KR102600398B1 - 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자 - Google Patents

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Abstract

개시되는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 제1 기판; 상기 제1 기판의 상면에 형성되고 중심에 제1 마이크로히터가 형성되는 제1 전극판; 상기 제1 마이크로히터를 밀폐하여 외부공기로부터 차단하는 제1 절연층; 제1 전극판의 일부가 상기 제1 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성된 개방영역에 오믹 접합(ohmic-contact)된 제1 본딩전극;을 가지는 제1 소자 및 제2 기판; 상기 제2 기판의 상면에 형성되고 제2 마이크로히터가 형성되는 제2 전극판; 상기 제2 마이크로히터의 상하면을 덮도록 형성되는 제2 절연층; 제2 전극판의 일부가 상기 제2 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성되는 개방영역에 오믹 접합된 제2 본딩전극;을 가지고, 상기 제2 기판은 상기 제1 절연층의 상면에 접합되어 상기 제1 소자의 상측에 위치하는 제2 소자를 포함한다.

Description

단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자{One Chip Gas Sensitive Device using Thermal Conductivity}
본 발명(Disclo1sure)은, 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에 관한 것으로서, 구체적으로 기준소자의 상측에 측정소자를 배치한 후 고정하여 반드시 한 쌍으로 작동하는 기준소자와 측정소자를 상하 방향으로 집적함으로써, 기준소자와 측정소자를 물리적으로 고정함으로써, 측정의 안정성 및 조립성을 향상시킬 수 있는 단일칩으로 집적된 열전도 가스 소자에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적이 열전도 가스 감지 센서는 내부에 발열수단을 구비하고, 접촉하는 가스의 종류에 따라 발열수단에서 발생하는 열방사(heat dissipation) 특성의 변화를 감지한다.
이를 위해 반드시 기준소자와 측정소자가 한 쌍으로 작동해야 한다.
기준소자는 어떠한 가스와도 접촉하지 않도록 제조되어 안정적인 열방사 특성을 가지며 측정소자는 실제 외부공기와 접촉하여 가스를 감지하는 소자이다.
이들 두 소자는 실제 센서에 패키지 될때 서로 인접하게 배치되어 고정되고 와이어 본딩 방법등으로 패키지용 기판에 고정된다.
그러나 하나의 센서에 한 쌍의 소자가 패키지되어야 하기 때문에, 패키지 공정에 있어서, 다이 본딩(die bonding)이 2회 진행되기 때문에 작업공수가(工數) 늘어난다.
또한 두 소자의 상대적인 위치, 이들 상호간의 결선등 모든 조립 공정의 결과물에 있어서 동일성을 유지하기 쉽지 않다.
이러한 문제점은 실제 대량생산된 서로 다른 열전도 가스 감지 센서의 성능 균일성(uniformity)를 확보할 수 없다.
따라서 기준소자와 측정소자를 이용한 열전도 가스감지소자에 있어서, 측정의 안정성 및 조립성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조적 제안이 요구되는 실정이다.
1. 한국등록특허공보 제10-1504943호.
본 발명(Disclosure)은, 반드시 한 쌍으로 작동해야 하는 기준소자와 측정소자 물리적, 전기적 결합을 안정시켜, 측정의 안정성 및 조립성을 향상시킬 수 있는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명을 기술하는 여러 관점들 중 어느 일 관점(aspect)에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 제1 기판; 상기 제1 기판의 상면에 형성되고 중심에 제1 마이크로히터가 형성되는 제1 전극판; 상기 제1 마이크로히터를 밀폐하여 외부공기로부터 차단하는 제1 절연층; 제1 전극판의 일부가 상기 제1 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성된 개방영역에 오믹 접합(ohmic-contact)된 제1 본딩전극;을 가지는 제1 소자 및 제2 기판; 상기 제2 기판의 상면에 형성되고 제2 마이크로히터가 형성되는 제2 전극판; 상기 제2 마이크로히터의 상하면을 덮도록 형성되는 제2 절연층; 제2 전극판의 일부가 상기 제2 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성되는 개방영역에 오믹 접합된 제2 본딩전극;을 가지고, 상기 제2 기판은 상기 제1 절연층의 상면에 접합되어 상기 제1 소자의 상측에 위치하는 제2 소자를 포함한다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 상기 제2 소자는, 상기 제2 마이크로히터 하측의 상기 제2 기판이 제거되어 형성되는 공동부; 및 상기 제2 기판중 공동부가 형성된 후 남은 지지다리;를 더 가질 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 상기 지지다리의 하측 끝단은 상기 제1 절연층의 상면에 접합되어 상기 제1 소자와 상기 제2 소자가 서로 고정될 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 상기 제1 본딩전극는, 평면도 상에서 상기 제1 절연층의 및 상기 제2 소자의 외측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 관점(aspect)에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 상기 제1 소자는, 상기 제1 전극판과 상기 제1 기판 사이에 형성되는 제2 단열층;을 더 포함하여, 상기 제1 전극판 과 상기 제1 기판 사이의 열방사 경로를 차단함으로써, 상기 제1 마이크로히터에서 발생된 열이 상기 제1 기판으로 전도되지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반드시 한 쌍으로 작동해야 하는 기준소자와 측정소자를 물리적으로 고정함으로써, 측정의 안정성 및 패키지 공정에서 작업성을 향상시시켜 조립성을 향상시킬 수 있는 단일칩으로 집적된 열전도 가스 소자를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제1 실시형태를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제2 실시형태를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제3 실시형태를 보인 도면.
이하, 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자를 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상에 기초하여 통상의 기술자에 의해 이하에서 설명되는 실시형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안될 수 있는 범위를 포섭함을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 본질적인(intrinsic) 기술적 사상을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제1 실시형태를 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 제1 소자(100) 및 제2 소자(200)를 포함하고 제2 소자(200)는 제1 소자(100)의 상측에 배치된 중첩 구조를 가진다.
제1 소자(100)는 제1 기판(110), 제1 마이크로히터(121)가 형성된 제1 전극판(120), 제1 절연층(130), 제1 본딩전극(140)을 가진다.
제1 기판(110)은 후술하는 제1 마이크로히터(121)가 형성된 제1 전극판(120)이 형성되는 기판(substrate)이다.
제1 전극판(120)은 제1 기판(110)의 상면에 형성되고 중심에 제1 마이크로히터(121)가 형성된다.
제1 전극판은 다양한 방법의 금속 증착 방법으로 제1 기판(110)의 상면에 형성될 수 있고, 그 중심에는 후술하는 제1 본딩전극(140)으로 부터 공급되는 전력(electric power)에 의해 가열되는 제1 마이크로히터(121)가 형성된다.
바람직하게는 제1 마이크로히터(121)는, 지그재그 구조를 포함하여 전기 저항에 의해 발열하는 전기적 발열구조로 형성된다.
제1 절연층(130)은 상술한 제1 마이크로히터(121)시 외부공기와 서로 접촉하지 못하도록 차단할 수 있도록 제1 마이크로히터(121)를 밀폐한다.
제1 본딩전극(140)은 제1 전극판(120)의 일부가 제1 절연층(130)에 의해 덮히지 않고 노출되는 개방영역의 상면에 오빅접합(ohmic-contact) 된 금속재질의 전극으로서, 조립(package) 단계에서 그 상면에 와이어 본딩(wire- bonding)된다.
제2 소자(200)는 제2 기판(210), 제2 마이크로히터(221)가 형성된 제2 전극판(220), 제2 절연층(230) 제2 본딩전극(240)을 가진다.
제2 기판(210)은 후술하는 제2 마이크로히터(221)가 형성된 제2 전극판(220) 이 형성되는 기판(substrate)이다.
제2 전극판(220)은 제2 기판(210)의 상면에 형성되고 중심에 제2 마이크로히터(221)를 가진다.
제2 전극판(220)은 다양한 방법의 금속 증착 방법으로 제2 기판(210)의 상면에 형성될 수 있고, 그 중심에는 후술하는 제2 본딩전극(240)으로부터 공급되는 전력(electric power)에 의해 가열되는 제2 마이크로히터(221)가 형성된다.
바람직하게는 제2 마이크로히터(221)는 지그재그 구조를 포함하여 전기 저항에 의해 발열하는 전기적 발열구조로 형성된다.
제2 절연층(230)은 제2 마이크로히터(221)의 상측을 덮도록 형성되되, 제2 마이크로히터(221) 상측 및 하측면을 덮도록 형성된다.
제2 본딩전극(240)은 제2 전극판(220)의 일부가 제2 절연층(230)에 의해 덮히지 않고 노출되는 개방영역에 형성되고 제2 전극판(220)의 상면에 오믹 접합(ohmic-contact)되는 금속층으로 형성된다. .
도 1을 참조하면 본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 제2 소자(200)의 제2 기판(210) 하면이 제1 소자(100) 제1 절연층(130)의 상면에 접합되어 제1 소자(100)의 상측에 제2 소자(200)가 고정된다.
이에 따라 제1 소자(100) 및 제2 소자(200)는 상하 방향으로 집적됨으로써 하나의 소자를 구성될 수 있다.
이때, 제2 소자(200)는, 외부공기에 포함된 감지 대상 가스에 의해 외부공기와 접하는 제2 절연층(230) 및 이와 접하는 제2 마이크로히터(221)의 열방사(heat dissipation)특성에 변동(variation)이 발생한다.
제2 소자(200)에서 발생한 제2 마이크로히터(221)의 열방사 특성 변동은 제1 소자(100)의 제1 마이크로히터(121)의 열방사 특성을 기준으로, 정량적 평가가 가능하다.
본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 제2 소자(200) 평가의 기준을 제공하는 기준(reference) 소자인 제1 소자(100)가 단일칩(one chip)으로 구성됨으로써, 이를 이용한 가스 감지 장치의 제조 공정이 단순해질 수 있다.
즉, 다이 본딩(die bonding) 및 와이어 본딩(wire bonding)을 포함하는 제1 소자(100) 및 제2 소자(200)의 패키징(packaging) 공정에서 발생할 수 있는 측정 오차가 감소하거나 제거될 수 있다.
또한 도 1을 참조하면 본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 제1 본딩전극(140)은, 평면도 상에서 제1 절연층(130) 및 제2 소자 각각의 외측에 배치된다.
이에 따라 제1 본딩전극(140) 및 제2 본딩전극(240)에 와이어 본딩되는 와이어는 제1 소자(100) 및 제2 소자에 간섭을 일으키지 않으며, 인접한 회로와 최단거리로 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제2 실시형태를 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자에서, 제2 소자(200)는, 제2 마이크로히터(221) 하측의 제2 기판(210)이 제거되어 형성되는 공동부(250) 및 제2 기판(210)중 공동부(250)가 형성된 후 남은 지지다리(260)를 포함한다.
공동부(250)는 제2 소자(200)의 제2 마이크로히터에서 생성된 열 에너지가 제1 소자(100)의 제1 마이크로 히터(121)로 쉽게 전달되지 못하도록 한다.
제1 마이크로히터(121)와 제2 마이크로히터(221) 상호간에 열이 전달되면 각각의 열방사 특성에 영향을 미치게 되며, 이는 제1, 2 마이크로히터(121, 221) 상호간의 열방사 특성에 기반한 가스 감지 기능에 오작동을 유발할 수 있다.
또한 도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자는, 상술한 지지다리(260)의 하측 끝단은 제1 절연층(130)의 상면에 접합되어 제1 소자(100)와 제2 소자(200)가 서로 고정되도록 형성된다.
제1 소자(100) 및 제2 소자(200)가 고정되므로, 다이 본딩(die bonding)및 와이어 본딩(wire bonding) 공정을 포함하는 PKG공정에 있어서, 핸들링이 용이하고 사용중 소자간 변위가 없으므로 안정적인 가스 감지 기능을 유지할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자의 제3 실시형태를 보인 도면이다.
도 3을 참조하면 본 실시형에 따른 단일칩으로 집적된 열전도 가스 감시 소자에서 제1 소자(100)는, 제1 전극판(120)과 제1 기판(110) 사이에 형성되는 제2 단열층(150)을 더 포함한다.
이에 따라 본 실시형태에 따른 열전도 가스감지소자는, 제1 전극판(120) 과 제1 기판(110) 사이의 열방사 경로를 차단함으로써, 제1 마이크로히터(121)에서 발생된 열이 제1 기판(110)으로 전도되지 않도록한다.
기판은 일반적으로 분순물로 도핑되지 않은 반도체를 사용하는데, 반도체의 특성상, 전기 전도도 뿐만 아니라 열전도 역시 상당하다.
따라서 제1 기판(110)과 제1 마이크로히터(121) 사이의 열저항을 극대화 할 수 있는 제1 단열층을 추가하여 형성함으로써, 제1 마이크로히터(121)의 열방사 특성을 안정적으로 유지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 제1 기판; 상기 제1 기판의 상면에 형성되고 중심에 제1 마이크로히터가 형성되는 제1 전극판; 상기 제1 마이크로히터를 밀폐하여 외부공기로부터 차단하는 제1 절연층; 제1 전극판의 일부가 상기 제1 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성된 개방영역에 오믹 접합(ohmic-contact)된 제1 본딩전극;을 가지는 제1 소자 및
    제2 기판; 상기 제2 기판의 상면에 형성되고 제2 마이크로히터가 형성되는 제2 전극판; 상기 제2 마이크로히터의 상하면을 덮도록 형성되는 제2 절연층; 제2 전극판의 일부가 상기 제2 절연층에 의해 덮히지 않고 노출되어 형성되는 개방영역에 오믹 접합된 제2 본딩전극;을 가지고, 상기 제2 기판은 상기 제1 절연층의 상면에 접합되어 상기 제1 소자의 상측에 위치하는 제2 소자를 포함하는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 소자는,
    상기 제2 마이크로히터 하측의 상기 제2 기판이 제거되어 형성되는 공동부; 및
    상기 제2 기판중 공동부가 형성된 후 남은 지지다리;를 더 가지는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지다리의 하측 끝단은 상기 제1 절연층의 상면에 접합되어 상기 제1 소자와 상기 제2 소자가 서로 고정되는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 본딩전극는,
    평면도 상에서 상기 제1 절연층의 및 상기 제2 소자의 외측에 배치되는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 소자는,
    상기 제1 전극판과 상기 제1 기판 사이에 형성되는 제2 단열층;을 더 포함하여,
    상기 제1 전극판 과 상기 제1 기판 사이의 열방사 경로를 차단함으로써, 상기 제1 마이크로히터에서 발생된 열이 상기 제1 기판으로 전도되지 않도록 하는 단일칩으로 집적된 열전도 가스감지소자

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