KR101411666B1 - 실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 저항, 커패시터, 인덕터들로 이루어지는 수동 회로부를 저온 동시 소성 세라믹 기판또는 다층인쇄회로기판에 내장하여 형성하고, 실리콘 마이크로폰 및 능동 회로부를 기판상에 리플로우 솔더링 공정으로 접합함으로써, 실리콘 마이크로폰 패키지의 전체 크기를 줄일 수 있고, 와이어 본딩 공정을 제거하여 제조 공정을 단순화할 수 있는 실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법이 개시된다.
마이크로폰, 실리콘, 패키지, MEMS, LTCC, 솔더링, 리플로우, 와이어 본딩

Description

실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법{ Silicon microphone package and Fabricating method thereof }
본 발명은 실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로폰(Microphone)이란 음향 또는 초음파의 진동을 감지한 후, 매질의 진동에 상응하는 전기신호로 변환하여 출력하는 센서(Sensor)의 일종이다.
마이크로폰은 기계적인 진동을 전기적인 신호로 변환하는 방식에 따라 탄소 입자의 전기적 저항 특성을 이용한 카본형, 로쉘염(Rochelle Salt)의 압전기 효과를 이용한 결정형, 코일이 장착된 진동판을 자기장 속에 진동시켜 유도 전류를 발생시키는 가동 코일형, 자기장 내에 장치된 금속 막이 음파를 받아 진동하면 유도 전류가 발생하는 것을 이용하는 속도형, 음파에 의한 막의 진동으로 정전용량이 변하는 것을 이용한 콘덴서형 등으로 구분된다.
이러한 마이크로폰은 음향 입력장치로 사용되어 녹음기, 전화기, 확성기, 보청기 등에 이용되는데, 종래에는 간단한 구조와 낮은 가격의 장점이 있는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(Electret Condenser Microphone : ECM)이 주류를 이루었다.
그러나, 일렉트렛은 불화탄소(Fluorocarbon) 유기 화합물인 테플론(Teflon)이나 FET 같은 폴리머(Polymer) 계열의 박막으로 되어 있어서 열과 습기에 취약한 특성이 있다.
따라서, 주위 환경에 따라 마이크로폰의 특성이 변화되고, 온도에 민감하여 표면 실장 기술(Surface Mount Technology : SMT)을 적용할 수 없다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 미세 기계 가공기술(Micro-machining Technology)을 이용한 실리콘 마이크로폰(Silicon Microphone)이 개발되어 제품화되는 추세이다.
실리콘 마이크로폰은 습기와 열에 덜 민감하다는 장점이 있고, 소형화 및 신호처리 회로와의 집적화(Integration)가 가능하여 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰을 대체할 것으로 예상된다.
도 1은 종래의 실리콘 마이크로폰 패키지 구조를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(PCB)(10)상에 음향 신호에 의한 음압(Sound Pressure) 변화를 진동 신호로 변환하는 마이크로폰 구조물(20)과, 상기 진동 신호를 전기적 신호로 변환하는 능동 회로부(30)가 정렬되어 부착되고, 인쇄회로기판(10)의 외곽을 따라 마이크로폰 구조물(20) 및 능동 회로부(30)를 보호하기 위한 프레임(Frame)(40)이 형성되고, 상기 프레임(40) 상에 외부 음압이 통하도록 음압 관통 공(55)을 가지는 덮개(Lid)(50)가 덮여져 이루어진다.
그리고, 상기 인쇄회로기판(10), 마이크로폰 구조물(20) 및 능동 회로부(30)는 각각 본딩 와이어(Bonding Wire)(60)에 의해 전기적으로 연결된다.
또한, 마이크로폰에 유입되는 잡음을 제거하고, 바이어스 전압을 인가하며, 입출력 임피던스 정합을 위해 저항 및 커패시터 등의 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(미도시)를 더 형성할 수 있다.
상기 종래의 실리콘 마이크로폰 패키징 구조는 마이크로폰 구조물(20)의 크기는 작게 만들 수 있으나, 능동 회로부(30) 및 수동 회로부(미도시)의 크기가 커서 전체 크기를 줄이는데 한계가 있다.
또한, 인쇄회로기판(10), 마이크로폰 구조물(20), 능동 회로부(30) 및 수동 회로부(미도시)들 사이에 전기적 연결을 위하여 형성된 본딩 와이어(60) 역시 넓은 공간을 차지하고, 와이어 본딩(Wire Bonding) 공정으로 인해 제조 공정을 복잡하게 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 수동 소자로 이루어진 수동 회로부를 기판 내에 형성하여 실리콘 마이크로폰 패키지의 크기를 줄이는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘 마이크로폰 패키지의 제조공정에서 와이어 본딩(Wire Boning) 공정을 제거하여 제조공정을 단순화하고 자동화하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실리콘 마이크로폰 패키지의 바람직한 일 실시예는, 내부에 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(Passive Circuitry)가 내장되며, 외부의 음압(Sound Pressure)이 유기되도록 하는 음압 관통 공이 형성되어 있는 기판과, 상기 음압 관통 공이 형성된 위치의 기판상에 상기 외부 음압에 의해 진동하는 진동판이 기판을 마주하도록 접합된 실리콘 마이크로폰과, 상기 기판상에 접합되며, 상기 실리콘 마이크로폰의 진동 신호를 전기적 신호로 변환하는 능동 회로부(Active Circuitry)와, 상기 기판의 외곽을 따라 형성된 케이스와, 상기 기판의 하부면에 형성되며, 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실리콘 마이크로폰 패키지의 바람직한 다른 실시예는, 내부에 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(Passive Circuitry)가 내장된 기판과, 상기 수동 회로부와 전기적으로 연결되도록 기판상에 접합된 실리 콘 마이크로폰과, 상기 기판상에 접합되며, 상기 실리콘 마이크로폰의 진동 신호를 전기적 신호로 변환하는 능동 회로부(Active Circuitry)와, 상기 기판의 외곽을 따라 형성되며, 상부에 상기 실리콘 마이크로폰의 진동판에 외부의 음압(Sound Pressure)을 유기시키는 음압 관통 공이 형성된 케이스와, 상기 기판의 하부면에 형성되며, 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실리콘 마이크로폰 패키지의 제조방법의 바람직한 실시예는, 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(Passive Circuitry)가 내장된 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판상에 상기 수동 회로부와 전기적으로 연결되도록 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부(Active Circuitry)를 실장하는 단계와, 상기 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부를 외부로부터 보호하기 위해 상기 기판의 외곽을 따라 케이스를 형성하는 단계와, 상기 실리콘 마이크로폰에 외부의 음압(Sound Pressure)이 유기되도록 하는 음압 관통 공을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기판 내부에 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동 소자로 이루어지는 수동 회로부를 내장함으로써, 실리콘 마이크로폰 패키지의 크기를 줄일 수 있다.
그리고, 본 발명은 실리콘 마이크로폰 패키징 과정에서 와이어 본딩(Wire Bonding) 과정을 제거하고, 단지 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부를 기판에 정렬한 후, 솔더 등의 도전성 접합 물질을 리플로우하는 과정을 통해 접합함으로써, 제조공정을 단순화하고, 자동화하여 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(100)상에 실리콘 마이크로폰(110)과 능동 회로부(120)가 솔더(Solder)(130)에 의해 접합되어 있고, 상기 기판(100)의 외곽을 따라 상기 실리콘 마이크로폰(110)과 능동 회로부(120)를 보호하는 프레임(Frame)(140)이 형성되어 있고, 상기 프레임(140) 상부에 덮개(Lid)(150)가 접착되어 이루어진다.
그리고, 상기 기판(100) 내부에는 저항(161)과 커패시터(164)로 이루어지는 수동 회로부가 형성되어 있고, 상기 기판(100)의 하부 면에는 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad)(170)가 형성되어 있다.
또한, 상기 실리콘 마이크로폰(110)의 하부에 위치하는 기판(100)에는 외부 음압이 유기될 수 있는 음압 관통 공(Sound Port)(180)이 형성되어 있다.
상기 기판(100)은 그 내부에 저항(161) 및 커패시터(164)로 이루어지는 수동 회로부를 포함하는데, 이는 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic : LTCC) 기술을 이용하여 구현할 수 있다.
저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기술이란 테이프 캐스팅(Tape Casting)의 방법으로 제조된 후막(수십 ~ 수백㎛의 두께) 형태의 세라믹 유전체와 여러 가지 회로 요소를 구현하기 위한 전도성 페이스트를 이용하여 여러 층의 적층형 소자를 제조하는 기법을 말한다.
이러한 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기술에서는 금(Au) 또는 은(Ag)과 같이 전도성이 우수하고 산화분위기에서도 소성이 가능한 전도성 금속을 사용할 수 있어, 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동 소자를 구현하는 것이 용이하다.
본 발명에서는 이와 같이, 저온 동시 소성 세라믹 기술을 이용하여 기판 내부에 저항(161) 및 커패시터(164)로 이루어지는 수동 회로부를 형성함으로써, 기존의 수동 회로부가 차지하던 공간을 줄일 수 있게 된다.
한편, 기판(100)으로 저온 동시 소성 세라믹 기판뿐만 아니라 다층 인쇄회로기판을 이용할 수도 있는데, 이 경우 다층 인쇄회로기판 내에 저항(161) 및 커패시터(164)로 이루어지는 수동 회로부를 포함시켜 형성한다.
그러나, 상기 기판(100)으로 저온 동시 소성 세라믹 기판을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 세라믹은 열에 강하고, 실리콘 마이크로폰(110) 및 능동 회로부(120)를 구성하는 실리콘 및 금속 소재와 열팽창 계수가 비슷하므로, 이후 고열 공정에서도 변형 또는 접합 특성 약화 등의 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있기 때문이다.
그리고, 상기 저온 동시 소성 세라믹 기판(100)의 하부면에는 외부 디바이스와 연결하기 위한 접촉 패드(170)가 형성되는데, 접촉 패드(170)는 상기 저온 동시 소성 세라믹 기판(100) 내에 형성된 비아홀(미도시)들을 통해 실리콘 마이크로폰(110) 및 능동 회로부(120)와 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 실리콘 마이크로폰(110)의 하부에 위치한 기판(100)에는 상기 기판(100)을 관통하는 음압 관통 공(180)이 적어도 하나 이상 형성된다.
본 실시예에서는 실리콘 마이크로폰(110)이 상기 기판(100)상에 플립칩 본딩(Flip-Chip Bonding) 방식으로 접합하기 때문에, 실리콘 마이크로폰(110) 중 진동판이 기판(100)과 마주하여 있게 된다.
따라서, 외부 공기가 유입될 수 있도록 하는 음압 관통 공(180)이 실리콘 마이크로폰(110)의 하부에 위치하는 기판(100) 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 실리콘 마이크로폰(110)은 외부에서 유입되는 음압(Sound Pressure) 변화를 진동 신호로 변환하기 위한 것으로, 상기 기판(100) 상에 플립 칩 본딩 방식으로 접합된다.
즉, 실리콘 마이크로폰(110)을 뒤집어서 진동판이 기판(100)을 향하도록 하고, 실리콘 마이크로폰(110)을 기판(100)상에 형성된 솔더(130)에 맞추어 정렬한 후, 솔더(130)에 열을 가하여 리플로우(Reflow) 접합함으로써, 기판(100)과의 기계 적 접합 및 전기적 접속이 이루어지도록 한다.
상기 실리콘 마이크로폰(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(111)에 멤스(MEMS : Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 백 플레이트(113)를 형성한 후, 스페이서(115)를 사이에 두고 진동판(117)이 형성된 구조로 되어있다.
이때, 상기 스페이서(115)는 실리콘 웨이퍼(111)에 절연막을 적층 한 후, 패터닝하여 형성하며, 그 위에 도전성 물질로 이루어진 진동판(117)을 형성한다.
상기 진동판(117)은 외부에서 유입된 음압에 의해 변형 또는 변위가 발생하는 부분으로, 이러한 진동판(117)의 변형 또는 변위는 정전용량의 변화 또는 저항의 변화를 유발하거나 전류 또는 전압을 유발하게 된다.
상기 능동 회로부(120)는 실리콘 마이크로폰(110)에서 발생한 진동 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 것으로, 상기 기판(100)상에 솔더(130)를 통하여 기계적으로 접합되고, 또한 전기적으로 접속된다.
즉, 상기 능동 회로부(120)는 상기 실리콘 마이크로폰(110)로부터 발생된 정전 용량의 변화, 저항의 변화, 전류 또는 전압 신호를 입력으로 받아 전압 혹은 전류 신호로 변환한다.
또한, 상기 능동 회로부(120)는 상기 변환된 신호를 임피던스 매칭하여 외부로 제공하며, 이때 아날로그 전압 또는 전류 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 이를 위해 능동 회로부(120)는 아날로그 증폭기나 아날로그 디지털 변환 기(ADC) 등을 포함하여 구성된다.
이와 같이, 본 발명은 실리콘 마이크로폰 패키징 과정에서 와이어 본딩(Wire Bonding) 과정을 제거하고, 단지 실리콘 마이크로폰(110)과 능동 회로부(120)를 기판(100)에 정렬한 후, 솔더(130) 등의 도전성 접합 물질을 리플로우하는 과정을 통해 접합함으로써, 제조공정을 단순화하고, 자동화할 수 있다.
상기 프레임(140) 및 덮개(150)는 상기 실리콘 마이크로폰(110) 및 능동 회로부(120)를 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것으로, 상기 프레임(140)은 기판(100)의 외곽을 따라 형성된다.
이때, 상기 프레임(140)은 기판(100)과 일체로 형성될 수도 있고, 상기 덮개(150)와 일체로 형성하여 케이스로 구현할 수도 있다. 또한 상기 프레임(140)은 기판(100) 및 덮개(150)와는 별개로 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(200)상에 실리콘 마이크로폰(210)과 능동 회로부(220)가 솔더(Solder)(230)에 의해 접합되어 있고, 상기 기판(200)의 외곽을 따라 상기 실리콘 마이크로폰(210)과 능동 회로부(220)를 보호하는 프레임(Frame)(240)이 형성되어 있고, 상기 프레임(240) 상부에 덮개(Lid)(250)가 접착되어 이루어진다.
그리고, 상기 기판(200) 내부에는 저항(261)과 커패시터(264)로 이루어지는 수동 회로부가 형성되어 있고, 상기 기판(200)의 하부 면에는 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad)(270)가 형성되어 있다.
또한, 상기 실리콘 마이크로폰(210)의 상부에 위치하는 덮개(250)에는 외부 음압이 유기될 수 있는 음압 관통 공(Sound Port)(280)이 형성되어 있다.
본 실시예에서는, 상기 실리콘 마이크로폰(210)이 상기 기판(200)에 뒤집어서 접합되지 않기 때문에, 실리콘 마이크로폰(210)의 진동판이 덮개(250)를 향하게 되며, 따라서 기판(100)이 아닌 덮개(250)에 음압 관통 공(280)이 형성된다.
그리고, 본 실시예에서는 상기 실리콘 마이크로폰(210)의 진동판과 기판(200)과의 전기적 접속을 위해, 상기 솔더(230) 상부에 위치하는 실리콘 마이크로폰(210)에 상기 실리콘 마이크로폰(210)을 관통하며, 도전성 물질이 충전된 비아홀(215)을 형성한다.
도 5는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 제조방법의 실시예를 나타낸 순서도이다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 저항, 인덕터, 커패시터 등의 수동 소자로 이루어진 수동 회로부가 내장된 기판을 준비한다(S 100).
여기서, 상기 기판으로는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기판 또는 다층인쇄회로기판을 사용할 수 있으나, 특히 저온 동시 소성 세라믹 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 기판에는 후술할 실리콘 마이크로폰의 접합 형태에 따라 외부의 공기를 유입할 수 있는 음압 관통 공을 더 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 기판상에 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부를 실장한다(S 110).
즉, 상기 기판에 형성된 패드 상에 솔더를 형성하고, 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부를 상기 솔더에 정렬시킨 후, 상기 솔더에 열을 가하여 리플로우 접합시킨다. 이때, 상기 기판에 형성된 패드는 기판 내부의 수동 소자들과 전기적으로 연결되는 위치에 형성한다.
한편, 상기 실리콘 마이크로폰의 접합 형태에 따라 음압 관통 공이 형성되는 위치가 달라지게 된다.
즉, 상기 실리콘 마이크로폰을 뒤집어서 플립칩 본딩 방식으로 접합하게 되면, 실리콘 마이크로폰의 진동판이 기판을 향하게 되기 때문에 기판에 음압 관통 공을 형성하여야 하고, 실리콘 마이크로폰을 뒤집지 않고 솔더링 방식으로 접합하게 되면, 실리콘 마이크로폰의 진동판이 후술할 덮개를 향하게 되므로 덮개에 음압 관통 공을 형성하여야 한다.
이어서, 상기 기판의 외곽을 따라 프레임을 형성하고(S 120), 상기 프레임 상부에 덮개를 접착하여 상기 실리콘 마이크로폰 및 능동 회로부를 외부 충격으로부터 보호한다(S 130). 이때 상기 프레임과 덮개는 일체화하여 케이스로 구성할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 실리콘 마이크로폰 패키지 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 일 실시예를 나타낸 단면도.
도 3은 실리콘 마이크로폰의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 실리콘 마이크로폰 패키지의 제조방법의 실시예를 나타낸 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 기판 110, 210 : 실리콘 마이크로폰
120, 220 : 능동 회로부 130, 230 : 솔더
140, 240 : 프레임 150, 250 : 덮개
161, 261 : 저항 164, 264 : 커패시터
170, 270 : 접촉 패드 180, 280 : 음압 관통 공

Claims (9)

  1. 내부에 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(Passive Circuitry)가 내장되며, 외부의 음압(Sound Pressure)이 유기되도록 하는 음압 관통 공이 형성되어 있는 기판;
    상기 음압 관통 공이 형성된 위치의 기판상에 상기 외부 음압에 의해 진동하는 진동판이 기판을 마주하도록 플립 칩 본딩(Flip-Chip Bonding) 방식으로 접합된 실리콘 마이크로폰;
    상기 기판상에 접합되며, 상기 실리콘 마이크로폰의 진동 신호를 전기적 신호로 변환하는 능동 회로부(Active Circuitry);
    상기 기판의 외곽을 따라 형성된 케이스; 및
    상기 기판의 하부면에 형성되며, 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad);를 포함하며,
    상기 실리콘 마이크로폰과 능동 회로부는 솔더 접합되어 통전 가능하게 연결되는 실리콘 마이크로폰 패키지.
  2. 삭제
  3. 내부에 수동 소자들로 이루어진 수동 회로부(Passive Circuitry)가 내장된 기판;
    상기 수동 회로부와 전기적으로 연결되도록 기판상에 형성된 솔더(Solder)에 의해 접합된 실리콘 마이크로폰;
    상기 기판상에 접합되며, 상기 실리콘 마이크로폰의 진동 신호를 전기적 신호로 변환하는 능동 회로부(Active Circuitry);
    상기 기판의 외곽을 따라 형성되며, 상부에 상기 실리콘 마이크로폰의 진동판에 외부의 음압(Sound Pressure)을 유기시키는 음압 관통 공이 형성된 케이스; 및
    상기 기판의 하부면에 형성되며, 외부와의 전기적 연결을 위한 접촉 패드(Contact Pad)를 포함하며,
    상기 실리콘 마이크로폰은,
    상기 진동판과 기판의 전기적 접속을 위해, 상기 솔더 상부에 실리콘 마이크로폰을 관통하며 도전성 물질이 충전된 비아홀이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 마이크로폰 패키지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 마이크로폰은,
    상기 진동판과 기판의 전기적 접속을 위해, 상기 솔더 상부에 실리콘 마이크로폰을 관통하며 도전성 물질이 충전된 비아홀이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 마이크로폰 패키지.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 기판은 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic : LTCC) 기판인 것을 특징으로 하는 실리콘 마이크로폰 패키지.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 기판의 외곽을 따라 형성된 프레임(Frame)과, 상기 프레임 상부에 접착되는 덮개(Lid)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 마이크로폰 패키지.
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