KR101212974B1 - 멤스 디바이스 면적을 저감하는 관성 센서 패키지 및 그의 제작방법 - Google Patents

멤스 디바이스 면적을 저감하는 관성 센서 패키지 및 그의 제작방법 Download PDF

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Abstract

멤스 디바이스 면적을 저감하는 관성 센서 패키지 및 그의 제작방법이 개시된다. 본 발명의 관성 센서 패키지는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 일면에 형성되는 관성 센서를 포함하는 멤스 디바이스로서, 상기 반도체 기판에는, 상기 반도체 기판을 관통하며 비아홀 도전체가 증착되는 관통 비아홀이 마련되는 상기 멤스 디바이스; 및 상기 반도체 기판의 일면에 부착되는 보호캡으로서, 상기 관성 센서를 보호하기 위한 보호 공간을 마련하는 상기 보호캡을 구비한다. 그리고, 상기 관성 센서는 상기 반도체 기판에 고정되는 고정 전극; 및 관성력에 따라 상기 반도체 기판에 대한 상대적 위치가 변화되는 유동 전극을 구비한다. 그리고, 상기 고정 전극 및 상기 유동 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 관통 비아홀의 상기 비아홀 도전체를 통하여 상기 관성 센서를 구동하는 구동칩에 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 구동칩이 반도체 기판을 관통하는 관통 비아홀과 금속배선으로 연결되는 패드를 통하여, 관성 센서와 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 본 발명의 관성 센서 패키지에 의하면, 상기 관성 센서와 상기 구동칩을 연결하기 위한 별개의 연결 전극이 요구되지 않으므로, 전체적으로 멤스 디바이스의 면적이 현저히 감소된다.

Description

멤스 디바이스 면적을 저감하는 관성 센서 패키지 및 그의 제작방법{Inertial Sensor Package with reducing MEMS device area and fabrication method therefor}
본 발명은 관성 센서 패키지(Inertial Sensor Package)에 관한 것으로, 특히, 반도체 기판의 관통 비아홀을 이용하여 멤스 디바이스 면적을 저감하는 관성 센서 패키지 및 그의 제작방법에 관한 것이다.
MEMS 기술은 반도체 기판 상에 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위로 정교하게 제작하는 기술로서, 정밀 가공성, 제품간 균일성, 우수한 생산성 등이 적용되어 성능을 향상시키는 기술로 인정받고 있다.
이러한 멤스 기술로 제작된 대표적인 제품이 가속도 센서, 자이로 센서 등과 같은 관성 센서로서, 물체에 가속도 등과 같은 관성력이 인가될 때, 부유된 구조물의 상하 운동에 따른 변화를 측정하여, 인가되는 관성력을 감지한다.
관성 센서는 반도체 기판 상에 동일한 형태로 반복되어 형성되는 것이 일반적이다. 그리고, 관성 센서가 형성된 기판은, 보호 및/또는 감도를 높일 목적으로 별도의 공정으로 제작된 보호캡이 관성 센서와 대향하여 형성된 반도체 기판과 접합된다. 이렇게 반도체 기판에 형성된 관성 센서를 외부와 연결 가능하고 외부 환경으로부터 보호될 수 있게 만드는 것을 관성 센서 패키지라고 한다. 이때, 관성 센서 다이(die)의 고밀도 및 소형화를 위하여, 관성 센서 패키지를 개선하여 전체적으로 관성 센서를 포함하는 멤스 디바이스의 면적을 저감하는 것이 요구된다.
도 1은 기존의 관성 센서 패키지를 설명하기 위한 도면이다. 기존의 관성 센서 패키지는, 반도체 기판(11) 상에 형성되는 관성 센서(13)를 포함하는 멤스 디바이스(10)를 포함한다. 이때, 상기 관성 센서(13)는 서로 마주보며 형성되는 고정 전극(13a) 및 유동 전극(13b)를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 관성 센서(13)의 고정전극(13a) 및 유동 전극(13b)은 상기 반도체 기판(11)에 부착되어 보호 공간(SPC)을 마련하는 보호캡(20)에 의하여 보호된다. 상기 관성 센서(13)를 구동하는 구동칩(30)은 상기 보호 공간(SPC)의 외부인 상기 보호캡(20)의 상부 또는 측면에 형성된다.
그런데, 기존의 관성 센서 패키지에서는, 상기 구동칩(30)을 상기 관성 센서(13)에 전기적으로 연결하기 위하여, 상기 관성 센서(13)의 고정 전극(13a) 및 유동 전극(13b)이 상기 반도체 기판(11) 상에서 상기 보호캡(20)의 외부로 확장되어 형성되는 연결 전극(EL-CON)이 마련된다. 그리고, 상기 연결 전극(EL-CON)은 패드 와이어(PWR)를 통하여, 상기 구동칩(30)에 연결된다.
이에 따라, 기존의 관성 센서 패키지에서는, 상기 연결 전극(EL-CON)을 형성하기 위한 면적이 필요하므로, 전체적으로 멤스 디바이스(10)의 면적이 크게 되는 문제점이 발생된다.
참고로, 기존의 관성 센서 패키지에서는, 상기 관성 센서(13)를 보호하기 위한 가드링 월(17)과 상기 보호캡(20) 사이에 접합층(15)이 형성된다. 또한, 도 1에는 미도시되었지만, 상기 고정 전극(13a) 및 유동 전극(13b)과 상기 연결 전극(EL-CON)의 전기적 연결을 위한 구조가 형성된다.
본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보호캡의 외부에 형성되는 연결 전극을 배제하여 구현됨으로써, 전체적으로 멤스 디바이스의 면적이 감소되는 관성 센서 패키지 및 그의 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 관성 센서 패키지에 관한 것이다. 본 발명의 관성 센서 패키지는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 일면에 형성되는 관성 센서를 포함하는 멤스 디바이스로서, 상기 반도체 기판에는, 상기 반도체 기판을 관통하며 비아홀 도전체가 증착되는 관통 비아홀이 마련되는 상기 멤스 디바이스; 및 상기 반도체 기판의 일면에 부착되는 보호캡으로서, 상기 관성 센서를 보호하기 위한 보호 공간을 마련하는 상기 보호캡을 구비한다. 그리고, 상기 관성 센서는 상기 반도체 기판에 고정되는 고정 전극; 및 관성력에 따라 상기 반도체 기판에 대한 상대적 위치가 변화되는 유동 전극을 구비한다. 그리고, 상기 고정 전극 및 상기 유동 전극 중의 적어도 어느 하나는 상기 관통 비아홀의 상기 비아홀 도전체를 통하여 상기 관성 센서를 구동하는 구동칩에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 관성 센서 패키지의 제작방법에 관한 것이다. 본 발명의 관성 센서 패키지의 제작방법은 반도체 기판의 일면에 관성 센서를 제작하는 A)단계; 상기 관성 센서를 보호하는 보호 공간을 마련하기 위하여, 상기 반도체 기판의 일면에 보호캡을 부착하는 B) 단계; 및 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 비아홀을 형성하며, 상기 관통 비아홀에 비아홀 도전체를 증착하는 C) 단계로서, 상기 관성 센서는 상기 관통 비아홀의 비아홀 도전체을 통하여 자신을 구동하는 구동칩에 커플링될 수 있는 상기 C) 단계를 구비한다.
본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 구동칩이 반도체 기판을 관통하는 관통 비아홀과 금속배선으로 연결되는 패드를 통하여, 관성 센서와 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 본 발명의 관성 센서 패키지에 의하면, 상기 관성 센서와 상기 구동칩을 연결하기 위한 별개의 연결 전극이 요구되지 않으므로, 전체적으로 멤스 디바이스의 면적이 현저히 감소된다.
또한, 본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 상기 보호캡은 상기 가드링 월에 전기적 연결이 보장되는 실리콘 직접 접합, 금속 열압착 접합 또는 공융 접합의 방법으로 부착된다. 이에 따라, 본 발명의 관성 센서 패키지에 의하면, 상기 보호캡과 상기 가드링 월 사이의 전기적 연결을 위한 별도의 내부 배선이 요구되지 않으며, 그 결과, 그 제조 공정이 간단하게 되는 장점이 발생된다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 기존의 관성 센서 패키지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관성 센서 패키지를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 관성 센서 패키지의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도3의 관성 센서 패키지의 제작 방법의 각 단계의 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관성 센서 패키지를 나타내는 도면이다. 도 2에서는, 관성 센서 패키지의 전체가 아니라, 본 발명의 기술적 사상과 관련되는 부분이 중심적으로 도시된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 관성 센서 패키지는 멤스 디바이스(100) 및 보호캡(200)을 구비한다.
상기 멤스 디바이스(100)는 반도체 기판(110)과 상기 반도체 기판(110)의 일면(도 2에서는, '상부면'에 해당됨)에 형성되는 관성 센서(130)을 포함한다. 참고로, 도 2에서는, 수직축 방향의 관성을 감지하는 수직축 관성 센서가 도시된다.
이때, 상기 반도체 기판(110)에는, 자신을 관통하는 관통 비아홀(TSV)이 마련된다. 그리고, 상기 관통 비아홀(TSV)은 전도성의 비아홀 도전체(113)가 증착되어 매워진다. 바람직하기로는, 상기 비아홀 도전체(113)는 상기 비아홀(TSV)의 표면에 절연막(115)를 형성한 후, 구리(copper) 성분의 물질로 증착하여 구현된다.
이러한, 관통 비아홀(TSV), 비아홀 도전체(113) 및 절연막(115)의 형성은 당업자에게는 자명하므로, 본 명세서에서는, 그에 대한 구체적인 기술은 생략된다.
상기 보호캡(200)은 상기 반도체 기판(110)의 일면에 부착되어 상기 관성 센서(130)을 보호하는 보호 공간(SPC)을 마련한다. 구체적으로 기술하면, 상기 반도체 기판(110)의 일면에는, 상기 관성 센서(130)을 포위하도록 가드링 월(150)이 형성된다.
이때, 상기 보호캡(200)과 상기 가드링 월(150)은 상기 관성 센서(130)의 센싱 동작시에 모두 접지전압(VSS)으로 제어됨으로써, 상기 관성 센서(130)를 보호하는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 보호캡(200)과 상기 가드링 월(150)에 절연막이 배제되며, 상기 보호캡(200)은 상기 가드링 월(150)에 전기적 연결이 보장되는 실리콘 직접 접합, 금속 열압착 접합 또는 공융 접합의 방법으로 부착된다.
상기 구동칩(300)은 상기 관성 센서(130)와 전기적으로 연결되어 상기 관성 센서(130)를 구동한다. 구체적으로, 상기 관성 센서(130)는 상기 관통 비아홀(111)에 형성되는 상기 비아홀 도전체(113)를 금속 배선(미도시)으로 연장하여 생성되는 멤스 패드(170)를 통하여 상기 구동칩(300)에 전기적으로 연결된다.
상기 관성 센서(130)는 콤(comb) 구조로 형성되는 다수개의 고정 전극(131)들 및 유동 전극(133)들을 구비한다. 즉, 상기 다수개의 고정 전극(131)들과 유동 전극(133)들은 교번하여 배치되며, 서로 마주보는 구조로 형성된다.
이때, 상기 고정 전극(131)들은 상기 반도체 기판(110)에 고정되며, 상기 유동 전극(133)들은 관성에 따라 상기 반도체 기판(110)에 대하여 상대적 위치가 변화된다. 그러므로, 반도체 기판(110)에 대하여 수직 방향으로 관성이 작용하는 경우, 상기 고정 전극(131)과 상기 유동 전극(133) 사이의 대향 면적이 변화되며, 이에 따라, 상기 고정 전극(131)과 상기 유동 전극(133) 사이의 용량성 캐패시턴스도 변화된다. 그리고, 이러한 용량성 캐패시턴스의 변화는 상기 구동칩(300)에서 감지되어, 작용하는 관성력이 감지된다.
본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 상기 고정 전극(131) 및 상기 유동 전극(133) 중의 적어도 어느 하나는 연결 기둥(135, 137)와 연결되며, 상기 연결 기둥(135, 137)은 상기 관통 비아홀(111)의 상기 비아홀 도전체(113)를 금속 배선(미도시)으로 연장하여 생성되는 멤스 패드(170)를 통하여 상기 구동칩(300)에 전기적으로 연결된다.
상기 멤스 패드(170)는, 도 2에서는, 미도시되었지만, 상기 비아홀 도전체(113)와 전기적으로 연결됨을 전술한 바와 같다.
그리고, 상기 구동칩(300)은 상기 멤스 패드(170)와 와이어 본딩되어 전기적으로 연결되는 칩 패드(310)를 구비한다. 이에 따라, 상기 구동칩(300)은 상기 관성 센서(130)와 전기적으로 연결된다.
계속하여, 본 발명의 관성 센서 패키지의 제작 방법이 기술된다.
도 3은 본 발명의 관성 센서 패키지의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, S10 단계에서, 상기 반도체 기판(110)의 일면에 관성 센서(130)를 형성한다(도 4a 참조).
또한, S10단계에서는, 상기 관성 센서(130)를 전기적으로 보호하기 위한 가드링 월(170)도 형성되어, 상기 멤스 디바이스(100)가 제작된다.
S20 단계에서는, 반도체 기판(110)의 일면에 보호캡(200)이 부착된다(도 4b 참조). 상기 보호캡(200)의 부착에 의하여, 상기 관성 센서(130)를 보호하기 위한 보호 공간이 마련된다.
그리고, S30 단계에서는, 상기 반도체 기판(110)을 관통하는 상기 관통 비아홀(TSV)이 형성되고, 상기 관통 비아홀(TSV)에는 절연막(115)가 형성된 후에 비아홀 도전체(113)가 증착된다(도 4c 참조). 이때, 상기 관성 센서(130)는 상기 관통 비아홀(TSV)의 비아홀 도전체(113)이 확장되어 형성되는 멤스 패드(170)를 통하여 자신을 구동하는 구동칩(300)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 반도체 기판의 일면에 관성 센서를 보호하기 위한 보호캡이 부착되며, 관성 센서를 구동하는 구동칩은 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 비아홀을 통하여, 관성 센서와 전기적으로 연결된다.
이에 따라, 본 발명의 관성 센서 패키지에 의하면, 상기 관성 센서와 상기 구동칩을 연결하기 위한 연결 전극이 보호캡의 외부에 형성되는 기존의 관성 센서 패키지에 비하여, 전체적으로 멤스 디바이스의 면적이 현저히 감소된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 보호캡의 외부에 형성되는 연결 전극이 요구되지 않으므로, 상기 보호캡(200)과 상기 가드링 월(150)에 절연막이 배제될 수 있으며, 상기 보호캡(200)은 상기 가드링 월(150)에 전기적 연결이 보장되는 실리콘 직접 접합, 금속 열압착 접합 또는 공융 접합의 방법으로 부착된다.
이에 따라 본 발명의 관성 센서 패키지에 의하면, 상기 보호캡(200)과 상기 가드링 월(150) 사이의 전기적 연결을 위한 별도의 내부 배선이 요구되지 않는다.
그 결과, 본 발명의 관성 센서 패키지에서는, 관성 센서의 보호를 위하여 접지전압으로 제어되는 보호캡과 가드링 월이 별도의 접지 와이어(GWR)에 의하여 연결되는 기존의 관성 센서 패키지에 비하여, 그 제조 공정이 간단하게 되는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 관성 센서 패키지에 있어서,
    반도체 기판과 상기 반도체 기판의 일면에 형성되는 관성 센서를 포함하는 멤스 디바이스로서, 상기 반도체 기판에는, 상기 반도체 기판을 관통하며 비아홀 도전체가 증착되는 관통 비아홀이 마련되는 상기 멤스 디바이스; 및
    상기 반도체 기판의 일면에 부착되는 보호캡으로서, 상기 관성 센서를 보호하기 위한 보호 공간을 마련하는 상기 보호캡을 구비하며,
    상기 관성 센서는
    상기 반도체 기판에 고정되는 고정 전극; 및
    관성력에 따라 상기 반도체 기판에 대한 상대적 위치가 변화되는 유동 전극을 구비하며,
    상기 고정 전극 및 상기 유동 전극 중의 적어도 어느 하나는
    상기 관통 비아홀의 상기 비아홀 도전체를 통하여 상기 관성 센서를 구동하는 구동칩에 전기적으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 관성 센서 패키지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 멤스 디바이스는
    상기 반도체 기판의 다른 일면에 형성되는 멤스 패드로서, 상기 비아홀 도전체와 전기적으로 커플링되는 상기 멤스 패드를 더 구비하며,
    상기 멤스 패드는
    상기 구동칩에 전기적으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 관성 센서 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고정 전극과 상기 유동 전극은
    콤(comb) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 관성 센서 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멤스 디바이스는
    상기 관성 센서를 포위하여 형성되는 가드링 월을 구비하며,
    상기 보호캡은
    실리콘 직접 본딩으로 상기 가드링 월에 부착되는 것을 특징으로 하는 관성 센서 패키지.
  6. 관성 센서 패키지의 제작방법에 있어서,
    반도체 기판의 일면에 관성 센서를 제작하는 A)단계;
    상기 관성 센서를 보호하는 보호 공간을 마련하기 위하여, 상기 반도체 기판의 일면에 보호캡을 부착하는 B) 단계;
    상기 반도체 기판을 관통하는 관통 비아홀을 형성하며, 상기 관통 비아홀에 비아홀 도전체를 증착하는 C) 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 관성 센서 패키지의 제작방법.
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