KR102238824B1 - 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예들은 패키지화하는 가스센싱소자의 구조에 관한 것으로, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되며, 가스센싱소자에 공동부를 형성할 수 있도록 소자 몸체의 상면에 커버부재를 구현하여 가스센싱부를 포함하는 소자를 보호하는 한편, 방열방지를 구현할 수 있도록 한다.

Description

패키지{PACKAGE FOR GAS SENSOR}

본 발명의 실시예들은 패키지화하는 가스센싱소자의 구조에 관한 것이다.

가스센서가 가져야 하는 조건으로는 얼마나 빨리 반응을 할 수 있는지를 보여주는 신속성, 얼마나 미세한 양이 검출이 되어도 반응할 수 있는지를 보여주는 민감성, 얼마나 오랫동안 동작을 할 수 있는지를 보여주는 내구성, 그리고 소비자가 얼마나 부담 없이 센서를 사용할 수 있는지를 보여주는 경제성 등의 특성을 요구하고 있다. 또 기존의 반도체 공정 기술과 결합하기 위해서는 집적화, 나열화 하기 쉬운 특성을 갖고 있어야 한다. 실용적인 가스센서로는 산화주석(SnO₂)을 재료로 해서 만들어진 가정용 가스 누출 경보기 등이 폭넓게 보급되어 있다. 동작원리로는 가스양의 변화에 따라서 저항 값이 변화하는 것을 이용한 반도체형과 일정 주파수를 갖고 진동하고 있는 진동자에 가스가 흡착되면 진동수가 바뀌는 것을 이용한 진동자형이 있다. 대부분의 가스센서는 회로가 간단하고 상온에서 안정적인 열 적인 특성을 보이는 반도체형을 이용하고 있다.

일반적으로 가스센서는 가스센싱물질이나 센싱칩을 실장하는 구조의 패키지 구조를 가지고 있으며, 종래에는 가스센싱물질이나 센싱칩의 상면 보호를 위한 별도의 캡부재를 구비하여야 하며, 이러한 캡부재 상면에는 미세한 망으로 형성되어 있는 메쉬형상의 부재를 마련하여 가스통기가 가능하도록 형성하고 있다.

이러한 가스센싱을 위한 센싱패키지는 이러한 캡부재 및 메쉬형부재로 인해 상부 구조의 높이가 커지고, 센서칩과 전극부와의 연결에 있어서, 와이어본딩을 사용하게 되어 센서칩보다 전체 패키지 사이즈가 수배~수십배 커지게 되며, 이러한 문제로 가스센서의 소형화가 구현되지 못하는 한계로 작용하고 있다.

본 발명의 실시예 들은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자는 공동부를 형성할 수 있도록 소자 몸체의 상면에 커버부재를 구현하여 가스센싱부를 포함하는 소자를 보호하는 한편, 방열방지를 구현할 수 있도록 하며, 공동부 상에 가스가 체류할 수 있도록 해 센싱효율을 높이는 한편, 패키지로 결합하는 제1기판에 관통홀을 마련하여, 상기 관통홀을 통해 가스의 인입이 가능하도록 하여 가스 센싱할 수 있도록 하여 센싱효율을 높이며, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에 따른 패키지는 하면 및 측벽을 포함하여 내측에 공동부를 마련하는 소자몸체; 상기 측벽 상부에 배치되어 상기 공동부 상면을 밀폐하는 커버부재; 및 상기 하면의 외부표면에 배치되는 가스센싱부;를 포함하는 가스센싱소자를 포함하도록 한다.

본 발명의 실시예예 따르면, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되며, 가스센싱소자에 공동부를 형성할 수 있도록 소자 몸체의 상면에 커버부재를 구현하여 가스센싱부를 포함하는 소자를 보호하는 한편, 방열방지를 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자를 적용하여 가스센싱을 하는 경우, 공동부 상에 가스가 체류할 수 있도록 해 센싱효율을 높이는 한편, 패키지로 결합하는 제1기판에 관통홀을 마련하여, 상기 관통홀을 통해 가스의 인입이 가능하도록 하여 가스 센싱할 수 있도록 하여 센싱효율을 높이며, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성할 수 있는 효과가 있다.

특히, 가스센싱소자가 기판의 금속전극에 직접 실장되는 바 와이어 본딩이 불필요하여 패키지 면적이 줄어들며, 패키지 전체 높이를 줄일 수 있는 장점이 구현된다.

또한, 기존 가스센싱패키지에 필수적인 센서칩 상부의 센싱부를 보호하기 위한 별도의 캡이 불필요하여 제조원가를 더욱 절감하는 한편, 패키지를 더욱 소형화할 수 있게 된다.

아울러, 센싱을 위한 가스의 통로를 기판의 가스인입홀을 통한 1차 가스유입외에도 칩의 측면의 이격부를 통해 가스유입이 이루어져 효율적인 센싱이 구현될 수 있는 장점도 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 가스센서패키지는 상술한 슬림화와 다기능화를 통해 전제 패키지의 사이즈의 축소 및 원가절감이 반영된 IT 기기 전반에 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패키지에 적용되는 가스센싱소자의 요부 개념도를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 가스센싱소자를 포함하는 가스센서 패키지의 구현예를 도시한 개념도이다.
도 5는 도 4에서 상술한 패키지 구조의 상부 평면도를 예시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)" 에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접 (directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패키지에 적용되는 가스센싱소자의 요부 개념도를 도시한 것이다.

도시된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패키지에 적용되는 가스센싱소자는 하면(121) 및 측벽(122)을 포함하여 내측에 공동부(140)를 마련하는 소자몸체(120)와, 상기 측벽(122) 상부에 배치되어 상기 공동부(140) 상면을 밀폐하는 커버부재(150) 및 상기 하면의 외부표면에 배치되는 가스센싱부(110)를 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로, 도 1은 (a) 본 발명의 가스센싱소자의 하부방향(A)과 상부방향(B)을 정의하고, 상부방향(A)에서 바라본 요부 개념도이고, (b)는 하부방향(A)에서의 요부 개념도, (c)는 측면 단면 개념도이다.

이를 참조하면, 도 1의 (a)와 같이 상부방향(B)에서 소자몸체(120) 하면의 외표면에 센싱물질 또는 센싱칩을 통해 가스를 검출하는 가스센싱부(110)가 배치되며, 인접 표면에 외부 단자와 접속할 수 있는 전극패턴(130)을 구비하며, 가스센싱부(110)와 전극패턴(130)은 상호 전기적으로 연결될 수 있는 구조가 구현된다.

도 1의 (b)와 같이 소자의 하부방향(B)에서 바라보면, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자는 내부에 공동부(140)이 마련되는 구조로 측벽(122)과 하면(121)이 구현되는 구조이며, 상부 방향으로는 개구되는 영역이 구현되는 구조로 마련된다.

도 1의 (c)와 같이 측 단면도에서 바라보면, 내부의 공동부(140)을 마련하는 소자몸체의 하면(121)의 반대면에 가스센싱부(110)이 배치되며, 가스센싱부 주변에는 전극패턴(130)이 마련되어, 추후 기판등에 실장될 수 있도록 한다.

도 2는 도 1에서 상술한 가스센싱소자의 구조에서 특히 상기 공동부의 상부면을 밀폐하는 커버부재(150)를 구현하는 것을 도시한 것이다.

상기 커버부재(150)는 상기 소자몸체의 측벽부(122)의 상부면과 공동부의 상부면을 덮는 구조로 배치될 수 있으며, 별도의 구조물로 가공하여 폴리이미드 등의 합성수지필름을 접착하는 구조로 구현될 수도 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 일정한 점도를 가지는 합성수지재료를 디스펜싱 방식으로 공동부의 상부면에 떨어뜨려 밀봉하는 구조로 구현함으로써, 공동부 내측 및 가스센싱부를 보호하고, 가스센싱부에서 가스센싱을 위해 가스가 체류하는 공간을 확보하는 한편, 방열을 방지하는 기능을 구현할 수 있도록 한다.

특히, 합성수지재료는 에폭시, 우레탄, Si를 포함하는 물질 등 실링재로 사용되는 물질을 모두 적용할 수 있으며, 이러한 합성수지재료는 공동부 내부로 흘러들지 않도록 일정한 점도를 가지는 물질을 적용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 커버부재의 하부면(P2)은 소자몸체(120)의 측벽부(122)의 상부 말단면이 형성하는 가상의 수평면(P1) 이하로 형성되는 구조를 가지게 된다. 이는 일정한 점도를 가지는 합성수지재의 중력에 의한 처짐이나 표면 장력에 따른 곡률을 가지도록 커버부재의 하부면이 구현되며, 이러한 구조는 공동부의 상부면이 곡률을 가지도록 하여 가스의 체류 및 순환을 더욱 용이하게 하는 기능이 구현되어 센싱감도를 높일 수 있도록 하는 보완적인 기능도 구현되게 된다. 센싱효율을 높이기 위해 소자몸체의 하면에는 미세 가스이동홀이 형성될 수 있으며, 상기 커버부재의 일부에도 미세 가스이동홀이 추가로 구현될 수도 있다.

도 1 및 도 2에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자를 적용한 패키지의 일 구현예를 도 3 및 도 4를 통해 설명하면 다음과 같다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패키지는 상술한 가스센싱소자가 실장되는 금속패턴(220)을 구비하는 제1기판(210)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1기판(210)의 상부면의 금속패턴(211, 212)는 상기 가스센싱소자(100)의 접합패드 또는 금속전극과 직접 접합되게 되며, 일반적으로 Cu 층에 Ag, Au, Sn 등의 표면처리 도금층을 포함하는 구조로 형성되어 상기 금속전극과 접합성을 향상시킬 수 있도록 함이 바람직하다. 특히, 상기 금속패턴(211, 212)의 두께를 조절하여 1㎛~수백㎛의 범위로 형성하여 가스센싱소자(100)의 측면부로 가스의 통기가 가능하도록 하는 역할을 수행하도록 할 수 있다.

상기 가스센싱소자(100)는 가스센싱이 가능한 센싱물질을 포함하는 기능부로, 통상 상용화된 모든 가스센싱방식의 구조물을 통칭하여 적용할 수 있는 것으로, 산화물반도체를 이용한 센싱소자, 탄소나노튜브를 이용한 센싱소자, 기타 다양한 센싱반도체 칩 등을 모두 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 특징적으로 이러한 가스센싱소자(100)를 실장되는 제1기판(100)의 표면에 마주하도록 실장한다. 즉, 상기 가스센싱소자(100)의 패드부와 상기 제1기판(210)의 금속패턴(220)이 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 직접 결착하도록 하여, 본딩 와이어를 제거할 수 있도록 함으로써, 패키지 면적이 줄어들고, 별도의 가스센싱부 상부에 캡부재나 메쉬부재등의 기구물이 불필요한바, 패키지를 더욱 소형화할 수 있으며 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

도 3에 도시된 것과 같이, 상기 가스센싱소자(100)의 가스센싱부(110)는 외부의 가스가 이동하여 가스와 접촉할 수 있는 제1기판(100)의 가스인입영역(X)과 대응되도록 어라인 됨이 바람직하다. 특히, 상기 가스인입영역(X) 부분에는 상기 가스센싱부(110)과 대응하는 부분에 제1기판을 관통하는 구조의 제1관통홀(도 4의 211참조)을 포함하도록 해, 가스센싱부(110)가 노출되는 구조, 즉 가스센싱부(110)와 제1관통홀(211)의 중심부가 어라인되도록 배치하는 것이 센싱효율면에서 가장 효율적이다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 어라인 구성이 일정 범위에서 어긋나도록 배치하는 것도 가능하며, 이 경우 본 발명이 실시예에서 가스센싱소자의 측면에서 가스이동이격부 등을 통해 가스검출을 보완할 수 있는바, 센싱효율의 향상의 효과를 동일하게 구현될 수 있게 된다.

아울러, 상기 제1기판(210)에 실장되는 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(300)를 더 포함할 수 있다. 이러한 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(300)의 경우 저항방식을 전압방식 출력으로 전환하며, 특히 NTC의 경우 온도에 따른 초기 센싱물질에 저항변화값을 보상하여 일정한 초기 전압값을 가질 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 상기 제1기판(210)은 상기 제1관통홀(211)외에 상기 제1기판(210)과 외부의 기판이나 대상물과의 결합을 위한 제2관통홀(230)이 다수 구비되며, 특히 상기 제2관통홀(230)은 도 3에 도시된 것과 같이 금속물질로 충진(이하, 금속충진부)되며, 상기 금속충진부는 도시된 것과 같이 일정부분 상기 제1기판(210)의 하부로 돌출되는 구조로 형성된다. 이렇게 돌출되는 구조로 형성됨은 후술하는 제2기판 등의 인쇄회로기판과 같은 대상체와 상기 금속충진부(230)이 전기적으로 결합되는 것과 동시에 가스이동통로를 마련하는 역할을 하게 된다.

따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자(100)는 제1기판(210)의 표면에 가스센싱부(110)가 마주하도록 실장되며, 특히 제1기판(210)의 제1관통홀(211)을 통해 유입되는 가스를 검출할 수 있도록 한다.

특히, 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자와 제1기판이 결합하는 구조의 패키지는 별도의 인쇄회로기판 등의 제2기판(400) 상에 실장되는 구조로 구현될 수 있다.

상기 제2기판(400)은 인쇄회로기판을 적용할 수 있다. 특히 인쇄회로기판은 플렉시블(flexible)한 재료를 적용할 수 있으며, 도시된 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 제1기판(210)의 금속충진부(240)과 인쇄회로기판인 제2기판(400)과 전기적으로 접속이 이루어지도록 한다. 특히 이 경우 상기 금속충진부(240)는 상기 제1기판(210)의 하부면 방향으로 일정 부분 돌출되는 구조를 가지는 바, 제2기판(400)과 접속후에도 일정한 이격부를 가지게 되며, 이 이격부는 도시된 것과 같이 가스의 이동통로(X, Y)를 형성하게 된다(이하, '가스이동이격부'라 한다.).

상기 가스이동이격부(410)은 본 발명의 실시예에 따른 패키지에서 제1기판에 마련되는 제1관통홀(211)을 통해 직접적으로 가스와 가스센싱부(110)가 접촉하는 것 이외에도, 가스센싱소자의 측면부에서 접근하는 가스를 가스센싱부와 접촉하게 할 수 있어 센싱효율의 증가를 보장할 수 있다.

종래의 가스센서들이 기판의 상부면을 바라보도록 가스센싱부를 배치하는 방식으로 구현되는 데에는 가스와의 접촉효율을 확보하기 위함이었으며, 이에 필연적으로 가스센싱부를 상부를 바라보도록 하는 동시에 메쉬구조의 보호망 등을 필요로 하여 패키지의 크기가 커질 수 밖에 없었으나, 본 발명의 실시예에 따른 패키지의 경우에는 가스센싱부가 마련된 부분이 제1기판의 표면에 접하도록 실장을 구현하여 별도의 캡을 설치하지 않아 패키지를 소형화할 수 있음은 물론, 제조원가를 절감할 수 있게 하며, 소자 내부의 공동부를 이용한 가스체류와 제1기판의 제1관통홀 및 측면으로부터 가스센싱부로 가스를 유도하는 이격부를 구현하여 센싱효율 역시 확보할 수 있게 된다.

도 5는 도 4에서 상술한 패키지 구조의 상부 평면도를 예시한 것이다.

도시된 것과 같이, 제1기판(100)의 표면에 가스센싱소자의 가스센싱부가 마주하도록 플립칩 방식으로 본딩하며, 금속충진부(240)는 하부에 배치되며, 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(300)가 추가될 수 있다.

본 발명의 실시예예 따르면, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되며, 가스센싱소자에 공동부를 형성할 수 있도록 소자 몸체의 상면에 커버부재를 구현하여 가스센싱부를 포함하는 소자를 보호하는 한편, 방열방지를 구현할 수 있도록 할 수 있다.

특히, 가스센싱을 하는 경우, 소자몸체 내부의 공동부 상에 가스가 체류할 수 있도록 해 센싱효율을 높이는 한편, 패키지로 결합하는 제1기판에 관통홀을 마련하여, 상기 관통홀을 통해 가스의 인입이 가능하도록 하여 가스 센싱할 수 있도록 하여 센싱효율을 높이며, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성할 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 가스센싱소자
110: 가스센싱부
120: 소자몸체
130: 전극패턴
140: 공동부
150: 커버부재
210: 제1기판
211: 제1관통홀
220: 금속패턴
230: 제2관통홀
240: 금속충진부
300: 고정저항 또는 NTC
400: 제2기판(인쇄회로기판)
410: 가스이동이격부

Claims (10)

1. 금속 패턴을 포함하는 제1 기판; 및
   상기 제1 기판의 상기 금속 패턴 위에 실장되는 가스센싱소자를 포함하고,
   상기 가스센싱소자는,
   하면 및 측벽을 포함하여 내측에 공동부를 마련하는 소자몸체;
   상기 측벽 상부에 배치되어 상기 공동부 상면을 밀폐하는 커버부재; 및
   상기 하면의 외부표면에 배치되고, 상기 제1 기판의 상면과 마주하도록 배치되는 가스센싱부;를 포함하고,
   상기 커버 부재의 하면은 상기 측벽의 상부 말단면이 형성하는 가상의 수평면보다 낮게 위치하며, 하측 방향으로 볼록한 곡률을 가지는 패키지.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스센싱부의 최하면은 상기 금속 패턴의 상면보다 낮게 위치하는 패키지.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 커버부재는 합성수지로 구성되는 패키지.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1기판의 표면과 상기 가스센싱부가 이격되는 구조인 패키지.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1기판은,
   상기 가스센싱부와 마주하는 영역에 적어도 1 이상의 제1관통홀을 포함하는 패키지.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1기판은,
   상기 금속패턴이 배치된 하부에 상기 제1기판을 관통하는 제2관통홀을 더 포함하는 패키지.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제2관통홀을 충진하는 금속충진부를 더 포함하는 패키지.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 금속충진부는,
   상기 제1기판의 하부 표면 보다 돌출되는 패키지.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속패턴 및 상기 가스센싱소자와 전기적으로 연결되는 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor)소자를 더 포함하는 패키지.

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