KR102560070B1 - 용량 센서 및 용량 센서의 제조 방법 - Google Patents

용량 센서 및 용량 센서의 제조 방법 Download PDF

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오에이치티 가부시끼가이샤
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Abstract

용량 센서는, 센서 전극과, 제1 전극 패드와, 기판과, 제2 전극 패드를 갖는다. 센서 전극은, 검출 대상물과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력한다. 제1 전극 패드는, 센서 전극과 접속된다. 기판은, 기판 표면부와 단차부를 갖는다. 기판 표면부에는, 센서 전극 및 제1 전극 패드가 실장된다. 단차부는, 기판의 기판 표면부에 비하여 낮은 위치에 형성되어 있다. 제2 전극 패드는, 단차부에 실장되고, 외부 배선과 접속된다.

Description

용량 센서 및 용량 센서의 제조 방법{CAPACITIVE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 실시 형태는, 용량 센서 및 용량 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2001-168133호 공보 등에 있어서 개시되어 있는 용량 센서는, 검출 대상물에 센서 전극을 근접시켰을 때의 검출 대상물과 센서 전극 사이의 정전 용량에 따른 신호로부터, 검출 대상물의 다양한 상태를 검출하는 센서이다. 이러한 종류의 용량 센서는, 예를 들어 회로 기판에 형성된 도전 패턴의 양부 판정에 사용된다.
원리상, 용량 센서의 감도는, 검출 대상물과의 거리가 가까울수록 커지게 된다. 따라서, 용량 센서는, 검출 대상물에 가능한 한 근접할 수 있도록, 또한 가령 검출 대상물에 접촉해도 파손되지 않도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
실시 형태는, 더욱 검출 대상물에 근접할 수 있고, 또한 파손 가능성이 저감된 용량 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 양태의 용량 센서는, 센서 전극과, 제1 전극 패드와, 기판과, 제2 전극 패드를 갖는다. 센서 전극은, 검출 대상물과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력한다. 제1 전극 패드는, 센서 전극과 접속된다. 기판은, 기판 표면부와 단차부를 갖는다. 기판 표면부에는, 센서 전극 및 제1 전극 패드가 실장된다. 단차부는, 기판의 기판 표면부에 비하여 낮은 위치에 형성되어 있다. 제2 전극 패드는, 단차부에 실장되고, 외부 배선과 접속된다.
제2 양태의 용량 센서의 제조 방법은, 검출 대상물과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력하는 센서 전극과, 센서 전극과 접속되는 제1 전극 패드가 실장된 기판 표면부를 갖는 기판의 단부 영역을 에칭하여 단차부를 형성하는 것과, 제1 전극 패드로부터 단차부에 걸쳐 배선을 형성하는 것과, 배선 및 외부 배선과 접속되는 제2 전극 패드를 단차부에 형성하는 것을 구비한다.
도 1은, 일 실시 형태에 따른 용량 센서에 대하여 나타내는 도면이다.
도 2a는, 용량 센서의 일례의 구성을 나타내는 정면도이다.
도 2b는, 용량 센서의 일례의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3a는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3b는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3c는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3d는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3e는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3f는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3g는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3h는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3i는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3j는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3k는, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3l은, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3m은, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 3n은, 용량 센서의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
도 4는, 변형예의 용량 센서의 일례의 구성을 나타내는 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 실시 형태를 설명한다. 도 1은, 일 실시 형태에 따른 용량 센서에 대하여 나타내는 도면이다. 용량 센서(1)는, 검출 대상물(3)과 근접되고, 검출 대상물(3)과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력하도록 구성된 센서이다. 용량 센서(1)는, 제어 회로(2)에 접속된다. 제어 회로(2)는, 용량 센서(1)의 구동을 위한 신호를 입력함과 함께, 용량 센서(1)로부터의 신호를 수취하여 필요한 처리를 행한다. 예를 들어, 검출 대상물(3)이 회로 기판일 때, 제어 회로(2)는, 정전 용량의 신호로부터 회로 기판에 있어서의 불량 개소를 검출한다.
도 2a는, 용량 센서(1)의 일례의 구성을 나타내는 정면도이다. 도 2b는, 용량 센서(1)의 일례의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 용량 센서(1)는, 기판(11)과, 센서 전극(12)과, 제1 전극 패드(13a, 13b)와, 배선(14a, 14b)과, 제2 전극 패드(15a, 15b)를 갖고 있다.
기판(11)은, 용량 센서(1)의 각 회로 등이 실장되는 기판이다. 기판(11)은, 예를 들어 실리콘 기판이어도 된다. 실시 형태에서는, 기판(11)은, 기판 표면부(11a)와, 단차부(11b)를 갖고 있다. 기판 표면부(11a)는, 기판(11)에 있어서 검출 대상물(3)과 가장 근접하는 면이다. 기판 표면부(11a)에는, 센서 전극(12)과, 제1 전극 패드(13a, 13b)가 실장된다. 단차부(11b)는, 기판(11)에 대해서 형성되는 단차의 부분이다. 단차부(11b)에는, 제2 전극 패드(15a, 15b)가 형성된다. 즉, 단차부(11b)가 있음으로써, 제2 전극 패드(15a, 15b)는, 센서 전극(12) 및 제1 전극 패드(13a, 13b)보다도 낮은 위치에 형성되게 된다.
센서 전극(12)은, 정전 용량의 검출을 위한 전극이다. 센서 전극(12)은, 검출 대상물(3)과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 검출 대상물(3)이 회로 기판일 때, 이 회로 기판에는 검사용 신호가 인가된다. 이 상태에서 센서 전극(12)이 검출 대상물(3)인 회로 기판에 근접할 수 있으면, 센서 전극(12)과 검출 대상물(3)의 사이에서 커패시터가 형성되고, 센서 전극(12)은, 검출 대상물(3)과의 정전 용량에 따른 신호를 출력한다.
여기서, 센서 전극(12)은, 1개의 센서 전극에 의해 구성되어 있어도 되고, 라인 형상 또는 에어리어 형상의 복수의 센서 전극에 의해 구성되어 있어도 된다. 예를 들어, 도 2a는, 센서 전극(12)은, 파선을 경계로 하여 좌우 방향으로 분할된 2개의 센서 전극(12a, 12b)으로 구성되어 있다. 각각의 센서 전극(12a, 12b)은, 서로 어느 정도의 간격을 갖고 배치되고, 대향하고 있는 검출 대상물(3)과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력한다.
제1 전극 패드(13a)는, 센서 전극(12)과 동일한 층, 예를 들어 센서 전극(12)의 우측에 마련되어 있다. 제1 전극 패드(13a)는, 우측의 센서 전극(12a)에 접속됨과 함께, 배선(14a)을 통해 제2 전극 패드(15a)에 접속된다. 또한, 제1 전극 패드(13b)는, 센서 전극(12)과 동일한 층, 예를 들어 센서 전극(12)의 좌측에 마련되어 있다. 제1 전극 패드(13b)는, 좌측의 센서 전극(12b)에 접속됨과 함께, 배선(14b)을 통해 제2 전극 패드(15b)에 접속된다.
여기서, 제1 전극 패드는, 센서 전극과 동일한 수만큼 마련된다. 예를 들어, 센서 전극(12)이 2개의 센서 전극으로 구성되어 있을 때, 제1 전극 패드는, 제1 전극 패드(13a, 13b)의 2개의 제1 전극 패드로 구성된다. 센서 전극의 수는, 1개여도 되고, 이 경우, 제1 전극 패드도 1개이다.
배선(14a)은, 제1 전극 패드(13a)와 제2 전극 패드(15a)를 접속하는 배선이다. 배선(14b)은, 제1 전극 패드(13b)와 제2 전극 패드(15b)를 접속하는 배선이다. 배선(14a)은, 도 2b에 도시한 바와 같이, 단차부(11b)의 우측의 벽면을 따라 형성되어 있다. 마찬가지로, 배선(14b)은, 도 2b에 도시한 바와 같이, 단차부(11b)의 좌측의 벽면을 따라 형성되어 있다.
제2 전극 패드(15a)는, 우측의 단차부(11b)에 마련되고, 배선(14a)을 통해 제1 전극 패드(13a)에 접속된다. 또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 제2 전극 패드(15a)에는, 범프(16a)를 통해 외부 배선(17a)이 마련된 플렉시블 프린트 기판(FPC)(18a)이 플립 칩 실장된다. 제2 전극 패드(15b)는, 좌측의 단차부(11b)에 마련되고, 배선(14b)을 통해 제1 전극 패드(13b)에 접속된다. 또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 제2 전극 패드(15b)에는, 범프(16b)를 통해 외부 배선(17b)이 형성된 플렉시블 프린트 기판(FPC)(18b)이 플립 칩 실장된다. 외부 배선(17a 및 17b)은, 제어 회로(2)에 접속된다.
또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 기판(11)의 기판 표면부(11a) 및 단차부(11b)에는, 보호막으로서의 예를 들어 폴리이미드(PI)에 의한 패시베이션막(19)이 성막되어도 된다. 패시베이션막(19)은, 복수의 막에 의해 구성되어도 된다. 패시베이션막(19)은, 가령 용량 센서(1)가 검출 대상물(3)에 접촉되어 버린 경우라도, 기판 표면부(11a)가 검출 대상물(3)에 직접적으로 접촉되지 않도록 보호함과 함께, 기판 표면부(11a)에 오염 등이 부착되지 않도록 보호하는 보호막이다. 패시베이션막(19)에 의해, 기판 표면부(11a)에 마련된 센서 전극(12) 및 제1 전극 패드(13a, 13b)가 보호된다. 또한, 기판(11)은, 접착제(21)에 의해 예를 들어 용량 센서(1)의 제어 회로 등이 실장되는 프린트 회로 기판(PCB)(20)에 접착되어도 된다. 패시베이션막(19)은, 가능한 한 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 패시베이션막(19)의 막 두께 d2는, 예를 들어 5㎛여도 된다.
여기서, 용량 센서(1)는 검사 대상물에 근접되어 사용되므로, 단차부(11b)에 실장되는 각종 부품의 합계의 높이가 패시베이션막(19)의 높이를 초과하지 않을 필요가 있다. 한편, 단차부(11b)의 깊이를 깊게 하는 데 수반하여 실장의 난도도 높아져서 비용도 필요해진다. 반대로, 단차부(11b)의 깊이를 얕게 하는 경우의 실장의 난도도 높아진다. 따라서, 단차부(11b)의 깊이는, 실장의 난도를 고려하여 적당한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
특히, FPC가 플립 칩 실장되는 구조의 경우, FPC(18a, 18b)의 두께, 범프(16a, 16b)의 두께, 제2 전극 패드(15a, 15b)의 두께도 고려되어 단차부(11b)의 깊이가 설정된다. 예를 들어, 패시베이션막(19)의 두께 d2가 5㎛일 때, 단차부(11b)의 깊이 d1은, 실장 난도, 각 부품의 두께 등이 고려되어 예를 들어 100㎛로 설정된다.
다음으로, 실시 형태의 용량 센서(1)의 제조 방법을 설명한다. 도 3a 내지 도 3n은, 용량 센서(1)의 제조 방법을 설명하는 공정도이다.
이하에서 설명하는 제조 방법은, 도 3a에서 도시한 바와 같이, 기판(11)인 실리콘 기판(101)에, 센서 전극(102)과, 제1 전극 패드(103)가 형성되어 있는 상태로부터 개시된다. 실리콘 기판(101)의 제1 전극 패드(103)을 제외한 부분에는 패시베이션막(104)이 형성되어 있다. 여기서, 센서 전극(102)과 제1 전극 패드(103)는, 실리콘 기판(101)의 단부에 단차부(11b)를 형성하기 위한 단차 형성 영역(101a)을 마련할 수 있도록 형성된다.
또한, 도 3a 내지 도 3n에서는, 도 2에서 도시한 기판(11)의 우측 부분의 제조 방법만이 도시되어 있다. 도 2에서 도시한 기판(11)의 좌측 부분도, 이하에서 설명하는 우측 부분과 마찬가지의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
실리콘 기판(101)에 대한 센서 전극(102)과 제1 전극 패드(103)의 형성은, 임의의 방법으로 행해질 수 있다. 또한 패시베이션막(104)은, 예를 들어 각종 산화막, 질화막이며, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된다.
우선, 도 3b에 도시한 바와 같이, 패시베이션막(104)의 에칭이 행해진다. 이 때문에, 실리콘 기판(101)에, 단차 형성 영역(101a)만이 노출되도록 포토레지스트(105)가 도포된다. 그 후, 도 3c에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(101)에 있어서의 단차 형성 영역(101a) 부분의 패시베이션막(104)이 에칭된다. 그 후, 도 3d에 도시한 바와 같이, 포토레지스트(105)가 제거된다. 이와 같이 하여 단차부(11b)로 되는 단차부(106)가 실리콘 기판(101)에 형성된다. 다음으로, 도 3e에 도시한 바와 같이, 에칭된 부분에 패시베이션막(107)이 예를 들어 CVD에 의해 형성된다.
다음으로, 도 3f에 도시한 바와 같이, 센서 전극(102) 상에 패시베이션막으로서의 PI막(108)이 성막된다. 이어서, 도 3g에 도시한 바와 같이, 제1 전극 패드(103) 상의 패시베이션막(107)이 에칭된다.
다음으로, 도 3h에 도시한 바와 같이, 절연성의 패시베이션막(107) 상에 금속의 배선(14a)을 형성하기 위한 금속 도금 시드층(110)이 예를 들어 스퍼터에 의해 형성된다. 이어서, 도 3i에 도시한 바와 같이, 제1 전극 패드(103)의 주변 부분의 도금 시드층(110)에 있어서 배선(14a)을 형성하기 위해 포토레지스트(111)가 도포된다. 그리고, 제1 전극 패드(103)의 주변 부분의 도금 시드층(110)에 대한 포토리소그래피에 의해 도금 시드층(110)이 배선(14a)의 형상으로 가공된다. 이어서, 도 3j에 도시한 바와 같이, 배선(14a)을 형성하기 위한 금속 도금이 행해진다. 도 3j에 도시한 배선(112)이 배선(14a)이다.
다음으로, 도 3k에 도시한 바와 같이, 포토레지스트(111) 및 도금 시드층(110)이 제거된다. 이어서, 도 3l에 도시한 바와 같이, 단차부(106)를 제외한 부분에 패시베이션막으로서의 PI막(113)이 적층된다.
다음으로, 도 3m에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(101)의 이면에 백 메탈(114)이 형성된다. 이어서, 도 3n에 도시한 바와 같이, 단차부(106)의 부분에, 제2 전극 패드(115)가 예를 들어 플래시 도금(flash plating)에 의해 형성된다. 플래시 도금은, 단시간에 행해지는 막 두께가 얇은 도금이다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태의 용량 센서에서는, 센서 전극과, 센서 전극에 접속되는 제1 전극 패드가 기판 표면부에 형성되고, 제1 전극 패드와 외부 배선에 접속되는 제2 전극 패드가 기판 표면부보다도 낮은 단차부에 형성된다. 이에 의해, 제2 전극 패드와 외부 배선 사이의 배선은, 기판 표면부보다도 낮은 위치에 마련할 수 있다. 이 때문에, 용량 센서의 기판 표면부, 즉 센서 전극을 검출 대상물에 충분히 근접시킬 수 있다. 따라서, 용량 센서의 감도는 향상된다. 또한, 가령 용량 센서의 기판 표면부가 검출 대상물에 접촉되어버려도, FPC 등이 검출 대상물에는 접촉되지 않는다. 이 때문에, FPC 등이 검출 대상물로부터의 응력을 받아 파손되는 경우도 없다.
또한, 제1 전극 패드와 제2 전극 패드 사이의 배선은, 단차부의 벽면을 따르도록 형성된다. 이 때문에, 제1 전극 패드와 제2 전극 패드 사이의 배선 강도는 높아진다. 따라서, 용량 센서의 신뢰성은 향상된다.
또한, 실시 형태에서는 실리콘 기판에 단차부가 형성되면 된다. 이 때문에, TSV(Through Silicon Via)와 같은 가공은 불필요하다. TSV의 경우에는, 실리콘 기판의 내부에 관통 전극을 형성할 필요가 있기 때문에, 실리콘 기판은 얇은 것이 바람직하다. 이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 얇은 실리콘 기판이 사용될 필요는 없다. 두꺼운 실리콘 기판이 사용됨으로써, 용량 센서의 강도를 확보할 수 있다. 이 때문에, 검출 대상물에 대한 접촉 시의 신뢰성이 향상된다. 또한, TSV는 비교적 비용을 요하는 데 반하여, 본 실시 형태에서는 에칭 등으로 단차부를 형성하는 것만이어도 되므로 비교적 저비용으로 용량 센서가 제조될 수 있다.
[변형예]
다음으로, 실시 형태의 변형예를 설명한다. 실시 형태에서는, 제2 전극 패드에는, 범프를 통해 외부 배선이 마련된 FPC가 플립 칩 실장된다. 외부 배선의 실장 방법은, 플립 칩 실장으로 한정되지는 않는다. 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 전극 패드(15a, 15b)는, 와이어(22a, 22b)를 사용한 와이어 본딩에 의해 외부 전극(23a, 23b)에 접속되어도 된다. 이 경우에 있어서, 외부 전극(23a, 23b)은, 스루홀(24a, 24b)을 통해 PCB(20)의 이면에 형성된 외부 배선(25a, 25b)에 접속되어도 된다.
도 4의 경우, 와이어(22a, 22b)는, 어느 정도의 휨을 갖게 된다. 와이어(22a, 22b)의 강도를 확보하기 위해서, 와이어(22a, 22b)는, 수지(26) 등으로 몰드되어도 된다.
여기서, 변형예와 같은 와이어 본딩에 의해 전극이 실장되는 구조의 경우, 전술한 단차부(11b)의 실장 난도와 함께, 와이어(22a, 22b)의 루프 높이, 몰드의 두께도 고려되어 단차부(11b)의 깊이가 설정된다. 현상의 실장 기술에서는, 와이어(22a, 22b)의 루프 높이를 50㎛보다도 낮게 하는 것이 곤란하다. 따라서, 단차부(11b)의 깊이 d1은, 전술과 마찬가지의 예를 들어 100㎛이면, 루프 높이가 가령 50㎛여도, 단차부(11b)에 실장되는 각종 부품의 합계의 높이가 패시베이션막(19)의 높이를 초과하는 일은 없다.
본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 또한, 각 실시 형태는 적절히 조합하여 실시해도 되고, 그 경우 조합한 효과가 얻어진다. 또한, 상기 실시 형태에는 다양한 발명이 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성 요건으로부터 선택된 조합에 의해 다양한 발명이 추출될 수 있다. 예를 들어, 실시 형태에 나타낸 전체 구성 요건으로부터 몇몇 구성 요건이 삭제되어도, 과제를 해결할 수 있으며, 효과가 얻어지는 경우에는, 이 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.

Claims (6)

  1. 검출 대상물과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력하는 센서 전극과,
    상기 센서 전극과 접속되는 제1 전극 패드와,
    기판 표면부와 단차부를 갖는 기판이며, 상기 기판 표면부에는 상기 센서 전극 및 제1 전극 패드가 실장되고, 상기 단차부는 상기 기판 표면부에 비하여 낮은 위치에 형성되는 기판과,
    상기 단차부에 실장되고, 외부 배선과 접속되는 제2 전극 패드
    를 구비하고,
    상기 제2 전극 패드에는, 상기 외부 배선이 형성된 회로 기판이 플립 칩 실장되고,
    상기 단차부의 깊이는, 상기 회로 기판의 두께와, 상기 제2 전극 패드와 상기 회로 기판을 접속하는 범프의 두께와, 상기 제2 전극 패드의 두께의 합이 상기 기판 표면부의 높이를 초과하지 않도록 결정되는, 용량 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드를 접속하는 배선은, 상기 단차부를 따르도록 형성되어 있는 용량 센서.
  3. 검출 대상물과의 사이의 정전 용량에 따른 신호를 출력하는 센서 전극과, 상기 센서 전극과 접속되는 제1 전극 패드가 실장된 기판 표면부를 갖는 기판의 단부 영역을 에칭하여 단차부를 형성하는 것과,
    상기 제1 전극 패드로부터 상기 단차부에 걸쳐 배선을 형성하는 것과,
    상기 배선 및 외부 배선과 접속되는 제2 전극 패드를 상기 단차부에 형성하는 것과,
    상기 제2 전극 패드에, 상기 외부 배선이 형성된 회로 기판을 플립 칩 실장하는 것
    을 구비하고,
    상기 단차부를 형성하는 것에 있어서, 상기 단차부의 깊이는, 상기 회로 기판의 두께와, 상기 제2 전극 패드와 상기 회로 기판을 접속하는 범프의 두께와, 상기 제2 전극 패드의 두께의 합이 상기 기판 표면부의 높이를 초과하지 않도록 결정되는, 용량 센서의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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