KR102445831B1 - 3차원의 지문정보를 구축하는 초음파 센서 및 초음파 센서 기판 - Google Patents

3차원의 지문정보를 구축하는 초음파 센서 및 초음파 센서 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 초음파 센서에 있어서, 압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 일면을 구성하는 제1 전극과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 타면을 구성하는 제2 전극, 상기 제1 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제1축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극과, 상기 제2 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제2축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극이 구성된 센서 다이; 및 어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되며, 상기 센서 다이와 본딩되는 상기 솔더볼이 어레이된 상기 나노 로드 개수의 1/2이하로 형성된 초음파 센서 기판을 포함하여, 상기 센서 다이가 상기 초음파 센서 기판에 플립칩 본딩된 것을 일 특징으로 한다.

Description

3차원의 지문정보를 구축하는 초음파 센서 및 초음파 센서 기판{ULTRASONIC SENSOR THAT BUILDS 3-DIMENSIONAL FINGERPRINT INFORMATION}
본 발명은 초음파 센서에 관한 것으로서, 특히 플립칩 본딩으로 패키징되어 제조가 가능하고 3차원의 지문정보를 구축할 수 있는 초음파 센서에 관한 것이다.
지문인식 방식은 본인을 확인할 수 있는 가장 효과적이고 대중적인 방법 중 하나이다. 지문을 인식하는 방식은 여러 가지가 있으며, 현재까지 스마트폰을 포함한 대다수의 지문인증 방식은 정전방식을 채용하고 있다. 용량성 정전방식은 가장 일반적인 지문인식 방식이나, 지문을 복사해서 사용할 수 있는 단점이 있어 보안성이 강화된 지문방식의 필요성이 증가하고 있다. 이에 최근 주목받고 있는 지문인식 방식은 초음파를 이용한 지문인식 방식이다.
초음파 지문인식을 위해서는 티탄산 지르콘산 연[PZT, lead zirconate titanate]라는 소재를 사용해서 센서를 구성해야 한다. PZT 소재는 흔히 압전소재로 알려져 있다. 압전소재는 기계적인 힘을 전기적인 신호로 바꾸거나, 이와는 반대로 전기적인 신호로 기계적인 변화가 발생되는 소재이다. PZT소재를 이용하여 초음파를 방출하고, 반사되어 회신 된 초음파 정보로 지문을 감지하는 방식을 총괄하여 초음파 지문방식으로 부른다.
그러나, 현재까지 초음파를 이용한 3차원의 지문방식은 제품화에 이르지 못하고 있다. 제품화에 어려운 이유로, 첫째는 초음파로 3차원의 지문방식을 구현하기 위해 PZT 초음파 센서를 지문의 골과 대응되는 미세한 나노 로드로 다수개를 정밀하게 구현해야 하는 점이 지적된다.
둘째로, 정밀하게 나노 로드를 구현했을지라도 미세한 나노 로드 각각을 PCB 기판에 패키징하는 과정에서 와이어 본딩이 이루어져야 한다. 미세한 나노 로드 각각은 와이어링의 전기 접합 과정이 어렵기 때문에 결국은 플립칩 방식이 가능하도록 초음파 센서를 구현해야 한다.
초음파 센서는 센싱을 위한 센서 소자가 마련된 다이를 PCB 보드에 장착하는 패키징 공정을 통해 초음파 센서로 구현되는데, PCB 보드 장착하는 과정에서 PCB보드와 센서의 소자를 전기적으로 연결해야 한다. 이러한 패키징 공정에서 전기적 연결의 방법으로는 와이어 본딩 방식과 플립칩 본딩 방식이 있다.
플립칩 본딩이란 반도체 칩을 회로 기판에 부착시킬 때 금속 리드 와이어와 같은 추가적인 연결 구조나 볼 그리드 어레이(BGA)와 같은 중간 매체를 사용하지 않고 칩 아랫면의 전극 패턴을 이용해 그대로 융착시키는 방식을 말한다. 선 없는(leadless) 반도체라고도 하며, 패키지가 칩 크기와 같아 소형, 경량화에 유리하고 전극 간 거리의 미세화가 가능한 본딩 방식이다.
종래의 초음파 센서는 플립칩 방식이 적용될 수 있는 다이 구조를 제시하지 못한다. 종래에는 초음파 센서 구현시 나노 로드 구조가 아닌 메쉬 구조나 판상형 PZT 센서를 구성하였다. 이에 따라, 종래의 초음파 센서는 회신된 초음파의 용량성으로 정전식과 유사한 지문인식 과정을 수행하였다. 결국, 종래의 초음파 센서는 초음파 원리를 사용함에도 지문의 높이 정보를 직접적으로 측정할 수 없어 2차원의 지문 맵핑을 수행해야 하였다.
종래의 초음파 지문인식 센서는 제작시 초소형정밀기계(MEMS) 공정이 적용된다. 이 경우 100㎛ 이상의 높이 차이가 나는 공정을 진행해야 하는데, 일반 박막 공정으로는 100㎛ 이상의 단차를 극복할 수 없는 단점이 있어 새로운 공정이 적용되어야 한다. 이와 관련, 본 출원인은 새로운 공정의 초음파 센서 제작 방법을 제안하였으며, 관련 본 출원인의 선행특허(한국등록특허 제10-2070851호)는 후술한다.
연구된 3차원의 초음파 센서가 상용화에 어려움을 겪는 기술적 이유는 플립칩 본딩이 가능한 센서 다이가 제시되어야 하며, 제작된 센서 다이의 패키징 기술이 뒷받침되어야 하기 때문으로 정리될 수 있다.
3차원의 초음파 센서가 아직 도입되지 못한 배경으로 현재의 기술동향을 살펴보면 다음과 같다. 2019년 국내에서 초음파 지문인식 방식을 도입하였던 삼성 스마트폰 갤럭시10에 등록하지 않은 지문이나 실리콘 케이스와 같은 물질로도 지문보안이 해제되는 오류가 발생 된 사건이 이슈가 되었다. 이와 관련하여, 삼성측은 소프트웨어를 업데이트하여 보안을 보강하였다.
상기 사례의 보안 문제는, 지문인증에 2차원의 초음파 지문인식 방식이 적용되었기 때문이다. 최근인 2020년 삼성은 갤노트20에 퀄컴의 3D 소닉맥스(3D Sonic max)라는 개선된 초음파 지문인식 기술을 탑재할 것으로 언론에 보도하고 있다. 그러나, 현재 보도된 3D 소닉맥스의 초음파 지문인식 방식 사항으로는 3차원의 지문 맵핑을 택하여 보안을 강화했다는 기술적 사항은 공개되지 않고 있는 반면, 1개의 지문으로 보안인식을 수행하던 방식을 2개의 지문을 동시에 감지하여 AND 조건으로 체크함에 따라 보안성을 향상시킨 것으로 개선됨을 발표하고 있는 실정이다.
최근 공개된 퀄컴의 선행특허인 US 2020-0175291호(2020.06.04.공개)를 살표보면, 퀄컴의 초음파 지문인식 센서는 나노 로드 구조로 지문의 골과 마루를 탐지하는 방식을 사용하지 않는다. 퀄컴의 선행특허는 초음파 센서를 사용하지만 초음파를 용량성으로 감지하는 것을 지문인증 원리로 개시하고 있다. 따라서, 종래의 초음파 센서는 센싱 원리로 PZT 소자를 이용한 초음파 감지 방식을 사용하고는 있으나, 정전식과 유사한 용량성 감지로 지문을 2차원으로 맵핑한다. 따라서, 초음파 원리임에도 손가락이 접촉되어야 인증이 수행된다.
종래의 2차원 초음파 센서는 초음파의 ‘용량성’이 결국 지문을 구분하는 요소가 됨에 따라 용량성의 정도를 판단하는 소프트웨어의 성능이 지문의 보안성 결정에 중요하다. 이러한 이유로, 삼성의 갤럭시10의 소프트웨어 보안 업데이트가 진행된 것으로 판단된다. 2차원의 지문 맵핑 정보는 지문의 ‘무늬’를 읽는 방식이므로 타인의 지문을 테이프 등을 이용하여 복사한 경우 복제를 구분할 수 없어 보안에 한계가 있다.
종래의 기술동향을 고려하면, 3차원의 지문맵핑이 가능한 초음파 센서의 구현은 종래의 지문인식 시장에 게임체인저가 될 수 있다. 이와 관련, 본 출원인의 선행등록특허 제10-2070851호(나노로드 구조를 이용한 초음파 지문센서의 제조방법)는 미세한 나노 로드를 몰딩을 통한 충진-소결 방식으로, 정밀한 다수개의 나노 로드의 어레이 구현이 가능함을 확인하였다. 본 출원인의 선행특허는 MEMS 공정과는 전혀 다른 공정을 제시하여 플립칩 본딩이 가능한 초음파 센서의 일 가능성을 개시하였다.
이에, 본 출원인은 종래의 선행특허 기술을 기반으로, 패키징에 적합한 개선된 초음파 센서 다이의 구조와 나아가 유연성(flexiblity)이 확보될 수 있는 초음파 센서 다이의 구조를 제시하고자 한다. 또한, 제안된 센서 다이를 패키징하여 3차원의 지문 정보를 구축하는 초음파 센서를 제공하고자 한다.
미국공개특허 US 2020-0175291호 한국등록특허 제10-2070851호
본 발명은 PCB 기판에 와이어링 없이 플립칩으로 본딩되어 패키징됨에 따라 제조와 양산에 유리한 센서 다이 및 초음파 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 플립칩 방식의 센서 다이에 있어서, 다수개의 PZT 나노 로드를 개별적으로 플립칩 본딩하지 않고, 복수개인 PZT 나노 로드를 묶음으로 하나의 전기적 접점으로 제어하여 다수의 PZT 나노 로드를 플립칩 본딩할 수 있으며, 이 과정에서도 각각의 나노 로드의 위치를 특정하여 3차원으로 지문을 맵핑할 수 있는 초음파 센서를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 플렉서블 디스플레이에 적용될 수 있도록 유연성이 확보되는 구조의 초음파 센서를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 초음파 센서에 있어서,
압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 일면을 구성하는 제1 전극과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 타면을 구성하는 제2 전극, 상기 제1 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제1축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극과, 상기 제2 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제2축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극이 구성된 센서 다이; 및 어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되며, 상기 센서 다이와 본딩되는 상기 솔더볼이 어레이된 상기 나노 로드 개수의 1/2이하로 형성된 초음파 센서 기판을 포함하여, 상기 센서 다이가 상기 초음파 센서 기판에 플립칩 본딩된 것을 일 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초음파 센서에 있어서,
압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 일면을 구성하는 제1 전극과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 타면을 구성하는 제2 전극, 상기 제1 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제1축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극과, 상기 제2 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제2축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극이 구성된 센서 다이; 어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되는 초음파 센서 기판; 및 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 상기 나노 로드의 위치를 산출하는 제어부를 포함하여, 상기 센서 다이가 상기 초음파 센서 기판에 플립칩 본딩된 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초음파 센서에 있어서,
압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 센싱부에 전압을 인가하는 제1, 2 전극과, 상기 제1, 2 전극의 플립칩 본딩을 위해 상기 센싱부의 외부로 전기적 신호가 통전되는 범프를 형성하는 플립칩 전극을 포함하는 센서 다이; 상기 센서 다이의 플립칩 본딩시 상기 플립칩 전극과 맞닿아 전기적 신호가 통전되는 솔더볼이 형성되고, 상기 솔더볼은 배열된 축을 기준으로 지그재그로 형성된 초음파 센서 기판; 및 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 상기 나노 로드의 위치를 산출하고, 상기 나노 로드의 위치 좌표에서 수신된 초음파 신호를 이용해 지문의 골 또는 마루의 높이(z축) 정보를 맵핑하여 3차원의 지문 데이터를 형성하는 제어부를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 초음파 센싱을 위해 어레이된 나노 로드들을 행 또는 열의 한 라인을 총괄하여 하나의 플립칩 전극이 전기 접합을 통합적으로 수행한다. 이에 따라, PCB 센서 기판에 패키징시 전기 접점되는 범프의 영역이 어레이된 나노 로드의 개수보다 절반 이하로 감소된다.
또한, 본 발명에 따르면, 2개의 플립칩 전극을 이용하여 하나의 나노 로드 좌표를 추정할 수 있고, 하나의 나노 로드는 펄스 전압의 시차로 초음파 전보를 전송할 수 있으므로 초음파 송신기와 수신기의 두 가지 기능을 통합적으로 수행할 수 있다. 이에 따라, 초음파 센서 다이의 구성을 간소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 나노 로드와 라인 접점 되는 인접한 전극이 서로 엇방향으로 배치되고, 노출되는 단자의 길이가 서로 다르게 구성되어 전기 접점의 영역을 안정적으로 넓게 확보할 수 있어 미세 나노 로드의 패키징화가 가능해지는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 나노 로드가 갖는 구조적 유연성을 억제하는 상부하부의 전극이 트위스팅된 탄성형 구조로 제공된다. 본 발명은 나노 로드의 위아래로 전극이 결속된 적층 구조임에도 소정의 유연성이 확보되어, 플렉서블 디스플레이나 웨어러블 기기 등으로 적용 영역이 확장될 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이 PCB 초음파 센서 기판에 와이어링 없이 플립칩으로 본딩되어 패키징이 용이한 초음파 센서를 제공한다. 이러한 3차원 초문파 지문 센서는 복제가 불가능할 뿐만 아니라 터치가 요구되지 않고, 지문의 접촉 없이도 지문 정보를 맵핑할 수 있다. 또한, 직접적으로 접촉되어야 하는 정전식 또는 용량성의 판정이 불요함으로 디스플레이의 외면에 노출될 필요가 없으며 기기의 원하는 위치에 매복하여 설계가 가능한 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 다이의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 센서 다이의 평면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서 다이의 지문 맵핑 과정으로 3차원의 지문 정보를 취득하는 모습을 설명하기 위한 개요도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 다이를 제조하는 방법의 단계를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 다이의 평면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 다이(10)의 사시도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 센서 다이(10)는 센싱부(11), 제1 전극(13), 제2 전극(15), 플립칩 전극(17), 및 베이스판(19)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 센서 다이(10)는 패키징시 초음파 센서 기판(PCB 기판)에 솔더링되는 범프가 플립칩 전극(17)으로 한정되어, 센싱부(11)의 나노 로드(100) 개수보다 적은 전기 접점으로 구성될 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 플립칩 전극(17)만이 초음파 센서 기판에 전기 접점되는 영역이 된다. 따라서, 수많은 나노 로드(100) 각각을 본딩하는 작업이 요구되지 않는다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)의 패키징은 플립칩 전극(17)의 대응되는 위치에 전도성 회로가 형성된 초음파 센서 기판(30, 도 6)에 센서 다이(10)의 플립칩 전극(17)이 접합되어 이루어지며, 플립칩 본딩은 열 압착 또는 언더필 기법이 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 압전 센서인 나노 로드(100)가 개별적으로 지문의 마루 또는 골의 높이를 탐지하여, 사용자의 지문을 3차원으로 맵핑한다. 따라서, 센서 다이(10)의 나노 로드(100)는 지문 맵핑시 화소인 픽셀에 해당하는 크기를 갖는다. 나노 로드(100)는 지문의 골과 마루의 민감도를 구분할 수 있도록 수십에서 수백의 마이크로미터(㎛) 범위의 크기로 제공된다. 센서 다이(10)는 지문을 감지하기 위한 충분한 수의 나노 로드(100)가 nxn으로 어레이되어 센싱 영역을 구성한다. 이하, 나노 로드(100)가 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 영역을 센싱부(11)로 정의한다.
본 실시예에 따른 3차원 초음파 지문 감지를 위해서는 미세한 나노 로드(100)가 적게는 수백여개 배열되어야 하며, 각각의 나노 로드(100)에 전기적 제어와 전기적 신호를 송수신하는 회로 기판과 본딩될 수 있도록 접점 경로를 형성해야 한다. 3차원 초음파 지문 센서에서 수많은 나노 로드(100)를 모두 와이어링 본딩하는 것은 불가능에 가까운 상용화 방법이므로, 플립칩 본딩이 가능하도록 구현하는 것이 중요함은 배경기술에서 전술한 바 있다.
플립칩 본딩 방식을 택한다 할지라도, 미세한 피치 간격을 갖는 수백여개의 나노 로드(100)는 각각의 나노 로드(100)를 접합부의 불량 없이 기판에 본딩시키는 것이 기술적으로 쉽지 않다. 초음파 센서 PCB 기판의 회로선을 마이크로 단위로 인쇄해야 하고, 회로의 피치 간 절연도 완벽해야 하며, 본딩시 열 압착에 의한 미세한 솔더링 확장으로 발생될 수 있는 합선도 방지해야 하기 때문이다.
이에 본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 수백여개의 나노 로드(100)를 축 별로 통합하여 전기적 신호를 통합하고, 공통된 전기 접점 영역으로 범프를 형성한다. 센서 다이(10)는 공통된 전기 접점 영역인 범프가 솔더링되는 플립칩 방식으로 여러개의 나노 로드(100)가 하나의 접점으로 전기적 신호가 통합된다.
따라서, 수백여개의 나노 로드(100)를 본딩하지 않아도 되며, 센싱부(11)의 외측의 영역으로 전기 접점을 간소화하여 구성시킬 수 있다. 이 경우, 전기적 접점이 다수개의 나노 로드(100)를 공유하게 됨에 따라 나노 로드(100)의 각 위치를 특정하는 새로운 기술적 이슈가 발생된다. 이하의 본 실시예에서는, 공통된 전기 접점 영역으로 범프가 구성됨에도 각각의 나노 로드(100)의 좌표를 특정할 수 있는 특유의 초음파 감지 알고리즘을 제시한다. 이하에서, 센서 다이(10)의 세부 구성을 설명한다.
센싱부(11)는 압전효과를 갖는 나노 로드(100)가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지할 수 있다. 센싱부(11)에는 사용자의 지문의 골과 마루를 초음파로 탐지하는 나노 로드(100)와 나노 로드(100) 사이를 절연하는 절연재(101)가 충진될 수 있다. 절연재(101)의 구성은 나노 로드(100) 및 플립칩 전극(17)의 피치를 모두 절연하기 위해 충진되나, 구성의 분별 및 설명의 편의를 위해 도 1에서는 도시 생략하여 충진되는 영역상에 표현되었다.
나노 로드(100)는 PZT(PbZrO3)계 화합물, PST(Pb, Sc, Ta) O3계 화합물, 석영, (Pb, Sm)TiO3계 화합물, PMN-PT계 화합물, PVDF계 화합물 및 PVDF-TrFe계 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상이 사용될 수 있다. 본 실시예에 따른 초음파 센싱을 위한 압전 소재는 박막 형이 아닌 필러(piller) 형의 구조를 갖는다. 절연재(101)는 에폭시계, 폴리이미드, 네오프렌, 폴리에틸렌, PVDF, OCR, OCA, RU 등의 레진 소재로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상이 사용될 수 있다. 절연재(101)는 플렉서빌리티가 있는 레진 소재나 에폭시계열로 선택됨에 바람직하다.
나노 로드(100)는 압전 소자로서, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 효과 또는 전기적 에너지가 인가되어 기계적 변위를 일으키는 압전 역효과를 일으킬 수 있다. 본 실시예에 따른 나노 로드(100)는 제1 전극(13)과 제2 전극(15)을 통해 전압이 인가되며, 인가된 전압으로 기계적 변위를 일으켜 초음파를 방출시킨다. 나노 로드(100)는 필러(pillar)형 구조로 같은 z축상으로 초음파를 송출하며, 송출된 초음파는 지문으로부터 반사된다.
나노 로드(100)는 반사된 초음파로 기계적 변위가 발생되며 나노 로드(100)의 초음파 수신에 따른 기계적 변위로 제1 전극(13)과 제2 전극(15)을 통해 출력 전압이 발생된다. 센서 다이(10)가 패키징되는 PCB기판인 초음파 센서 기판은 출력 전압을 수신한다.
나노 로드(100)가 nxn으로 어레이된 센싱부(11)는 펄스 전압의 인가로 나노 로드(100)에서 초음파가 송출되고, 송출된 초음파가 사용자의 지문으로부터 반사되어 재차 나노 로드(100)에 수신되며, 초음파의 수신으로 나노 로드(100)가 발생시킨 펄스 전압을 이용하여 지문의 깊이(z) 정보를 감지할 수 있다. 센싱부(11)는 어레이된 나노 로드(100)의 평면좌표(x-y) 정보와 상기 깊이(z) 정보로 사용자의 지문을 3차원으로 맵핑할 수 있도록 한다.
센싱부(11)는 초음파를 송신했던 수단으로 사용자의 지문에서 반사된 초음파를 수신하여, 나노 로드(100)가 초음파 발생 수단과 수신 수단을 겸용하도록 구성된다. 일반적으로 초음파 지문 센서는 초음파 발생 수단과 초음파 수신 수단의 2가지 구성을 포함한다. 본 실시예에 따른 센싱부(11)는 나노 로드(100)가 초음파 발생기와 수신기를 통합하여 기능한다. 나노 로드(100)가 초음파 발생 및 수신을 겸용하여 기능하도록 초음파 센서 기판에 마련되는 제어부는 시차를 두고 펄스 전압을 제어한다.
즉, 본 실시예에서 후술하게 될 센서 다이(10)를 제어하는 제어부(50, 도 6)는 펄스 전압을 센싱부(11)에 인가할 때, 나노 로드(100)가 초음파를 발생시킨 후 초음파를 수신하기의 시간까지 펄스 전압이 인가되지 않도록 클럭의 형태로 제어 전압을 인가한다. 제어부(50, 도6)는 펄스 전압이 인가된 시점에서 소정의 마이크로 단위의 시간 후 회신되는 출력 전압을 감지하여 지문의 높이 정보를 산출한다. 결국, 본 실시예에서는 제어부(50, 도 6)가 펄스 전압의 수신을 위해 시차를 두고 클럭을 설정하여 인가 전압을 제어함에 따라, 지문 인식에 마이크로 단위의 시간이 지연될 수는 있으나 나노 로드(100)가 송신과 수신의 두 가지 기능을 겸용할 수 있게 된다.
제1 전극(13)은 나노 로드(100)의 일단에 전기 접점되어 센싱부(11)의 일면에 구성될 수 있다. 본 실시예로 제1 전극(13)은 센싱부(11)의 나노 로드(100)의 어레이에서 제1축(x축)의 라인으로 배열된 A개의 나노 로드(100)의 일면에 접점될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(15)은 센싱부(11)의 나노 로드(100)의 어레이에서 제2축(y축)의 라인으로 배열된 B개의 나노 로드(100)의 타면에 접점될 수 있다.
도 1의 예시에서, 제1 전극(13)은 나노 로드(100)의 상면에 라인으로 배열된 나노 로드(100)의 제1축을 따라 라인 접점된다. 제1 전극(13)은 나노 로드(100)의 상면에 같은 방향으로 제1축의 나노 로드(100)들과 접점되어 센싱부(11)의 상면을 구성한다. 제2 전극(15)은 나노 로드(100)의 하면에 라인으로 배열된 나노 로드(100)의 제2축을 따라 라인 접점된다. 본 실시예로, 제1축과 제2축은 서로 직교관계일 수 있다. 제1축과 제2축은 서로 다른 축을 나타내며, 서로 다른축을 갖는 이유는 추후 나노 로드(100)의 좌표를 특정하기 위함이다. 제2 전극(15)은 나노 로드(100)의 하면에 같은 방향으로 제2축의 나노 로드(100)들과 접점되어 센싱부(11)의 하면을 구성한다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 패키징시 초음파 센서 기판에 솔더링되는 플립칩 전극(17)이 나노 로드(100) 총 개수(AxB)의 1/2이하로 형성될 수 있다. 전술한 제1, 2 전극(13, 15) 구조를 헤아려보면, 나노 로드(100)의 개수가 N개라 가정하고, 제1축의 나노 로드(100) 개수가 A개, 제2축의 나노 로드(100) 개수가 B개이면 N=AxB의 관계를 갖는다. 제1, 2 전극(13, 15)은 서로 다른 축(x축 y축)을 따라 하나의 열 또는 행의 모든 나노 로드(100)를 통합하여 라인으로 접점된다. 따라서, 단자가 될 제1, 2 전극(13, 15)의 노출 단부는 나노 로드(100) 총 개수(AxB)의 1/2이하로 감소된다.
도 2는 도 1의 센서 다이(10)의 평면도를 나타낸다. 도 2를 참조하여, 제1 전극(13), 제2 전극(15), 및 플립칩 전극(17)의 결합 관계를 설명한다.
제1 전극(13)은 플립칩 전극(17)과 전기 접점되기 위하여 노출되는 전극의 단부가 인접한 제1 전극(13)과 반대 방향을 향하도록 나노 로드 어레이에 교번되어 라인 접점될 수 있다. 제1 전극(13)은 제1축의 방향으로 나노 로드(100)와 라인 접점되되, 센싱부(11)의 제1축보다 긴 길이로 형성되어 일단부가 노출된다. 제1 전극(13)은 센싱부(11)의 양측중 어느 일측으로만 단부가 노출됨이 바람직하다. 일측으로 노출된 단부는 단자로서 기능한다. 상기 단자는 플립칩 전극(171)과 접속된다.
이 때, 제1 전극(13)의 노출 단자는 센싱부(11)의 양측 중 서로 다른 측을 향하도록 엇배치됨이 바람직하다. 이에 따라, 후술하게 될 플립칩 전극(171) 사이의 간격이 나노 로드(100) 어레이의 피치 간격보다 2배 넓어질 수 있다.
보다 바람직한 실시예로, 제1 전극(13)은 플립칩 전극(171)과 전기 접점되기 위하여 노출되는 전극의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제1 전극(13)과 서로 다른 노출 길이를 갖는다. 도 1을 기준으로, 제1 전극(13)의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제1 전극(13)은 두 번째로 이격된 제1 전극(13)에 해당한다. 첫 번째로 이격된 제1 전극(13)은 단부가 다른 방향으로 엇배치 되었기 때문이다.
제1 전극(13)의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제1 전극(13)과, 단자의 노출 길이가 서로 상이함은 후술하게 될 플립칩 전극(171)에 보다 넓은 간격을 부여한다. 이에 따라, 센서 다이(10)의 패키징시 본딩이 용이하고 접점 불량을 최소화할 수 있다.
제2 전극(15)은 나노 로드(100)의 타단에 전기 접점되어 센싱부(11)의 타면에 구성될 수 있다. 도 1을 기준으로 나노 로드(100)의 타단은 나노 로드(100)의 하단이 될 수 있고, 센싱부(11)의 타면은 센싱부(11)의 하면이 될 수 있다.
제2 전극(15)은 플립칩 전극(17)과 전기 접점되기 위하여 노출되는 전극의 단부가 인접한 제2 전극(15)과 반대 방향을 향하도록 나노 로드(100) 어레이에 교번되어 라인 접점될 수 있다. 제2 전극(15)은 제2축의 방향으로 나노 로드(100)와 라인 접점되되, 센싱부(11)의 제2축보다 긴 길이로 형성되어 일단부가 노출된다. 제2 전극(15)은 센싱부(11)의 양측중 어느 일측으로만 단부가 노출됨이 바람직하다. 일측으로 노출된 단부는 단자로서 기능한다. 상기 단자는 플립칩 전극(173)과 접속된다.
이 때, 제2 전극(15)의 노출 단자는 센싱부(11)의 양측 중 서로 다른 측을 향하도록 엇배치됨이 바람직하다. 이에 따라, 후술하게 될 플립칩 전극(173) 사이의 간격이 나노 로드(100) 어레이의 피치 간격보다 2배 넓어질 수 있다.
보다 바람직한 실시예로, 제2 전극(15)은 플립칩 전극(17)과 전기 접점되기 위하여 노출되는 전극의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제2 전극(15)과 서로 다른 노출 길이를 갖는다.
도 1을 기준으로, 제2 전극(15)의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제2 전극(15)은 두 번째로 이격된 제2 전극(15)에 해당한다. 첫 번째로 이격된 제2 전극(15)은 단부가 다른 방향으로 엇배치 되었기 때문이다. 제2 전극(15)의 단부가 같은 방향으로 노출된 인접한 제1 전극(15)과 단자의 노출 길이가 서로 상이함은, 후술하게 될 플립칩 전극(173)에 보다 넓은 간격을 부여한다. 이에 따라, 센서 다이(10)의 패키징시 본딩이 용이하고 접점 불량을 최소화할 수 있다.
플립칩 전극(17)은 제1 전극(13)과 또는 제2 전극(15)의 일단부에 전기 접점되어, N개의 나노 로드(100)의 전기적 신호가 통합적으로 통전될 수 있다. 플립칩 전극(17)은 제1 플립칩 전극(171)과 제2 플립칩 전극(173)으로 구분될 수 있다.
플립칩 전극(17)은 Si, GaAs, InAs, InN, Ge, ZnO, 및 Ga2O3로 이루어진 군에서 선택된 물질이 포함된 전도성 소재로 제공될 수 있다. 플립칩 전극(17)의 물성으로, 면저항 수축률은 100Ω이하, 3~5%의 수축률을 갖는 것이 바람직하다.
제1 플립칩 전극(171)은 제1 전극(13)에 결속되어 제1 전극(13)에 전압을 인가하는 전극이다. 제2 플립칩 전극(173)은 제2 전극(15)에 결속되어 제2 전극(15)에 전압을 인가하는 전극이다.
플립칩 전극(17)은 나노 로드(100)의 상면에 위치한 전극에 결속되는 경우, 나노 로드(100)와 마찬가지인 필러(pillar) 구조를 갖도록 제공될 수 있다. 플립칩 전극(17)은 나노 로드(100)의 하면에 위치한 전극에 결속되는 경우, 나노 로드(100)의 하면에 라인 접점된 전극의 단자에 형성된 범프 영역을 지칭할 수 있다. 플립칩 전극(17)은 전술한 제1, 2 전극(13, 15)의 노출된 단자를 플립칩 본딩시키기 위한 전기 접점 영역을 지칭한다.
플립칩 전극(17)은 나노 로드(100)의 외측으로 배치되어 본딩되는 패키징 영역을 센싱부(11)의 외부 영역으로 제공한다. 플립칩 전극(17)은 전도성 몰드 기반으로 제작될 수 있다. 이와 관련, 도 4를 통해 후술한다.
플립칩 전극(17)은 초음파 발생을 위한 펄스 전압을 N개의 나노 로드(100)에 통합적으로 인가하여 나노 로드(100)와 N:1의 관계로 전기 접점된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 패키징시 초음파 센서 기판에 솔더링되는 범프가 플립칩 전극(17)으로 한정되어, 센싱부(11)의 나노 로드(100) 개수보다 적은 전기 접점으로 구성될 수 있다.
베이스판(19)은 센싱부(11)의 타면에 구성된 제2 전극(15)의 영역 중 센싱부(11)의 영역에 위치한 제2 전극(15)의 하면을 절연할 수 있다. 이 때, 제2 전극(15)은 축방향으로 센싱부(11)의 바깥으로 일단의 단부가 노출되고, 제2 전극(15)의 노출된 단부에 범프가 형성되어 플립칩 전극(173)을 구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서 다이(10)의 지문 맵핑 과정으로 3차원의 지문 정보를 취득하는 모습을 설명하기 위한 개요도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 센서 다이(10)가 PCB 초음파 센서 기판에 패키징 되어, 제어부로부터 펄스 전압을 인가받는다. 펄스 전압은 솔더링 된 플립칩 전극(17)으로 인가되어 나노 로드(100)에 전압차를 형성시킨다. 나노 로드(100)는 압전 효과로 사용자의 지문(3)을 향해 초음파를 방출한다. 사용자의 지문(3)으로부터 반사된 초음파는 지문(3)의 골 또는 마루의 높이 차이에 따라 나노 로드(100)에 도달하는 시간에 시차가 형성된다. 지문(3)으로부터 반사된 초음파를 수신한 나노 로드(100)는 역 압전 효과로 펄스 신호를 발생시켜 PCB 초음파 센서 기판의 제어부로 출력한다. 제어부는 출력된 펄스 신호의 시차 및 강도를 기반으로 지문(3)의 높이 정보를 산출한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 다이(10)를 제조하는 방법의 단계를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 후에 플립칩 전극(17)으로 식각 될 전도성 기판을 몰드로 하여 나노 로드(100)를 제조한다. 센서 다이(10)를 제조하는 방법은 전도성 몰드 생성 단계, 나노 로드 생성 단계, 측면전극 생성부 표시 단계, 전도성 몰드 식각 단계, 절연재 충진단계, 하부전극 형성 단계, 더미기판 접착 단계, 및 상부전극 형성 단계를 포함할 수 있다.
전도성 몰드 생성 단계는 전도성 기판을 식각하여 일정 간격으로 이격된 복수의 로드 생성홀들을 생성한다. 나노로드 생성 단계는 상기 복수의 로드 생성홀들에 나노 압전물질을 충진하여 나노 로드(100)들을 생성한다.
측면전극 생성부 표시단계는 로드 생성홀 일측의 전도성 몰드 테두리부에 측면전극의 위치를 마킹하는 단계이다. 도 4에서 측면전극은 전술한 플립칩 전극(17)이 될 수 있다.
전도성 몰드 식각 단계는 나노 로드와 마킹된 측면전극 생성부 및 이들을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제외하고, 나머지 전도성 몰드를 1차 식각하여 나노 로드와 측면전극을 생성한다.
절연재 충진 단계는 전도성 몰드 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재를 충진한다.
하부전극 형성단계는 절연재의 충진에 의해 절연재로 둘러싸인 나노 로드 및 측면전극의 일단부가 노출되도록 2차 식각하고, 노출된 나노 로드 및 측면전극의 일단부에 하부 전극을 형성한다.
더미기판 접착 단계는 하부전극이 형성된 표면에 더미기판을 접착한다. 더미기판은 전술한 베이스판(19)이 될 수 있다.
상부전극 형성단계는 나노 로드와 측면전극을 연결하는 전도성 기판 베이스를 제거하여 노출된 나노 로드와 측면전극의 타단부에 상부 전극을 형성한다.
도 4의 실시예에 따른 전도성 몰드를 이용한 센싱부(11)의 제조 과정은 종래의 MEMS 공정과는 전혀 다른 접근으로, 포토리소그래피 방법을 통해 기판을 식각하여 몰드 기반으로 나노 로드를 제작한다. 본 제조기법 관련 본 출원인의 선행등록특허인 제10-2070851호가 참조될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 다이의 평면도를 나타낸다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 압전효과를 갖는 나노 로드(100)가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부(11); 나노 로드(100)의 제1축 방향의 라인을 따라 나노 로드(100)와 전기 접점되어 센싱부(11)의 일면을 구성하는 제1 전극(13); 나노 로드(100)의 제2축 방향의 라인을 따라 나노 로드(100)와 전기 접점되어 센싱부(11)의 타면을 구성하는 제2 전극(15); 제1 전극(13)의 일단부에 전기 접점되어 제1축 방향의 라인에 위치한 나노 로드(100)에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극(171); 및 제2 전극(15)의 일단부에 전기 접점되어 제2축 방향의 라인에 위치한 나노 로드(100)에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극(173)을 포함할 수 있다.
도 5의 실시예에서, 센싱부(11)와 플립칩 전극(17)은 도 1 내지 4의 실시예에서 전술한 내용으로 중복 원용을 생략한다. 도 5의 실시예에서는 플렉서블을 위한 제1, 2 전극(13, 15)의 구조를 제시한다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 나노 로드(100)와 플립칩 전극(171)이 모두 마이크로 또는 나노 단위를 갖는 미세한 두께를 갖는 필러형 구조로 구성된다. 또한, 미세 피치 간격으로 나노 로드(100)가 어레이되며, 피치 사이에는 유연성이 있는 주지의 절연 소재가 충진될 경우 나노 로드(100)와 플립칩 전극(171)의 플렉서빌리티에는 문제가 없다.
다만, 본 실시예에 따른 초음파 센서 모듈은 나노 로드(100)의 상면과 하면에 서로 다른 축으로 전극(13, 15)이 결속되는 구조를 갖는다. 도 1의 실시예로는 나노 로드(100)의 위아래로 적층된 전극(13, 15) 구조로 인해 플렉서빌리티가 형성되기 어렵다.
이에, 본 실시예의 제1 전극(13) 또는 제2 전극(15)은 나노 로드(100)와 전기 접점되는 축을 따라 연장형성된 라인이 축방향으로 소정의 탄성을 부여하는 트위스팅된 형상으로 제공된다. 보다 상세하게, 본 명세서에서 지칭하는 전극의 트위스팅된 형상은 구불구불 또는 지그재그의 형상을 총칭한다.
전술한 도 4를 참조하면, 제1 전극(13) 도는 제2 전극(15)은 몰드의 식각 후 형성과정에서 얼마든지 선폭 및 모양을 변경할 수 있기에 제조에 무리가 없다. 본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 3차원 초음파 센싱 원리로 반드시 사용자의 지문(3)이 센싱부(11)에 접촉될 것을 요구하지 않는다. 센서 다이(10)는 보안이 요구되는 각종 기기 및 디스플레이의 하부로 매복되어 설치될 수 있다. 또한, 최근 플렉서블 디스플레이 및 기기가 다양해짐에 따라, 초음파 센서도 유연성이 확보되도록 구현됨이 바람직하다.
본 실시예에 따른 센서 다이(10)는 센싱부(11)가 판상형으로 제공되지 않고 미세한 나노 로드의 어레이로 제공되며, 적층된 전극 구조 또한 소정의 탄성을 갖고 있어 플렉서블 기기로의 적용이 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 센서(1)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 초음파 센서(1)는 도 1 내지 도 5에서 전술한 센서 다이(10)가 초음파 센서 기판(30)에 플립칩 본딩되어 제작될 수 있다. 센서 다이(10)의 세부 구성은 전술한 바 중복 원용을 생략한다.
초음파 센서 기판(10)은 센서 다이(10)가 본딩되는 회로 기판으로 센서 다이(10)의 플립칩 전극(171, 173)의 위치에 솔더볼(31)이 형성되고, 제어부(50)를 포함할 수 있다.
솔더볼(31)은 나노 로드(100)의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 형성된다. 또한, 솔더볼(31)은 나노 로드(100)의 제2축 방향의 라인에서, 제2축의 일단 또는 타단에 형성된다.
솔더볼(31)은 제1 플립칩 전극(171) 또는 제2 플립칩 전극(173)과 전기적으로 접촉되는 기판의 단자이므로, 솔더볼(31)의 배치는 전술한 플립칩 전극(17)의 배치와 동일하다. 따라서, 솔더볼(31)은 인접한 어레이에 교번적으로 배열된다. 이는 제1 플립칩 전극(171) 또는 제2 플립칩 전극(173)이 같은 축을 기준으로 일단 또는 타단으로 교번되어 배치되기 때문이다.
또한, 솔더볼(31)은 어레이된 축을 기준으로 지그재그로 배치된다. 보다 상세하게, 제1축의 일단 또는 타단에 형성된 솔더볼(31)은 제2축 방향으로 어레이된다. 제2축 방향으로 인접한 솔더볼(31)은 전술한 엇배치 관계에 의하여 두 번째로 이격된 솔더볼(31)이 된다. 여기서, 제1, 2 전극(13, 15)의 노출 길이가 서로 다르기 때문에 제2축 방향으로 어레이된 솔더볼(31)의 위치도 지그 재그로 배치된다. 이에 따라, 솔더볼(31)은 각각 충분한 인쇄 영역을 갖게 된다.
초음파 센서 기판(30)은 솔더볼(31)의 접점과 연결되며, 소자 배치를 고려하여 회로 패턴이 설계 및 인쇄된 PCB 기판일 수 있다. 본 실시예의 PCB 기판에는 제어부(50)가 모듈로 구성될 수 있다.
제어부(50)는 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼(31)과 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼(31)의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 나노 로드(100)의 위치를 산출할 수 있다.
제어부(50)는 나노 로드(100)를 구동시키는 인가전압을 제어할 수 있다. 제어부(50)는 압전 소자를 구동시키는 펄스 전압을 클럭의 형태로 인가할 수 있다. 제어부(50)는 클럭신호의 듀티비에 있어서, 클럭신호의 펄스 전압을 인가한 후, 나노 로드(100)로부터 소정의 전기적 신호를 인가받을 때까지의 시간을 고려한 딜레이 시간을 포함하여 듀티비를 설정할 수 있다. 제어부(50)는 펄스 전압의 인가 후, 소정의 시간(㎛단위) 이후 회신되는 전기적 신호를 지문 맵핑을 위한 출력 신호로 고려할 수 있다.
제어부(50)는 제1 연산 모듈(501)과 제2 연산 모듈(503)을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 연산 모듈(501)은 제1축의 솔더볼(x)이 제2축의 솔더볼(y)의 축상 교점으로 나노 로드(100)의 위치(P)를 산출할 수 있다. 도 6의 예시에서, 센싱부(11)의 모든 나노 로드(100)들은 펄스 전압이 인가되었을 때 각각 초음파를 송출하여 제각각의 다른 시간으로 반사된 초음파를 수신한다.
수신된 초음파의 시간은 지문의 골과 마루의 깊이 정보로부터 정해진다. 초음파를 수신하면, 재차 솔더볼(31)을 통해 펄스 전압이 출력된다. 이 경우, x점의 솔더볼과 y점의 솔더볼에 펄스전압이 동시에 감지된 경우, 해당 신호는 p점에 위치한 나노 로드(100)인 것으로 특정할 수 있다. p점에 위치한 나노 로드(100)는 좌표 (x,y)로 설정될 수 있다.
제2 연산 모듈(503)은 제1 연산 모듈(501)의 나노 로드(100)의 위치 좌표(x,y)에서 수신된 초음파 신호를 이용해 지문의 골 또는 마루의 높이(z축) 정보를 맵핑할 수 있다. 본 실시예로, 수신된 초음파 신호는 반사된 초음파로 나노 로드(100)에 기계적 변위가 발생됨에 따라 형성된 전기적 신호일 수 있다.
지문의 골 또는 마루의 높이(z축) 정보는 전기적 신호의 정보로부터 산출될 수 있다. 보다 상세하게, 제2 연산 모듈(503)은 솔더볼(31)을 통해 수신되는 전기적 신호의 시차를 측정하여 z축 정보를 산출할 수 있다. 본 실시예는 다른 실시예로서, 보다 복잡한 알고리즘을 적용하여 전기적 신호의 강도나 전압 또는 전류 정보가 이용되는 것을 제한하지 않는다.
제2 연산 모듈(503)의 수행으로, 제어부(50)는 (x, y, z)의 3차원 지문 정보를 구축할 수 있다. 제어부(50)는 제1 연산 모듈(501)의 결과와 제2 연산 모듈(503)의 결과로 3차원의 지문 데이터를 형성하여, 비접촉시에도 지문 인식이 가능한 보안검증 수단으로 제공될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
3: 지문
1: 초음파 센서
10: 센서 다이
30: 초음파 센서 기판
31: 솔더볼
11: 센싱부
100: 나노 로드
101: 절연재
13: 제1 전극
15: 제2 전극
17: 플립칩 전극
171: 제1 플립칩 전극
173: 제2 플립칩 전극
19: 베이스판
50: 제어부
501: 제1 연산 모듈
503: 제2 연산 모듈

Claims (8)

  1. 압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 일면을 구성하는 제1 전극과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 타면을 구성하는 제2 전극, 상기 제1 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제1축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극과, 상기 제2 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제2축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극이 구성된 센서 다이; 및
    어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되며, 상기 센서 다이와 본딩되는 상기 솔더볼이 어레이된 상기 나노 로드 개수의 1/2이하로 형성된 초음파 센서 기판을 포함하여,
    상기 센서 다이가 상기 초음파 센서 기판에 플립칩 본딩되고,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 축을 따라 연장형성된 라인이 축방향으로 소정의 탄성을 부여하는 트위스팅된 형상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 센서 기판은,
    상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 상기 나노 로드의 위치를 산출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1축의 솔더볼이 상기 제2축의 솔더볼의 축상 교점으로 상기 나노 로드의 위치를 산출하는 제1 연산 모듈; 및
    상기 제1 연산 모듈의 상기 나노 로드의 위치 좌표에서 수신된 초음파 신호를 이용해 지문의 골 또는 마루의 높이(z축) 정보를 맵핑하는 제2 연산 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 연산 모듈의 결과와 상기 제2 연산 모듈의 결과로 3차원의 지문 데이터를 형성하여,
    상기 센서 다이에 지문이 접촉되지 않아도 사용자의 지문 정보를 맵핑할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔더볼은,
    어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 교번적으로 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고,
    상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 교번적으로 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 솔더볼은,
    배열된 축을 기준으로 지그재그로 형성된 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  7. 압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 일면을 구성하는 제1 전극과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인을 따라 상기 나노 로드와 전기 접점되어 상기 센싱부의 타면을 구성하는 제2 전극, 상기 제1 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제1축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제1 플립칩 전극과, 상기 제2 전극의 일단부에 전기 접점되어 상기 제2축 방향의 라인에 위치한 상기 나노 로드에 전기적 신호를 통합적으로 유통시키는 제2 플립칩 전극이 구성된 센서 다이;
    어레이된 상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인에서 제1축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제1 플립칩 전극과 접점되고, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인에서 제2축의 일단 또는 타단에 솔더볼이 형성되어 상기 제2 플립칩 전극과 접점되는 초음파 센서 기판; 및
    상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 상기 나노 로드의 위치를 산출하는 제어부를 포함하여,
    상기 센서 다이가 상기 초음파 센서 기판에 플립칩 본딩되고,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 축을 따라 연장형성된 라인이 축방향으로 소정의 탄성을 부여하는 트위스팅된 형상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
  8. 압전효과를 갖는 나노 로드가 다수개 어레이되어 사용자의 지문을 감지하는 센싱부와, 상기 센싱부에 전압을 인가하는 제1, 2 전극과, 상기 제1, 2 전극의 플립칩 본딩을 위해 상기 센싱부의 외부로 전기적 신호가 통전되는 범프를 형성하는 플립칩 전극을 포함하는 센서 다이;
    상기 센서 다이의 플립칩 본딩시 상기 플립칩 전극과 맞닿아 전기적 신호가 통전되는 솔더볼이 형성되고, 상기 솔더볼은 배열된 축을 기준으로 지그재그로 형성된 초음파 센서 기판; 및
    상기 나노 로드의 제1축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼과, 상기 나노 로드의 제2축 방향의 라인으로 형성된 솔더볼의 좌표 조합으로 송수신된 초음파 신호의 상기 나노 로드의 위치를 산출하고, 상기 나노 로드의 위치 좌표에서 수신된 초음파 신호를 이용해 지문의 골 또는 마루의 높이(z축) 정보를 맵핑하여 3차원의 지문 데이터를 형성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 축을 따라 연장형성된 라인이 축방향으로 소정의 탄성을 부여하는 트위스팅된 형상인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 기판.
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