KR101234990B1

KR101234990B1 - 온습도 복합센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101234990B1
Application number: KR1020100057891A
Authority: KR
Inventors: 김태윤; 이태훈
Original assignee: 지이센싱코리아(주)
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2013-02-20
Also published as: KR20110137900A

Abstract

본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지 기술을 이용하여 한 개의 디바이스에 온도센서 및 습도센서가 다층구조를 갖도록 일체화 시켜 센서의 크기와 단가를 획기적으로 낮추고, 외부대류에 의한 영향을 없애 온도 측정 시 오차가 적어 제품신뢰도를 극대화 할 수 있는 온습도 복합센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일 센서와; 상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 상부에 적외선 투과창 부위를 제외한 나머지 부분에 형성되는 습도센서부와, 상기 상부실리콘기판의 하부를 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 습도센서를 구성하고; 상기 써모파일 센서의 상부에 상기 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

온습도 복합센서 및 그 제조방법{Multi-functional sensor for temperature and humidity detection and manufacturing method therefor}

본 발명은 일체형 온습도 복합센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼 레벨 패키지 기술을 이용하여 한 개의 디바이스에 온도센서 및 습도센서가 다층구조를 갖도록 일체화 시켜 센서의 크기와 단가를 획기적으로 낮추고, 외부대류에 의한 영향을 없애 온도 측정 시 오차가 적어 제품신뢰도를 극대화 할 수 있는 온습도 복합센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 온도센서 및 습도 센서는 별개의 구성 품으로 취급되어, 각각의 별도 공정을 통해 제작되고 판매되어 온 바, 그 원가가 상승되는 문제점이 있어왔다.

따라서 이를 해결하고자 온도 및 습도센서를 일체형으로 구성한 기술들이 개시된 바 있다. 이들 중 하나는 한국 공개특허공보(10-2001-97191)로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 동일 기판상에 제1도전체(1)와 제2도전체(2) 중간에 제3도전체(3)를 삽입한 구조에 습도 감지막(4) 패턴을 형성하여 제1도전체(1), 제2도전체(2) 및 제3도전체(3)로 습도를 감지하고, 제3도전체(3)의 양측단자(6)를 통해 온도에 따른 저항의 변화를 감지하여 온도를 감지하는 기술이다.

그러나 이와 같은 방식은 별도의 패키지가 필요하기 때문에 비용이 추가되고, 크기가 증가할 뿐 아니라 대상물의 온도를 측정하기 위하여 접촉식 방식을 사용하기 때문에 일체화 된 센서의 부착 위치에 제약을 받는다.

또한 온도센서가 외기에 노출되기 때문에 외부 대류에 의해 발생되는 열손실로 인해 측정 신뢰도가 떨어지는 문제점도 도출되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 웨이퍼 레벨 패키지 기술을 이용하여 한 개의 디바이스에 온도센서 및 습도센서가 다층구조를 갖도록 일체화 시켜 센서의 크기와 단가를 획기적으로 낮추고, 외부대류에 의한 영향을 없애 온도 측정 시 오차가 적어 제품신뢰도를 극대화 할 수 있는 온습도 복합센서 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

또한 본 발명은 비접촉식 온도측정방식을 가지는 써모파일을 사용함으로써 복합 센서의 부착위치에 제약을 없앤 온습도 복합센서 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일 센서와; 상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 상부에 적외선 투과창 부위를 제외한 나머지 부분에 형성되는 습도센서부와, 상기 상부실리콘기판의 하부를 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 습도센서를 구성하고; 상기 써모파일 센서의 상부에 상기 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 습도센서부는 하부전극과 상부전극 사이에 유전물질을 개재하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 써모파일 센서를 이루는 하부실리콘기판에는 와이어본딩을 위하여 패턴이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 습도센서를 이루는 상부실리콘기판에는 와이어 본딩을 위한 패턴이 더 형성되고, 상기 패턴이 노출되도록 부분식각된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, PCB가 더 형성되고, 상기 하부실리콘기판의 패드와 상기 PCB에 형성된 단자를 와이어 본딩하여 전기적으로 연결한 후, 상기 상부 및 하부실리콘기판을 에폭시하여 밀봉 보호하고, COB 공정을 통해 상기 PCB에 고정시켜주는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 상부실리콘기판의 상부에 형성되는 적외선 투과창은 면적을 가변할 수 있는 다양한 형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 하부 실리콘 기판의 상하부에 제1산화막과 질화막을 증착하고, 상기 질화막 상부에 제2산화막을 증착하여 다이아프레임막을 형성하는 제1과정; 상기 제2산화막 상부에 제1열전물질과 제2열전물질을 소정의 형태로 증착하여 복수의 열전쌍 구조를 형성하는 제2과정; 상기 열전쌍 상부에 절연막을 증착하고, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 에 복수개의 에치홀 부분을 패터닝하는 제3과정; 상기 에치홀을 통해 하부실리콘기판의 내부를 소정형태로 식각하고, 와이어 본딩을 위한 패드를 형성하여 온도센서인 써모파일을 제조 완료하는 제4과정; 상부실리콘기판의 상부에 적외선이 투과될 적외선 투과창을 제외하고 습도센서부를 형성하는 제5과정; 상부실리콘기판에 와이어 본딩을 하기위한 패턴을 형성하고 일정 부분을 하부실리콘기판의 패드와 와이어 본딩할 수 있도록 식각해주는 제6과정; 상부실리콘기판의 하부를 에어갭 형성을 위한 식각을 수행하여 습도센서를 제조 완료하는 제7과정; 및 상기 제4과정에서 제조 완료된 써모파일 소자와 상기 제7과정에서 제조 완료된 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩을 통해 하부실리콘기판의 패드와 상부실리콘기판의 패턴을 전기적으로 연결하여 주는 제8과정을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 상기 습도센서부 형성방법은, 하부전극을 패터닝하고, 폴리머계열의 유전물질을 스핀코팅후 상기 하부전극의 영역만큼 상기 유전물질을 패터닝한 후, 리프트 오프공정을 통해 상부전극을 패터닝하여 습도센서부를 제작하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 제8과정 이후에는, 상기 하부실리콘기판의 패드를 소정의 PCB의 단자에 와이어 본딩하여 전기적으로 연결하고, 상기 상부실리콘기판, 하부실리콘기판 및 PCB에 형성된 와이어 본딩 부위를 에폭시로 보호하고, COB 공정을 통해 PCB에 고정시켜주는 제9과정이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지 기술을 이용하여 한 개의 디바이스에 온도센서 및 습도센서가 다층구조를 갖도록 일체화 시켜 센서의 크기와 단가를 획기적으로 낮추고, 외부대류에 의한 영향을 없애 온도 측정 시 오차가 적어 제품신뢰도를 극대화 할 수 있는 장점을 제공한다.

또한 본 발명은 비접촉식 온도측정방식을 가지는 써모파일을 사용함으로써 복합 센서의 부착위치에 제약을 없앰으로써, 지능형 빌딩이나 홈, 베이비 모니터, 차량 김서림 방지 장치 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 종래의 일체형 온습도 복합센서의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 온습도 복합센서의 평면도 및 단면도,
도 3a 및 3b는 본 발명 온습도 복합센서와 PCB를 결합한 상태를 보여주는 평면도 및 단면도,
도 4a 내지 도 4j는 본 발명에 따른 온습도 복합센서의 제조과정을 보여주는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 온습도 복합센서의 평면도 및 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명 온습도 복합센서는,

하부실리콘기판(10)과, 상기 하부실리콘기판(10)의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질(14)과 제2열전물질(15)로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막(16)과, 상기 절연막(16) 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀(17)(7)을 통해 상기 하부실리콘기판(10)을 식각시켜 형성한 에어갭(18)을 포함하여 된 써모파일 센서와;

상부실리콘기판(20)과, 상기 상부실리콘기판(20)의 상부에 적외선 투과창(23) 부위를 제외한 나머지 부분에 형성되는 습도센서부(21)와, 상기 상부실리콘기판(20)의 하부를 식각시켜 형성한 에어갭(22)을 포함하여 된 습도센서를 구성하고;

상기 써모파일 센서의 상부에 상기 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본 딩을 통해 전기적으로 연결하여 구성된다.

여기서, 상기 써모파일 센서를 이루는 하부실리콘기판(10)에는 와이어본딩을 위하여 패턴(19)이 더 형성되며, 상기 습도센서를 이루는 상부실리콘기판(20)에는 와이어 본딩을 위한 패턴(24)이 더 형성되고, 상기 패턴(24)이 노출되도록 부분식각을 수행하여 준다.

또한 상기 하부실리콘기판(10)의 패드(19)와 상부실리콘기판(20) 패턴(24)은 와이어본딩(31)을 통해 서로 전기적으로 연결되게 된다.

또한 상기 다이아프레임막은 상기 하부실리콘기판(10)의 상부에 형성된 제1산화막(11), 질화막(12), 제2산화막(13)으로 구성된다.

또한 본 발명에 따르자면 상기 상부실리콘기판(20)의 상부에 형성되는 습도센서부(21)의 형상을 변경(조절)하여 적외선 투과창(23)의 넓이가 가변되도록 함으로써, 결과적으로 투과되는 적외선 량을 조절가능하게 하여 하부실리콘기판(10)의 시야각을 조절할 수 있도록 하여준다.

또한 본 발명에 따르자면, 상기 온습도 복합센서는,

도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, PCB(40) 상에 안착 결합된다.

즉 하부실리콘기판(10)의 패드(19)와 PCB(40)에 형성된 단자(42)를 와이어 본딩(41)하여 전기적으로 연결한 후, 상기 온습도 복합센서를 에폭시(33)하여 밀봉 보호하고, COB(Chip on board) 공정을 통해 PCB(40)에 고정시켜 주게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 온습도 복합센서는, 제조가 간단하며 비접촉식 온도센서방식을 사용하기 때문에 센서의 부착위치에 대한 제약을 받지 않게 된다.

이하에서는 본 발명 온습도 복합센서의 제조과정을 보다 상세히 알아본다.

도 4a 내지 도 4j는 본 발명에 따른 온습도 복합센서의 제조과정을 보여주는 도면이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 하부 실리콘 기판(10)의 상하부에 제1산화막(11)과 질화막(12)을 증착한다.

그리고 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 질화막(12) 상부에 제2산화막(13)을 증착하여 다이아프레임막을 형성한다.

다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이 상기 제2산화막(13) 상부에 제1열전물질(thermo element)(14)과 제2열전물질(thermo element)(15)을 소정의 형태로 증착하여 복수의 열전쌍 구조를 형성한다.

다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이 상기 열전쌍 상부에 절연막(16)을 증착하여 준다.

다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이 상기 절연막(16) 및 다이아프레임막에 에 에치홀(17)(17)을 부분을 패터닝해준다.

다음으로, 도 4f에 도시된 바와 같이, 습식식각을 통해 하부실리콘기판(10)을 식각(18)해낸다.

여기서 써모파일의 온접점(hot junction)과 냉접점(cold junction)을 구분시켜주기 위한 상기 식각공정은 하부실리콘기판(10)의 상부로부터의 건식 습식식각 후 웨이퍼 본딩이나 하부로부터 건식 및 습식식각후 웨이퍼 본딩하는 방식 모두 가능하다.

그리고 상기 하부실리콘기판(10)에 와이어 본딩을 하기위한 패드(19)(도 2a 참조)를 형성하여 준다.

이와 같이, 하부실리콘 기판(10)을 통하여 온도를 측정할 수 있는 써모파일(온도센서)이 제조 완료되면, 다음으로 습도센서를 제조하기위한 공정으로 진행된다.

도 4g에 도시된 바와 같이 상부실리콘기판(20)의 상부에 적외선이 투과될 부분을 제외하고 습도센서부(21)를 형성하여 준다.

이는 도 2a에서와 같이 적외선 투과창(23)을 제외한 나머지 부분에 습도센서부(21)가 형성됨을 의미한다.

여기서 상기 습도센서부(21)는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 타입으로, 하부전극(21a)과 상부전극(21c) 사이에 유전물질(21b)을 개재하여 구성한 것으로, 먼저, 크롬(Cr)이나 알루미늄(Al) 금속과 같은 하부전극(21a)을 패터닝하고, 폴리머계열의 유전물질(21b)을 스핀코팅후 상기 하부전극(21a)의 영역만큼 상기 유전물질(21b)을 패터닝한다.

그리고 리프트 오프공정을 통해 크롬(Cr)이나 알루미늄(Al) 금속과 같은 상부전극(21c)을 패터닝하여 습도센서부(20)를 제작 완료한다.

또한 본 발명에 따르자면 상기 습도센서부(21)는 IDT타입으로도 ㅈ[작할 수 있으며, 이 경우, 하부전극을 IDT타입으로 패터닝하고, 그 위에 폴리머 계열의 유전막을 패터니하여 제작하게 된다.

또한 상기 습도센서부(21)의 영역은 추후 적외선의 투과를 막아주는 역할을 하며 써모파일 소자의 시야각을 조절하여 주는 역할을 수행하게 된다.

그리고 난 후, 와이어 본딩을 하기위한 패턴(24)을 형성하고 도 2a에서와 같이 일정 부분을 하부실리콘기판(10)의 패드(19)와 와이어 본딩할 수 있도록 식각해준다.

다음으로, 도 4h에 도시된 바와 같이, 상부실리콘기판(20)의 하부를 적외선투과창(23)을 구분지어 주고 하부실리콘기판(10)과의 열적 고립을 위하여 에어갭(air gap)(22) 형성을 위한 식각을 수행한다.

여기서 상기 에어갭(22)은 와이어 본딩 후 하부실리콘기판(10)(써모파일)과 상부실리콘기판(20)(습도센서)의 직접적인 접촉을 피하여 온접점(hot junction)의 온도를 유지하는 역할을 수행한다.

또한 실리콘 기판은 자체적으로 가시광선은 막아주고 적외선만 투과시키는 특성이 있기 때문에 특정영역에서 적외선의 투과율을 높이고자 하는 목적으로 해당영역(투시창(23))을 식각하고자 하는 목적도 있다.

이와 같이 상부실리콘기판(20)의 제조가 완료되면, 도 4i에 도시된 바와 같이 하부실리콘기판(10)과 상부실리콘기판(20)을 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩(31)을 통해 도 2a와 같이 하부실리콘기판(10)의 패드(19)와 상부실리콘기판(20)의 패턴(24)을 전기적으로 연결하여 준다.

그런 다음, 도 4j에 도시된 바와 같이 하부실리콘기판(10)의 패드(19)를 도 3a와 같이 PCB(40)의 단자(42)에 와이어 본딩(41)하여 전기적으로 연결하여 준다.

다음으로, 상기 상부실리콘기판(20), 하부실리콘기판(10) 및 PCB(40)에 형성된 와이어 본딩(31)(41) 부위를 에폭시(33)로 보호하고 상기 전기적으로 연결된 소자를 COB(chip on board) 공정을 통해 PCB(40)에 고정시켜주어 일체형 온습도 복합센서의 제조를 완료하게 된다.

10: 하부실리콘기판 11: 제1산화막
12: 질화막 13: 제2산화막
14: 제1열전물질 15: 제2열전물질
16: 절연막 17: 에치홀
18,22: 에어갭 19: 패드
20: 상부실리콘기판 21: 습도센서부
21a: 하부전극 21b: 유전물질
21c: 상부전극 23: 적외선 투시창
24: 패턴 31,41: 와이어본딩
40: PCB

Claims

하부실리콘기판과, 상기 하부실리콘기판의 상부에 형성되는 다이아프레임막과, 상기 다이아프레임막의 상부에 형성되는 제1열전물질과 제2열전물질로 이루어진 열전쌍과, 상기 열전쌍 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 형성된 에치홀을 통해 상기 하부실리콘기판을 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 써모파일 센서와;
상부실리콘기판과, 상기 상부실리콘기판의 상부에 적외선 투과창 부위를 제외한 나머지 부분에 형성되는 습도센서부와, 상기 상부실리콘기판의 하부를 식각시켜 형성한 에어갭을 포함하여 된 습도센서를 구성하고;
상기 써모파일 센서의 상부에 상기 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
제 1 항에 있어서,
상기 습도센서부(21)는 하부전극과 상부전극 사이에 유전물질을 개재하여 구성한 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
제 1 항에 있어서,
상기 써모파일 센서를 이루는 하부실리콘기판에는 와이어본딩을 위하여 패턴이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
제 1 항에 있어서,
상기 습도센서를 이루는 상부실리콘기판에는 와이어 본딩을 위한 패턴이 더 형성되고, 상기 패턴이 노출되도록 부분식각된 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
제 1 항에 있어서,
PCB가 더 형성되고,
상기 하부실리콘기판의 패드와 상기 PCB에 형성된 단자를 와이어 본딩하여 전기적으로 연결한 후, 상기 상부 및 하부실리콘기판을 에폭시하여 밀봉 보호하고, COB 공정을 통해 상기 PCB에 고정시켜주는 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
제 1 항에 있어서,
상기 상부실리콘기판의 상부에 형성되는 적외선 투과창은 면적을 가변할 수 있는 다양한 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서.
하부 실리콘 기판의 상하부에 제1산화막과 질화막을 증착하고, 상기 질화막 상부에 제2산화막을 증착하여 다이아프레임막을 형성하는 제1과정;
상기 제2산화막 상부에 제1열전물질과 제2열전물질을 소정의 형태로 증착하여 복수의 열전쌍 구조를 형성하는 제2과정;
상기 열전쌍 상부에 절연막을 증착하고, 상기 절연막 및 다이아프레임막에 에 복수개의 에치홀 부분을 패터닝하는 제3과정;
상기 에치홀을 통해 하부실리콘기판의 내부를 소정형태로 식각하고, 와이어 본딩을 위한 패드를 형성하여 온도센서인 써모파일을 제조 완료하는 제4과정;
상부실리콘기판의 상부에 적외선이 투과될 적외선 투과창을 제외하고 습도센서부를 형성하는 제5과정;
상부실리콘기판에 와이어 본딩을 하기위한 패턴을 형성하고 일정 부분을 하부실리콘기판의 패드와 와이어 본딩할 수 있도록 식각해주는 제6과정;
상부실리콘기판의 하부를 에어갭 형성을 위한 식각을 수행하여 습도센서를 제조 완료하는 제7과정; 및
상기 제4과정에서 제조 완료된 써모파일 소자와 상기 제7과정에서 제조 완료된 습도센서를 웨이퍼 본딩 한 후, 와이어 본딩을 통해 하부실리콘기판의 패드와 상부실리콘기판의 패턴을 전기적으로 연결하여 주는 제8과정을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서의 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제7과정의 습도센서부 형성방법은, 하부전극을 패터닝하고, 폴리머계열의 유전물질을 스핀코팅후 상기 하부전극의 영역만큼 상기 유전물질을 패터닝한 후, 리프트 오프공정을 통해 상부전극을 패터닝하여 습도센서부를 제작하는 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서의 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제8과정 이후에는,
상기 하부실리콘기판의 패드를 소정의 PCB의 단자에 와이어 본딩하여 전기적으로 연결하고, 상기 상부실리콘기판, 하부실리콘기판 및 PCB에 형성된 와이어 본딩 부위를 에폭시로 보호하고, COB 공정을 통해 PCB에 고정시켜주는 제9과정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 온습도 복합센서의 제조방법.