KR102192847B1

KR102192847B1 - 미세 기계 센서 장치

Info

Publication number: KR102192847B1
Application number: KR1020140152370A
Authority: KR
Inventors: 옌스 프레이; 아른트 캘버러; 요흔 라인무트; 요하네스 클라쎈
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2020-12-18
Also published as: DE102013222616B4; US9606141B2; TW201532946A; CN104627951A; US20150122023A1; KR20150053238A; CN104627951B; DE102013222616A1; TWI646041B

Abstract

본 발명은 미세 기계 센서 장치(100)에 관한 것으로서, 이 센서 장치는,
패키징되지 않은 제1 센서 요소(10)와,
패키징되지 않은 하나 이상의 제2 센서 요소(20)를 포함하며, 이들 센서 요소(10, 20)는 서로 기능적으로 연결되어 있고, 이들 센서 요소(10, 20)는 패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소(10)가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소(20) 위에 완전히 겹쳐지도록 실질적으로 수직으로 서로 적층 배치된다.

Description

미세 기계 센서 장치{MICROMECHANICAL SENSOR DEVICE}

본 발명은 미세 기계 센서 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 미세 기계 센서 장치를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

가속도, 요 레이트(yaw rate) 및 자기장을 측정하기 위한 미세 기계 센서들이 공지되어 있고, 자동차 및 소비자 장치 분야의 다양한 애플리케이션을 위해 대량 생산 방식으로 제조된다. 통상적으로, 소비자 장치 분야의 다양한 센싱 변수들은 주로 3축 가속도 센서, 3축 요 레이트 센서 및 3축 자기장 센서 형태의 별도의 센서 모듈로부터 형성되지만, 시스템 통합 방향으로 가는 추세, 다시 말하자면 6D 요소들을 컴퍼스 모듈(가속도 및 자기장의 측정) 혹은 IMU(Inertial Measurement Unit, 가속도 및 요 레이트의 측정)로서 혹은 9D 요소들(가속도, 요 레이트 및 자기장의 측정)을 구현하는 추세이다.

선행 기술에서는 통상 다양한 측정 변수를 위한 복수의 칩이 소위 시스템 인 패키지(SiP; System in Package)로서의 플라스틱 하우징(예컨대 LGA, BGA, QFN) 내에 실장된다. 언급한 시스템들은 상이한 별도의 칩들을 구비하며, 이들 칩은 와이어 본딩 접합부에 의해 또는 솔더 볼(solder ball)을 통해 기능적으로 연결된다.

대안적으로는, MEMS 칩 및 ASIC 칩이 사전에 웨이퍼 평면에 수직으로 집적될 수 있다. 이때, 수직 집적은 MEMS와 ASIC 웨이퍼가 접합 상태로 결합되는 것을 일컬으며, 이 경우 MEMS 기능 요소들과 ASIC 사이에 전기 접점들이 만들어진다. 수직 집적 방법에 대한 예들은 예를 들어: US 7 250 353 B2호, US 7 442 570 B2호, US 2010 0109102 A1호, US 2011 0049652 A1호, US 2011 0012247 A1호, US 2012 0049299 A1호 및 DE 10 2007 048604 A1호에 기술되어 있다.

플라스틱 패키징 외에 소위 "베어 다이(bare die)" 시스템도 공지되어 있으며, 이와 같은 시스템에서는 실리콘 칩이 직접 솔더 볼을 통해 애플리케이션 회로 기판상에 납땜된다. 이러한 시스템에서는 플라스틱 추가 패키징이 생략되기 때문에, 상기 센서들은 특히 작은 패키지 면적(footprint)을 갖는 것을 특징으로 한다. MEMS 관성 센서의 베어 다이 구조들은 공지되어 있다. 이와 같은 유형의 종래의 가속도 센서 및 요 레이트 센서에서는 MEMS 소자의 면적보다 훨씬 더 작은 면적을 갖는 ASIC가 소형 솔더 볼들을 통해 MEMS 소자와 연결된다. MEMS 소자는 재배선 층(redistribution layer)을 포함하며, 이 재배선 층은 유연한 배선을 가능케 하고, 외부 접촉을 위해 대형 솔더 볼을 구비할 수 있으며, 이 솔더 볼의 높이는 ASIC 두께와 소형 솔더 볼의 두께를 합친 크기를 초과한다. 상응하는 센서 장치의 일례가 US 2012 0119312 A1호에 기술되어 있는데, 여기서는 각각 하나의 MEMS 소자가 하나의 ASIC 소자에 연결되고, 크기 비율에 따라서 MEMS 소자에 또는 ASIC 소자에 외부 접점이 제공된다.

자기 센서 장치의 경우, 예컨대 자기 저항 층들(AMR, GMR)의 저항 측정, 연자성 재료 내 인덕턴스의 측정(플럭스 게이트 원리 또는 플립 코어 원리) 또는 홀 효과(hall effect)의 활용과 같은 다양한 물리적인 원리 및 측정 기법이 사용된다. 전술한 기술적인 해결책들 중에 다수는 추가의 자성 또는 자기 저항성 층을 요구함에 따라 제조 공정의 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 특히 자성 또는 자기 저항성 층들이 CMOS-ASIC 상에 직접 적층되는 방법이 일반적이다.

센서 모듈을 "더욱 지능적으로" 만드는 추세도 증가하고 있는데, 이는 센서 데이터의 더 강력한 전처리가 수행되고, 이로부터 예컨대 쿼터니온(quarternion)을 산출하여 상기 전처리된 정보를 외부로 애플리케이션에 제공하고자 함이다. 이를 위해서는 부가적인 마이크로컨트롤러 기능들이 필요하며, 이 경우 마이크로컨트롤러는 기본적으로 센서-ASIC 내에 함께 집적되거나 별도로 설치될 수 있다.

본 발명의 과제는, 개선된 고집적 미세 기계 센서 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 제1 양태에 따라,

패키징되지 않은 제1 센서 요소와,

패키징되지 않은 하나 이상의 제2 센서 요소를 포함하는 미세 기계 센서 장치에 의해 해결되며, 이들 센서 요소는 서로 기능적으로 연결되어 있고, 패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소 위에 완전히 겹쳐지도록 실질적으로 수직으로 서로 적층 배치된다.

상기 과제는 제2 양태에 따라,

패키징되지 않은 제1 센서 요소를 형성하는 단계와,

패키징되지 않은 제2 센서 요소를 형성하는 단계와,

상기 두 센서 요소를 기능적으로 연결하는 단계와,

패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소 위에 완전히 겹쳐져서 2개의 센서 요소가 서로 실질적으로 수직으로 적층 배치되도록, 상기 두 센서 요소를 서로 수직으로 배열하는 단계를 포함하는, 미세 기계 센서 장치의 제조 방법에 의해 해결된다.

본 발명에 따른 센서 장치는 바람직하게 애플리케이션 회로 기판상에서 많은 공간을 요구하지 않는다. 또한, 어떠한 추가 패키지도 배제된 베어 다이 컨셉이 사용된다는 사실로 인해, 본 센서 장치의 경우 매우 높은 집적률이 달성될 수 있다. 제1 센서 요소가 큰 면적을 필요로 하는 경우, 제1 센서 요소를 구비하는 본 발명에 따른 컨셉에 따라 복수의 제2 센서 요소도 센서 장치로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.

본 발명에 따른 센서 장치의 바람직한 일 실시예는, 센서 요소들이 제1 솔더 볼에 의해 서로 기능적으로 연결되고, 이 경우 센서 장치는 제2 솔더 볼에 의해 외부로 접촉될 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 센서 장치의 신뢰 성 있고 경제적인 전기 접촉을 가능케 하는 플립 칩 컨셉이 구현된다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 제1 센서 요소가 MEMS 구조물 및 ASIC 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 컨셉에 따라 ASIC 웨이퍼 상에 평가 회로가 고정되는 관성 센서가 구현된다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 2개의 센서 요소 사이에 전기 전도성 본딩 접합부가 형성되며, 이 경우 ASIC 웨이퍼 내에 전기 실리콘 관통 전극이 형성되고, 이때 2개의 센서 요소는 상기 본딩 접합부 및 실리콘 관통 전극에 의해 서로 전기적으로 접촉될 수 있다. 이러한 방식으로, ASIC 웨이퍼와 함께 MEMS 소자를 위한 캡슐화가 제공된다. 전기 전도성 본딩 접합부는 두 가지 기능을 갖는데, 한 편으로는 센서 장치를 위한 밀봉성을 제공해주고, 다른 한 편으로는 센서 요소들 간에 전기 접속을 제공한다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 개선예에 따라, ASIC 웨이퍼가 전기 재배선 장치를 더 포함한다. 이러한 방식으로, 유연한 전기 배선을 구현할 수 있는 가능성 및 전체 센서 장치를 애플리케이션 회로 기판에 접촉시키는 데 이용되는 솔더 볼을 형성할 수 있는 가능성이 제공된다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 제2 센서 요소가 자기 센서, ASIC 칩, 기능 모듈 및 마이크로컨트롤러 중 하나 이상의 요소를 포함한다. 이러한 방식으로 바람직하게, 복수의 상이한 물리적 측정 변수들을 검출 및 처리할 수 있는 다양한 센서 컨셉이 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 제1 센서 요소는 9D 센서이다. 이러한 방식으로, 제1 센서 요소 내부에 바람직하게 미리 자기 센서 장치가 집적될 수 있다. 추가의 마이크로 컴퓨터를 이용하여, 예를 들어 신호 전처리가 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면, 제1 센서 요소는 캡 웨이퍼를 구비하고, 이 경우 제2 센서 요소가 상기 캡 웨이퍼 상에 배치되며, 상기 캡 웨이퍼는 전기 실리콘 관통 전극을 가지며, 이 경우 상기 캡 웨이퍼는 본딩 접합부에 의해 ASIC 웨이퍼 상에 본딩 접합된다. 본 실시예에서 캡 웨이퍼는 전체 센서 장치에 밀봉성 혹은 기밀성을 제공하는 기능 및 하부쪽으로 전기 접점들을 리드하는 기능을 담당한다.

센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면, 캡 웨이퍼가 본딩 접합부에 의해 MEMS 구조물의 미세 기계 기능층 상에 본딩된다. 이러한 방식으로 바람직하게, 본 발명에 따른 센서 장치를 위한 한 가지 대안적인 제조 공정이 구현될 수 있다.

센서 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면, 캡 웨이퍼가 추가의 ASIC 웨이퍼를 포함한다. 이러한 방식으로, 센서 장치를 위해 바람직하게 훨씬 더 큰 집적률이 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 바람직한 일 실시예는, 납땜 공정 후 제2 솔더 볼의 수직 팽창률이 제1 솔더 볼과 제2 센서 요소의 총 수직 팽창률보다 큰 것을 특징으로 한다. 솔더 볼들의 이러한 특수한 설계를 통해, 하나 이상의 제2 센서 요소를 완전히 제1 센서 요소 아래에 배치하는 것 그리고 전체 센서 장치를 애플리케이션 회로 기판상에 전기적으로 접촉시키는 것이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 복수의 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다. 여기에 기술되거나 설명되는 모든 특징은, 청구항들에 요약되어 있는 이들 특징의 내용 또는 상기 청구항들의 인용과 무관하게, 그리고 상세한 설명 부분에 기술된 이들 특징과 관련된 내용과 무관하게, 그 자체로 또는 임의로 조합되어 본 발명의 대상을 형성한다. 각각의 도면은 다른 무엇보다도 본 발명에 필수적인 원리를 명료화하도록 의도되었다. 동일한 혹은 기능적으로 동일한 요소들은 동일한 도면 부호로 표기되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미세 기계 센서 장치의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서 장치의 또 다른 한 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 대한 기본 흐름도이다.

도 1은 본 발명에 따른 미세 기계 센서 장치(100)의 제1 실시예의 단면도이다. 제1 센서 요소(10)는 기판(1)을 구비하고, 이 기판은 미세 기계 기능층(2) 상에 배치되어 있다. 이러한 방식으로, 상기 기판(1) 및 상기 미세 기계 기능층(2)을 이용해서 MEMS 구조물이 구현된다. 상기 MEMS 구조물은 전기 전도성 본딩 접합부(3)에 의해 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 웨이퍼(4)에 전기 전도성으로 접속되어 있다. ASIC 웨이퍼(4) 내부에는 하나 또는 복수의 전기 실리콘 관통 전극(5)(TSV = Through Silicon Via)이 형성되어 있으며, 이 실리콘 관통 전극은 전기 신호를 ASIC(4)의 능동 회로 측으로부터 ASIC 웨이퍼(4)의 후면에 있는 하나 또는 복수의 재배선 층(6)으로 리드한다. 이 경우 전기 재배선이 이루어지고, 규정된 패드 상에 솔더 볼(30, 40)을 제공할 수 있는 가능성이 획득된다. 제1 솔더 볼(30)은 제2 센서 요소(20)를 ASIC 웨이퍼(4)에 납땜하기 위해, 그리고 이로써 제1 센서 요소(10)와 제2 센서 요소(20) 간에 전기적인 신호 흐름을 가능케 하기 위해 이용된다.

제2 센서 요소(20)는 예를 들어 자기 저항성 층(21)을 구비한 자기 센서, 마이크로프로세서, 또는 기능 모듈 등으로서 형성될 수 있다. 전체 센서 장치(100)는 ASIC 웨이퍼(4)의 밑면에 제2 솔더 볼(40)을 가지며, 상기 제2 솔더 볼에 의해 센서 장치(100)가 회로 기판(도면에 도시되지 않음) 상에 전기적으로 접촉될 수 있다. 납땜 공정 후 제2 솔더 볼(40)의 높이는 제2 센서 요소(20)와 제1 솔더 볼(30)의 수직 치수보다 커야 한다.

그럼으로써, 제2 센서 요소(20)가 애플리케이션 회로 기판에 접촉되지 않고서도 상기 제2 센서 요소(20)가 실질적으로 완전히 제1 센서 요소(10) 아래에 배치되어 회로 기판상에 장착될 수 있다. 이는 결과적으로 바람직하게 공간 절약 및 그와 더불어 도면에 도시된 베어 다이 구조물의 매우 높은 집적률을 의미한다. 제2 센서 요소(20)가 제1 센서 요소(10)보다 훨씬 더 작은 패키지 면적을 갖는 경우, 상기와 같은 방식에 따라 복수의 제2 센서 요소(20)를 완전히 제1 센서 요소(10) 아래에 배치하는 것이 가능하다.

이로써, 도 1은 9D 센서의 가능한 일 구현 형태를 보여준다. 이를 위해 제일 먼저 고유 전자 평가 회로를 구비한 집적 자기 센서 형태의 제2 센서 요소(20) 및 집적 관성 센서로서의, 바람직하게는 6D 요소로서의 제1 센서 요소(10)가 별도로 제조된다. 관성 센서는 미세 기계 기능층(2)을 보호하기 위해 그리고 경우에 따라서는 소정의 내압을 내포하기 위해, 또는 요 레이트 센서 및 가속도 센서를 위한 공동부(cavern)가 분리된 경우에는 상이하게 규정된 두 가지 내압을 내포하기 위해 캡으로 싸여 있다.

도 1에 기본적으로 도시된 바와 같은 한 바람직한 구현 형태에서는, ASIC 웨이퍼(4)가 MEMS 기판(1) 및 미세 기계 기능층(2)을 구비한 관성 MEMS 소자의 캡슐화 장치로서 사용된다. 하지만, 예컨대 종래 기술에서 언급된 간행물들에 기술된 바와 같이, 수직 집적 또는 모놀리식 집적과 같은 다른 형태의 집적 및 관성 센서를 위한 캡슐화도 가능하다.

솔더 볼(30, 40)은 이와 같은 용도로 제공된 패드 상에서 하나 또는 복수의 재배선 층(6) 상에 배치된다. 다른 요소들 외에 상기 패드의 면적이 솔더 볼(30, 40)의 크기(직경 및 높이)를 결정한다. 다시 말해, 특히 단 하나의 공정 단계에서 공정 제어가 적합하게 실시되면 높이가 더 높은 제2 솔더 볼(40)뿐만 아니라 높이가 훨씬 더 낮은 제1 솔더 볼(30)도 제공할 수 있다. 크기가 작은 제1 솔더 볼(30)은 자기 센서 형태의 제2 집적 센서 장치(20)를 관성 ASIC 웨이퍼(4)의 후면에 조립할 수 있게 하는 한편, 크기가 큰 제2 솔더 볼(40)은 상기와 같이 구현된 9D 센서를 외부에서 애플리케이션 회로 기판(도면에 도시되지 않음) 상에 전기적으로 접촉시키는 데 이용된다.

물론, 제1 솔더 볼(30) 및 제2 솔더 볼(40)을 연속하는 별도의 공정 단계를 통해 배치하는 것도 가능하다. 특히, 먼저 제1 솔더 볼(30)이 제2 센서 요소(20) 상에 배치되고, 제2 솔더 볼(40)이 제1 센서 요소 상에 배치된 후 상기 제2 센서 요소(20)가 제1 솔더 볼(30)에 의해 제1 센서 요소(10) 상에 납땜될 수 있다.

바람직하게, 외부에서 직접 접촉되지 않는 제2 센서 요소(20)의 입력 및 출력은 ASIC 웨이퍼(4)를 통해 전력을 공급받거나 판독 출력되고, 그 다음에는 관성 측정 변수들과 공동으로 인터페이스(예컨대 SPI, I²C 등)를 통해 관성 ASIC 웨이퍼(4)로 외부로 제공된다.

본 발명에 따른 컨셉에 의해서는, 6D 관성 센서 대신 예컨대 순수한 가속도 센서(1-3D) 또는 순수한 요 레이트 센서(1-3D)와 같은 소수의 평가 변수를 갖는 센서들도 당연히 고려될 수 있다. 또한, 관성 센서가 예컨대 압력, 온도, 습도 등과 같은 추가의 물리적인 변수를 측정하고, 이와 같은 방식에 의해 7D 센서, 8D 센서 또는 9D 센서가 구현되는 것도 가능하다. 또한, 제2 센서 요소(20)는 자기 센서를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 추가의 또는 대안적인 물리 변수들도 측정할 수 있으며, 이로써 결과적으로는 4D 센서, 5D 센서, 6D 센서 등이 구현될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 센서 장치(100)의 또 다른 한 실시예의 기본 단면도이다. 본 변형예에서는 MEMS 기판(1) 내에 전기 실리콘 관통 전극(5)이 형성되며, 이 경우 MEMS 기판(1)의 후면에 전기 재배선 층(6)이 배치된다. 제2 센서 요소(20)(예컨대 자기 센서)의 플립 칩 실장은 크기가 작은 제1 솔더 볼(30)에 의해 MEMS 기판(1)의 후면에서 이루어지며, 이 경우 크기가 큰 제2 솔더 볼(40)을 통한 외부 접촉도 마찬가지로 MEMS 기판(1)의 후면에서 이루어진다.

상기와 같은 방식에 의해, ASIC 웨이퍼(4)는 전기 실리콘 관통 전극(5)을 필요로 하지 않는데, 그 이유는 MEMS 기판(1) 내에 있는 전기 실리콘 관통 전극(5)을 통해 전체 외부 입력 및 출력이 제2 센서 요소(20)로 리드되기 때문이다. 미세 기계 기능층(2)은 반도체와 유사한 증착 공정을 통해 MEMS 기판(1) 상에 증착될 수 있으며, 이 경우 대안적으로 상기 증착 공정을 웨이퍼 본딩 방법 및 후속하는 후방 연마, 접촉 및 구조화를 통해 실시하는 것도 가능하다.

도면에 도시되지 않은, 실질적으로 도 1의 실시예에 상응하는 본 발명에 따른 센서 장치(100)의 또 다른 한 실시예에서는, 자기 센서 대신 마이크로컨트롤러를 관성 센서에 고정할 수도 있으며, 이 경우 상기 마이크로컨트롤러는 신호 전처리를 실행하고, 전처리된 데이터를 외부로 송출한다. 그럼으로써, 바람직하게는 (예컨대 도면에 도시되지 않은 이동 전화의) 메인 애플리케이션 프로세서의 부하가 경감될 수 있거나, 효과적인 애플리케이션 프로세서를 이용할 수 없는 애플리케이션 내부에도 전처리된 데이터가 제공될 수 있다. 이 경우, 제1 집적 센서가 이미 완전한 9D 모듈(또는 10D 모듈, 11D 모듈, 12D 모듈 등)인 것도 고려될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 센서 장치(100)의 대안적인 일 실시예의 기본적인 단면도이며, 여기서는 캡 웨이퍼(7) 내에 외부 전기 실리콘 관통 전극(5)이 형성되어 있다. 본 변형예에서는, 미세 기계 기능층(2)이 (예를 들어 저온 본딩 방법에 의해) 웨이퍼로서 ASIC 웨이퍼(4) 상에 본딩되고 후방이 얇아진다. 그에 이어서 콘택 홀(8)이 미세 기계 기능층(2)과 ASIC 웨이퍼(4) 사이에 형성되고, 금속(예를 들어 텅스텐)에 의해 완전히 또는 부분적으로 채워진다. 후속하는 일 공정 단계에서는, 원래의 MEMS 기능 구조물이 트렌치 가공되고, 이때 노출되기도 한다. 이 경우, 캡 웨이퍼(7)는 ASIC 웨이퍼(4) 상에 직접 본딩된다. 캡 웨이퍼(7)는 능동 회로를 구비한 추가의 ASIC 웨이퍼일 수도 있으며, 이로써 센서 장치(100)의 더욱 높은 집적률이 달성될 수 있다.

도 4는 도 3의 실시예에 대한 한 대안적 실시예를 보여주며, 여기서는 캡 웨이퍼(7)가 전기 실리콘 관통 전극(5)에 의해 ASIC 웨이퍼(4) 상에 본딩되지 않고, 오히려 미세 기계 기능층(2) 상에 본딩된다.

본 발명에 따른 컨셉에 의해서는, 크기가 작은 솔더 볼과의 플립 칩 접합을 통해 별도의 자기 센서 칩을 수직으로 집적된 관성 센서 아래에 배열하고 연결할 수 있다. 회로 기판상으로의 외부 접촉은 관성 센서의 하부 면에서 크기가 더 큰 솔더 볼을 통해 이루어진다. 본 발명에 따라, 상기 방식 및 방법에 의해 독자적이고 완전한 2개의 집적 센서 모듈이 서로 기능적으로 연결된다.

제1 센서 요소(10)가 예를 들어 6D 관성 센서이고, 제2 센서 요소(20)가 3D 자기 센서인 상기와 같은 센서 모듈(100)은 바람직하게, 6D 관성 센서와만 동일한 패키지 면적을 요구하며며, 전체 높이 차 역시 6D 관성 센서와만 비교해서 더 적거나 심지어 0이다. 패키징되지 않은 베어 다이 구조로 인해, 패키지 면적 및 전체 높이 역시 플라스틱으로 추가 패키징 처리된 센서들에서보다 훨씬 더 작다.

또한, 바람직하게는 상기 6D 어레이에 3D 어레이를 합한 어레이의 제조 비용도 단 하나의 ASIC 내에 전체 평가 기능을 포함하는 9D 센서에서보다 낮다. 종래 방식으로 구현된 9D 평가 ASIC에서는, 일반적으로 가장 복잡한 기능, 다시 말해 요 레이트 감지 기능이 우위를 차지하는 ASIC의 전체 칩 표면이 자기 센서 장치를 위한 추가 제조 비용에 영향을 미치게 될 것이며, 이로써 제품 가격이 크게 상승할 것이다.

바람직하게는, 6D 관성 모듈 및 3D 자기 센서도 전반적으로 상호 독립적으로 개발되고 처리되며, 심지어는 개별 제품으로서 별도로 매매된다. 이로써, 본 발명에 따른 컨셉에 의해서는, 공정 복잡성 및 수율도 9D 단일 칩 센서 모듈의 경우보다 더 나을 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 방법의 표현 형태의 기본 흐름도를 보여준다.

제1 단계(S1)에서는 패키징되지 않은 제1 센서 요소(10)의 형성이 실시된다.

제2 단계(S2)에서는 패키징되지 않은 하나 이상의 제2 센서 요소(20)의 형성이 실시된다.

제3 단계(S3)에서는 상기 두 센서 요소(10, 20)가 기능적으로 서로 연결된다.

마지막으로, 제4 단계(S4)에서는 패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소(10)가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소(20) 위에 완전히 겹쳐져서 2개의 센서 요소(10, 20)가 실질적으로 수직으로 서로 적층 배치되도록, 상기 2개의 센서 요소(10, 20)를 서로 수직으로 배열하는 과정이 실시된다.

요약하자면, 본 발명에 의해 수직 집적된 임의의 제1 센서와 임의의 제2 센서가 크기가 작은 솔더 볼을 통해 특정한 기하학적 사전 설정에 따라 서로 연결되며, 이 경우 2개의 집적 센서 중 하나는 크기가 큰 볼을 통해 외부로 접촉되며, 이때 이들 센서 요소에서는 추가 플라스틱 패키징, 추가 세라믹 패키징, 추가 금속 패키징 등이 생략된다(베어 다이 구조). 따라서, 공정 복잡성 및 공정 비용이 비교적 낮은 조건에서 높은 기능 집적이 지원되는데, 그 이유는 특수 기능 및 제조 단계를 갖는 2개의 센서가 우선 별도로 개발되고 제조될 수 있기 때문이다.

상기와 같은 배열을 위한 전제 조건은, 2개 센서의 패키지 면적들의 차를 최소화하여 상대적으로 더 큰 센서 상에 추가로 외부 솔더 볼이 설치될 수 있어야 한다는 것이다. 또한, 애플리케이션 회로 기판상에 납땜된 후에는 상대적으로 더 작은 센서의 전체 높이와 상대적으로 더 작은 솔더 볼의 높이를 합친 높이가 상대적으로 더 큰 솔더 볼의 높이보다 작아야 한다.

본 발명이 구체적인 실시예들을 참조해서 기술되었지만, 본 발명에 의해 앞에서 기술되지 않은 수많은 여러 센서 컨셉이 가능한 점은 자명하다. 특히 제1 센서 요소(10)를 특정 타입의 센서에 할당하는 것은 임의적이며, 이와 마찬가지로 제2 센서 요소를 특정 타입의 센서에 할당하는 것도 임의적이고 자유롭게 선택될 수 있다.

예컨대 본 발명에 따른 컨셉은, 바람직하게 제2 센서 요소의 단 하나의 길이 치수가 제1 센서 요소의 대응 길이 치수와 상이하여도 여전히 구현될 수 있다.

따라서, 당업자는 본 발명의 핵심을 벗어나지 않는 범위에서 전술된 특징들을 변경하거나 서로 조합할 수 있다.

Claims

패키징되지 않은 제1 센서 요소(10)와,
패키징되지 않은 하나 이상의 제2 센서 요소(20)를 포함하는 미세 기계 센서 장치(100)이며,
상기 센서 요소들(10, 20)은 서로 기능적으로 연결되어 있고, 상기 센서 요소들(10, 20)은 패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소(10)가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소(20) 위에 완전히 겹쳐지도록 실질적으로 수직으로 서로 적층 배치되고,
센서 요소들(10, 20)은 제1 솔더 볼(30)에 의해 서로 기능적으로 연결되며, 센서 장치(100)는 제2 솔더 볼(40)에 의해 외부로 접촉될 수 있고,
제2 솔더 볼(40)의 수직 팽창률이 제1 솔더 볼(30)과 제2 센서 요소(20)의 총 수직 팽창률보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
삭제
제1항에 있어서, 제1 센서 요소(10)는 MEMS 구조물(1, 2) 및 ASIC 웨이퍼(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제1항에 있어서, 2개의 센서 요소(10, 20) 사이에 전기 전도성 본딩 접합부(3)가 형성되고, ASIC 웨이퍼(4) 내에 전기 실리콘 관통 전극(5)이 형성되며, 상기 2개의 센서 요소(10, 20)는 본딩 접합부(3) 및 실리콘 관통 전극(5)에 의해 서로 전기적으로 접촉될 수 있는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제3항에 있어서, ASIC 웨이퍼(4)는 전기 재배선 장치(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제1항에 있어서, 제2 센서 요소(20)는 자기 센서, ASIC 칩, 기능 모듈 및 마이크로컨트롤러중 하나 이상의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제1항에 있어서, 제1 센서 요소(10)는 9D 센서인 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제1항에 있어서, 제1 센서 요소(10)는 캡 웨이퍼(7)를 포함하고, 제2 센서 요소(20)는 상기 캡 웨이퍼(7) 상에 배치되며, 상기 캡 웨이퍼(7)는 전기 실리콘 관통 전극(5)을 가지며, 상기 캡 웨이퍼(7)는 본딩 접합부(3)에 의해 ASIC 웨이퍼(4) 상에 본딩되는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제8항에 있어서, 캡 웨이퍼(7)는 본딩 접합부(3)에 의해 MEMS 구조물(2)의 미세 기계 기능층 상에 본딩되는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
제8항에 있어서, 캡 웨이퍼(7)는 추가의 ASIC 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치(100).
삭제
미세 기계 센서 장치(100)를 제조하기 위한 방법이며,
- 패키징되지 않은 제1 센서 요소(10)를 형성하는 단계와,
- 패키징되지 않은 하나 이상의 제2 센서 요소(20)를 형성하는 단계와,
- 상기 두 센서 요소(10, 20)를 기능적으로 연결하는 단계와,
- 패키지 면적이 상대적으로 더 큰 센서 요소(10)가 패키지 면적이 상대적으로 더 작은 센서 요소(20) 위에 완전히 겹쳐지는 형태로 상기 두 센서 요소(10, 20)가 서로 실질적으로 수직으로 겹쳐서 배치되도록, 상기 두 센서 요소(10, 20)를 서로 수직으로 배열하는 단계를 포함하고,
센서 요소들(10, 20)은 제1 솔더 볼(30)에 의해 서로 기능적으로 연결되며, 센서 장치(100)는 제2 솔더 볼(40)에 의해 외부로 접촉될 수 있고,
제2 솔더 볼(40)의 수직 팽창률이 제1 솔더 볼(30)과 제2 센서 요소(20)의 총 수직 팽창률보다 큰 것을 특징으로 하는, 미세 기계 센서 장치의 제조 방법.
제12항에 있어서, 제1 센서 요소(10)는 미세 기계 기능층(2)을 구비한 MEMS 기판(1) 및 ASIC 웨이퍼(4)로서 형성되며, 제2 센서 요소(20)는 자기 센서, ASIC 칩, 기능 모듈, 및 마이크로컨트롤러 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로서 형성되는, 미세 기계 센서 장치의 제조 방법.