KR20010029946A

KR20010029946A - 압력 센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010029946A
Application number: KR1020000040588A
Authority: KR
Inventors: 마수다타카시
Original assignee: 사토 요시하루; 야마타케 코포레이션
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2001-04-16
Also published as: DE60032676D1; CN1125975C; EP1069419B1; EP1069419A2; JP3619065B2; US6450039B1; EP1069419A3; CN1281140A; JP2001033329A; DE60032676T2; KR100372340B1

Abstract

압력 센서는 원통형 센서 패키지, 유리 베이스, 센서 칩, 그리고 전극 핀들을 포함한다. 유리 베이스는 센서 패키지 내에 공간이 없도록 센서 패키지의 안쪽 표면에 본딩되고, 센서 칩은 유리 베이스 위에 올려지고 유리 베이스와 마주보는 표면 위에 전극들과 유리 베이스의 표면 위에 금속 본딩 영역을 갖는다. 그리고, 본딩 영역은 유리 베이스의 표면에 다이-본드(die-bond)된다. 전극 핀들은 전극들에 마주보도록 배열되고 유리 베이스를 통해 연장되도록 매입(埋入)되어 있으며, 리드들은 전극들에 대응되어 전기적으로 본딩되도록 유리 베이스 표면으로부터 노출된다.

Description

압력 센서 및 그 제조방법{Pressure Sensor and Method of Manufacturing the Same}

본 발명은 정전 용량(electrostatic capacitive) 또는 압전(piezoelectric) 압력 센서에 관한 것으로, 특히 센서 칩(Sensor chip)의 하부 면으로부터 센서의 전극들이 추출된 센서 칩 및 센서 패키지(package)의 본딩(bonding) 구조 및 본딩 방법에 관한 것이다.

일반적인 압력 센서로서, 정전 용량 압력 센서가 잘 알려져 있는데, 정전 용량 압력 센서는 리세스(recess) 영역을 갖는 기판, 기판 외면에 의해 지지되고 리세스 영역 위에 배열되는 다이아프램(diaphragm), 리세스 영역의 기판 하부면 위에 형성되는 고정 전극, 그리고 고정 전극에 대응하여 다이아프램 위에 형성되는 이동 전극으로 구성된다. 이와 같이 구성되는 압력 센서에서, 외부의 압력에 의해 다이아프램이 변형되면 이동 전극과 고정 전극 사이의 간격이 변하게 되어 이들 사이의 정전 용량이 변하게 된다. 그러므로, 다이아프램에 가해지는 압력은 정전 용량의 변화로서 측정할 수 있다.

한편, 또 다른 압력 센서로서, 압전 압력 센서가 있는데, 압전 압력 센서는 전극 대신에 반도체 다이아프램 위에 압전 효과를 갖는 스트레인 게이지(strain gauge)를 가지고 있다. 이 스트레인 게이지는 다이아프램에 가해지는 압력에 의해 변형되기 때문에, 압전 효과에 의한 스트레인 게이지의 저항 변화를 검출함으로써 다이아프램에 가해지는 압력을 측정할 수 있다.

이와 같이, 압력 센서를 사용하여 압력을 측정하기 위해서는 도 6과 같은 구조를 갖는다. 즉, 센서 칩(23)은 원통형 금속 패키지(21) 내에 있는 원통형 유리 베이스(base)(22) 위에 장착되고, 원통형 금속 패키지(21)는 내부식성(corrosion-resistant)을 갖는 다이아프램(24)에 의해 봉합되어 있으며, 금속 패키지(21) 내에는 실리콘 오일(silicon oil)과 같은 밀봉액(25)이 채워져 있다. 그리고, 압력은 센서 칩(23)으로 전달되며, 센서 칩(23)과 외부와의 전기적 연결은 유리로 밀봉된 전극 추출 핀들(26)과 센서 칩(23)의 상부 표면에 형성된 전극들을 전기적으로 연결한 와이어들(27)에 의해 이루어진다.

그러나, 도 6과 같은 구조는 온도 변화에 따라 밀봉액(25)의 용량이 변하므로 압력 전달에 있어서 에러가 발생한다. 이것은 압력 측정에 대한 정밀도를 저하시키기는 원인이 된다. 또한, 다이아프램(24)이 찢어지거나 밀봉액(25)이 누수되는 경우에는 이 밀봉액(25)에 의해 측정 타겟 용액(가스)가 오염되는 문제가 발생한다. 그러므로, 이러한 구조의 압력 센서는 공중 위생 장치들에는 적용하기 어렵다.

이러한 문제들을 해결하기 위해서는 밀봉액을 제거해야 하는데, 밀봉액을 제거하게 되면, 센서 칩이 측정 타겟 용액에 직접 접촉됨으로써 센서 칩의 부식을 일으키고, 센서 칩에 직접 물리적 충격이 가해지는 문제들이 발생한다. 이로 인하여 칩의 상부 표면에는 전극들과 와이어들을 형성할 수 없으며, 전극들은 센서 칩의 하부 표면으로부터 추출되어진다.

그러나, 종래의 압력 센서에서, 센서 칩이 고정되면 전극들은 센서 칩의 하부 표면으로부터 추출되어질 수 없다. 좀 더 구체적으로 말하면, 센서 칩이 금속 패키지의 하부 표면으로 확장되고 전극들이 센서 칩의 하부 면으로부터 추출되어지면, 센서 칩과 패키지의 표면 봉합물 사이의 본딩 영역에는 스트레스(stress)가 발생한다. 이로 인하여 센서 칩의 다이아프램은 표면 봉합물로부터 떨어져 있게 되고 센서의 크기는 증가하게 된다.

또한, 압력 센서에서, 금속 패키지로부터 발생되는 열적 스트레스는 가능한 센서 칩에 전달되지 않도록 해야 한다. 도 6에 도시된 측정 방법은 유리 베이스(22) 위에는 센서 칩(23)이 장착되고, 유리 베이스(22)는 금속 패키지(21)에 본딩됨으로써 측정이 가능하지만, 제조 공정 수가 증가하는 단점이 있으며, 본딩되는 표면의 증가는 수율의 저하를 야기시킨다.

도 6의 압력 센서에서, 전극 추출 핀들(26)은 유리 봉합물(27)로 금속 패키지(21)에 고정되는데, 전극 추출 핀들(26) 사이의 간격 d1과 d2는 구멍들이 형성되어야 하기 때문에 줄일 수 없다. 또한, 절연 간격(유리 봉합물(27)의 크기) d3도 줄일 수 없다.

본 발명의 목적은 센서 칩의 하부 면으로부터 전극들이 추출되는 구조를 가지고, 센서 칩이 고정됨과 동시에 전극들이 추출되며, 수율을 향상시킬 수 있는 압력 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명 일 실시예에 따른 압력 센서를 보여주는 단면도 및 평면도

도 2a 내지 도 2c는 도 1a 및 도 1b의 유리 베이스의 제조 공정을 보여주는 공정 단면도

도 3a 내지 도 3f는 도 1a 및 도 1b의 센서 칩의 제조 공정을 보여주는 공정 단면도

도 4는 도 1a 및 도 1b의 압력 센서의 제조 공정을 보여주는 공정 단면도

도 5는 전극 추출 핀들로서 중앙 이음 고리 핀들을 사용한 유리 베이스를 보여주는 단면도

도 6은 종래의 압력 센서를 보여주는 단면도

도 7a 및 도 7b는 도 6에 따른 압력 센서의 전극 부분을 보여주는 단면도

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압력 센서는 원통형 센서 패키지와, 상기 센서 패키지 내에 공간이 없도록 상기 센서 패키지의 안쪽 표면에 본딩되는 유리 베이스와, 상기 유리 베이스 위에 올려지고 상기 유리 베이스와 마주보는 표면 위에 전극들과 상기 유리 베이스의 표면 위에 다이-본드(die-bond)되는 금속 본딩 영역을 갖는 센서 칩과, 그리고 상기 전극들에 마주보도록 배열되고 상기 유리 베이스를 통해 연장되도록 매입되어 있으며, 상기 전극들에 대응되어 전기적으로 본딩되도록 상기 유리 베이스 표면으로부터 노출되는 리드들로 구성된다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 보여주는 도면이고, 도 1b는 도 1a를 보여주는 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 원통형 센서 패키지(1)는 스테인리스강(stainless steel)과 같은 내부식성 금속으로 이루어진다. 두꺼운 원반 같은 유리 베이스(2)는 센서 패키지(1)의 내벽에 잘 맞게 형성된다. 그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이 유리 베이스(2)는 중심 부분에 정방형의 리세스(recess)(2a)를 가지고, 센서 칩(후술함)을 지지하기 위해 리세스(2a)의 바닥 표면 위에 지지체(2b)를 가지고 있다.

센서 칩(3)은 유리 베이스(2)의 지지체(2b) 위에 올려져 있다. 그리고, 전극 추출 핀들(이하 전극 핀들이라 함)(4)은 지지체(2b)를 통해 연장되도록 유리 베이스(2) 내에 매입(埋入)되어 있고, 이들은 리드 선 역할을 수행한다. 금속 판(5)은 센서 칩(3)의 가장 자리에 대응되도록 유리 베이스(2)의 지지체(2b) 내부에 약간 매입되어 있다. 그리고, 대기압 주입관(6)은 지지체(2b)의 중심 영역을 통해 연장되도록 유리 베이스(2) 내에 매입되어 있다. 또한, 전극 핀들(4)은 각각 유리 베이스(2)의 지지체(2b)로부터 노출되는 헤드(4a)들을 가지고 있다. 금속 판(5)은 Fd-Cr 합금, Fd-Ni-Cr 합금, Fd-Ni 합금, Fd-Ni-Co 합금, Ni-그룹 합금 등으로 이루어지고, 정방형 프레임(frame)으로 형성된다.

도 2a - 2c, 도 3a - 3f, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 압력 센서 제조 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 센서 칩(3)이 장착되어 있는 패키지 제조 공정을 설명하기로 한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 리세스(2a)를 갖는 두꺼운 원반형(바닥은 원통형임)의 유리 베이스(2)를 몰딩(molding)한다. 유리 베이스(2)를 몰딩할 때, 전극 핀들(4), 정방형의 금속 판(5), 대기압 주입관(6)은 전체 몰딩에 의해 유리 베이스(2)의 지지체(2b) 내에 매입된다. 이 경우, 전극 핀들(4)의 헤드(4a) 부분은 유리 베이스(2)의 지지체(2b)에서 노출되고, 전극 핀들(4)의 끝 부분은 유리 베이스(2)의 하부 면에서 돌출된다.

여기서, 대기압 주입관(6) 대신에 구멍 없는 절대압 형태의 구조를 사용하면, 상기와 같이 대기압 주입관(6)이 몰딩에 의해 매입되는 공정을 생략할 수 있다. 이러한, 절대압 형태의 구조에서도 본 발명과 같은 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이어, 도 2b에 도시된 바와 같이 유리 베이스(2)를 센서 패키지(1)에 삽입하고 가열하면, 유리 베이스(2)는 용해되어 센서 패키지(1)에 밀봉되도록 본딩된다. 그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이 전극 핀들(4)의 헤드(4a)와 금속 판(5) 위에 솔더 코팅(solder coating)을 하여 솔더 영역(7)들을 형성함으로써, 센서 패키지(1)의 제조 공정을 마친다.

다음은 센서 칩(3)의 제조 공정을 설명하기로 한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 다이아프램이 될 사파이어 제 1 기판(10)의 하부 표면 위에 도전성 박막을 형성하고, 패터닝하여 소정 형상의 이동 전극(11)을 형성한다.

이어, 도 3b에 도시된 바와 같이 습식이나 건식 식각으로 사파이어 제 2 기판(12) 상부 표면의 중심 부분을 식각하여 리세스(13)를 형성한다. 그리고, 리세스(13) 내에 전극 리드용 구멍(14)들을 형성한다. 이 구멍(14)들을 통해 리세스(13)와 외부와의 신호 전달이 이루어진다. 이어, 리세스(13)의 바닥 면 중심 부분에 도전성 박막을 형성하고 패터닝하여 소정 형상의 고정 전극(15)을 형성한다. 기판들(10, 12) 위에 형성되는 도전성 박막들은 화학 기상 증착(CVd), 진공 증착, 스퍼터링 등과 같은 방법으로 형성할 수 있다.

그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이 제 1 기판(10)과 제 2 기판(12)을 서로 단단히 부착되도록 중첩시키고, 진공 퍼니스(furnace) 내에 장착한 다음, 진공 상태에서 열을 가함으로써, 그들을 서로 단단히 본딩시킨다. 이어, 도 3d에 도시된 바와 같이 다이아프램을 형성하기 위해 제 1 기판(10)을 소정 두께 만큼 폴리싱(polishing)한다. 이 다이아프램은 습식 식각, 건식 식각 등을 사용하여 제 1 기판(10)을 에치 백(etch back)함으로써 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이 제 2 기판(12)의 하부 표면 가장 자리에 금속 막으로 이루어진 본딩 영역(16)을 형성하는데, 정방형 프레임 형태를 갖도록 진공 증착으로 형성한다. 이어, 도 3f에 도시된 바와 같이 본딩 영역(16) 위에 솔더 코팅을 하여 솔더 영역(17)을 형성한다. 또한, 솔더 코팅을 할 때, 구멍들(14) 내에 솔더들을 채움으로써, 본딩 영역(16) 안쪽에 이동 전극(11)과 연결되는 전극들(18)과 고정 전극(15)과 연결되는 전극들(19)을 형성한다.

여기서, 본딩 영역(16)은 정방형 프레임 형태로 형성할 필요는 없지만, 다수 개의 본딩 영역(16)들을 형성하는 경우에는 서로 소정 간격을 갖도록 형성할 수 있다. 그리고, 센서 칩(3) 위에 전극들(18, 19)을 형성하는 솔더링(soldering)은 솔더 퍼니스 내에서 예정된 곳을 납땜함으로써 수행된다. 이로써, 센서 칩(3)의 제조 공정은 완료된다.

마지막으로, 도 4에 도시된 바와 같이 센서 칩(3)과 유리 베이스(2)는 정렬되는데, 실질적으로 센서 칩(3)의 본딩 영역(16)과 센서 칩(3)의 전극들(18, 19)은 유리 베이스(2)의 금속 판(5)과 유리 베이스(2)의 금속 핀들(4) 헤드(4a)에 각각 마주보도록 위치된다. 이어, 정렬된 센서 칩(3)을 유리 베이스(2) 위에 두고, 열을 가하면 솔더가 용해되어 센서 칩(3)과 유리 베이스(2)는 솔더링된다. 이로써, 압력 센서의 제조 공정은 완료된다.

상기 실시예에 따르면, 센서 패키지(1) 내의 공간이 없도록 유리 베이스(2)를 센서 패키지(1)의 내벽에 본딩시키므로 센서 패키지(1)의 열적 스트레스를 전체 유리 베이스(2)로 막을 수 있다. 또한, 유리 베이스(2) 제작시, 전극 핀들(4)이 유리 베이스(2) 내에 매입되므로 유리 베이스(2)에 센서 칩(3)을 고정시키기만 하여도 센서 칩(3)의 전극들(18, 19)을 전극 핀들(4)의 헤드들(4a)에 연결할 수 있다.

금속화 공정 등으로 유리 베이스(2) 위에 금속층을 형성하면, 제조 공정 수가 증가한다. 따라서, 본 발명에서는 유리 베이스 제작시, 전체 몰딩 공정을 수행하여 전극 핀들(4)과 금속 판(5)을 유리 베이스(2) 내에 매입되므로 공정 수를 증가시키지 않는다.

도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 압력 센서는 전극 추출 핀들 사이의 간격 d1, d2와 절연 간격을 줄일 수 없었다. 그러나, 본 발명은 유리 베이스(2) 내에 전극 핀들(4)이 매입되어 있기 때문에 근본적으로 종래와 같은 문제들은 존재하지 않을 뿐만 아니라, 압력 센서의 크기를 줄일 수 있다.

상기 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 전극 핀들(4)로서, 중앙 이음 고리 핀들(center-collared pins)을 사용할 수 있다. 이 핀들은 길이 방향으로 높은 내압을 가지므로 패키지의 내압을 증가시킬 수 있다.

그러나, 도 6에 도시된 종래의 압력 센서에 중앙 이음 고리 핀들을 사용하면, 절연 간격을 크게 할 수 없다. 절연 간격을 크게 하기 위해서는 전체 압력 센서를 크게 하여 본딩 간격을 넓혀야 하는데, 그러한 압력 센서는 현실적으로 생산할 수 없다.

한편, 전극 핀들(4)의 헤드들(4a)과 전극들(18, 19)은 상기 실시예의 솔더링에 의해 서로 전기적으로 본딩되는데, 이 전기적 본딩은 납땜이나 도전 유리 본딩으로도 가능하다. 또한, 본딩 영역(16)의 다이 본딩(die bonding)과 유리 베이스(2)의 표면은 솔더링으로 수행하는데, 여기서 다이 본딩은 납땜이나 유리 인캡슐레이션(encapsulation)으로도 가능하다. 센서 칩(3)을 고정시키고 동시에 전극들을 추출시키기 위해서는 상기에 설명한 것처럼 전기적 본딩과 다이 본딩을 동일한 본딩 방법에 따라 수행해야 한다. 하지만, 금속 판(5)이 본딩 영역(16)에 대응되어 유리 베이스(2) 표면 내에 매입될 때는 상기에 설명한 본딩 방법들 중에서 솔더링과 납땜으로만 수행할 수 있다.

또한, 유리 베이스(2)의 물질은 사파이어 유리를 포함한다.

상기에 설명한 바와 같이, 본 발명은 전극 추출 핀들과 전극들은 솔더링으로 본딩되고, 본딩 영역과 유리 베이스의 표면은 솔더링으로 본딩된다. 그러므로, 센서 칩은 고정되고 동시에 전극들은 추출될 수 있다. 이와 같이, 센서 칩이 유리 베이스에 직접 본딩됨으로써, 제조 공정은 단순화되어 수율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 전극 추출 핀들은 유리 베이스 내에 매입되어있는 본 발명의 압력 센서는 유리 봉합물에 의해 금속 센서 패키지에 고정된 전극 추출 핀들을 갖는 종래의 압력 센서보다 크기를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 전극 추출 핀들로서 중앙 이음 고리 핀들을 사용할 수 있으므로 이 핀들은 길이 방향으로 높은 내압을 가지므로 패키지의 내압을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 유리 베이스 몰딩시에 전극 추출 핀들과 금속 판이 동시에 매입될 수 있으므로 유리 베이스 위에 금속화를 위한 솔더링 공정이 필요 없고, 제조 공정 수가 증가하지 않는다. 또한, 금속화하는 것보다 기대 이상으로 고정되는 힘이 강하다.

상기 내용에 포함되어 있음.

Claims

원통형 센서 패키지(1);

상기 센서 패키지 내에 공간이 없도록 상기 센서 패키지의 안쪽 표면에 본딩되는 유리 베이스(2);

상기 유리 베이스 위에 올려지고, 상기 유리 베이스와 마주보는 표면 위에 전극들(18, 19)과 상기 유리 베이스의 표면 위에 다이-본드(die-bond)되는 금속 본딩 영역(16)을 갖는 센서 칩(3); 그리고,

상기 전극들에 마주보도록 배열되고 상기 유리 베이스를 통해 연장되도록 매입(埋入)되어 있으며, 상기 전극들에 대응되어 전기적으로 본딩되도록 상기 유리 베이스 표면으로부터 노출되는 리드들(4)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 본딩 영역과 마주보는 상기 유리 베이스의 표면 위에 고정되는 금속 판(5)을 더 포함하여 구성되고, 상기 본딩 영역은 상기 금속 판에 다이-본드되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 본딩 영역은 상기 센서 칩의 가장 자리를 따라 형성되는 금속막과, 상기 금속막과 대응되는 직사각형 프레임 형태의 금속 판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 유리 베이스는 중심 영역에 리세스(2a)를 갖는 두꺼운 평판 형태의 유리 원반으로 형성되고, 상기 센서 칩은 상기 리세스의 표면 바닥 위에 있는 지지체(2b) 위에 올려져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
유리 베이스(2)와, 상기 유리 베이스를 통해 연장되도록 매입된 리드들(4)을 전체적으로 몰딩하는 단계;

센서 패키지의 안쪽 표면에 상기 리드들과 유리 베이스를 본딩하는 단계;

상기 센서 패키지 내의 상기 유리 베이스 위에 전극들(18, 19)과 금속 본딩 영역(16)을 갖는 센서 칩(3)을 올리는 단계;

상기 유리 베이스의 표면으로부터 노출된 리드들과 상기 전극들을 서로 전기적으로 본딩하는 단계; 그리고,

상기 본딩 영역과 상기 유리 기판의 표면을 서로 다이-본딩하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 몰딩하는 단계는 상기 몰딩과 동시에 상기 본딩 영역에 마주보도록 상기 유리 베이스의 표면 내에 금속 판(5)을 매입하고, 상기 다이-본딩하는 단계는 상기 본딩 영역과 상기 금속 판을 서로 다이-본딩하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 전기적으로 본딩하는 단계는 솔더링, 납땜, 도전 유리 본딩으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 다이-본딩하는 단계는 솔더링, 납땜, 유리 인캡슐레이션으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 제조방법.