KR101984369B1 - Mems 음향 센서 및 환경 센서를 포함하는 집적 패키지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 환경 센서 및 적어도 하나의 MEMS 음향 센서의 집적된 패키지가 개시된다. 이 패키지는 양 센서들을 환경에 노출시키는 공유 포트를 포함하며, 환경 센서는 환경 특성을 측정하고 음향 센서는 음향파들을 측정한다. 포트는 환경 센서를 공기 흐름에 노출시키고 음향 센서를 음향파들에 노출시킨다. 음향 센서의 실례는 마이크로폰이며, 환경 센서의 실례는 습기 센서이다.

Description

MEMS 음향 센서 및 환경 센서를 포함하는 집적 패키지 및 이를 제조하는 방법{INTEGRATED PACKAGE CONTAINING MEMS ACOUSTIC SENSOR AND ENVIRONMENTAL SENSOR AND METHODOLOGY FOR FABRICATING SAME}
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2014년 5월 9일에 출원된 미국 특허 출원 번호 14/273,845 "INTEGRATED PACKAGE CONTAINING MEMS ACOUSTIC SENSOR AND ENVIRONMENTAL SENSOR AND METHODOLOGY FOR FABRICATING SAME"에 대한 우선권을 주장하며, 이 문헌은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 개시의 실시예들은 전반적으로 음향 센서 및 환경 센서에 관한 것이며, 특히 이러한 센서들의 집적된 패키징에 관한 것이다.
소비자 전자 제품의 구성요소 디바이스들의 집적은 폼 팩터(form factor)를 줄이기 위해서 바람직하다. 이러한 집적은 다수의 디바이스들이 하나의 집적 시스템의 부품들이 되기 때문에 때로 크기 감소를 낳는다. 나아가, 집적 시스템 자체가 시간이 지남에 따라서 그 크기가 점진적으로 감소될 수 있다. 다수의 디바이스들을 단일 시스템 내로 집적하는 것은 복잡하고, 각 디바이스가 상이한 타입을 가지고 상이한 제조 요건들을 갖는 경우에는 더 복잡해진다.
예를 들어서, 음향 센서들(예를 들어서, 마이크로폰들)이 환경 센서들(예를 들어서, 습기 및/또는 온도 센서들)과 함께 여러 용도들로 사용된다. 현재, 습기 및/또는 온도 센서들은, 마이크로폰과 동일한 제품의 일부가 되면서, 마이크로폰과는 개별적으로 패키징된다. 달리 말하면, 이러한 타입의 센서들은 동일한 제품 내에서 개별 구성요소들로서 위치한다. 이는 각 구성요소가 해당 제품의 호스트 회로 보드 상으로 개별적으로 조립되어야 하기 때문에, 차지하는 공간(real estate) 비용을 증가시키거나 제조를 복잡하게 한다. 복수의 센서들을 포함하는 단일 패키지는 제조를 크게 단순화시키고, 비용을 줄이며 전체적인 보드 면적을 줄일 것이다. 또한, 센서들이 동일한 패키지 내에서 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)와 함께 집적될 수 있다면, 추가 비용 및 크기 감소가 실현될 수 있다.
그러나, 전술한 센서들을 집적시키는 노력들은 몇몇 과제들에 의해서 어렵게 되고 있다. 하나의 이러한 과제는 음향 센서의 일부인, 마이크로폰을 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)에 본딩하는데에 있다. 이러한 본딩을 위해서 사용되는 온도들은 통상적으로 대략적으로 430 ℃ 이상이다. 폴리머와 같은 환경 감지 재료는 이러한 온도들을 견딜 가능성이 없다. 다른 문제는 음향 센서의 제조 동안에 사용되는 프로세스인 릴리스 에칭(release etching) 동안에, 폴리머가 부정적인 영향을 받아서, 모든 경우에서 그렇지 않지만 대부분의 경우에, 폴리머에 결함이 유발되는 때에 발생한다. 이러한 단점들은 동일한 IC 기판 및/또는 패키지 기판 상에서 음향 센서들을 환경 센서들과 집적시키는 것을 방해하였다.
음향 및 환경 센서들 양자 및 이러한 음향 및 환경 센서들에 의해서 생성된 데이터를 프로세싱하기 위한 ASIC를 포함하는 집적 패키지 및 이러한 집적 패키지를 제조하는 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다.
본 개시의 실시예는 패키징된 디바이스를 포함하며, 상기 디바이스는 적어도 하나의 환경 센서, 적어도 하나의 음향 센서, 및 상기 디바이스를 환경에 연통시키는 적어도 하나의 포트를 포함하며, 적어도 하나의 환경 센서는 환경 특성들을 측정하고, 적어도 하나의 음향 센서는 음향파들을 측정한다. 상기 포트는 환경 센서 및 음향 센서를 환경에 노출시킨다. 음향 센서의 실례는 마이크로폰이며 환경 센서의 실례는 습기 센서이다.
본 명세서에서 기술된 특정 실시예들의 성질 및 장점들의 추가 이해가 본 명세서의 나머지 부분들 및 첨부 도면들을 참조하여서 실현될 수 있다.
도 1은 음향 센서 및 환경 센서가 포트와 정렬된 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 2는 환경 센서가 음향 센서의 백 캐비티 내에 위치한 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 3은 음향 센서 및 환경 센서가 ASIC 상단 상에 위치하고 ASIC에 부착된 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 4는 음향 센서 및 환경 센서가 상이한 ASIC들에 부착된 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 5는 마이크로폰이 ASIC에 와이어 본딩된 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 6은 포트가 패키지의 커버(또는 리드) 내에 위치한 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 7은 마이크로폰이 커버에 부착되고 패키지의 커버 내에 위치한 포트와 정렬되는 예시적인 집적 패키지를 예시한다.
도 8은 예시적인 환경 센서를 예시한다.
도 9는 다른 예시적인 환경 센서를 예시한다.
도 10은 음향 센서 및 환경 센서를 포함하는 집적 패키지의 예시적인 용도를 예시한다.
기술된 실시예들에서, 집적 회로(IC) 기판은 전기 회로들, 통상적으로 CMOS 회로들을 갖는 실리콘 기판을 지칭할 수 있다. 또한, CMOS IC 기판은 ASIC를 포함할 수 있다. 캐비티는 기판 또는 리드(커버) 내의 리세스를 말할 수 있다. 인클로저(enclosure)는 통상적으로 MEMS 구조물을 둘러싸고 통상적으로 IC 기판, 구조 층, MEMS 기판, 및 독립형 밀봉 링(standoff seal ring)에 의해서 형성되는 완전하게 폐쇄된 공간을 지칭할 수 있다. 포트(port)는 주변 환경으로 MEMS 구조물을 노출시키도록 기판을 통한 개구일 수 있다. 인클로저는 본 개시의 다양한 실시예들에서, 음향 포트를 포함할 것이라는 것이 이해될 것이다.
기술된 실시예들에서, 칩은 반도체 재료로부터 통상적으로 형성된 적어도 하나의 기판을 포함한다. 단일 칩은 다수의 기판들로 형성될 수 있으며, 기판들은 기능들을 보존하도록 기계적으로 본딩된다. 다수의 칩들은 적어도 2 개의 기판들을 포함하며, 2 개의 기판들이 전기적으로 연결되지만 기계적 본딩을 요구하지는 않는다.
패키지는 인쇄 회로 기판(PCB)에 솔더링될 수 있는 금속 패드로의, 칩 상의 본드 패드들 간의 전기적 접속을 제공한다. 패키지는 통상적으로 기판 및 커버를 포함한다. 패키지의 포트 개구가 패키지 내외부로의 공기 흐름을 가능하게 한다는 점을 제외하고, 패키지는 그의 구성요소들은 기밀하게 밀폐한다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 패키지의 개구 포트가 음향파들이 패키지로 들어가고 이로부터 나오도록 하게 한다는 점을 제외하고, 패키지는 음향 밀폐을 제공한다는 것이 이해되어야 한다.
기술된 실시예들에서, 캐비티는 기판 웨이퍼 내의 개구 또는 함몰부(recession)를 지칭할 수 있으며, 인클로저는 포트 개구를 포함하는 완전하게 폐쇄된 공간을 말할 수 있다. 기술된 실시예들에서, 백 캐비티(back cavity)는 PEC(Pressure Equalization Channel)을 통해서 주변 압력과 같아진 부분적으로 폐쇄된 캐비티를 말할 수 있다. 본 개시의 다양한 양태들에서, 백 캐비티는, 음향파들이 음향 MEMS 센서 요소(예를 들어서, 다이아프램)에 의해서 들어가고 나가게 한다는 점을 제외하고, 음향적 밀폐를 제공한다. 일부 실시예들에서, 백 캐비티는 또한 백 챔버로 지칭된다. CMOS-MEMS 디바이스 내에서 형성되는 백 캐비티는 일체형 백 캐비티로 지칭될 수 있다.
기술된 실시예들에서, 힘을 받을 때에 움직이는 음향 시스템 내의 강성 구조물은 플레이트로서 지칭될 수 있다. 백 플레이트는 이동가능한 플레이트를 전기적으로 감지하기 위해서 전극으로서 사용되는 천공된 플레이트일 수 있다. 기술된 실시예들에서, 천공들은 플레이트들을 이동시킬 때에 공기 댐핑을 저감시키기 위한 음향 개구들을 말한다. 음향 포트는 음향 압력을 감지하기 위한 개구일 수 있다. 음향 장벽은 음향 압력이 디바이스의 특정 부분들에 도달하는 것을 방지하는 구조물일 수 있다. 링크부(linkage)는 앵커에 의해서 기판으로의 순응적 부착을 제공하는 구조물이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른, 디바이스(100)가 도시된다. 디바이스(100)는 음향 센서(102), 환경 센서(104), 포트(106), 리드(또는 커버)(108), 패키지 기판(130), 집적 회로(IC) 기판(112) 및 백 캐비티(134)를 포함하게 도시된다.
음향 센서(102)는 환경 센서(104)에 물리적으로 연결되게 도시된다. 솔더(solder)(114)는 디바이스(100)를 외부 기판들에 연결시킨다. 리드(108) 및 패키지 기판(130)은 "패키지"를 형성한다.
도 1의 실시예에서, 포트(106)는 음향 센서 포트(128)와 정렬되게 도시되지만, 본 명세서에서 도시 및 논의될 바와 같이, 이러한 포트들은 정렬될 필요가 없다. 또한, 패키지 기판(130) 내의 포트(106)는 음향 센서(102)에 의해서 감지되도록 음향파들을 수신하며 실시예에 따라서 다른 환경 현상요소들을 수신할 수 있다. 상기 포트(106)는 정방형 캐비티, 직사각형 캐비티 또는 원형 캐비티 중 하나를 포함할 수 있다. 음향 센서(102)는 백 캐비티(134), 센서 요소(120)(예를 들어서, 다이아프램), 음향 센서 기판(126), 음향 센서 포트(128), 및 IC 기판(112)을 포함한다.
음향 센서(102)는 열거하기에는 너무 많은 본 개시의 수많은 다른 실시예들에 따라서, IC 기판(112) 위에 위치되게 도시된다. 와이어 본드(116)는 IC 기판(112)을 패키지 기판(130)에 전기적으로 연결시킨다. IC 기판(112) 및 음향 센서(102) 간의 물리적 연결을 통해서, 음향 센서(102)는 또한 패키지 기판(130)에 전기적으로 연결된다. 환경 센서(104)는 패키지 기판(130) 및 IC 기판(112) 아래에 위치되게 도시되지만, 이는 다시 한번 단지 수많은 다른 실시예들 중 하나이다.
환경 센서(104)는 패키지 기판(130) 상에 직접적으로 구축된 환경 감지 재료(105) 및 감지 전극들(144)을 포함하게 도시된다. 환경 센서(104)는 또한 가열기(122)를 포함하게 도시되며, 일부 실시예들에서, 또한 온도 센서 역할을 할 수 있다. 포트(106)는 패키지 기판(130) 및 IC 기판(112) 내에 형성되게 도시된다. 포트(106)는 환경 감지 재료(105)를 통하여서 연장되게 도시된다. 일부 실시예들에서, 환경 센서(104)는 포트의 일 측면에 구축되어서, 환경 감지 재료(105)를 통한 포트(106)의 연장을 필요없게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 음향 센서(102)는 다음으로 한정되지 않지만 MEMS 마이크로폰과 같은 마이크로폰이다. 이러한 실시예들에서, 센서 요소(120)는 음향 신호에 응답하여서 움직이는 미세가공된 구조물이다. 각 스탠드오프(standoff)(118)는 도전성 경로이며 센서 요소(120)를 IC 기판(112)으로부터 분리시킨다. 센서 요소(120) 및 통상적으로 IC 기판(112) 상에 배치된 상단 알루미늄 층인 도전성 층은 함께 커패시터를 형성한다. 커패시턴스는 센서 요소(120) 및 IC 기판(112) 간의 거리가 음향 압력 진동에 의해서 유발된 센서 요소(120)의 움직임으로 인해서 변함에 따라서 변한다. 이러한 진동들은 음향파들이 포트(106)를 통해서 디바이스(100) 내로 들어감으로써 유발된다.
환경 센서(104)의 동작은 커패시턴스 변화, 저항 변화 또는 질량 적하(mass loading)를 사용하여서 감지되는 특정 환경 특성을 감지한다. 이러한 특성들은 예시적으로, 온도, 습도, 압력, 생물학적 인자, 및 열거하게 너무 많은 다른 인자들이다.
이를 위해서, IC 기판(112)은, 2 개의 센서 요소들, 예를 들어서, 음향 센서(102) 및 환경 센서(104)와 연관된 센서 요소들에서의 변화들을 프로세싱한다는 점에서, 이중 역할을 한다. 음향 센서(102)의 센서 요소 및 환경 센서(104)의 센서 요소는 IC 기판(112)의 전자적 프로세싱 능력들을 공유할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "상단", "하단", "측면" 등과 같은 공간적 용어들은 상대적이며 다양한 실시예들을 실시할 시에 그들을 사용하는 것은 단지 설명을 위한 것이며 실례들을 제공하기 위한 것이라는 것이 이해된다. 다른 공간적 관계들리 채용되고/되거나 동일한 공간적 관계는 본 명세서에서 기술되는 것과는 반대되는 관계일 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어서, 음향 센서(102)는 패키지 기판(130)의 상단 상에 그리고 IC 기판(112)아래에 형성되게 뒤집어질 수 있다. 사실상, 실제적으로 그리고 다른 실시예들에 따라서, 환경 센서(104)는 음향 센서(102)의 상단 상에 형성될 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 리드(108)는 금속으로 이루어진다. 본 개시의 실시예에서, 패키지 기판(130)는 폴리머 또는 세라믹으로 이루어진다. 본 개시의 실시예에서, 음향 센서(102)는 포트(또는 노출부)를 갖는, 마이크로폰 또는 임의의 다른 음향 센서이다. 또 다른 본 개시의 실시예에서, 환경 센서(104)는 포트(106)에 의해서 환경에 노출되기 적합한, 가스, 온도, 압력, 생물학적 센서, 또는 나노입자, 포자(spore), 병원체, 또는 화학물질 센서, 또는 임의의 다른 적합한 센서이다.
일부 실시예들에서, 음향 센서(102)는 다음으로 한정되지 않지만, MEMS 마이크로폰과 같은 마이크로폰이다. 일부 실시예들에서, 일체형 백 캐비티(134)는 본 기술 분야에서 잘 알려진 비와 같이, 마이크로폰의 일부이다.
본 개시의 일부 실시예들에서, 음향 센서(102) 및 환경 센서(104)는 패키지 기판(130)와 같은 단일 기판 상에 형성된다. 본 개시의 일부 실시예들에서, 음향 센서(102) 및 환경 센서(104)는 개별(또는 상이한) 기판들 상에 형성된다. 본 개시의 일부 실시예들에서, 음향 센서(102) 및 환경 센서(104)는 단일 IC 기판 상에 형성된다. 본 개시의 일부 실시예들에서, 음향 센서(102) 및 환경 센서(104)는 상이한 패키지 기판들 상에 형성된다.
일 음향 센서 및 일 환경 센서가 본 명세서에서 도시 및 기술되지만, 이러한 센서들 각각은 각기 2 개 이상 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 전술한 대안사항들은 본 명세서에서 반드시 도시 및 기술되지는 않지만 고려 가능한 다른 실시예들에 추가하여서, 본 명세서에서 기술 및 도시된 바와 같은 본 개시의 나머지 실시예들에 대해서 적용된다.
도 1의 대안사항들 및 변형사항들은 달리 명시적으로 언급되지 않는 이상, 다른 고려 가능한 실시예들에 추가하여서 나머지 실시예들에 적용된다는 것이 이해된다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른, 디바이스(200)를 도시한다. 디바이스(200)는 다음을 제외하고 디바이스(100)와 유사하다. 환경 센서(204)는 IC 기판(212) 및 음향 센서(102)에 대해서 측방향으로 배치되며, 음향 센서 백 캐비티(234) 내에 배치된다. 음향 센서(102)는 IC 기판(212)에 연결 및 위치되게 도시되며 IC 기판(212)은 패키지 기판(230) 상에 위치되게 도시된다. 사실상, 도 2의 실시예에서, 환경 센서(204)는 포트(106)의 상단 상에 위치되게 않게 도시된다. 환경 센서(204)는 커패시터(244), 환경 감지 재료(205), 및 가열기(222)를 포함하게 도시되며, 가열기는 일부 실시예들에서, 또한 온도 센서 역할을 할 수 있다. 또한, 도 1의 디바이스(100)에서와 같이, 디바이스(200)는 IC 기판(212)을 패키지 기판(230)에 전기적으로 연결시키는 와이어 본드(116) 및 디바이스(200)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더(114)를 포함할 수 있다. 리드(108) 및 패키지 기판(230)은 "패키지"를 형성할 수 있다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른 디바이스(300)를 도시한다. 도 3의 실시예에서, 환경 센서(304)는 커패시터(344), 환경 감지 재료(305), 및 가열기(322)를 포함하게 도시된다. 환경 센서(304)는 도 1의 실시예에서와 같이, 패키지 기판(130) 상에 배치되게 도시된 IC 기판(112)의 상단 상에 형성되게 도시된다. 환경 센서(304)으로부터 IC 기판(112)으로의 와이어 본딩이 도 3의 실시예에서는 필요하지 않는데, 그 이유는 환경 센서(304)가 기판(112)의 상단 상에 배치 및 형성되기 때문이다. 따라서, 환경 센서(304)는 IC 기판(112)에 물리적으로 전기적으로 연결되며, 패키지 기판(130) 상에 형성된다. 음향 센서(102)는 IC 기판(112)에 물리적으로 전기적으로 연결된다. 나머지 실시예들과는 반대로, 도 3의 환경 센서(304) 및 음향 센서(102)는 일 단일 IC 기판(112) 상으로 전체가 집적된다. 도 1의 디바이스(100)에서와 같이, 디바이스(300)는 음향 센서(102), 환경 센서(304), 포트(106), 리드(또는 커버)(108), 패키지 기판(130), 집적 회로(IC)기판(112), 및 백 캐비티(334)를 포함하게 도시된다. 또한, 디바이스(300)는 디바이스(300)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더(114)를 포함할 수 있다. 리드(108) 및 패키지 기판(130)은 "패키지"를 형성한다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 디바이스(400)를 도시한다. 도 4의 실시예에서, 환경 센서(404)는 환경 감지 재료(405), 커패시터(444), 및 가열기(422)를 포함하게 도시된다. 환경 센서(404)는 패키지 기판(130)의 상단 상에 배치된 환경 센서 기판(450) 상에 형성된나는 점에서, IC 기판(112)의 일부가 아니라 단독으로 존재하게 도시된다. 환경 센서 기판(450)은 IC 기판을 포함할 수 있다. 이로써, 환경 센서(404)는 IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(450)에 물리적으로 전기적으로 연결된다. 이러한 경우에, IC 기판(450)는 또한 환경 센서(404)의 데이터의 신호 프로세싱의 일부 부분 또는 전부를 위한 기능들을 제공할 수 있다. 와이어 본드(452)는 환경 센서(404)를 패키지 기판(130)에 전기적으로 연결시킨다. IC 기판(112)은 와이어 본드(116)를 통해서 패키지 기판(130)에 독립적으로 전기적으로 연결된다. 음향 센서(102)는 도 1의 실시예에서와 같이, 기판(112)의 상단 상에 형성되게 도시된다. 도 1의 디바이스(100)에서와 같이, 디바이스(400)는 음향 센서(102), 환경 센서(404), 포트(106), 리드(또는 커버)(108), 패키지 기판(130), 집적 회로(IC)기판(112), 및 백 캐비티를 포함하게 도시된다. 또한, 디바이스(400)는 디바이스(400)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더를 포함할 수 있다 솔더. 리드(108) 및 패키지 기판(130)은 "패키지"를 형성한다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른 디바이스(500)를 도시한다. 디바이스(500)는, 도 4 음향 센서가 IC 기판(112)에 연결되고 이의 상단 상에 형성되는 반면에, 음향 센서(502)는 IC 기판의 상단 상에 형성되지 않는다는 점을 제외하면, 디바이스(400)와 유사하다. 즉, IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)는 환경 센서(504)에 의해서 생성된 데이터 및 음향 센서(502)에 의해서 생성된 데이터 양자를 프로세싱하도록 구성된 기능들을 포함할 수 있다. 환경 센서(504)는 커패시터(544), 가열기(522) 및 환경 감지 재료(505)를 포함하게 도시된다. 환경 센서(504)는 IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)의 상단 상에 배치 및 형성되게 도시된다. 이로써, 환경 센서(504)는 IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)에 물리적으로 전기적으로 연결된다. IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)은 패키지 기판 530의 상단 상에 형성되게 도시되며, 와이어 본드(552)를 통해서 상기 기판에 전기적으로 연결된다. 음향 센서(502)는 패키지 기판(530)의 상단 상에 형성되게 도시되며, 와이어 본드(554)를 통해서 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)에 전기적으로 연결된다. 도 4의 디바이스(400)에서와 같이, 디바이스(500)는 음향 센서(502), 환경 센서(504), 포트(106), 리드(또는 커버)(108), 패키지 기판(530), 및 백 캐비티를 포함하게 도시된다. 또한, 디바이스(500)는 디바이스(500)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더를 포함할 수 있다. 리드(108) 및 패키지 기판(530)은 "패키지"를 형성한다.
도 6은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 디바이스(600)를 도시한다. 디바이스(600)는, 패키지 기판(630)이 환경 센서(504) 및 음향 센서(502)가 위치하는 위치에서 포트를 가지지 않는다는 점을 제외하면, 디바이스(500)와 유사하다. 이보다는, 이 디바이스는 실질적으로 환경 센서(504)의 상단에 있으면서 음향 센서(502)의 상단으로부터 수평방향으로 변위되고 음향 센서(502)의 상단 상에 위치한 위치에서, 리드(608) 내의 포트(606)를 갖는다. 도 5의 디바이스(500)에서와 같이, 디바이스(600)는 음향 센서(502), 환경 센서(504), 포트(606), 리드(또는 커버)(608), 패키지 기판(630), 및 백 캐비티를 포함하게 도시된다. 환경 센서(504)는 커패시터(544), 가열기(522), 및 환경 감지 재료(505)를 포함하게 도시된다. IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)은 패키지 기판(630)의 상단 상에 형성되게 도시되며 이에 와이어 본드(552)를 통해서 전기적으로 연결된다. 음향 센서(502)는 패키지 기판(630)의 상단 상에 배치되게 도시되며 와이어 본드(554)를 통해서 IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)에 전기적으로 연결된다. 또한, 디바이스(600)는 디바이스(600)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더(114)를 포함할 수 있다. 리드(608) 및 패키지 기판(630)은 "패키지"를 형성한다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예에 따른 디바이스(700)를 도시한다 . 도 7의 실시예는 음향 센서(702)가 환경 센서(504)의 위치와 반대편 위치에서 도시된다는 점을 제외하면, 도 6의 실시예와 유사하다. 보다 구체적으로, 음향 센서(702)는 음향 센서(702)의 기판을 포함하는 리드(708)의 내측 상에 배치되게 도시되며, 환경 센서(504)는 디바이스(600)의 환경 센서(504)의 위치와 유사하게, 패키지 기판(730) 상에 배치되게 도시된다. 포트(706)는 리드(708)의 상단 부분을 통해서 그리고 음향 센서(702)를 통해서 연장되게 도시된다. 음향 센서(702)는 대신에 와이어 본드 754 를 통해서 리드(708)에 에 전기적으로 연결된다. 도 7은 3 개의 패키징 층들, 예를 들어서, 패키지 기판(730), 벽 인클로저 층(710), 및 음향 센서(702)용 기판을 포함하는 리드(708)가 사용되는, 인쇄 회로 기판들의 재료와 실질적으로 동일한 재료들을 포함하는 전체 패키지를 도시한다. 따라서, 패키지 기판(730)은 벽 인클로저 층(710)을 지지하며, 이 벽 인클로저 층은 패키지 인클로저 높이를 규정하며, 이어서, 리드(708)가 벽 인클로저 층 상으로 조립되어서, 음향 센서(702)의 후방 공간을 나타내는 인클로저를 완성한다. 도 6의 디바이스(600)에서와 같이, IC 기판을 포함하는 환경 센서 기판(550)은 패키지 기판(730)의 상단 상에 형성되게 도시되며 이에 와이어 본드(552)를 통해서 전기적으로 연결된다. 또한, 디바이스(700)는 디바이스(700)를 외부 기판들에 연결시키는 솔더(114)를 포함할 수 있다. 리드(708) 및 패키지 기판(730)은 "패키지"를 형성한다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른, 환경 센서(800)의 일부를 도시한다. 환경 센서(800)는 라미네이트 기판(802), 금속 라인들(801)(예를 들어서, 금속 라인들(801a, 801b, 및 801c)), 금속 전극들(801a 및 801b)을 포함하는 감지 커패시터(144), 및 환경 감지 재료(805)를 갖게 도시된다. 감지 커패시터(144)는 환경 감지 재료(805)에 의해서 경험되고 이와 연관된 특정 환경 특성에서의 변화에 응답하여서 금속 전극들(801a 및 801b) 간의 가변 커패시턴스를 제공한다. 라미네이트 기판(802)은 각기 환경 센서들(104 또는 204)이 형성될 수 있는, 각기 도 1 및 도 2의 기판(130 또는 기판 230)일 수 있다. 도 8의 실시예에서, 금속 층(801)보다 상대적으로 높은 저항을 갖는 재료의 층을 포함하며 라미네이트 기판(802) 상에 형성되는 금속 또는 반도전성 층(803)이 이 층(803) 상에 형성된 금속 라인들(801b 및 801c) 간에서 연결됨으로써 가열 요소 및/또는 저항 기반 온도 센서를 형성할 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 환경 센서(900)의 일부를 도시한다. 센서(900)는 환경 센서(900)가 라미네이트 기판(902)의 재료에 의해서 분리되며 이로써 서로 직접적으로 물리적으로 접촉하지 않는 2 개의 금속 층들, 금속 층(901) 및 금속 층(910)을 갖는다는 점을 제외하면 센서(800)와 유사하다. 감지 커패시턴스가 단일 층 금속(901) 내에 형성된 서로 깍지낀 전극들(901a 및 901b) 양단에서 측정될 수 있다. 환경 감지 재료(905)는 금속 층(901)의 상단 상에서 그리고 금속 층(901)에 의해서 형성된 서로 깍지낀 전극들(901a 및 901b) 간에 형성되게 도시된다. 금속 층(910)은 가열기 요소 및 온도 센서로서 사용될 수 있다.
금속 저항 대 온도 거동이 양호하게 특성화된다면 가열 요소를 온도 센서로 변환시킬 수 있다. 통상적인 라미네이트 프로세스에서, 금속 층의 모든 노출된 부분들은 금 마무리재로 도금될 것이다. 습한 환경 감지 재료로 인한 잠재적 부식이 더 이상 존재하지 않는다.
따라서, 습기-감지 재료의 적합한 선택으로, 반도체 프로세싱 및 일부 릴리스 프로세싱(예를 들어서, 기상 HF 릴리스 에칭)동안에 고온(<450℃)을 유지할 수 있는 습기 센서를 IC 기판의 상단 상에 완전하게 집적시킬 수 있다. 이로써, 도 3에서 그 실례가 도시된, 이러한 완전하게 집적된 실시예는, 보다 작은 폼 팩터 및 최저의 제조 비용이 달성가능하다는 것을 고려하면, 매력적이다.
도 10은 본 개시의 다양한 실시예들의 예시적인 용도들을 도시한다. 보다 구체적으로, 호스트 시스템(1000)은 포트(1006), 환경 센서(1004) 및 음향 센서(1002)를 포함하게 도시되며, 여기서 상기 환경 센서(1004) 및 음향 센서(1002)는 함께 혼성 디바이스(1009)를 규정한다. 혼성 디바이스(1009)는 포트(1006)와 정렬되거나 그러지 않을 수 있는 그 자신의 포트를 갖는다.
음향 센서(1002)의 실례들은 도 1 내지 도 7의 음향 센서들이며; 유사하게, 환경 센서(1004)의 실례들은 도 1 내지 도 7의 환경 센서들이다. 호스트 시스템 (1000)은 음향 및 환경 센서들을 요구하는 임의의 시스템, 예를 들어서, 스마트 와치 또는 웨어러블 운동 디바이스일 수 있다. 혼성 디바이스(1009)의 다른 용도들이 또한 고려될 수 있으며 여기에서 열거하기에는 너무 많다.
전술한 설명은 본 개시의 특정 실시예들과 관련하여서 제공되었지만, 이러한 특정 실시예들은 단지 예시적이며 비한정적이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "상단", "하단", "좌측" 및 "우측"은 상대적이며 개시된 구조들의 단지 실례들이다. 이러한 구조들의 관계는 기술된 것과는 반대될 수 있다는 것이 이해된다 예를 들어서, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 용어 "하단"은 본 개시의 다른 실시예들에서 "상단"일 수 있다.
본 명세서 및 이하의 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 명사의 단수형은 문맥이 달리 명시적으로 언급하지 않는 이상, 해당 명사의 복수형을 포함한다. 또한, 본 명세서 및 이하의 청구항들에서 사용되는 바와 같이, "...에(in)"는 문맥이 달리 명시적으로 언급하지 않는 이상, "... 내에" 및 "... 상에"를 포함한다.
이로써, 특정 실시예들이 본 명세서에서 기술되었지만, 수많은 수정사항, 다양한 변경사항들 및 대체사항들이 전술한 개시 내에서 가능하며, 일부 실례들에서, 특정 실시예들의 일부 특징들은 제시된 바와 같은 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 다른 특징들의 대응하는 사용 없이 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 수많은 수정들이 본질적 범위 및 사상에 맞게 특정 상황 또는 사항을 구성하도록 이루어질 수 있다.

Claims (19)

  1. 디바이스로서,
    패키지;
    상기 패키지 내에 배치된 진동판을 포함하는 MEMS 음향 센서;
    상기 패키지 내에 배치되고, IC 기판 내에 배치된 환경 센서의 환경 감지 재료를 갖는 IC 기판을 포함하는 집적 회로(IC); 및
    상기 MEMS 음향 센서를 위해서 음향파들을 수신하고 상기 환경 센서를 위해서 공기를 수용하게 구성된 포트(port)
    를 포함하며,
    상기 환경 센서는 상기 환경 센서에 의해 경험되는 환경 특성의 변화에 민감한 구성의 상기 환경 감지 재료를 포함하고,
    상기 환경 센서는 복수의 금속 전극 사이에 산재된 환경 감지 재료의 복수의 세그먼트로 구성되고, 상기 복수의 금속 전극은 상기 환경 특성의 변화에 응답하여 가변하는 전기적 환경을 겪으며,
    상기 집적 회로(IC)는 상기 MEMS 음향 센서 및 상기 환경 센서에 의해 생성 된 데이터를 처리하도록 구성되며,
    상기 복수의 금속 전극 중 적어도 하나는 상기 환경 센서의 가열기를 포함하며,
    상기 패키지는 상기 MEMS 음향 센서 및 상기 환경 센서를 포함하는 집적 회로(IC)를 둘러싸는 음향적으로 밀폐된 백 캐비티(acoustically sealed back cavity)를 포함하는, 디바이스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 음향 센서는 MEMS 마이크로폰을 포함하는, 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 센서는 습기 센서, 가스 센서, 온도 센서, 압력 센서, 화학물질 센서, 생물학적 센서, 나노입자 센서, 포자(spore) 센서, 또는 병원체 센서 중 하나를 포함하는, 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 포트는 정방형 캐비티, 직사각형 캐비티 또는 원형 캐비티 중 하나를 포함하는, 디바이스.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 센서는 상기 포트와 정렬되는 방식으로 배치되는, 디바이스.
  10. 패키지를 제조하는 방법으로서,
    패키지 기판을 형성하는 단계;
    상기 패키지 기판 위에 MEMS 음향 센서를 형성하는 단계;
    상기 패키지 기판 위에 ASIC(application specific integrated circuit) 칩을 형성하는 단계로서, 상기 단계는 ASIC 기판 내에 배치된 환경 센서의 환경 감지 재료를 갖는 ASIC 기판을 형성하는 단계를 포함하는 ASIC 칩을 형성하는 단계;
    상기 ASIC 칩과 상기 MEMS 음향 센서 사이 및 상기 ASIC 칩과 상기 환경 센서 사이에 전기 접속을 형성하는 단계;
    상기 패키지 기판에 부착된 커버를 형성하는 단계로서, 상기 커버는 상기 MEMS 음향 센서와 상기 환경 센서를 포함하는 상기 ASIC 칩을 둘러싸는 백 캐비티를 형성하는(define), 상기 커버를 형성하는 단계; 및
    상기 패키지 내에 개구를 형성하는 단계로서, 상기 개구가 음향파들을 수신하고 공기 흐름을 수용하도록 구성되는 단계
    를 포함하며,
    상기 환경 센서는 상기 환경 센서에 의해 감지되는 환경 특성의 변화에 민감한 구성의 상기 환경 감지 재료를 포함하고,
    상기 ASIC 칩을 형성하는 단계는 복수의 금속 전극 사이에 환경 감지 재료의 복수의 세그먼트가 산재하도록 배치하고, 그에 의해 상기 복수의 금속 전극은 상기 환경 특성의 변화에 응답하여 가변하는 전기적 특성을 제공하는 환경 센서 배열을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 복수의 금속 전극 중 적어도 하나는 상기 환경 센서의 가열기를 포함하는,
    패키지 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 패키지 기판을 형성하는 단계는 라미네이트 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 패키지 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 환경 센서를 형성하는 단계는 상기 환경 센서를 상기 개구와 정렬시키는 단계를 포함하는, 패키지 제조 방법.
  16. 집적 회로 칩으로서,
    기판;
    상기 기판 내에 배치된 포트;
    상기 포트와 정렬된 환경 센서;
    상기 기판 위에 배치되며, 상기 환경 센서의 환경 감지 재료를 포함하는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC);
    상기 ASIC 위에 배치된 MEMS 음향 센서; 및
    상기 기판에 부착된 커버
    를 포함하며,
    상기 환경 센서는 상기 환경 센서에 의해 감지되는 환경 특성의 변화에 민감한 구성의 상기 환경 감지 재료를 포함하고,
    상기 환경 센서는 복수의 금속 전극 사이에 산재된 환경 감지 재료의 복수의 세그먼트로 구성되고, 상기 복수의 금속 전극은 상기 환경 특성의 변화에 응답하여 가변하는 전기적 환경을 겪으며,
    상기 복수의 금속 전극 중 적어도 하나는 상기 환경 센서의 가열기를 포함하며,
    상기 ASIC는 상기 MEMS 음향 센서 및 상기 환경 센서에 의해 생성된 데이터를 처리하도록 구성되며,
    상기 커버는 상기 MEMS 음향 센서와 상기 환경 센서를 포함하는 ASIC을 둘러싸는 백 캐비티를 형성하는(define), 집적 회로 칩.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 집적 회로 칩으로서,
    기판;
    상기 기판 내에 배치된 포트;
    상기 기판 위에 배치되며, 환경 센서의 환경 감지 재료를 포함하는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC);
    상기 포트 위에 배치되고, 상기 ASIC로부터 이격되어 인접하게 상기 기판에 기계적으로 부착되는 MEMS 음향 센서; 및
    상기 기판에 부착된 커버
    를 포함하며,
    상기 환경 센서는 상기 환경 센서에 의해 감지되는 환경 특성의 변화에 민감한 구성의 상기 환경 감지 재료를 포함하고,
    상기 환경 센서는 복수의 금속 전극 사이에 산재된 환경 감지 재료의 복수의 세그먼트로 구성되고, 상기 복수의 금속 전극은 상기 환경 특성의 변화에 응답하여 가변하는 전기적 환경을 겪으며,
    상기 복수의 금속 전극 중 적어도 하나는 상기 환경 센서의 가열기를 포함하는,
    상기 커버는 상기 MEMS 음향 센서와 상기 환경 센서를 포함하는 상기 ASIC을 둘러싸는 백 캐비티를 형성하는(define), 집적 회로 칩.
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