KR101666572B1 - 고온 센서 패키지 - Google Patents

고온 센서 패키지 Download PDF

Info

Publication number
KR101666572B1
KR101666572B1 KR1020140151423A KR20140151423A KR101666572B1 KR 101666572 B1 KR101666572 B1 KR 101666572B1 KR 1020140151423 A KR1020140151423 A KR 1020140151423A KR 20140151423 A KR20140151423 A KR 20140151423A KR 101666572 B1 KR101666572 B1 KR 101666572B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heater
temperature sensor
substrate
sensor element
high temperature
Prior art date
Application number
KR1020140151423A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160051439A (ko
Inventor
박종욱
한혁진
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020140151423A priority Critical patent/KR101666572B1/ko
Publication of KR20160051439A publication Critical patent/KR20160051439A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101666572B1 publication Critical patent/KR101666572B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 고온에서 동작하는 고온 센서소자의 열손실을 억제하여 소모전력을 감소시키고, 동시에 고온 센서소자를 안정적으로 지지할 수 있는 고온 센서 패키지에 관한 것으로, 고온 센서소자가 실장되는 패키지 기판에 고온 센서소자와 접촉하지 않는 비접촉부를 형성한 것을 특징으로 한다. 상기 비접촉부에 의해 고온 센서소자의 열이 패키지 기판으로 손실되는 것을 억제할 수 있으며, 상기 비접촉부 주위에 고온 센서소자와 전기적 연결을 위한 센서 전극패드 및 히터 전극패드를 형성하여 고온 센서소자를 접촉식으로 지지하므로, 기계적, 열적 충격이 있는 환경에서도 내구성이 우수한 효과가 있다.

Description

고온 센서 패키지 {HOT SENSOR PACKAGE}
본 발명은 고온 센서 패키지에 관한 것으로서, 구체적으로는 고온에서 동작하는 센서소자의 열손실을 방지하기에 적합한 센서 패키지에 관한 것이다.
가스센서는 특정 가스를 감지하여 그 농도를 전기 신호로 변환하여 출력하는 장치로, 현재 다양한 방식의 가스센서가 상용화되어 있다.
가스센서에는 감지 대상가스의 농도에 따라 저항이 변하는 반도체 물질을 이용한 반도체식 가스센서, 감지 대상가스의 농도에 따라 감지전극과 기준전극 사이의 기전력이 변하는 성질을 이용하는 고체전해질식 가스센서 등이 있으며, 이들 가스센서 소자는 통상 저항 또는 기전력 측정을 위한 외부 측정장치와 연결하기 위하여 적어도 2개의 센서 전극 단자들이 구비된다.
한편 이러한 가스센서들은 보통 수백도에 이르는 동작온도가 필요하므로, 가스센서 소자는 동작온도로 가열하기 위하여 내부적으로 히터를 구비하는 경우가 많다. 센서소자에 구비되는 히터는 미세한 백금선 등으로 형성되는 저항 가열식 히터 패턴이 일반적으로 사용된다.
따라서 가스센서 소자들에는 적어도 2개의 센서전극 단자들 외에도 히터 패턴과 연결되는 히터전극 단자들도 포함될 수 있다. 센서전극 단자와 히터전극 단자가 공용으로 사용되지 않는 경우에는 통상 2개 이상의 센서전극 단자와 2개의 히터전극 단자가 구비된다.
이러한 단자들을 외부의 전기신호 측정장치 및 전원에 연결하기 위해서는 센서소자를 패키지 기판 등을 이용하여 패키징 하여야 하는데, 센서소자를 패키지 기판에 실장하는 경우 히터로부터 센서소자에 전달되어야 하는 열이 패키지 기판 쪽으로 손실되어 전력 소모가 증가하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 기술로는 히터에 의해 가열되는 센서소자 또는 센싱 물질을 리드선 또는 히팅 와이어 등의 금속선으로 지지하여 패키지 기판과 직접 접촉하지 않도록 이격시키는 기술이 있으나, 이러한 기술은 금속선만으로 센서소자를 고정하기 때문에 제작 공정이 복잡할 뿐만 아니라 소형화하는데 기술적 한계가 있는 기술이다. 또한 기계적 충격이나 열충격의 반복에 의해 센서소자를 지지하는 금속선이 끊어지는 등 내구성이 취약한 문제가 있다. 특히 자동차와 같이 지속적인 기계적 진동 및 반복적인 열충격이 가해지는 사용 환경에서는 사용하기 어려운 기술이다.
한국등록특허 제 10-1431471호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 고온센서의 열손실을 방지하여 전력 소모를 최소화할 수 있는 고온 센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제작이 용이하고, 기계적 충격이나 열충격이 있는 사용 환경에서도 내구성이 우수한 고온 센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고온 센서 패키지는, 센서 전극단자 및 히터 전극단자가 하면에 형성된 고온 센서소자, 상기 고온 센서소자가 상면에 실장되는 제1 패키지 기판을 포함하고, 상기 제1 패키지 기판은, 상기 고온 센서소자와 접촉하지 않는 비접촉부, 상기 비접촉부 주위에 형성되어 상기 센서 전극단자 및 히터 전극단자와 각각 접촉되는 센서 전극패드 및 히터 전극패드, 상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드로부터 리드선으로 연결되는 패키지 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 센서 패키지는, 상기 제1 패키지 기판에 적층되며, 상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드를 노출시키는 개구부가 형성된 제2 패키지 기판을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 고온 센서 소자는 상기 개구부를 통해 상기 제1 패키지 기판에 실장될 수 있다.
또한, 상기 비접촉부는 상기 제1 패키지 기판을 관통하여 형성된 개구홀이거나, 또는 완전히 개구되지 않고 소정 깊이 단차진 단차부일 수 있으며, 원형 형상일 수 있다.
또한, 상기 제1 패키지 기판에 상기 고온 센서 소자가 실장 되었을 때, 상기 고온 센서 소자에 의해 상기 비접촉부의 일부가 가려지지 않을 수 있다.
또한, 상기 제1 패키지 기판에 적어도 하나의 열전달 배리어가 형성될 수 있으며, 상기 열전달 배리어는, 상기 제1 패키지 기판을 관통하여 형성된 개구홀이거나, 또는 완전히 개구되지 않고 소정 깊이 단차진 단차부이거나, 상기 제1 패키지 기판 물질보다 열전도도가 더 낮은 물질일 수 있다.
또한, 상기 고온 센서 소자는, 하면에 제1 전극이 형성된 센서부, 상기 제1 전극이 노출되도록 통기홀이 형성된 히터기판을 포함하고, 상기 비접촉부를 통해 상기 통기홀이 외부 공기에 노출되는 것일 수 있다.
또한, 상기 고온 센서 패키지는, 상기 고온 센서소자가 실장된 부분을 덮는 보호캡을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 패키지 기판은, 센서 전극단자 및 히터 전극단자를 구비한 고온 센서소자를 실장하기 위한 패키지 기판으로서, 상기 고온 센서소자와 접촉하지 않는 비접촉부, 상기 비접촉부 주위에 형성되어 상기 센서 전극단자 및 히터 전극단자와 각각 접촉되는 센서 전극패드 및 히터 전극패드, 상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드로부터 리드선으로 연결되는 패키지 단자를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 패키지 기판은, 동작온도로 가열하기 위한 히터가 구비된 고온 센서소자를 접촉식으로 지지하기 위한 패키지 기판으로서, 상기 고온 센서소자의 히터 전극단자와 대응되는 위치에 형성된 히터 전극패드, 상기 히터 전극패드에 인접하여 위치되고, 상기 패키지 기판을 관통하여 형성되며, 상기 고온 센서소자가 상부에 놓여지는 개구홀을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 고온 센서 패키지에 의하면, 고온센서의 열손실을 방지하여 전력 소모를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고온 센서 패키지에 의하면, 제작이 용이하고 기계적 충격이나 열충격이 있는 사용환경에서도 내구성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장되는 고온 센서소자 하면의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장될 수 있는 가스센서소자를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장될 수 있는 가스센서소자를 상측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 센서 패키지의 분해 사시도이다.
도 5는 제1 패키지 기판 및 제2 패키지 기판을 결합한 패키지 기판의 사시도이다.
도 6은 고온 센서소자가 실장된 고온 센서 패키지의 사시도이다.
도 7은 도 6에서 제2 패키지 기판이 제거된 사시도이다.
도 8은 비접촉부의 형태에 따른 열손실에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 센서 패키지의 온도 측정 결과이다.
도 10는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 패키지 기판의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예의 효과에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고온 센서 패키지의 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 제1 패키지 기판의 변형예이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다. 본 발명에서 고온 센서소자라는 용어는 히터에 의해 의도적으로 가열되어 고온에서 동작하는 센서소자를 의미하는 것이며, 특정한 종류의 센서로 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서 고온 센서소자는 화학 센서소자(Chemical Sensor Device) 또는 물리 센서소자(Physical Sensor Device)일 수 있으며, 구체적으로는 화학 센서소자 중에서도 가스 센서소자(Gas Sensor Device)일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장되는 고온 센서소자(100)의 하면(110)을 도시한 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고온 센서소자(100)는 하면(110)에 복수 개의 단자들(121~124)이 형성되어 있다. 이들 단자들은 2개의 센서전극 단자(121, 122) 및 2개의 히터전극 단자(123, 124)일 수 있다. 도 1에는 4개의 단자들이 형성된 것으로 도시하였으나, 이는 예시일 뿐이며 4개 이상의 단자들이 형성될 수 있으며, 센서전극 단자와 히터전극 단자를 공용으로 사용하는 경우에는 3개의 단자들이 형성될 수도 있다. 또한, 도 1에는 고온 센서소자(100)의 평면 형태가 사각형인 것으로 도시하였으나 그 형태는 다양할 수 있다.
도 1의 고온 센서소자(100)는 예를 들면 고체전해질을 이용한 가스센서 소자일 수 있으며, 고체전해질을 이용한 가스센서소자 구조의 일례를 도 2및 도 3에 도시하였다. 도 2는 가스센서소자를 하측에서 바라본 분해 사시도, 도 3은 상측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장될 수 있는 가스센서소자(100)는, 센서부(200) 및 히터부(300)의 적층으로 구성될 수 있다. 센서부(200)는 센서플레이트(210), 센서플레이트(210)의 하면에 형성된 제1전극(220), 센서플레이트(210)의 상면에 형성된 제2전극(230)으로 구성될 수 있다. 여기서 센서플레이트(210)는 산소센서 소자의 경우에는 안정화 지르코니아 등의 산소이온전도체로 이루어질 수 있고, 수소센서 소자의 경우에는 수소이온전도체, 또는 산소이온전도체와 수소이온전도체의 적층으로 이루어질 수 있으며, 이산화탄소센서 소자의 경우에는 알칼리금속이온 전도체, 또는 산소이온전도체와 알칼리금속이온 전도체의 적층으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 센서부(200)의 구조를 특정 구조로 한정하는 것이 아니며, 히터부(300)에 의해 가열되어 동작하고, 가스센서소자(100) 하면에 형성되는 센서 전극단자(121, 122)와 각각 전기적으로 연결되는 제1전극(220) 및 제2전극(230)이 형성되는 센서부(200)이면 족하다.
히터부(300)는 상기 센서부(200)의 하부에 위치하여 센서부(200)를 동작 온도로 가열하기 위한 구성으로, 상부히터기판(310) 및 하부히터기판(330)이 히터패턴(320)을 사이에 두고 적층된 형태일 수 있다. 히터패턴(320)은 상부히터기판(310)의 하면 또는 하부히터기판(330)의 상면 중 어느 하나에 인쇄 기법 등으로 형성된 백금(Pt) 패턴일 수 있다. 히터부(300)는 반드시 상부히터기판(310)과 하부히터기판(330)의 두 기판을 모두 구비하여야 하는 것은 아니며 어느 하나의 기판에 히터 패턴(320)이 인쇄된 형태일 수도 있다. 다만 히터패턴(320)이 대기 중에 노출되는 것을 방지하기 위해서는 두 기판(310, 330)이 모두 구비되는 것이 바람직하다.
센서부(200)의 종류나 구조에 따라서는 제1전극(220)이 기준가스에 노출되는 기준전극일 수 있고, 이때 기준가스로는 통상 외부 공기를 사용하므로, 제1전극(220)이 외부 공기에 노출되도록 상부히터기판(310) 및 하부히터기판(330)에 통기홀(311, 331)을 형성할 수 있다. 제1전극(220)이 기준가스인 외부 공기에 노출되는 기준전극으로 사용되는 센서부(200)로는, 센서플레이트(210)가 산소이온전도체인 산소센서소자, 센서플레이트(210)가 산소이온전도체와 수소이온전도체의 적층으로 이루어지는 수소센서소자, 센서플레이트(210)가 산소이온전도체와 알칼리금속이온 전도체의 적층으로 이루어지는 이산화탄소 센서소자 등이 있다. 제1전극(220)이 외부 공기에 노출될 필요가 없는 경우에는 통기홀(311, 331)는 형성하지 않아도 좋다.
본 발명의 실시예에 따른 고온 센서 패키지에 실장될 수 있는 가스센서소자(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 가스센서소자(100)의 하면에 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)가 형성되는 것을 특징으로 한다. 이를 위해 하부히터기판(330)에는 히터 전극단자(121, 122)가 형성되는 위치에 기판을 관통하는 비아홀(334, 335)을 형성하고 그 내부를 전도성 물질로 채움으로써 히터패턴(320)이 히터 전극단자(123, 124)와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 또한 센서플레이트(200), 상부히터기판(310) 및 하부히터기판(330)에 각각 기판을 관통하는 비아홀(222, 312, 332)을 형성하고 그 내부를 전도성 물질로 채움으로써 제2전극(230)이 센서 전극단자(122)와 전기적으로 연결되도록 하고, 상부히터기판(310) 및 하부히터기판(330)에 각각 기판을 관통하는 비아홀(313, 333)을 형성하고 그 내부를 전도성 물질로 채움으로써 제1전극(220)이 센서 전극단자(121)와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 물론 가스센서소자(100) 하면의 단자들(121, 122, 123, 124)과 제1, 2전극(220, 230) 및 히터패턴(320)과의 연결이 위에서 설명한 방식으로만 한정되는 것은 아니며, 비아홀을 형성하는 대신 가스센서소자(100)의 측면을 따라 단자들(121, 122, 123, 124)과의 연결선을 형성하는 등 다른 방식이 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 센서 패키지의 분해 사시도이다.
도 4를 참조하여 설명하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온센서 패키지(400)는, 제1 패키지 기판(410), 제2 패키지 기판(420) 및 고온센서소자(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 패키지 기판(410)은 고온 센서소자(100)를 상면에 실장하기 위한 패키지 기판으로서, 고온 센서소자(100)가 실장되는 위치에 비접촉부(411)가 형성된다. 비접촉부(411)는 도 4에 도시한 것과 같이 제1 패키지 기판(410)을 관통하는 개구홀일 수 있으며, 완전히 개구되지 않고 소정 깊이 단차진 형태일 수도 있다. 제1 패키지 기판(410)의 비접촉부(411) 주위에는 고온 센서소자(100)의 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)와 각각 대응되는 위치에 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)가 형성되어, 고온 센서소자(100)가 제1 패키지 기판(410)에 실장될 때 대응되는 단자와 전기적으로 접촉하도록 되어 있다. 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)는 리드선(520)에 의해 제1 패키지 기판(410)의 일측으로 연장되어 각각 대응되는 패키지 단자들(530)과 연결되며, 고온 센서 패키지(400)는 패키지 단자(530)들을 통해 외부 장치와 연결될 수 있다.
제1 패키지 기판(410)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ; Yittria-Stabilized Zirconia), 알루미나(Alumina) 등 열전도도가 낮은 세라믹 기판일 수 있으며, 상면에 형성되는 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514), 리드선(520) 및 패키지 단자(530)는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등 금속을 스크린 프린팅 등 인쇄 기법에 의해 동시에 인쇄하여 형성한 것일 수 있다. 또는 제1 패키지 기판(410)은 저온 동시 소성 세라믹(LTCC; Low Temperature Co-fired Ceramic)을 사용하여, 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514), 리드선(520) 및 패키지 단자(530)와 동시 소성할 수 있다.
제2 패키지 기판(420)은 제1 패키지 기판(410) 상면에 적층되는 기판으로, 고온 센서소자(100)가 제1 패키지 기판(410)에 실장되는 위치에 개구부(421)가 형성되어 있다. 개구부(421)는 제1 패키지 기판(410)의 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)가 노출될 수 있는 정도의 크기로 형성되며, 개구부(421) 내에 고온 센서소자(100)가 장착되면 결과적으로 제2 패키지 기판(420)이 고온 센서소자(100)의 측면을 둘러싸는 형태가 될 수 있다. 제2 패키지 기판(420)은 제1 패키지 기판(410)을 전부 덮는 크기로 형성될 필요는 없으며, 고온 센서소자(100)가 삽입되고 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)가 노출될 수 있는 크기의 개구부(421)가 형성될 수 있는 크기이면 되며, 최소한 패키지 단자(530)는 덮지 않는 크기여야 한다.
제2 패키지 기판(420)은 제1 패키지 기판(410)에 고정되어야 하는데, 그 고정 방법으로는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 가령 저온 동시 소성 세라믹(LTCC)을 사용하여, 제1 패키지 기판(410), 센서 전극패드(511, 512), 히터 전극패드(513, 514), 리드선(520) 및 패키지 단자(530)와 동시 소성할 수 있다.
도 5는 제1 패키지 기판(410) 위에 제2 패키지 기판(420)이 적층된 본 발명의 제1 실시예에 따른 패키지 기판(430)의 사시도이다. 제2 패키지 기판(420)의 개구부(421)를 통해 제1 패키지 기판(410)의 비접촉부(411)가 적어도 부분적으로 노출되어 있으며, 비접촉부(411) 주위에 형성된 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)도 개구부(421)를 통해 노출되어 있다. 고온 센서소자(100)는 개구부(421) 내에 삽입되어 하면에 형성된 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)가 각각 대응되는 위치에 형성되어 있는 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514)와 접촉된다. 이때 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)와 이에 대응되는 위치의 센서 전극패드(511, 512) 및 히터 전극패드(513, 514) 사이에는 은(Ag) 페이스트 등 도전성 접착물질을 삽입할 수 있으며, 이러한 방법으로 고온 센서소자(100)를 제1 패키지 기판(410) 위에 안정적으로 고정시킬 수 있다.
도 6은 패키지 기판(430)에 고온 센서소자(100)가 실장된 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 센서 패키지(400)의 결합도이며, 도 7은 도 6에서 제2 패키지 기판(420)을 제거한 형태의 도면이다. 도 6 및 도 7과 같이, 고온 센서소자(100)는 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)가 형성된 부분이 제1 패키지 기판(410)에 의해 지지되며, 그 외의 면적은 비접촉부(411) 상에 놓여지게 되어 고온 센서소자(100)와 제1 패키지 기판(410)의 접촉 면적이 최소화된다. 이는 고온 센서소자(100) 내의 히터에 의해 발생된 열이 제1 패키지 기판(410) 쪽으로 손실되지 않는다는 것을 의미하므로, 고온 센서소자(100)를 동작 온도로 가열하기 위한 전력 소모를 최소화할 수 있다. 또한, 고온 센서소자(100)가 와이어 등 금속선에 의해 지지되는 것이 아니라 제1 패키지 기판(410) 상에 접촉식으로 지지되므로, 기계적 충격이나 열충격이 반복되는 사용 환경에서도 우수한 내구성을 갖는다.
고온 센서소자(100)가 기준가스가 필요한 가스센서소자여서 도 2와 같이 히터 기판(300)에 통기홀(311, 331)이 형성되어 있는 경우에는, 이러한 통기홀이 비접촉부(411)와 정렬되어 센서부(200)의 제1전극(220)이 외부 공기에 노출될 수 있다. 이 경우에는 비접촉부(411)가 제1 패키지 기판(410)을 관통하는 개구홀로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4 내지 도 6에서는 제2 패키지 기판(420)이 구비되는 것으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 고온 센서 패키지에 있어서 제2 패키지 기판(420)은 필수적인 것은 아니다. 즉 도 7과 같이 제2 패키지 기판(420) 없이 고온 센서소자(100)가 제1 패키지 기판(410)에 실장된 형태일 수도 있다. 다만 제2 패키지 기판(420)은 고온 센서소자(100)의 열이 외부로 확산되어 손실되는 것을 막고, 고온 센서소자(100)를 외부 충격으로부터 보호하며, 고온 센서소자(100) 실장 시 가이드 역할을 해줄 수 있어, 구비되는 것이 바람직하다.
비접촉부(411)의 형태는 고온 센서소자(100)의 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124) 형성 부분을 제외한 부분과 제1 패키지 기판(410)이 최소한으로 접촉하도록 하는 형태이면 특별히 한정하는 것은 아니나, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 원형인 것이 바람직하다.
도 8은 비접촉부(411)의 형태에 따른 열손실에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 8(a) 및 도 8(b)와 같이, 제1 패키지 기판(410)의 고온 센서소자(100)가 실장되는 부분에는 각각 사각형 및 원형의 비접촉부(411)가 형성된 것으로 가정하였으며, 이때 히터 패턴(320)은 도면과 같은 형태로 고온 센서소자(100)의 중앙부에 형성되는 것으로 가정하였다. 고온 센서소자(100)의 폭, 길이, 두께는 각각 3mm, 3mm, 1.2mm, 제1 패키지 기판(410)의 폭, 길이, 두께는 각각 5mm, 50mm, 0.5mm로 설정하였으며, 제2 패키지 기판(420)은 고려하지 않았다.
도 8(c)는 히터를 450℃로 고정하였을 때 제1 패키지 기판(410)의 패키지 단자(530)가 형성된 끝단 위치에서의 온도, 도 8(d)는 히터 온도를 450℃로 고정하기 위해 필요한 소모 전력 결과이다. 도 8(c)의 시뮬레이션 결과에 의하면 고온 센서소자(100)와 제1 패키지 기판(410)의 접촉 면적이 동일한 경우에도 비접촉부(411)가 원형인 경우 제1 패키지 기판(410) 끝부분의 온도가 더 낮았으며, 도 8(d)와 같이 소모되는 전력도 비접촉부(411)가 원형인 경우가 더 낮았다. 이로부터, 비접촉부(411)의 형태가 원형인 경우 고온 센서소자(100)로부터 제1 패키지 기판(410)으로의 열손실이 더 작은 것을 알 수 있다. 이는 비접촉부(411)가 사각형인 경우 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)가 형성되는 부분 외에도 고온 센서소자(100)의 가장자리 부분와 제1 패키지 기판(410)이 접촉되게 되어 열전달 경로가 증가할 뿐만 아니라, 비접촉부(411)가 고온 센서소자(100)에 의해 모두 가려지는 형태가 되기 때문인 것으로 추측된다. 이러한 점에서, 비접촉부(411)와 고온 센서소자(100)가 서로 다른 평면 형태를 가지는 등 고온 센서소자(100)가 제1 패키지 기판(410)에 의해 지지되는 부분 이외의 영역에서는 비접촉부(411)가 고온 센서소자(100)에 의해 가려지지 않는 형태인 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 고온 센서 패키지(400)를 제작한 후 고온 센서소자(100) 부분의 온도와 제1 패키지 기판(410)의 패키지 단자(530) 형성 부분의 온도를 직접 측정한 결과이다. FLIR T360 열화상 분석기로 측정하였으며, 히터전압은 6V DC, 전류는 303mA, 소모전력은 1.82W였다. 도 9와 같이, 고온 센서소자(100) 부분이 343℃의 고온으로 유지되는 동안 패키지 단자(530) 형성 부분은 62.7℃로 낮게 유지되는 것을 알 수 있었다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 패키지 기판(610)으로, 기판에 하나 이상의 열전달 배리어(620)가 형성된 것을 제외하면 도 4의 제1 실시예에 따른 제1 패키지 기판(410)과 동일하다. 열전달 배리어(620)는 비접촉부(411)와는 별도로 형성되는 것으로서, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 패키지 기판(610)을 개구시켜 형성된 것일 수 있다. 이때 그 개구 면적이나 개수는 한정되지 않으며, 열손실을 방지하는 측면에서는 개구 면적 및 개수는 많을수록 좋다. 또한 열전달 배리어(620)는 제1 패키지 기판(610)을 개구시키는 것이 아니라 일부분의 두께를 얇게 형성한 것일 수 있으며, 또는 제1 패키지 기판(610)을 두께 방향으로 적어도 일부분 제거한 후 제1 패키지 기판(610) 물질보다 열전도도가 낮은 물질로 채운 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예의 효과에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 11(a)와 같이 비접촉부(411)는 제1 실시예와 마찬가지로 원형으로 형성하였으며, 사각형 형상의 열전달 배리어(620)를 5개까지 증가시켰다. 히터 온도는 450℃로 고정하였으며, 제2 패키지 기판(420)은 고려하지 않았다.
도 11(b)는 제1 패키지 기판(610)의 패키지 단자(530)가 형성된 끝단 위치에서의 온도 결과로서, 열전달 배리어(620)의 개수, 즉 열전달 배리어 면적(Hole Area)이 증가할 수록 온도가 감소하여, 열전달 배리어(620)에 의해 고온 센서소자(100)로부터 제1 패키지 기판(610)으로의 열전달이 효과적으로 억제됨이 확인되었다. 도 11(c)는 히터 온도를 450℃로 고정하기 위해 필요한 소모 전력 결과로서, 열전달 배리어(620)의 면적이 증가함에 따라 소모 전력이 감소하는 경향이 확인되었다.
한편 도 11(b), (c)에 의하면 원형으로 형성되는 비접촉부(411)의 면적이 증가함에 따라 패키지 단자(530)가 형성된 끝단에서의 온도 및 히터 온도를 유지하기 위해 소모되는 전력이 감소하는 것이 확인되었는데, 비접촉부(411)의 면적 증가는 결국 고온 센서소자(100)와 제1 패키지 기판(610) 사이의 접촉 면적 감소를 의미하므로, 고온 센서소자(100)와 제1 패키지 기판(610) 사이의 접촉 면적을 최소화할수록 열손실을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고온 센서 패키지(700)의 사시도로서, 도 6의 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 센서 패키지(400)에서 고온 센서소자(100)가 실장된 부분을 보호캡(710)으로 덮은 것에서만 차이가 있는 것이다. 보호캡(710)은 고온 센서소자(100)를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 것으로, 고온 센서소자(100)가 가스 농도를 측정하기 위한 가스센서소자인 경우에는 측정 대상인 가스가 침투할 수 있어야 하므로 다공성 구조를 가진 고분자재료, 다공성 세라믹, 다공성 흑연 등으로 형성할 수 있다. 제2 패키지 기판(420)의 개구부(421)에 탈착 가능하도록 끼워지는 형태일 수 있다.
위에 설명한 실시예들에서는 고온 센서소자(100)의 하면 각 모서리 부분에 센서 전극단자(121, 122) 및 히터 전극단자(123, 124)가 형성되는 것으로 설명하였으나, 각 단자들의 위치는 제1 패키지 기판(410, 910)에 형성되는 비접촉부(411)의 형태 및 센서 전극패드(511, 512), 히터 전극패드(513, 514)의 배치에 따라 달라질 수 있다. 또한 제1 패키지 기판(410, 910)을 기다란 직사각형의 판형으로 설명하였으나 이는 예시적인 것이다. 가령 도 13에 예시한 것처럼 외부 장치와 연결하기 위한 커넥터 규격 등에 따라 패키지 단자(530)가 형성되는 부분의 폭이 크게 형성될 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 고온 센서 패키지에 따르면, 고온 센서소자로부터 패키지 기판으로의 열손실을 효과적으로 억제함으로써 고온 센서소자를 동작 온도로 가열하기 위해 필요한 전력 소모를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 고온 센서 소자가 패키지 기판에 접촉하여 지지되므로, 기계적, 열적 충격이 있는 환경에서도 장시간 사용할 수 있는 내구성이 확보되는 효과가 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
100: 고온 센서소자
121, 122: 센서 전극단자
123, 124: 히터 전극단자
200: 센서부
210: 센서플레이트
220: 제1 전극
230: 제2 전극
300: 히터부
310: 상부히터기판
320: 히터패턴
330: 하부히터기판
311, 331: 통기홀
222, 312, 313, 332, 333: 비아홀
400, 700: 고온 센서 패키지
410, 610: 제1 패키지 기판
411: 비접촉부
420: 제2 패키지 기판
421: 개구부
430: 패키지 기판
511, 512: 센서 전극패드
513, 514: 히터 전극패드
520: 리드선
530: 패키지 단자
620: 열전달 배리어
710: 보호캡

Claims (12)

  1. 센서 전극단자 및 히터 전극단자가 하면에 형성된 고온 센서소자; 및
    상기 고온 센서소자가 상면에 실장되는 위치에 원형으로 관통하여 형성된 개구홀이거나 완전히 개구되지 않고 소정 깊이 단차진 비접촉부와, 상기 비접촉부의 주위에 형성된 센서 전극패드 및 히터 전극패드를 구비하고, 상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드로부터 연장되어 리드선으로 연결되는 패키지 단자를 구비한 제1 패키지 기판을 포함하고,
    상기 고온 센서소자가 상기 비접촉부 상에 놓여지면, 상기 고온 센서소자는 상기 센서 전극단자 및 히터 전극단자가 형성된 부분이 상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드에 접촉되어 지지되며 그 외의 면적이 상기 비접촉부 상에 비어 있는 공간에 놓여지며,
    상기 고온 센서소자의 하부에는 상기 고온 센서소자를 동작 온도로 가열하는 히터부를 포함하고, 상기 히터부는 상부히터기판과 하부히터기판으로 이루어져 상기 상부히터기판의 하면 중앙부 또는 상기 하부히터기판의 상면 중앙부에 원호 형상으로 히터 패턴이 인쇄되는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 패키지 기판에 적층되며,
    상기 센서 전극패드 및 히터 전극패드를 노출시키는 개구부가 형성된 제2 패키지 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고온 센서 소자는 상기 개구부를 통해 상기 제1 패키지 기판에 실장되는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고온 센서소자는,
    하면에 형성된 제1 전극과 상면에 형성된 제2 전극을 구비한 센서플레이트를 포함하고,
    상기 하부히터기판은 하면 테두리에 상기 센서 전극단자 및 상기 히터 전극단자를 형성하고, 상기 히터 전극단자가 형성되는 위치에 기판을 관통하는 제1 비아홀을 형성하고 그 내부를 전도성 물질로 채우고, 상기 히터패턴이 상기 히터 전극단자와 전기적으로 연결되고,
    상기 센서플레이트, 상기 상부히터기판, 상기 하부히터기판에 각각 기판을 관통하는 제2 비아홀을 형성하고, 그 내부를 전도성 물질로 채우고, 상기 제2 전극이 상기 센서 전극단자와 전기적으로 연결되고,
    상기 상부히터기판과 상기 하부히터기판에 각각 기판을 관통하는 제3 비아홀을 형성하고, 그 내부를 전도성 물질로 채우고, 상기 제1 전극이 상기 센서 전극단자와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 패키지 기판은 상기 개구부를 통해 상기 비접촉부가 적어도 부분적으로 노출되고 상기 비접촉부 주위에 형성된 상기 센서 전극패드 및 상기 히터 전극패드가 상기 개구부를 통해 노출되고,
    상기 고온 센서소자가 상기 개구부 내에 삽입되어 상기 센서 전극단자 및 상기 히터 전극단자가 각각 대응하는 위치에 상기 센서 전극패드 및 상기 히터 전극패드와 접촉하며,
    상기 센서 전극패드와 상기 히터 전극패드의 사이에 도전성 접착물질을 삽입하는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고온 센서 소자에 의해 상기 비접촉부의 일부가 가려지지 않는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 패키지 기판에 적어도 하나의 열전달 배리어가 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열전달 배리어는, 상기 제1 패키지 기판을 관통하여 형성된 개구홀이거나, 또는 완전히 개구되지 않고 소정 깊이 단차진 단차부이거나, 상기 제1 패키지 기판 물질보다 열전도도가 더 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고온 센서 소자는,
    하면에 제1 전극이 형성된 센서부;
    상기 제1 전극이 노출되도록 통기홀이 형성된 히터기판;
    을 포함하고,
    상기 비접촉부를 통해 상기 통기홀이 외부 공기에 노출되는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 고온 센서소자가 실장된 부분을 덮는 보호캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 센서 패키지.
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020140151423A 2014-11-03 2014-11-03 고온 센서 패키지 KR101666572B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140151423A KR101666572B1 (ko) 2014-11-03 2014-11-03 고온 센서 패키지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140151423A KR101666572B1 (ko) 2014-11-03 2014-11-03 고온 센서 패키지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160051439A KR20160051439A (ko) 2016-05-11
KR101666572B1 true KR101666572B1 (ko) 2016-10-17

Family

ID=56026187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140151423A KR101666572B1 (ko) 2014-11-03 2014-11-03 고온 센서 패키지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101666572B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102434850B1 (ko) * 2020-11-24 2022-08-23 (주)센텍코리아 보조 히터를 구비한 가스 센서 및 그 제조 방법
KR102472181B1 (ko) * 2020-12-04 2022-11-29 한국광기술원 가스센서 패키지 및 그 제조 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101431471B1 (ko) 2013-05-10 2014-08-21 한국과학기술원 저 소비 전력형 가스 센서

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010037655A (ko) * 1999-10-19 2001-05-15 이진경 마이크로머시닝 기술에 의해 제조되는 저전력형 세라믹 가스센서 및 그 제조방법
KR20010065767A (ko) * 1999-12-30 2001-07-11 박종섭 배리어 질화막의 크랙을 방지하는 반도체 소자의 제조 방법
KR100937593B1 (ko) * 2007-12-12 2010-01-20 한국전자통신연구원 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101431471B1 (ko) 2013-05-10 2014-08-21 한국과학기술원 저 소비 전력형 가스 센서

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160051439A (ko) 2016-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2930501B1 (en) Sensor
JP6494438B2 (ja) ガスセンサパッケージの製造方法
JP2012247422A (ja) 接触式温度計のための温度検出器
EP3449246B1 (en) Sensor
KR101666572B1 (ko) 고온 센서 패키지
KR100809421B1 (ko) 나노 크기의 감지물질을 갖는 다중가스 감지센서 및 이를이용한 감지방법
CN109244212A (zh) 发光元件搭载用封装
KR101431471B1 (ko) 저 소비 전력형 가스 센서
US20170299545A1 (en) Sensor package having an electrical contact
KR101686123B1 (ko) 마이크로 히터 및 마이크로 센서
KR20160035781A (ko) 가스센서 어레이
US4596975A (en) Thermally insulative mounting with solid state device
JP4203986B2 (ja) ガスセンサー構成体
JP2017223488A (ja) ガスセンサ素子およびガスセンサ
US20190178828A1 (en) Gas sensor
KR101826264B1 (ko) 서브기판을 구비한 가스센서소자
US10433370B2 (en) Micro multi-array heater and micro multi-array sensor
JP2017041010A (ja) 熱感知器
KR20160149557A (ko) 마이크로 히터 및 마이크로 센서
KR101795702B1 (ko) 마이크로 멀티어레이 센서
CN110632127B (zh) 一种插片式气体传感元件支架及其接口
KR20180098114A (ko) 가스센서소자용 서브기판 및 그 제조방법
US20210109056A1 (en) Electrochemical Gas Sensor
KR20190017167A (ko) 감지효율을 향상시킬 수 있는 가스센서 패키지
US9465004B2 (en) Sensor device for sensing a gas, method for operating a sensor device for sensing a gas and production method for a sensor device for sensing a gas

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191001

Year of fee payment: 4