이 고정구(330)에 의해 컬럼 라인(210 내지 212) 및/또는 로우 라인(220 내지 222)에 연결된다. Of course, the bolometers 201 to 202 are fixedly fastened by four fixtures 330, which are connected to column lines 210 to 212 and / or row lines 220 to 222 by the fixtures 330.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서 칩의 단면도이다. 부연하면, 도 4는 도 1 내지 도 3을 참조하여 완성된 적외선 센서 칩을 단면으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, Si 재질의 기판(100), 이 기판(100) 표면에 형성되어 절연되는 절연층(110), 이 절연층(110) 상에 형성되며 연장된 컬럼 라인(210) 및 로우 라인(220), 컬럼 및 로우 라인(210,220) 상에서 고정구(330)에 의해 조립 체결되는 볼로미터(200), 이 고정구(330)에 의해 연결되며 볼로미터(200)를 스위칭하는 다이오드(310), 연장된 컬럼 라인(210) 및 로우 라인(220)과 연결되어 볼로미터(200)의 출력을 제어하는 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit)가 안쪽에 설치되는 출력 제어 집적회로 캡(120) 및 출력 제어 집적회로 캡(120)과 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 볼로미터(120)를 진공 패키징하는 볼로미터 어레이 캡(130)을 포함한다. 4 is a cross-sectional view of an infrared sensor chip according to an embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view illustrating the completed infrared sensor chip with reference to FIGS. 1 to 3. Referring to FIG. 4, a substrate 100 made of Si, an insulating layer 110 formed and insulated on the surface of the substrate 100, column lines 210 and rows formed on the insulating layer 110 and extended Bollometer 200, assembled by fasteners 330 on lines 220, columns and row lines 210, 220, diode 310 connected by the fixture 330 and switching bolomers 200, elongated An output control integrated circuit cap 120 connected to the column line 210 and the row line 220 to control an output of the bolometer 200 and having a read-out integrated circuit (ROIC) installed therein; The boilometer array cap 130 vacuum-packs the bolometer 120 spaced apart from the output control integrated circuit cap 120 in the horizontal direction by a predetermined distance.

물론, 이때, 출력 제어 집적회로 캡(120)과 기판(100) 사이에는 진공을 위한 출력 제어 집적회로 실링 가이드(240)가 설치된다. 또한, 볼로미터 어레이 캡(130)과 기판(100) 사이에는 진공을 위한 볼로미터 어레이 실링 가이드(230)가 설치되는 것을 특징으로 한다. Of course, at this time, an output control integrated circuit sealing guide 240 for vacuum is installed between the output control integrated circuit cap 120 and the substrate 100. In addition, the bolometer array sealing guide 230 for vacuum is installed between the bolometer array cap 130 and the substrate 100.

여기서, 출력 제어 집적회로 및 볼로미터 어레이 캡(120,130)은 Si 등의 재질을 사용한다. Here, the output control integrated circuit and the bolometer array caps 120 and 130 use a material such as Si.

또한, 다이오드(310)와 볼로미터(200)는 미리 기판상에 형성될 수 있다. 이러한 다이오드 및 볼로미터 제조 공정은 널리 알려져 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다. In addition, the diode 310 and the bolometer 200 may be formed on the substrate in advance. Since the diode and bolometer manufacturing process is well known, further description thereof will be omitted.

미리 형성된 다이오드(310) 및 볼로미터(200)로 구성된 볼로미터 어레이를 이용하여 본 발명에 따른 적외선 센서 칩을 생성하는 SIP(System In Process) 공정은 다음과 같다. A SIP (System In Process) process for generating an infrared sensor chip according to the present invention using a bolometer array composed of a pre-formed diode 310 and a bolometer 200 is as follows.

① 다이오드 어레이(310.311,312)를 기판(100) 상에 형성한다. ① Diode arrays 310.311 and 312 are formed on the substrate 100.

② 모놀리딕 방식을 이용하여 볼로미터(200)로 구성된 볼로미터 어레이(200,201,202)를 다이오드 어레이(310,311,312)와 연결시킨다.② Using the monolithic method, connect the bollometer arrays 200, 201, and 202 composed of the bollometers 200 with the diode arrays 310, 311, 312.

③ 이 볼로미터 어레이(200,201,202)와 연결시키며 연장된 다수의 컬럼 라인(210 내지 212) 및 로우 라인(220 내지 222)을 기판(100) 상에 형성한다. (3) A plurality of extended column lines 210 to 212 and row lines 220 to 222 are connected to the bolometer arrays 200, 201 and 202 on the substrate 100.

④ 출력 제어 집적회로 캡(120)과 본딩되는 출력 제어 집적회로 실링 가이드(240) 및 볼로미터 어레이(200,201,202)와 본딩되는 볼로미터 어레이 실링 가이드(230)를 부착한다. (4) Attach the output control integrated circuit sealing guide 240 bonded to the output control integrated circuit cap 120 and the bolometer array sealing guide 230 bonded to the bolometer arrays 200, 201 and 202.

⑤ 이 볼로미터 어레이(200,201,202)의 출력을 제어하도록 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit)를 연장된 다수의 컬럼 라인(210 내지 212) 및 로우 라인(220 내지 222)과 연결시킨다. (5) An output control integrated circuit (ROIC) is connected to a plurality of extended column lines 210 to 212 and row lines 220 to 222 to control the outputs of the bolometer arrays 200, 201, and 202.

⑥ 출력 제어 집적회로 캡(120)을 덮어 출력 제어 집적회로를 진공 패키징한다. ⑥ Vacuum package the output control integrated circuit by covering the output control integrated circuit cap (120).

⑦ 출력 제어 집적회로 캡(120)과 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 볼로미터 어레이 캡(130)을 덮어 상기 볼로미터 어레이를 진공 패키징한다. The vacuum is packaged in the bolometer array by covering the bolometer array cap 130 spaced apart from the output control integrated circuit cap 120 in a horizontal direction.

이때, 볼로미터 어레이와 출력 제어 집적회로의 크기는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. In this case, the size of the bolometer array and the output control integrated circuit may or may not be the same.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼로미터 어레이의 개념도이다. 도 5를 참조하면, 볼로미터(200)가 다이오드(310)와 직접 연결되며, 다이오드(310)는 로우 라인(R0)에 연결된다. 이러한 구조가 반복되어 어레이 형태가 된다. 물론, 컬럼 라인(C0,C2,C3) 및/또는 로우 라인(R0,R1)의 끝단에는 출력 제어 집적회로 캡(120) 내에 구성된 ROIC 회로가 연결된다.
5 is a conceptual diagram of a bolometer array according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the bolometer 200 is directly connected to the diode 310, and the diode 310 is connected to the low line R 0 . This structure is repeated to form an array. Of course, the ends of the column lines C 0 , C 2 , C 3 and / or row lines R 0 , R 1 are connected to a ROIC circuit configured in the output control integrated circuit cap 120.

100: 기판 110: 절연막
120: 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit) 캡
130: 볼로미터 어레이 캡
200 내지 202: 볼로미터 어레이
210 내지 212: 컬럼(column) 라인
220 내지 222: 로우(row) 라인
230: 볼로미터 어레이 실링 가이드
240: ROIC 실링 가이드 310 내지 312: 다이오드 어레이
320 내지 322: 리플렉터 330 내지 332: 고정구
340 내지 342: 메탈층100 substrate 110 insulating film
120: read-out integrated circuit (ROIC) cap
130: bolometer array cap
200 to 202: bolometer array
210 to 212: column line
220 to 222: row line
230: bolometer array sealing guide
240: ROIC sealing guide 310 to 312: diode array
320 to 322: reflectors 330 to 332: fasteners
340 to 342: metal layer

Claims (6)

스위칭 기능을 수행하는 다이오드 어레이가 기판 상에 형성되는 다이오드 어레이 형성 단계;
상기 다이오드 어레이 상에 모놀리딕 방식을 이용하여 볼로미터 어레이를 상기 다이오드 어레이에 연결시키는 볼로미터 어레이 형성 단계;
상기 볼로미터 어레이와 연결되며 연장된 컬럼 라인 및 로우 라인이 생성되는 연장 라인 형성단계;
상기 볼로미터 어레이의 출력을 제어하도록 출력 제어 집적회로(ROIC: Read-Out Integrated Circuit)가 상기 연장된 컬럼 라인 및 로우 라인과 연결되는 라인 연결 단계;
출력 제어 집적회로 캡을 덮어 상기 출력 제어 집적회로를 진공 패키징하는 출력 제어 집적회로 진공 패키징 단계; 및
상기 출력 제어 집적회로 캡과 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 볼로미터 어레이 캡을 덮어 상기 볼로미터 어레이를 진공 패키징하는 볼로미터 어레이 진공 패키징 단계
를 포함하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA(Semi-Active Focal Plane Array) 센서의 시스템 인 패키징 방법.
Forming a diode array on the substrate, the diode array forming a switching function;
Forming a bolometer array connecting the bolometer array to the diode array using a monolithic method on the diode array;
An extension line forming step connected to the bolometer array and generating extended column lines and row lines;
A line connection step in which an output control integrated circuit (ROIC) is connected to the extended column line and the row line to control an output of the bolometer array;
An output control integrated circuit vacuum packaging step of vacuum packaging the output control integrated circuit by covering an output control integrated circuit cap; And
Bolometer array vacuum packaging step of vacuum packaging the bolometer array by covering the bolometer array cap spaced apart at a predetermined interval in the horizontal direction with the output control integrated circuit cap
System-in-packaging method of the SA-FPA (Semi-Active Focal Plane Array) sensor using a diode switching comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 볼로미터 어레이는,
상기 다이오드 어레이의 다이오드 각각에 직렬로 연결되며 상기 컬럼 라인 또는 로우 라인에 연결되는 볼로미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법.
The method of claim 1,
The bolometer array,
And a bolometer connected in series to each diode of the diode array and connected to the column line or the low line.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다이오드 어레이는 상기 볼로미터 어레이의 하단에 위치하며, 상기 다이오드와 볼로미터 사이의 각각에는 리플렉터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법.
The method according to claim 1 or 2,
The diode array is located at the bottom of the bolometer array, the method of packaging the SA-FPA sensor system using diode switching, characterized in that each of the diode and the bolometer further comprises a reflector.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 볼로미터 어레이 형성 단계는, 상기 연장된 컬럼 라인 및 로우 라인은 상기 볼로미터 어레이를 상기 기판상에 만들기 전에 사전에 상기 기판 상에 적층되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법.
The method according to claim 1 or 2,
The forming of the bolometer array includes the step of stacking the extended column line and the row line on the substrate before making the bolometer array on the substrate. System-in-package method.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 출력 제어 집적회로 진공 패키징 단계는, 상기 출력 제어 집적회로 캡과 상기 기판 사이에는 진공을 위한 출력 제어 집적회로 실링 가이드를 설치하는 단계를 더 포함하며,
상기 볼로미터 어레이 진공 패키징 단계는, 상기 볼로미터 어레이 캡과 상기 기판 사이에는 진공을 위한 볼로미터 어레이 실링 가이드가 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법.
The method according to claim 1 or 2,
The output control integrated circuit vacuum packaging step further includes installing an output control integrated circuit sealing guide for vacuum between the output control integrated circuit cap and the substrate,
The bolometer array vacuum packaging step further comprises installing a bolometer array sealing guide for vacuum between the bolometer array cap and the substrate.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 볼로미터 어레이와 출력 제어 집적회로의 크기는 동일하거나 동일하지 않으며,
상기 출력 제어 집적회로와 출력 제어 집적회로 캡은 미리 일체형으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 다이오드 스위칭을 이용한 SA-FPA 센서의 시스템 인 패키징 방법.The method according to claim 1 or 2,
The bolometer array and the output control integrated circuit are the same or not the same size,
And the output control integrated circuit and the output control integrated circuit cap are manufactured in one-piece in advance.
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