KR101267811B1 - 휴대형 엑스레이 센서 패널의 구동회로칩 실장구조 및 그 제조방법 - Google Patents

휴대형 엑스레이 센서 패널의 구동회로칩 실장구조 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휴대형 엑스레이 센서 패널의 구동회로칩 실장구조에 관한 것으로서, X-선 이미지 센서 패널 제작시에 불량율을 줄여 공정수율을 향상시키고 성능 향상과 신뢰성을 향상시키기 위하여, 실리콘 기판에 X-선 검지용 CMOS 이미지 센서부를 형성하는 단계, 상기 센서부의 하단부에 복수의 구동회로칩을 플립칩(flip-chip) 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프로 이루어진 실장부를 형성하는 단계, 상기 구동회로칩을 별도로 제작하여 준비하는 단계, 제작된 구동회로칩을 상기 실장부에 플립칩 방식으로 실장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대형 엑스레이 센서 패널의 구동회로칩 실장구조 및 그 제조방법{Mounting of ROIC chips for a portable X-ray sensor pannel and method thereof}
본 발명은 휴대형 엑스레이 센서 패널의 구동회로칩 실장구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디지털 X-선 센서 기판의 외곽 주변 상에 구동회로칩(ROIC)을 플립칩(flip-chip) 방식으로 실장한 X-선 센서 패널에 관한 것이다.
X-선 촬영장치는 X-선이 물질을 투과할 때 물질의 구성 원소나 밀도에 따라 투과율이 달라지는 원리를 이용하여 생체내부를 촬영하는 의료 진단장비와 산업용의 비파괴 검사장비로 널리 이용되고 있다.
의료용 진단장비로서 X-선 촬영장치는 IT기술의 발달로 디지털 신호처리에 의한 디지털 영상화와 무선통신을 이용한 원격 이동진료가 가능한 휴대형화로 진화되고 있다.
휴대용 X-선 촬영장치를 위해서는, 흉부를 한번에 촬영할 수 있는 촬영면적은 17"이므로 센서 패널의 면적은 적어도 17 x 14 인치 또는 17 x 17 인치가 되어야하며, 영상 해상도는 3072 x 3072 픽셀 이상의 고해상도가 필요하며, 센서 패널에서 신호를 판독하는 ROIC(Read-Out IC)는 128 채널 이상의 다중 채널이 요구된다. 센서 패널이 3072 픽셀이라면 256 채널의 ROIC 12개가 필요하다. ROIC는 인터페이스의 전용화가 필수적이며 멀티 샷 구현을 위해 5MHz 이상의 고속동작이 요구된다.
X-선 촬영장치의 센서 패널은 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서나 CMOS(Complementary MOSFET) 이미지 센서(이하 'XCIS'라 칭한다)를 이용하며, CMOS 이미지 센서가 CCD보다 감도는 떨어지지만 CCD에 비하여 저전압 동작이 가능하고 소비전력이 적으며 주변회로와 집적화가 가능하여 광범위하게 사용되고 있다.
종래의 패널에 ROIC 등의 구동회로칩을 실장시키는 방법은 특허문헌 1에 기재된 도 1a의 COG(Chip On Glass) 및 도 1b의 TCP(Tape Carrier Package)와 특허문헌 2에 기재된 FPC(Flexible Printed Circuit) 방식 등으로 나누어진다. COG 방식은 센서 패널의 기판상에 구동회로를 실장하므로 패널의 부피가 커지지만 배선 길이를 단축할 수 있고, TCP나 FPC는 별도의 필름을 이용하여 구동회로칩을 연결하기 때문에 콤팩트한 패널을 구성할 수 있어 최근에 TCP나 FPC 방식이 많이 이용되고 있다.
그러나, TCP 방식에서 구동회로칩이 패널 주변에 탑재되기 때문에, 기판의 게이트선군과 드레인선군의 교차 영역에 의해서 구성되는 표시영역의 윤곽과 기판의 외부 프레임 사이의 영역이 차지하는 면적이 커지는 문제가 있다.
또한, 구동회로칩에는 열이 발생하기 때문에 TCP나 FPC 방식에서는 방열이 되지 않아 장치의 오동작을 일으키는 원인이 되기도 하고, 열에 의하여 사용된 이방성 도전막(Anisotropic Conductive Film: ACF)의 접속 불량이 발생하여 단락, 신호왜곡 및 잡음 등의 문제를 일으키며, 정전기에 의하여 ROIC가 손상되어 생산 수율을 현저하게 떨어뜨리는 문제가 있다. 또한 TCP나 FPC 방식은 제조과정이 복잡하고 온도/습도 등에 의하여 치수의 불안정을 야기한다.
XCIS 기판에 ROIC 등 로직회로를 내장하여 단일칩(one-chip)화 할 수 있으나, XCIS는 소형 디지털 카메라와는 달리 흉부를 촬영할 수 있는 일정 면적을 요구하기 때문에 집적화를 통한 단순화 내지는 소형화가 불필요할 뿐만 아니라 단일칩화는 생산성이나 효율면에서 비경제적이다. XCIS 제조공정과 ROIC 등의 로직회로 제조공정은 불순물 농도, 열처리 온도 및 배선 공정이 서로 다르기 때문에 집적화를 통한 one-chip화는 비효율적이고 비경제적이어서 각각의 공정을 이용하여 분리 제작하고 하나의 기판에 각각 실장시켜 모듈화하는 것이 효율적이고 불량률을 줄여 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
1. 미국특허공보 제6,556,268B1호(2003. 4. 29.) 2. 한국특허공보 제2007-0062133호(2007.06.15.)
본 발명은 위에서 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로서, XCIS 패널 제작시 구동회로칩을 별도로 제작하여 패널 기판 자체에 플립칩 방식으로 실장하여 실장 불량율을 줄여 공정수율을 향상시키고 접촉 특성을 향상시켜 성능 향상과 신뢰성을 높인 구동회로칩 실장구조를 제공하고자 한다.
또한, XCIS 입출력 배선과 구동회로칩 간의 배선길이를 단축하여 전기적 신호의 잡음 감소시키고, 센서부와 로직회로를 분리 제작하여 영상 표시불량 발생을 방지하며, 고품질의 영상표시를 얻을 수 있는 신뢰성 높인 X-선 촬영장치를 제공하고자 한다.
또한, XCIS 패널을 이용한 휴대용 X-선 촬영장치를 제작함으로써 유무선 통신망을 통하여 디지털 영상자료를 송수신할 수 있어 원격진료를 가능하게 하고자 한다.
상기의 해결하려는 과제를 위하여 본 발명에 따른 휴대형 XCIS 패널 구조는 실리콘 기판, 상기 기판에 형성된 CMOS 이미지 센서부, 상기 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로칩을 플립칩 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프로 구성된 실장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 XCIS 패널의 제조방법은, 실리콘 기판에 빛 검지용 CMOS 이미지 센서부를 형성하는 단계, 상기 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로(ROIC)칩을 플립칩(flip-chip) 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프로 이루어진 실장부를 형성하는 단계, 상기 구동회로칩을 별도로 제작하여 준비하는 단계, 제작된 구동회로칩을 상기 실장부에 플립칩 방식으로 실장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 XCIS 패널 구조는 센서부와 로직회로를 분리 제작하여 불량율을 줄여 공정수율을 향상시키고 성능 향상과 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 XCIS 패널 구조는 XCIS 입출력 배선과 구동회로칩 간의 배선길이를 단축하여 전기적 신호의 잡음 감소시켜 고품질의 영상을 얻을 수 있으며, 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 입력되는 비디오 신호를 제외하고 스타트 클럭 펄스 및 전압을 포함한 구동회로 칩의 동일한 기능의 배선은 병렬 연결하여 입출력 배선의 수를 감소시켜 혼신을 줄이고 제작 비용을 줄 일 수 있다.
또한, XCIS 패널을 이용한 휴대용 X-선 촬영장치는 유무선 통신망을 통하여 디지털 영상자료를 송수신할 수 있어 원격진료와 진료자료의 가공 및 저장 보관이 편리하다.
도 1a는 종래의 COG 실장방식을 보여주고, 도 1b는 TCP 실장방식을 보여 주며, 도 1c는 FCP 실장방식을 보여 준다.
도 2는 본 발명에 따른 실장구조의 평면도이다.
도 3은 XCIS 패널의 단면도이다.
도 4는 실장부의 레이아웃 구조도이다.
도 5는 도 4의 H부분 확대도이다.
이하, 본 발명에 따른 휴대형 X-선 센서 패널의 구조와 그 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 내용을 명확하게 하기 위하여 확대 도시하였고 비본질적인 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 2는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 이용한 X-선 센서(이하 'XCIS'라 칭한다) 패널의 구조를 보여준다.
본 발명에 따른 XCIS 패널(500)은 실리콘 기판(511)에 형성한 CMOS X-선 센서부(510)와 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로칩(521)을 플립칩 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프로 구성된 실장부(520)를 포함한다.
X-선은 빛보다는 파장이 짧아 광자에너지가 103배 정도 높아 이보다 밴드갭이 작은 실리콘 반도체로 직접 검지하기가 어렵기 때문에 신틸레이터(scintillator)를 사용하여 X-선 에너지를 빛으로 변환시킨다. 빛으로 변환된 광자는 CMOS 이미지 센서를 구성하는 포토다이오드(photodiode:PD)에 입사되어 전하를 생성시키다. PD에 생성된 전하는 CMOS 이미지 센서를 구성하는 CMOS 트랜지스터에 의하여 전송제어되고 출력 배선을 통하여 구동회로칩에 출력 데이터가 전송된다.
본 발명의 센서부는 신틸레이터(scintillator)를 사용하여 X-선 에너지를 변환된 빛을 수광하여 전하를 발생시키는 실리콘 포토다이오드와 포토다이오드에서 발생된 전하를 전송제어하는 적어도 3개의 MOSFET으로 구성된 센서부 픽셀(515) 어레이 및 상기 픽셀들을 구동하고 출력 데이터를 수집하기 위한 입출력 배선(512) 및 상기 픽셀을 제어하여 출력 데이터를 구동회로로 전송하는 시프트 레지스터(shift register)(516)를 포함한다.
휴대용 X-선 촬영장치를 위해서는, 흉부를 한번에 촬영할 수 있는 촬영면적은 17"이므로 센서부의 면적은 적어도 17 x 14 인치 또는 17 x 17 인치가 되어야 하며, 영상 해상도는 3072 x 3072 픽셀 이상의 고해상도가 필요하며, 센서 패널에서 신호를 판독하는 ROIC(Read-Out IC)는 128 채널 이상의 다중 채널이 요구된다. 센서부가 3072 픽셀이라면 256 채널의 ROIC 12개가 필요하다. ROIC는 인터페이스의 전용화가 필수적이며 멀티 샷 구현을 위해 5MHz 이상의 고속동작이 요구된다.
위와 같은 XCIS 패널(500) 구조는, 실리콘 기판에 빛 검지용 CMOS 이미지 센서부(510)를 형성하는 단계, 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로칩(521)을 플립칩(flip-chip) 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선(512, 514)과 복수의 범프 패드(522)로 이루어진 실장부(520)를 형성하는 단계, 상기 구동회로칩(521)을 별도로 제작하여 준비하는 단계 및 제작된 구동회로칩(521)을 상기 실장부(520)에 플립칩 방식으로 실장하는 단계를 통하여 제조된다.
최근 XCIS는 대면적화와 각 픽셀의 포토다이오드(PD)의 면적비율이 증가하는 추세이지만, CMOS기술을 이용한 대면적의 XCIS에 로직회로를 내재하는 경우 필연적인 공정 난이도가 높아짐에 따라 낮은 생산 수율로 제품 단가가 높아지기 때문에, 구동회로와 화상신호 처리회로는 XCIS 패널의 외부에 형성하고 그 연결 방법은 FPC, TCP 또는 와이어 본딩 연결 방법을 선호한다. 또 다른 방법으로서 센서 기판의 주변부에 접착성을 가지는 이방성 도전막(ACF)을 통해서 입출력 배선의 단자부에 접속해서 적어도 하나의 구동회로칩을 직접 탑재하는 소위 플립칩 실장방식(COG)이 채용되고 있다.
그런데, XCIS 패널은 고해상도로 갈수록 픽셀 수는 증가하고 구동을 위해 배선이 증가하여 고밀도 집적이 필요하다. 고해상도로 갈수록 배선이 고밀도화되고 구동 주파수도 증가하여 잡음이 중요한 문제가 된다.
본 발명에서는 XCIS 입출력 배선과 구동회로칩 간의 배선길이를 단축하여 전기적 신호의 잡음 감소시켜 고품질의 영상을 얻을 수 있으며, 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 입력되는 비디오 신호를 제외하고 스타트 클럭 펄스 및 전압을 포함한 구동회로 칩의 동일한 기능들을 위한 배선은 병렬 연결하여 입출력 배선의 수를 감소시키고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 XCIS 패널의 단면도를 보여주는 단면도로서, 실장부(520)는 입력 및 출력 배선을 분리하기 위하여 절연막(513)을 이용하여 기판의 상부 및 하부에 다층 배선(512, 514)으로 형성하고, 범프 패드(522)는 금으로 형성하며, 캡쳐 보드(600)의 아날로그-디지털 변환기(ADC)(620)에 연결하기 위하여 단부에 와이어 본딩 패드(530)를 형성한다.
구동회로는 X-Y 어드레스 방식인 판독회로(ROIC)이고, 구동회로칩(521)은 상부에 범프 패드가 형성되어 있어 상기 실장부의 범프에 플립칩으로 실장된다.
그림 4는 실장부(520)의 레이아웃으로서 구동회로칩이 상하 ROIC1, ROIC2의 2개로 배열되는 구조이다. 구동회로칩은 복수로 배열되는 경우, 각 구동회로칩의 입력과 출력을 각각 공통으로 하여 병렬 배치하여 실장된다.
데이터 출력 배선이 구동회로의 입력 배선 수를 초과하는 경우, 추가적인 구동회로칩을 상기 센서부(510)의 외곽에 상하 또는 좌우로 대칭 배열하여 실장하여 입출력 배선 길이를 단축시킬 수 있다.
데이터 출력 배선이 구동회로칩의 입력 배선 수를 초과하는 경우, 데이터 입력을 구동회로칩의 홀수열과 짝수열에 교차배선으로 연결하여 스타트 펄스 클록을 복수의 구동회로칩에 동시에 인가하여 데이터를 입력받는다.
그림 5는 그림 4의 H부분을 확대 도시한 것으로서 구동회로칩의 비디오 신호의 출력 배선(Video0, Video1)은 독립적으로 배선하여 ADC(620)에 연결하고, 스타트 클록 펄스 및 구동 전압의 동일한 기능의 배선들은 각각 공통으로 하여 병렬연결한다.
이와 같이 제조된 X-선 센서 패널(500) 구조를 이용하여, 구동회로칩에서 출력된 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 센서 패널의 구동을 제어하고 디지털 신호를 영상처리 제어하는 중앙처리장치 및 원격 진료센터에 영상처리된 데이터를 무선통신망으로 전송하는 무선 송신기를 포함하는 휴대형 X-선 촬영장치를 제작할 수 있으며, 이를 이용하여 디지털 영상자료를 송수신할 수 있어 원격진료와 진료자료의 가공 및 저장을 할 수 있다.
500: X-선 센서 패널 510: 센서부
511: 실리콘 기판 512: 상부 배선
513: 절연막 514: 하부 배선
515: 센서부 픽셀 516: 시프트 레지스터
520: 실장부 521: 구동회로칩(ROIC)
522: 범프 530: 본딩 패드
600: 캡쳐 보드 610: 와이어
620: ADC

Claims (10)

  1. X-선 센서 패널의 제조방법에 있어서,
    실리콘 기판에 빛 검지용 CMOS 이미지 센서부를 형성하는 단계;
    상기 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로칩을 플립칩(flip-chip) 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프 패드로 이루어진 실장부를 형성하는 단계;
    상기 구동회로칩을 별도로 제작하여 준비하는 단계 및
    제작된 구동회로칩을 상기 실장부에 플립칩 방식으로 실장하는 단계를 포함하되,
    상기 센서부는 빛을 수광하여 전하를 발생시키는 실리콘 포토다이오드와 상기 포토다이오드에서 발생된 전하를 전송제어하는 적어도 3개의 MOSFET으로 구성된 복수의 픽셀, 상기 픽셀들을 구동하고 출력 데이터를 수집하기 위한 입출력 배선 및 상기 픽셀을 제어하여 출력 데이터를 구동회로로 전송하는 시프트 레지스터(shift register)를 포함하고,
    상기 실장부는 입력 및 출력 배선을 분리하기 위하여 절연막 공정을 이용하여 기판의 상부 및 하부에 다층 배선으로 형성하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실장부의 범프 패드는 금으로 형성하며, 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 연결하기 위하여 단부에 와이어 본딩 패드를 형성하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동회로는 X-Y 어드레스 방식인 판독회로(ROIC)이고, 구동회로칩은 상부에 범프 패드가 형성되어 있어 상기 실장부의 범프에 플립칩으로 실장되는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동회로칩은 복수로 배열되는 경우, 각 구동회로칩의 입력과 출력을 각각 공통으로 하여 병렬 배치하여 실장되는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  6. 제4항에 있어서,
    데이터 출력 배선이 구동회로의 입력 배선 수를 초과하는 경우, 구동회로칩을 상기 센서부의 외곽에 상하 또는 좌우로 대칭 배열하여 실장하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  7. 제4항에 있어서,
    데이터 출력 배선이 구동회로칩의 입력 배선 수를 초과하는 경우, 데이터 입력을 구동회로칩의 홀수열과 짝수열에 교차배선으로 연결하여 스타트 펄스를 복수의 구동회로칩에 동시에 인가하여 데이터를 입력받는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  8. 제4항에 있어서,
    구동회로칩의 비디오 신호의 출력 배선은 독립적으로 배선하여 ADC에 연결하고, 스타트 클록 펄스 및 구동 전압의 동일한 기능을 배선들은 각각 공통으로 하여 병렬연결하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널의 제조방법
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 패널 구조로서,
    실리콘 기판;
    상기 기판에 형성된 실리콘 포토다이오드를 포함하는 CMOS 이미지 센서부;
    상기 센서부의 외곽 주변부에 복수의 구동회로칩을 플립칩 방식으로 장착하기 위한 복수의 배선과 복수의 범프로 구성된 실장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 센서 패널 구조
  10. 제9항의 X-선 센서 패널 구조를 이용하여 제작된 휴대형 X-선 촬영장치로서,
    실리콘 기판에 형성된 실리콘 포토다이오드를 포함하는 CMOS 이미지 센서부;
    상기 기판에 플립칩으로 실장된 구동회로칩;
    상기 구동회로칩에서 출력된 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC);
    센서 패널의 구동을 제어하고 디지털 신호를 영상처리 제어하는 중앙처리장치; 및
    원격 진료센터에 영상처리된 데이터를 무선통신망으로 전송하는 무선 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대형 X-선 촬영장치
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