KR101224448B1 - 센서 패키지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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김성민
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Abstract

본 발명은 센서 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 센서 패키지는 캔 타입의 커버와, 멤스 트랜스듀서와 반도체 회로 소자가 실장되는 기판 및 이물질 유입 방지 부재를 포함한다. 커버는 단일층의 금속 재질로 제조되며, 상부면 일측에 음향 또는 음압 신호를 받아들이는 음향홀 또는 압력홀을 구비한다. 이물질 유입 방지 부재는 음향홀 또는 압력홀을 통해 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위하여, 커버의 내측 상부면에 부착되어 음향홀 또는 압력홀을 덮는다. 본 발명에 의하면, 이물질 유입 방지 부재가 커버의 내측 상부면에 구비됨으로써, 음향홀 또는 압력홀로부터 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 제조 방법이 용이하고, 대량 생산 및 자동화 생산이 가능하다. 뿐만 아니라, 후속 리플로우 솔더링 공정에서 고온에 의한 이물질 유입 방지 부재의 손상을 방지할 수 있으며, 음향 또는 음압 신호의 감도 저하를 최소화할 수 있다.

Description

센서 패키지 및 그의 제조 방법{SENSOR PACKAGE AND METHOD FOR PRODUCTING OF THE SAME}
본 발명은 센서 패키지(SENSOR PACKAGE)에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 내부 오염을 방지하고, 성능 저하를 최소화하기 위하여, 이물질 유입 방지부를 구비하는 센서 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
또 본 발명은 표면 실장 기술(Surface Mounting Technology : SMT)을 이용하여 제조 가능하도록 내열성을 갖는 이물질 유입 방지부를 구비하는 센서 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근들어, 휴대폰, 스마트폰 등의 이동 통신용 단말기나, 타블랫 PC, MP3 플레이어 등과 같은 소형 전자 장치들은 보다 소형화 및 경량화되고 있는 추세이다. 이러한 추세에 따라 소형 전자 장치들을 구성하는 부품 또한 더욱 소형화 및 경량화되어가고 있다. 그러나 소형 전자기기에 사용되던 센서는 기계적인 가동 부위가 포함되어 있기 때문에 최소한의 크기 이하로는 더 이상 축소가 어려운 물리적 한계가 있다.
따라서 센서 크기의 물리적 한계를 해결할 수 있는 멤스(Micro Electro Mechanical System : MEMS) 기술 개발이 집중적으로 이루어지고 있다.
예를 들어 멤스 기술이 적용된 음향 센서인 멤스 마이크로폰이 그 중 하나이다.
멤스 기술이란, 반도체 공정 특히, 집적 회로 기술을 응용한 마이크로 머시닝(micro machining) 기술을 이용하여 마이크로 단위의 초소형 센서나 액츄에이터 및 전기 기계적 구조체물을 제작하는데 일반적으로 응용된다. 이와 같은 멤스 기술이 적용된 실시예로 멤스 마이크로폰은 초소형의 소자를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 기판 예컨대, 실리콘 웨이퍼 상에서 복수개의 멤스 마이크로폰을 제조할 수 있어 대량 생산이 가능하다. 또한, 멤스 마이크로폰의 대량 생산으로 인한 생산성 향상으로 제조 단가를 절감할 수 있다.
이러한 멤스 마이크로폰에 대한 기술은 이미 다양하게 공개되어 있다. 예를 들어, 국내 공개특허공보 제10-2007-0053763호(공개일 2007년 5월 25일)의 '실리콘 콘덴서 마이크로폰과 그 제작 방법', 동 공개특허공보 제10-2007-0078391호(공개일 2007년 7월 31일)의 '소형 마이크로폰용 탄성 중합체 실드' 그리고 동 등록특허공보 제10-0971293호(공고일 2010년 7월 13일)의 '마이크로폰' 등이 있다.
상술한 기술들의 멤스 마이크로폰을 포함한 센서는 신호를 받아들이기 위하여 프론트(front) 타입으로서 하우징 또는 케이스의 전면에 음향홀 또는 압력홀을 구비하거나, 리어(rear) 타입으로서 인쇄 회로 기판의 후면에 음향홀 또는 압력홀을 구비한다. 또 멤스 마이크로폰은 음향 또는 음압 신호의 감도 저하를 방지하기 위하여, 음향홀 또는 압력홀을 통해 이물질 예를 들어, 미세 먼지나 물입자 등의 유입을 방지하도록 음향홀 또는 압력홀을 덮는 이물질 유입 방지부재를 구비한다.
예를 들어, 등록특허공보 제10-0971293호의 마이크로폰(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 음공(4)을 구비하는 인쇄 회로 기판(2)이 케이스(14) 내부에 장착된다.
구체적으로 마이크로폰(10)은 케이스(14)와, 케이스(14) 내부에 설치되어 외부로부터 유입된 음향 신호를 전기 신호로 변환하는 전기 신호 발생부(30)를 포함한다. 케이스(14)에는 인쇄 회로 기판(2)의 음공(4)에 대응하는 위치에 외부의 음성 신호를 내부의 멤스 다이까지 전달하기 위한 케이스 음공(16)이 형성된다.
인쇄회로기판(2)에는 다이어프램(diaphragm)이 형성된 멤스 다이와, 전기 신호를 증폭 및 필터링하여 외부 장치로 전송하기 위한 ASIC, 증폭기, 필터 등의 회로 소자들이 표면 실장 기술(Surface Mount Technology) 또는 와이어 본딩(wire bonding) 등의 방식을 이용하여 전기 신호 발생부(30)가 실장된다. 또 인쇄회로기판(2)에는 내부 소자들 간의 신호 전달을 위한 도전 패턴(미도시됨)이 형성된다.
인쇄 회로 기판(2)은 복수 개의 개별층이 적층되어 결합된 다수층으로 이루어진다. 예컨대, 인쇄 회로 기판(2)은 상하로 동박층, 이물질 유입 방지 부재(20)의 결합을 위한 프리프레그(prepreg), 이물질 유입 방지 부재(20), 프리프레그, 동박층, 프리프레그 그리고 동박층으로 이루어진다. 동박층들에는 전기적 회로가 형성되고, 프리프레그들에 의해 각 동박층들과 이물질 유입 방지 부재(20)가 상호 적층된다.
이러한 인쇄 회로 기판(2)은 프리프레그 층을 각각 동박층들과 이물질 유입 방지 부재 사이에 배치한 후, 상하 수직 방향에서 가압하여 각각의 층들이 용융접착되어 제작된다.
케이스(14)의 하부에는 하부 인쇄 회로 기판(12)이 구비된다. 하부 인쇄 회로 기판(12)에는 인쇄 회로 기판(2)의 전기 신호 발생부(30)로부터 음향 신호가 변환된 전기 신호를 전달받아서 외부 장치(미도시됨)로 인가하기 위해 복수 개의 단자(18)들이 형성된다. 도전 부재(6)는 케이스의 양측에 설치되어, 인쇄 회로 기판(2)에서 생성된 전기 신호를 하부 인쇄 회로 기판(12)의 단자(18)들에 전달하기 위한 도전 경로의 역할을 수행한다.
상술한 바와 같이, 종래기술의 멤스 마이크로폰(10)은 이물질 유입 방지부재(20)가 인쇄회로기판(2)을 형성하는 복수 개의 층들 사이에 구비되므로, 그 제조 공정이 복잡하고, 이로 인하여 멤스 마이크로폰(10)의 대량 생산 및 자동화 생산에 어려움이 따른다.
본 발명의 목적은 이물질 유입을 방지하기 위한 센서 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이물질 유입을 방지하기 위한 센서 패키지의 제조가 용이한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발수 가능, 내열성 향상 및 감도 저하를 최소화하여 이물질 유입을 방지하는 센서 패키지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 센서 패키지, 예를 들어 멤스 마이크로폰은 음향홀로부터 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있도록 음향홀을 덮는 이물질 유입 방지 부재를 단일층의 캔 타입 커버의 내측 상부면에 부착시키는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 멤스 마이크로폰은 제조 방법이 용이하고, 대량 생산 및 자동화 생산이 가능하고, 음향 신호의 감도 저하를 최소화할 수 있으며, 후속 리플로우 솔더링 공정에서 고온에 의한 이물질 유입 방지 부재의 손상을 방지할 수 있다.
이 특징에 따른 본 발명의 센서 패키지는, 음향 또는 음압 신호를 전기적인 신호로 변환하는 멤스 트랜스듀서가 장착되고, 상기 멤스 트랜스듀서와 전기적으로 연결되어 상기 전기적인 신호를 증폭하는 반도체 회로 소자가 장착되는 기판과; 상기 기판의 상부와 결합하여 내부에 상기 멤스 트랜스듀서와 상기 반도체 회로 소자가 수용되는 공간을 형성하고, 외부로부터 입력되는 음향 또는 음압 신호를 상기 멤스 트랜스듀서로 제공하는 음향홀 또는 압력홀이 형성되는 커버 및; 상기 커버의 내측 상부면에 부착되어 상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 통해 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 덮는 이물질 유입 방지 부재를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 커버는 단일층의 금속 재질로 형성되는 캔 타입으로 구비된다.
다른 실시예에 있어서, 상기 이물질 방지부재는 발수 및 내열성의 금속, 수지 및 섬유 재질 중 어느 하나로 구비된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 음향홀 또는 압력홀로부터 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위하여 이물질 유입 방지 부재를 구비하는 센서 패키지의 제조 방법이 제공된다.
이 특징에 따른 방법은, 기판에 음향 또는 음압 신호를 전기적인 신호로 변환하는 멤스 트랜스듀서와 상기 멤스 트랜스듀서에 전기적으로 연결되는 반도체 회로 소자를 실장하는 단계와; 일측에 음향 또는 음압 신호를 입력받는 음향홀 또는 압력홀을 형성하고, 상기 기판과 결합하여 상기 상기 멤스 트랜스듀서와 상기 반도체 회로 소자가 실장된 상기 기판의 상부를 덮는 단일층의 금속 재질로 캔 타입의 커버를 제작하는 단계와; 상기 커버의 내측 상부면에 상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 덮는 이물질 방지부재를 부착하는 단계 및; 상기 기판의 상부면에 상기 커버를 밀폐되도록 결합하는 단계를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 방법은; 상기 기판과 상기 커버가 결합된 상기 센서 패키지를 리플로우 솔더링 공정으로 후속 공정 처리하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 이물질 방지부재를 부착하는 단계는; 상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 발수 및 내열성의 금속, 수지 및 섬유 재질 중 어느 하나로 덮는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 센서 패키지, 실시예로서 멤스 마이크로폰은 음향홀을 덮는 이물질 유입 방지 부재를 구비함으로써, 음향홀로부터 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 센서 패키지, 실시예로서 멤스 마이크로폰은 이물질 유입 방지 부재를 단일층의 캔 타입 커버의 내측 상부면에 부착시킴으로써, 제조 방법이 용이하고, 대량 생산 및 자동화 생산이 가능하다.
또 본 발명의 센서 패키지, 실시예로서 멤스 마이크로폰은 이물질 유입 방지 부재를 커버의 내측 상부면에 부착시킴으로써, 후속 리플로우 솔더링 공정에서 고온에 의한 이물질 유입 방지 부재의 손상을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 센서 패키지, 실시예로서 멤스 마이크로폰은 이물질 유입 방지 부재를 커버의 내측 상부면에 부착시킴으로써, 음향 신호의 감도 저하를 최소화할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술의 일 실시예에 따른 프론트 타입의 멤스 마이크로폰의 구성을 도시한 도면들;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 마이크로폰의 구성을 도시한 사시도;
도 4는 도 3에 도시된 멤스 마이크로폰의 구성을 나타내는 단면도;
도 5는 도 3에 도시된 멤스 마이크로폰에서 커버의 상부면에 이물질 유입 방지 부재를 구비하는 경우의 문제점을 나타내는 도면; 그리고
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 타입의 멤스 마이크로폰을 제조하는 수순을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 마이크로폰의 구성을 도시한 사시도이고, 도 4은 도 3에 도시된 멤스 마이크로폰의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 마이크로폰(100)은 외부로부터 음향 신호를 내부로 인가하는 음향홀(122)이 커버(120)의 전면에 배치되는 프론트(front) 타입으로 구비되며, 커버(120)의 내측면에 부착되어 음향홀(122)으로부터 이물질이 유입되는 것을 방지하는 이물질 유입 방지 부재(130)를 구비한다. 다른 실시예로서, 본 발명의 센서 패키지는 음압 신호를 감지하기 위하여 압력홀이 커버의 전면에 배치되는 압력 센서를 포함할 수 있다.
구체적으로, 멤스 마이크로폰(MEMS microphone)은(100) 기판(110)과, 멤스 트랜스듀서(140), 반도체 회로 소자(150), 커버(120) 및 이물질 유입 방지 부재(130)를 포함한다.
기판(110)은 예를 들어, 반도체 기판, 세라믹 기판 등으로 구비되며, 상부면 일측에 멤스 트랜스듀서(140)가 실장되고, 그 타측에 반도체 회로 소자(150)가 실장된다.
멤스 트랜스듀서(MEMS transducer)(140)는 음향홀(122)을 통해 유입되는 음향 신호를 전기적인 신호로 변환하는 센서로, 반도체 회로 소자(150)와 전기적으로 연결된다. 멤스 트랜스듀서(140)는 전기적인 신호를 반도체 회로 소자(150)로 제공한다. 이를 위해 멤스 트랜스듀서(140)는 반도체 회로 소자(150)와 복수 개의 금속 와이어(gold wire)(142)를 통해 전기적으로 연결된다.
이러한 멤스 트랜스듀서(140)는 도면에는 도시되어 있지 않지만, 진동 플레이트(diaphragm plate)와 백 플레이트(back plate) 및 캐비티(cavity)로 구성되고, 진동 플레이트가 음압에 의해 진동되면, 백 플레이트와의 캐패시턴스 값을 측정하여 음향 신호를 센싱한다.
반도체 회로 소자(150)는 예컨대, 주문형 반도체 회로 소자(Application-Specific Integrated Circuit : ASIC)로 구비되며, 멤스 트랜스듀서(140)로부터 제공되는 전기적인 신호를 받아서 증폭한다. 반도체 회로 소자(150)는 기판(110)의 타측에 다이 본딩(die bonding)(152)에 의해 고정되고, 외주에 형성되는 몰딩 부재(glob top molding)(154)에 의해 표면 실장된다.
커버(120)는 예컨대, 금속 재질 등을 이용하여 단일층으로 형성되는 캔(can) 타입으로 구비되며, 하부면이 개방되고, 상부면의 일측에서 상하로 관통되는 음향홀(122)을 구비한다. 커버(120)는 상부면이 대체로 평편한 형상으로 제공된다. 커버(120)는 내측 상부면에 이물질 유입 방지 부재(130)가 부착된다.
또 커버(120)는 측벽을 통하여 하부에 기판(110)의 가장자리와 결합된다. 커버(120)와 기판(110)은 실링부재(112)에 의해 결합 밀폐된다. 커버(120)와 기판(110)이 결합된 내부 공간에는 멤스 트랜스듀서(140)와 반도체 회로 소자(150)가 수용된다.
그리고 이물질 유입 방지 부재(130)는 음향홀(122)을 통해 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 음향홀(122)을 덮는다. 이물질 유입 방지 부재(130)는 발수 및 내열성의 금속, 수지 및 섬유 재질 중 어느 하나로 구비된다. 이 실시예에서, 이물질 유입 방지 부재(130)는 커버(120)의 내측 상부면 전체를 덮는다. 물론 이물질 유입 방지 부재(130)는 커버(120)의 내측 상부면의 일부에 부착되어 음향홀(122)을 충분히 덮도록 제공될 수도 있다.
만약, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예와는 달리 이물질 유입 방지부재(130)가 커버(120)의 외측 상부면에 부착 가능하다. 그러나 이 경우, 멤스 마이크로폰(100)의 후속 공정 즉, 약 260 ℃ 정도의 온도를 이용하는 리플로우 솔더링(reflow soldering) 공정 시, 이물질 유입 방지부재(130)는 고온으로 인하여 가장자리 부분(A ~ E)이 원형을 유지하지 못한 채 밀리거나 손상되는 경우가 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 멤스 마이크로폰(100)은 이물질 유입 방지 부재(130)를 커버(120)의 내측 상부면에 부착시키는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 센서 패키지의 실시예로서 멤스 마이크로폰(100)은 대량 생산을 위하여 표면 실장 기법(SMT)의 소형 마이크로폰의 사용에 적합한 자동화된 제조 방법이 필요하다.
즉, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 마이크로폰의 제조 수순을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S200에서 기판(110)에 멤스 트랜스듀서(140)와 반도체 회로 소자(150)를 실장한다. 단계 S210에서 음향홀(122)이 형성된 커버(120)를 제작한다. 커버(120)는 상부면이 대체로 평편하게 형성되고, 하부면이 개방된 캔(can) 타입으로 제공된다. 이 때, 음향홀(122)은 커버(120)의 상부면 일측에 형성된다. 예를 들어, 음향홀(122)은 멤스 트랜스듀서(140) 또는 반도체 회로 소자(150)의 상측에 배치된다. 물론 음향홀(122)은 커버(120) 상부면의 어느 위치에도 형성 가능하다.
단계 S220에서 커버(120)의 내측 상부면에 이물질 유입 방지 부재(130)를 부착한다. 여기서 이물질 유입 방지 부재(130)는 음향홀(122)을 통하여 멤스 마이크로폰(100) 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하고, 발수 가능한 재질 예를 들어, 금속, 수지 또는 섬유 재질 등으로 구비된다. 예를 들어, 금속 재질인 경우, 격자홀의 크기가 약 30 ~ 40 ㎛인 금속 메쉬로 구비되고, 수지 재질인 경우, 이미드(imide) 혼합물, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 그리고 섬유 재질인 경우, 격자홀의 크기가 약 30 ~ 40 ㎛인 직포 또는 부직포 등으로 구비될 수 있다. 또 이물질 유입 방지 부재(130)는 표면 실장 기법(SMT)이 가능하도록 내열성을 갖는 재질로 구비된다. 이러한 이물질 유입 방지 부재(130)는 음향홀(122)을 통해 제공되는 음향 신호의 감도 저하를 최소화할 수 있다.
이어서 단계 S230에서 실링부재(112)를 이용하여 기판(110)과 커버(120)를 밀폐되도록 결합한다. 이 후, 후속 공정에서 멤스 마이크로폰(100)을 이용하는 전자 장치(미도시됨)의 인쇄 회로 기판에 장착될 때, 약 260 ℃ 정도 온도의 리플로우 솔더링(reflow soldering) 공정으로 장착된다. 이 때, 이물질 유입 방지 부재(130)는 고온의 리플로우 솔더링 공정이 처리된 후에도 손상이 없으며, 또한 이물질 유입 방지 부재(130)로 인한 감도 변화도 없다.
이상에서, 본 발명에 따른 센서 패키지의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
100 : 멤스 마이크로폰
110 : 기판
120 : 커버
122 : 음향홀
130 : 이물질 유입 방지 부재
140 : 멤스 트랜스듀서
150 : 반도체 회로 소자

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 센서 패키지의 제조 방법에 있어서:
    기판에 음향 또는 음압 신호를 전기적인 신호로 변환하는 멤스 트랜스듀서와 상기 멤스 트랜스듀서에 전기적으로 연결되는 반도체 회로 소자를 실장하는 단계와;
    일측에 음향 또는 음압 신호를 입력받는 음향홀 또는 압력홀을 형성하고, 상기 기판과 결합하여 상기 상기 멤스 트랜스듀서와 상기 반도체 회로 소자가 실장된 상기 기판의 상부를 덮는 단일층의 금속 재질로 캔 타입의 커버를 제작하는 단계와;
    상기 커버의 내측 상부면에 상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 덮는 이물질 방지부재를 부착하는 단계 및;
    상기 기판의 상부면에 상기 커버를 밀폐되도록 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방법은;
    상기 기판과 상기 커버가 결합된 상기 센서 패키지를 리플로우 솔더링 공정으로 후속 공정 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 패키지의 제조 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 이물질 방지부재를 부착하는 단계는;
    상기 음향홀 또는 상기 압력홀을 발수 및 내열성의 금속, 수지 및 섬유 재질 중 어느 하나로 덮는 것을 특징으로 하는 센서 패키지의 제조 방법.
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