KR102344806B1 - 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents

인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빛 신호를 수광하는 이미지 센서 칩, 상기 이미지 센서 칩의 하부에 배치된 금속기판, 및 상기 금속기판의 상부에 배치되고, 관통 영역을 포함하는 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 금속기판과 상기 인쇄회로기판이 결합되고, 상기 이미지 센서 칩은 상기 관통 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지를 포함한다.

Description

인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지 및 그 제조 방법 {Image Sensor Package using Printed Circuit Board and Manufacturing Process thereof}
본 발명은 이미지 센서 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서를 포함한 실리콘 반도체 소자는 실리콘 웨이퍼 공정을 사용하여 제작된다. 이러한 실리콘 웨이퍼 공정에서는, 각 소자마다 소정의 반도체 공정을 통해 제작된 각각의 웨이퍼에 일반적으로 M x N 행렬로 배열된 통상 “다이 (die)”로 불리는 개별 소자들이 만들어지게 되고, 이후 웨이퍼 상태에서 소정의 전기적 특성 검사를 통과한 각각의 다이들은 낱개로 분리된 다음, 통상 패키지 (package)로 불리는 전용 구조물에 수납되어 하나의 반도체 소자로서 완성되는 것이 일반적이다.
통상 패키지로 부르는 구조물은 내부 공간에 실리콘 반도체 다이(die)를 밀봉, 수납하여 외부 충격이나 오염으로부터 보호하고, 금속 리드선 혹은 금속 핀을 통해 전원과 입력 신호를 패키지 내부에 있는 반도체 칩에 공급하는 한편, 반도체 칩으로부터 얻은 출력 신호를 외부 장치로 전달하는 역할을 한다. 이러한 목적을 위해 반도체 소자 패키지 재료로는 세라믹 (ceramic)이나 열 경화 플라스틱을 주로 사용하고 있으며, 이미지 센서의 경우에는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이기 때문에 일반 반도체 소자와는 달리 패키지 상부 면에 유리와 같은 투명한 소재를 덮개로 가지는 것을 특징으로 한다.
반도체 소자를 수납하는 패키지 구조로서 인쇄회로기판을 이용하는 것이 사용되어 왔으나, 반도체 소자의 발열이 많을 경우 열 방출을 개선하는 수납 구조에 대한 필요성이 있어 왔다.
한편, 머신 비전 카메라 (machine vision camera) 장치를 포함하여 실리콘 반도체 이미지 센서를 채용하는 전기, 전자 장치에서, 이미지 센서를 연속해서 장기간 사용하는 경우 실리콘 반도체 칩에서 발생하는 열에 의한 구조 변형이 나타나는 문제점이 있다.
이미지 센서를 채용하는 카메라 장치의 경우, 통상 렌즈 초점 거리 위치에 이미지 센서 수광 영역 (pixel)을 고정시켜 영상을 확보하게 된다. 머신 비전 카메라 장치에 주로 채용하는 이미지 센서는 길이가 폭에 비해 수 배 이상 큰 라인 스캔형 이미지 센서로, 패키지에 열 변형이 발생하게 되면 주로 길이 방향 양끝 부분이 중심 영역에 비해 휨 현상이 발생하므로 카메라 장치에서 얻는 영상의 초점이 어긋나게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 이미지 센서 반도체 소자를 수납하는 패키지 구조에 인쇄회로기판을 이용하면서, 이미지 센서 반도체 소자의 발열이 많을 경우 열 방출을 개선하는 수납 구조 및 열 변형을 방지할 수 있는 제조 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 특징으로 하는 이미지 센서 패키지는 빛 신호를 수광하여 전기 신호로 변환하는 이미지 센서 칩; 상기 이미지 센서 칩의 하부에 배치된 금속기판; 및 상기 금속기판의 상부에 배치되고, 관통 영역을 포함하는 인쇄회로기판을 포함하고, 상기 금속기판과 상기 인쇄회로기판이 결합되고, 상기 이미지 센서 칩은 상기 관통 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조방법은 관통 영역을 포함하는 인쇄회로기판의 하부에 상기 관통 영역을 덮도록 금속기판과 결합시키는 금속기판 결합 단계; 이미지 센서 칩이 상기 관통 영역 내에 위치하도록 상기 금속기판의 상부에 결합시키는 이미지 센서 칩 결합 단계; 상기 이미지 센서 칩의 소정의 위치에 배치된 금속 패드와 상기 인쇄회로기판 상에 배치된 금속 패드를 금속선을 사용하여 연결하는 연결 단계; 및 상기 이미지 센서 칩의 상부에 광학 커버를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 칩-온-금속기판 (COM) 패키지 구조는 열 전도성이 좋은 금속 기판을 패키지 하부 구조로 채용하고 카메라 장치 외관에 채용하는 금속 재료 (예컨대, 알루미늄)와 물리적 연결이 되는 디자인을 통해 카메라 장치 외부로 열 방출을 쉽게 할 수 있다. 본 발명에 따른 COM 패키지 구조에서는 열전소자 (예컨대, 펠티어 소자)를 패키지 하부 금속 기판에 직접 연결할 수가 있기 때문에, 열 방출 효과를 극대화할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 이미지 센서 패키지는 머신 비전 카메라 장치와 같이 장시간 동안 연속으로 구동하는 이미지 센서를 수납하는 용도로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 패키지 구조에서 패키지 몸체 역할을 하는 인쇄회로기판은 일반적인 카메라 장치에서 이미지 센서를 구동하기 위해 필수인 회로기판과 동일한 크기로 제작이 가능하므로 커넥터로 연결하여 적층 구조를 형성할 수 있기 때문에 카메라 장치 내부에서 공간 활용이 용이하게 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지가 장착된 산업용 머신 비젼 카메라 장치의 전면도 및 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 반도체 이미지 센서 칩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속기판의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 5a, 5b, 및 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학유리의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속기판의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 9a, 9b, 및 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학유리의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체의 개략적인 구성을 개시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 결합 방법을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속기판의 결합 방법을 도시한 도면이다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판과 금속기판이 결합된 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩과 금속기판이 결합된 구성을 개시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩과 인쇄회로기판이 전기적으로 연결된 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지층 및 인쇄회로기판이 결합된 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학유리가 결합된 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 19a 내지 도 19e는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 칩-온-금속기판 구조 이미지 센서 패키지 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가리키는 것으로 사용된다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 “결합” 되어 있다고 할 때에는 "직접적으로 연결" 또는 "직접적으로 결합"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "연결" 또는 “결합”되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음이 명백하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 머신 비전 카메라 (machine vision camera) 장치에 사용하는 이미지 센서 패키지 구조이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지가 장착된 산업용 머신 비젼 카메라 장치의 전면 및 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
반도체 소자를 수납하는 구조로서, 열 발생이 적거나 크기가 작은 반도체 소자에서는 열 경화 플라스틱 판재를 여러 층 겹쳐 만든 인쇄회로기판 (PCB) 위에 반도체 칩을 직접 접착하는 칩-온-보드 (chip-on-board, COB) 구조가 있다. 이러한 COB 패키지 구조는 가볍고 제작이 간단하며 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 시스템 내에서 사용하는 다른 전기 전자 부품을 사용한 회로 보드와 전기적, 기계적으로 연결이 용이하기 때문에 장점이 많다.
한편, 반도체 소자를 구동하게 되면 소비 전력에 의해 열이 발생하게 되며, 발생하는 열에 의해 반도체 소자 자체 온도가 상승하면 잡음 신호 증가에 의한 소자의 전기적 특성 열화가 발생하기 때문에, 소자 동작 중에 발생하는 열을 패키지 외부로 쉽게 방출할 수 있는 구조가 필요하다. 특히, 공장의 자동화 생산 공정에 사용하고 있는 머신 비전 카메라 장치에 채용하는 이미지 센서의 경우에는 중단없이 연속 작동을 해야 하기 때문에 패키지 구조에서 열 방출 특성은 중요한 요소이다.
열 방출을 용이하게 하기 위해서는 열전도성이 좋은 금속 재료를 사용하는 것이 바람직하지만, 패키지 내부에는 입출력 신호와 전원 공급을 위한 금속 배선(주로 전기 전도성이 우수한 구리 또는 금 도금을 사용)을 형성해야만 하기 때문에, 패키지 전체를 금속 재질로 제작하는 것은 불가능하다.
따라서, 본 발명은 COB 구조의 장점과 열 방출 특성이 좋은 금속 재료의 장점을 결합하여, 반도체 칩과 직접 접촉하는 패키지 하부 영역을 금속 재질로 사용하는 칩-온-금속 (chip-on-metal, COM) 패키지 구조를 제안하고 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 머신 비젼 카메라 장치의 정면도인 도 2의 좌측을 참조하면, 카메라 장치의 상부 케이스(10)는 금속 소재(예컨대, 알루미늄)로 금형 제작하며 카메라 장치 크기를 최소화하기 위한 노력으로 카메라 렌즈 경통 직경에 외접하는 정사각형 구조를 갖출 수 있다. 카메라 장치 정면의 중심에는 카메라 렌즈의 경통(미도시)을 연결하는 원형 영역(20)이 구비되어 있고, 그 가운데 부분에는 렌즈를 통한 빛을 내부의 이미지 센서 수광부가 받아들일 수 있도록 이미지 센서 크기에 맞춰 뚫어준 노출 영역(40)을 구비할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상부 케이스(10)의 정사각형 외관 구조의 모서리에는 장치 내부에 수납하려는 부품들을 볼트와 너트로 고정하기 위한 관통홀(through hole, 30)을 구비할 수 있다. 다만, 상부 케이스(10)와 이미지 센서 패키지 본체인 제 1 인쇄회로기판(100)과 같은 하부 구조물과의 체결은 본 기술분야에서 적합한 결합방식이라면 기타 어떠한 방법도 가능하고, 설명의 편의상 예로서 들어진 볼트, 너트, 관통홀에만 한정되지는 않는다.
머신 비젼 카메라 장치의 측면 단면도인 도 2의 우측을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 패키지 본체인 제 1 인쇄회로기판(100)은 이미지 센서를 구동하기 위한 전자 부품을 장착한 제 2 인쇄회로기판(300)과 이미지센서의 입출력 신호(410, 420)를 담당하는 제 3 인쇄회로기판(400)들과는 차례로 커넥터(150, 350)를 통해 통신이 가능한 적층 구조를 가지며 카메라 외관에 구비한 관통홀(30)을 통해 물리적으로 연결되어 있을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 패키지 구조는 패키지 본체인 제 1 인쇄회로기판(100)과 금속기판(200), 제 2 인쇄회로기판(300)과 전기적, 기계적 연결을 위한 커넥터(150)를 포함할 수 있다.
본 발명의 금속기판(200)은 그 상부에 실리콘 반도체 칩인 이미지 센서 칩(80)을 예컨대 접착 등의 방법으로 결합하고, 제 1 인쇄회로기판(100)에 설계한 회로와 이미지 센서 칩(80)의 회로를 금속선(90)으로 연결하도록 할 수 있다. 본 발명의 금속기판(200)은 이미지 센서 칩(80)의 방열을 위해 열전도도가 좋은 금속 재질(예컨대, SUS 금속)로 만들어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 패키지 구조는 상부에 카메라 장치의 렌즈를 통해 빛을 받아들일 수 있으면서 이미지 센서 칩(80)을 보호하기 위한 광학 커버(60, 예컨대 광학유리)를 포함할 수 있고, 제 1 인쇄회로기판(100)에 설계한 회로와 실리콘 반도체인 이미지 센서 칩(80)을 전기적으로 연결하는 금속선(90)을 배치할 때 높이를 확보할 수 있도록 지지체(70)를 배치할 수 있다.
또한, 패키지 본체인 제 1 인쇄회로기판(100) 모서리에는 카메라 장치에 고정할 수 있도록 소정의 크기를 갖는 관통홀(30)을 구비할 수 있다. 그리고, 패키지 하부 구조인 금속기판(200)의 모서리에는, 제 1 인쇄회로기판(100)의 컷아웃 (cut-out) 영역의 위치에 대응되도록, 소정의 크기를 갖는 홀(250)을 구비함으로써 패키지 제작 공정에서 본체인 제 1 인쇄회로기판(100)과 결합시킬 때 (예컨대, 에폭시 수지를 이용하여 접착 고정시킬 때) 정확한 위치에 결합시키기 위한 용도로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩(80)을 개략적으로 표현한 평면도이다. 이미지 센서 칩(80)은 칩 중심부에는 빛 신호를 받아 전기 신호로 변환해 주는 수광 영역(pixel, 82)이 칩 면적의 대부분을 차지하도록 설계할 수 있고, 수광 영역(82) 주위에는 칩 동작을 위해 필요한 주변 회로 영역(83a, 83b)을 배치하고, 그 바깥 둘레에는 이미지 센서 칩(80) 외부와 전기적 연결을 하기 위해 금속선의 한쪽 끝을 접착할 때 사용하는 금속 패드(pad, 81)를 배치할 수 있다. 금속선의 다른 한쪽 끝은 제 1 인쇄회로기판(100)에 구비된 금속 패드에 연결할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 칩-온-금속기판(COM) 구조의 이미지 센서 패키지를 구성하는 각 구성요소들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 및 4b는 칩-온-금속기판 (COM; chip-on-metal) 이미지 센서 패키지 구조에서 금속기판(200)을 도시한 도면으로, COM 구조 패키지에서 이러한 금속기판(200)은 반도체 실리콘 칩 뒷면에 물리적으로 결합되어 이를 지지하는 매질일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 금속기판(200)은 열 발생이 많은 산업용 머신 비전 카메라의 경우에는 열 방출 효과를 극대화할 수 있도록 열전도성이 좋은 금속 재질을 사용할 수 있다.
도 4a는 금속기판(200) 중 실리콘 반도체 칩을 접착하게 되는 상부 면, 도 4b는 반대쪽인 하부 면을 나타내는 도면이다.
도 4a에 도시한 바와 같이 실리콘 반도체 칩과 접착하게 되는 상부 면에는 패키지 제작 공정에서 칩 위치 정합(align)을 위한 인식표(mark)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 인식표는 이미지 센서 칩(80)의 모서리 중 하나 이상과 정합되는 위치에 표시될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속기판(200)의 모서리에는 패키지 공정에서 사용하기 위한 홀(250)이 형성될 수 있는데, 패키지 제작 공정에서 특정한 형상을 가진 치공구에 맞춰 금속기판을 고정시켜 주는 역할을 할 수 있도록 홀(250)은 대각선 방향으로 2개 이상 형성되거나 네 모서리 모두에 형성될 수 있다. 그 외에 금속기판(200)은 평탄도 관리 규정을 통해 제작될 수 있고, 상부 면과 하부 면을 구별하기 위한 별도의 인식표를 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패키지 본체인 제 1 인쇄회로기판(100)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5a는 제 1 인쇄회로기판(100)의 상부 면, 도 5b는 하부 면을 나타내며, 도 5c는 제 1 인쇄회로기판(100)에 구비된 패드(110)를 도시하기 위해 도 5a에 표시한 영역 ”A”를 확대한 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이미지 센서를 수납하기 위한 제 1 인쇄회로기판(100)은 회로 배선(미도시)을 인쇄한 플라스틱 기판을 여러 겹 (예컨대, 6 내지 8층, 혹은 그 이상) 겹쳐 쌓아서 제작하며, 인쇄회로기판의 외관 형태는 이미지 센서가 장착되는 시스템 형상에 따라 (예컨대, 정사각형 혹은 직사각형 외관으로) 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 인쇄회로기판(100)의 모서리에는 머신 비젼 카메라 장치에 고정하기 위한 목적으로 소정의 크기를 갖는 관통홀(30)을 구비할 수 있고, 뒷면에는 제 1 인쇄회로기판(100)의 회로선을 연결한 커넥터(150)를 구비하여 머신 비젼 카메라 장치에서 사용되는 다른 인쇄회로기판과 전기적으로 연결하면서 기계적으로도 안정시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 동작 중 발열이 많은 이미지 센서 칩(80)은 인쇄회로기판 본체에 접착하지 않고 별도의 금속기판(200)에 결합하는 구조를 채택함으로써, 머신 비젼 장치 사용 중에 인쇄회로기판에서 열변형이 발생할 가능성을 근본적으로 방지할 수 있다. 이러한 목적을 위해서 제 1 인쇄회로기판(100)과 하부 금속기판(200)은 최대한 접촉면적이 적도록 서로 결합 및 고정 (예컨대, 접착에 의해) 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 이미지 센서 소자의 특성상 금속기판(200) 상에 결합시킨 이미지 센서가 빛 신호를 받아들일 수 있도록 제 1 인쇄회로기판(100)의 중심부에는 이미지 센서 칩(80)의 크기보다 더 넓은 면적을 컷아웃 (cut-out) 등에 의해 비워둔 (hollow) 관통 영역을 갖도록 설계할 수 있다. 또한, 제 1 인쇄회로기판(100)의 관통 영역 이외의 부분에 필요한 회로선을 배치하게 되며, 경우에 따라서는 인쇄회로기판 상부 면과 하부 면에는 회로 임피던스 (impedance)를 맞춰 주기 위한 컨덴서와 저항 같은 수동소자를 배치할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제 1 인쇄회로기판(100)의 최상부 층에 이미지 센서 칩(80) 상의 금속 패드(81)와 금속선을 통한 연결이 가능하도록 금속 패드(110)를 형성하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 커버(60)를 보여주는 도면으로, 광학 커버(60)는 인쇄회로기판 패키지 상부에 부착해서 이미지 센서 칩(80)의 수광 영역(pixel)에 원하는 파장 영역의 빛 신호를 투과하도록 해주면서 이미지 센서 칩(80)을 외부 오염원으로부터 보호하는 역할을 하는 구조물로서, 예컨대 광학유리일 수 있다. 통상 광학유리(60)는 투과율 특성을 관리하게 되며, 유리 표면에서 반사를 억제하기 위해 표면에 반사 방지 (anti-reflection) 코팅 처리를 추가할 수 있다.
도 7은 광학유리(60)를 제 1 인쇄회로기판(100) 상부에 부착시킬 때 광학유리와 인쇄회로기판 사이에 삽입하는 지지체(70)를 도시한 도면이다. 도 5c에서 설명한 바와 같이 제 1 인쇄회로기판(100) 상부에는 이미지 센서 칩(80)에 배치한 금속 패드(81)와 전기적으로 연결해주기 위한 금속 패드(110)가 형성될 수 있다. 전기적 연결을 위해, 와이어 본더 (wire bonder) 장비를 사용해서 금속선을 양쪽 금속 패드(81, 110)에 접착시킬 수 있는데, 이 때 금속선이 위로 볼록한 모양을 형성할 수 있다. 따라서, 제 1 인쇄회로기판(100) 상부에 광학유리(60)를 직접 부착하게 되면 금속선과 맞닿게 되어 불량이 발생하므로, 패키지 제작 공정에서 공정 여유를 위해 높이를 증가시켜 줄 필요가 있다. 도 7의 지지체(70)는 이러한 목적을 위해 배치할 수 있는데, 가능하면 인쇄회로기판 물질과 열팽창 계수가 비슷한 재질을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면 지지체(70)는 인쇄회로기판 물질과 열팽창 계수가 비슷한 에폭시 수지 또는 페놀 수지로 제조됨으로써, 열팽창 계수가 달랐을 때 생길 수 있는 광학유리(60) 및 인접한 인쇄회로기판의 뒤틀림과 같은 원치 않는 변형을 방지할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 칩-온-금속기판(COM) 구조 이미지 센서 패키지를 구성하는 각 구성요소들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8a와 도 8b는 각각 도 4a와 도 4b, 그리고 도 9a, 도 9b, 도 9c는 각각 도 5a, 도 5b, 도 5c와 대응하는 도면이고, 도 10 및 도 11은 각각 도 6 및 도 7에 대응한다. 도 8 내지 도 11의 실시예에 의하면 각 부품들의 각진 모서리가 둥글게 처리될 수 있고, 구성이나 기능 측면에서는 도 4 내지 도 7의 실시예와 동일 또는 유사할 수 있다. 이러한 외관 형태 구성은 기본적으로 카메라 장치 외관 설계에 의존하므로, 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 사용한 칩-온-금속기판 구조의 이미지 센서 패키지는 도시된 실시예에 보여지는 것뿐만이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 12 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지 제조 방법을 개략적으로 보여주는 도면이다. 본 실시예의 제조 방법은 도 4 내지 도 7에서 보여진 구조를 기초로 설명되나, 본 발명의 제조 방법이나 공정은 이러한 외관 구조에만 한정되지 않는다.
도 12를 참조하면, 제 1 인쇄회로 기판(100)의 하부 면에 접착제(160)를 소정의 위치에 소정의 두께로 도포한 상태를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 접착제(160)는 예컨대, 열 경화성 에폭시 수지일 수 있다.
도 13을 참조하면, 금속기판(200)의 상부 면에 접착제(160)를 소정의 위치에 소정의 두께로 도포한 상태를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 접착제(160)는 예컨대, 열 경화성 에폭시 수지일 수 있다. 다만, 본 명세서에서 설명의 편의상 접착제 및 에폭시 수지의 예를 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제 1 인쇄회로 기판(100)과 금속기판(200)의 결합을 위하여 적합한 어떠한 기계적, 물리적, 화학적 방법을 포함할 수 있는 것은 당업자에게 자명하다. 또한, 도 12 및 도 13에서 사용되는 접착제(160)는 각각 상이하거나 동일할 수 있다.
한편, 금속기판(200)의 모서리에 배치한 홀(250)은 접착제 도포시 제조 공정 라인에 맞춰 설치한 치공구에 장착되어 고정되어 있을 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 도 12와 도 13에서와 같이 제 1 인쇄회로기판(100)의 하부 면과 금속기판(200) 상부 면에 각각 접착제(160)를 도포한 상태에서, 위치 정합 상태로 접착제(160)를 도포한 면을 서로 마주해서 소정의 힘을 인가하여 접합한 상태로 오븐을 사용하여 적절한 온도 조건에서 소정의 시간 동안 경화한 상태를 나타낸다. 제 1 인쇄회로기판(100)과 금속기판(200)의 위치 정합은 제 1 인쇄회로기판(100)의 컷아웃 영역 및 금속기판(200) 모서리의 홀(250)의 위치를 일치시킴으로써 실행할 수 있다.
도 14a는 제 1 인쇄회로기판(100) 상부 면 방향에서 도시한 모습으로, 제 1 인쇄회로기판(100) 중심의 관통 영역에는 금속기판(200)의 상부 면이 노출되어 있고, 금속기판(200) 상부 면의 이미지 센서 칩 접합 위치 표식(210)이 보이는 상태를 나타낸다. 도 14b는 금속기판(200)의 하부 면 방향에서 도시한 모습으로, 금속기판(200)은 제 1 인쇄회로기판 (100) 중심의 관통 영역을 전부 덮은 형태를 보이고, 제 1 인쇄회로기판(100) 하부 면에 배치된 커넥터(150)가 돌출되어 있는 상태를 보인다.
도 15를 참조하면, 도 14의 상태에서 이미지 센서 칩(80)을 금속기판(200) 윗면의 접합 위치 안내 표식(210)에 따라 접합한 상태를 나타낸다. 도면에서는 생략되었지만, 이미지 센서 칩(80)과 금속기판(200) 사이에 열 경화 에폭시 수지 등의 접착제(160)를 도포하고 오븐에서 경화 (curing)하는 공정이 존재할 수 있다. 다만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지는 않으며, 실리콘 반도체 이미지 센서 칩을 금속기판에 접합하기 위하여 반도체 칩 조립 (assembly) 공정에서 사용되는 소재 및 장비 중 적합한 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
도 12 내지 도 15의 공정에 사용하는 접착제(160)의 예로서 열 경화 에폭시 수지를 포함할 수 있는데, 이러한 에폭시 수지의 물성은 제 1 인쇄회로기판(100)이 열 경화 공정 중 변형이 발생하지 않도록 섭씨 80도 미만의 온도에서 경화되는 특성을 가질 수 있다.
한편, 도 12 내지 도 15의 제조 방법에서는, 이미지 센서 칩(80)을 금속기판(200)에 접합하는 공정을 제 1 인쇄회로기판(100)과 금속기판(200)을 접합하는 공정보다 먼저 실시하는 방법도 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 도 15에서와 같이 이미지 센서 칩(80)을 금속기판에 접합한 단계 (die attach)가 끝난 후, 이미지 센서 칩(80)에 구비된 금속 패드 (81)와 제 1 인쇄회로기판(100) 상에 구비된 금속 패드(110) 사이를 금속선(90)으로 각각 연결하는 와이어 본딩 (wire bonding) 공정을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 본딩 공정은 적합한 장비와 금속선 제원, 인가력 등을 이용하여 수행될 수 있고 특정한 방법에 한정되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 와이어 본딩 공정 이전에 초순수 (de-ionized water) 세척 공정을 실시하여 이미지 센서 칩(80) 상부, 특히 수광 영역 (pixel)에 대한 오염원 제거를 실시할 수 있다.
도 17을 참조하면, 와이어 본딩 이후에 지지체(70)의 한쪽 면과 제 1 인쇄회로기판(100) 상 소정의 위치에 예컨대, 열 경화 에폭시 수지 등의 접착제(160)를 각각 도포하여 서로 접합하고, 소정의 온도 조건에서 소정의 시간 동안 접착시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 인쇄회로기판(100) 상에 부착한 지지체(70)의 높이는 광학유리(60)를 덮을 때 금속선(90)의 어느 부분과도 맞닿지 않도록 사전에 충분한 높이를 갖도록 설계할 수 있다. 또한, 지지체(70)의 폭(71)은 이미지 센서 칩(80)의 수광 영역(pixel, 82)을 침범하지 않도록 사전에 설계할 수 있다.
도 18을 참조하면, 광학유리(60)를 지지체(70) 상에 접합할 수 있다. 광학유리(60)를 접합하는 방법은 어떠한 기계적, 물리적, 화학적 방법일 수 있는데, 한 가지 예로서 에폭시 수지 등과 같은 접착제를 사용하여 접합할 수 있다. 또한, 광학유리(60)를 접합하는 공정에 사용되는 에폭시 수지는 열 경화 수지보다는 자외선에 반응하는 에폭시 수지일 수 있다.
도 18에 도시되지 않았지만, 광학유리(60)을 접합하기 전에 소정의 세정 공정이 추가될 수 있다. 이미지 센서 패키지 제조 공정에서는 광학유리(60)를 덮어 패키지 내부 공간을 밀봉한 다음에는 내부에 존재하는 부유물을 제거하기 힘들기 때문에, 부유물에 의한 이미지 불량 발생을 방지하기 위해서는 세정 공정이 필요할 수 있다.
이와 같이 광학유리(60)를 지지체(70) 상에 접합함으로써, 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 사용한 이미지 센서 패키지를 완성할 수 있다.
도 19a 내지 도 19e는, 도 12 내지 도 18에서 보인 이미지 센서 패키지를 도 18의 절단선 X-X'에 대한 단면도로서 재도시한 것이다.
도 19a를 참조하면, 제 1 인쇄회로기판(100)과 금속기판(200)을 서로 결합하기 위해 열 경화 에폭시 수지 등과 같은 접착제(160)를 각각 소정의 위치에 도포한 상태를 나타낸다. 또 다른 실시예로서는 제 1 인쇄회로기판(100) 혹은 금속기판(200) 중 어느 한 쪽 면에만 접착제(160)를 도포하는 방법도 포함한다.
도 19b를 참조하면, 도19a 단계에서 제 1 인쇄회로기판(100)과 금속기판(200)을 소정의 접착제(160)를 사용하여 결합한 다음, 이미지 센서 칩(80)을 금속기판(200) 상의 소정의 위치에 소정의 접착제(165)를 사용하여 접합한 상태를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 접착제(165)는 접착제(160)와 동일하거나 상이한 결합수단일 수 있다.
도 19c를 참조하면, 이미지 센서 칩(80)의 소정의 위치에 배치된 금속 패드(81)와 제 1 인쇄회로기판(100) 상에 배치한 금속 패드(110) 짝끼리 금속선(90)을 사용하여 연결한 상태를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 와이어 본딩 공정에 의해 완성된 금속선(90)의 높이는 제 1 인쇄회로기판(100)의 윗면보다도 높을 수 있다.
도 19d를 참조하면, 제 1 인쇄회로기판(100)보다 금속선(90)이 더 높이 위치할 경우 광학유리(60)를 덮을 때 금속선(90)에 물리적 손상이 발생할 수 있기 때문에, 패키지 내부 공간 높이를 높여 줄 필요가 있다. 이 목적으로 보조용 구조물인 지지체(70)를 추가할 수 있다. 지지체(70)와 제 1 인쇄회로기판(100)은 열 경화 에폭시 수지 등과 같은 접착제(175)를 사용하여 접착할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 접착제(175)는 접착제(160, 165)와 동일하거나 상이한 결합수단일 수 있다.
도 19e를 참조하면, 지지체(70) 상부와 광학유리(60)를 접착하여 본 발명에 따른 인쇄기판을 사용한 이미지 센서 패키지가 제조된 단면을 도시한 것이다. 지지체(70) 상부와 광학유리(60) 하부의 소정 위치에 자외선 경화 에폭시 수지 등의 접착제(185)를 도포한 다음, 소정의 힘을 인가하여 광학유리(60)를 제 1 인쇄회로기판 (100)에 배치한 채로 자외선 발생기에서 소정의 조건으로 접착제(185)를 경화시킴으로써 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 가상적인 수평축의 관점에서 이미지 센서 칩(80)은 제 1 인쇄회로기판(100)의 관통 영역의 내부에 위치하는 것으로 볼 수 있고, 가상적인 수직축의 관점에서 이미지 센서 칩(80)과 제 1 인쇄회로기판(100)은 동일 평면 상에 위치하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 패키지 및 그 제조 방법에 의하면 원치 않는 열 변형을 방지하는 것이 가능하다. 열 변형은 서로 다른 물질마다 열 팽창 계수가 다르기 때문에 발생하는 현상으로, 칩-온-인쇄회로기판 (COB) 혹은 칩-온-금속 (COM) 이미지 센서 패키지 구조에서는 실제 카메라 시스템을 현장에서 사용하는 과정에서 이미지 센서 자체 또는 이미지 센서 구동 회로에서 발생하는 열 때문에 열 경화 플라스틱 재질의 인쇄회로기판과 금속판 사이에서 주로 발생하며, 이미지 센서를 패키지에 수납하는 조립 (assembly) 공정에서는 열 경화 에폭시 수지를 사용하여 실리콘 반도체 칩과 금속 기판, 금속 기판과 플라스틱 재질인 인쇄회로기판, 그리고 인쇄회로기판 상부에 유리 덮개를 접착하는 열 공정에서 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하여, 패키지 상부 구조물은 인쇄회로기판, 하부 구조물은 열전도성이 좋은 금속이면서 자석에 반응하는 재질, 그리고 이미지 센서 상부에는 광학 유리를 채용하는 COM 패키지 구조에서 열변형을 최소화하는 구조물과 그 구조물을 적층 해서 조립하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 칩-온-금속기판 (COM) 패키지 구조는 열 전도성이 좋은 금속 기판을 패키지 하부 구조로 채용하고 카메라 장치 외관에 채용하는 금속 재료 (예컨대, 알루미늄)와 물리적 연결이 되는 디자인을 통해 카메라 장치 외부로 열 방출을 쉽게 할 수 있다. 본 발명에 따른 COM 패키지 구조에서는 열전소자 (예컨대, 펠티어 소자)를 패키지 하부 금속 기판에 직접 연결할 수가 있기 때문에, 열 방출 효과를 극대화할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 이미지 센서 패키지는 머신 비전 카메라 장치와 같이 장시간 동안 연속으로 구동하는 이미지 센서를 수납하는 용도로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 패키지 구조에서 패키지 몸체 역할을 하는 인쇄회로기판은 일반적인 카메라 장치에서 이미지 센서를 구동하기 위해 필수인 회로기판과 동일한 크기로 제작이 가능하므로 커넥터로 연결하여 적층 구조를 형성할 수 있기 때문에 카메라 장치 내부에서 공간 활용이 용이하게 될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
30: 관통홀 60: 광학 커버
70: 지지체 80: 이미지 센서 칩
100: 제 1 인쇄회로기판 200: 금속기판
250: 홀 300: 제 2 인쇄회로기판
400: 제 3 인쇄회로기판

Claims (20)

  1. 빛 신호를 수광하여 전기 신호로 변환하는 이미지 센서 칩;
    상기 이미지 센서 칩의 하부에 배치된 금속기판; 및
    상기 금속기판의 상부에 배치되고, 관통 영역을 포함하는 인쇄회로기판
    을 포함하고,
    상기 금속기판과 상기 인쇄회로기판이 결합되고, 상기 이미지 센서 칩은 상기 관통 영역 내에 위치하며,
    상기 인쇄회로기판의 일 영역에 다른 인쇄회로기판과 전기적 연결을 위해 적어도 한 개 이상의 커넥터가 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판의 일부 영역과 상기 인쇄회로기판의 일부 영역이 접착제에 의해 결합되고, 상기 이미지 센서 칩이 상기 금속기판 상에 접착제에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판의 면적은 상기 관통 영역보다 크고, 상기 이미지 센서 칩의 면적은 상기 관통 영역보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판 상에 결합된 이미지 센서 칩과 상기 인쇄회로기판이 금속선을 사용하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 칩의 상부에 빛을 투과할 수 있는 광학 커버가 배치되고, 상기 이미지 센서 칩 및 상기 광학 커버 사이의 공간이 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 정사각형 형상 또는 직사각형 형상으로부터 선택될 수 있고, 그 모서리 형상은 직각 또는 둥글게 처리되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 관통 영역은 상기 이미지 센서 칩의 외관 형태를 따라 사각형 형태로 컷아웃된 영역이고, 배선들이 상기 관통 영역 이외의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판에 배치된 배선들 각각의 한쪽 말단은 커넥터 핀에 연결되고, 다른 한쪽 말단은 상기 관통 영역 주위에 배치된 금속 패드에 연결되도록 연결한 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 최상부 층에 형성한 금속 패드와 상기 이미지 센서 칩이 금속선을 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 광학 커버와 상기 인쇄회로기판이 지지체를 매개로 결합되며,
    상기 금속선이 상기 광학 커버와 접촉하지 않도록 상기 지지체는 소정의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판과 상기 금속기판은 열 경화성 에폭시 수지에 의해 접착되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열 경화성 에폭시 수지는 섭씨 80도 미만에서 경화되는 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 모서리 중 적어도 두 군데 이상에 관통홀을 배치하여, 주변 구성 요소에 고정할 수 있게 설계한 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판은 사각형 형태로서 그 모서리가 직각 또는 둥글게 형성되고, 모서리 부분에는 적어도 두 개 이상의 관통홀을 배치하여 제작 공정 중 치공구에 고정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판은 SUS 계열 금속 재질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판의 일면에 상기 이미지 센서 칩을 결합할 때 위치 정합을 위한 위치 안내 표식을 배치한 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지.
  17. 관통 영역을 포함하는 인쇄회로기판의 하부에 상기 관통 영역을 덮도록 금속기판과 결합시키는 금속기판 결합 단계;
    이미지 센서 칩이 상기 관통 영역 내에 위치하도록 상기 금속기판의 상부에 결합시키는 이미지 센서 칩 결합 단계;
    상기 이미지 센서 칩의 소정의 위치에 배치된 금속 패드와 상기 인쇄회로기판 상에 배치된 금속 패드를 금속선을 사용하여 연결하는 연결 단계; 및
    상기 이미지 센서 칩의 상부에 광학 커버를 배치하는 단계
    를 포함하고,
    상기 인쇄회로기판의 일 영역에 다른 인쇄회로기판과 전기적 연결을 위해 적어도 한 개 이상의 커넥터를 배치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판 상에 소정의 높이를 갖는 지지체를 배치하여 상기 금속선이 상기 광학 커버에 접촉하지 않도록 하는 지지체 배치 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 지지체 상부와 상기 광학 커버 하부의 소정 위치에 자외선 경화 에폭시 수지를 도포하고, 자외선 발생기에서 상기 수지를 경화시키는 단계를 추가로 포함하는 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속기판 결합 단계에서 상기 인쇄회로기판과 상기 금속기판 사이에 접착제를 사용하여 접착하고, 상기 이미지 센서 칩 결합 단계에서 상기 금속기판과 상기 이미지 센서 칩 사이에 접착제를 사용하여 접착하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 패키지의 제조 방법.
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