KR20090090113A - Ｍｒ센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지 - Google Patents

Ｍｒ센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지 Download PDF

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Abstract

패키지 공정을 단순화시키고 초소형화한 반도체 패키지를 제시한다. 제시된 반도체 패키지는 X,Y,Z축 방향의 자기장을 감지하는 센서를 구동시키는 센서 구동 칩이 내장되고, X축 방향의 자기장을 감지하는 제 1 MR센서 및 Y축 방향의 자기장을 감지하는 제 2 MR센서가 내장된 기판; 및 기판의 상면에 설치되어 Z축 방향의 자기장을 감지하는 홀 센서를 포함한다. 센서 구동 칩(CPU 내장)과 X축 방향의 자기장 감지용 MR센서 및 Y축 방향의 자기장 감지용 MR센서를 기판(웨이퍼)에 내장시키고 Z축 방향의 자기장 감지용 홀 센서를 기판의 상면에 설치시킴으로써 패키징 공정이 매우 간단하게 이루어진다.

Description

ＭＲ센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지{Semiconductor package with MR sensor and hall sensor}
본 발명은 반도체 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼에 반도체 소자(예컨대, 센서)를 패키징한 반도체 패키지에 관한 것이다.
3축의 가속도 센서는 X, Y, Z축의 센서를 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 1개의 칩(모듈)으로 구성시킨다.
자기센서는 일반적으로 홀(hall)센서, MR(Magneto-Resistance)센서, MI(Magneto-Impedance)센서를 이용한다. 홀센서, MR센서, MI센서는 센싱 방향이 1방향으로 되어 있기 때문에 1축으로 제조되는 것이 일반적이다. 3축의 자기센서를 구현하기 위해서는 각각 독립된 3개의 센서를 사용한다.
일반적으로, 홀 센서의 센싱 방향은 칩면에 대해 수직방향(Z축)이므로, 해당 칩을 수평으로 패키지하게 되면 Z축을 감지하게 된다. 따라서, 홀 센서를 이용하여 X, Y축을 감지하기 위해서는 2개의 칩을 수직으로 세워서 서로 직각을 이루게 배치하여 패키징한다. 이와 같은 수직방향의 패키지는 패키지 공정을 증가시켜 공정비용의 상승을 초래할 뿐만 아니라 불량발생의 주요한 요인이 되어 양산의 큰 걸림돌 이 된다.
도 1은 일반적인 6축 모션센서의 패키지 구조의 일예를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 사시도이다. 도 2에서는 와이어를 도시하지 않았다. X축 홀센서(12)와 Y축 홀센서(14)가 PCB기판(10)상에 서로 직각을 이루도록 배치된다. Z축 홀센서(16)가 PCB기판(10)상에 배치된다. X축 홀센서(12)는 X축 방향의 자기장을 감지하기 위해 수직으로 세워진다. Y축 홀센서(14)는 Y축 방향의 자기장을 감지하기 위해 수직으로 세워진다. Z축 홀센서(16)는 Z축 방향의 자기장을 감지하기 위해 수평으로 배치된다. 각각의 홀 센서(12, 14, 16)을 구동시키기 위한 구동 IC(18)가 PCB기판(10)상에 배치된다. 구동 IC(18)의 상면에는 3축의 가속도 센서(20)가 배치된다. X축 홀센서(12) 및 Y축 홀센서(14)는 와이어를 통해 구동 IC(18)의 패드(18a)와 각각 전기적으로 연결되고, 구동 IC(18)는 와이어를 통해 PCB기판(10)의 패드(10a)와 전기적으로 연결된다. 도면에는 도시하지 않았지만, Z축 홀센서(16)도 와이어를 통해 구동 IC(18)와 전기적으로 연결된다.
이와 같은 구성에 의하면, X, Y축을 감지하기 위해 2개의 홀센서(12, 14)를 수직으로 세워서 서로 직각을 이루게 배치해야 하며 이 과정에서 정상적인 직각을 이루지 못하여 정확한 자기장 측정이 되지 않게 된다. PCB기판(10)상에 다수의 부품을 탑재하고 PCB기판(10)을 베이스 기판으로 반드시 사용해야 하므로, 전체적인 사이즈가 커지게 된다. 홀센서(12, 14, 16)와 구동 IC(18)간에 와이어 본딩을 해야 되므로 배선이 복잡하게 되는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 6축 모션센서에서만 발생하는 것이 아니라 3개의 홀센서 칩을 이용한 3축 지자기 센서에서도 동일하게 발생한다.
한편, MR센서 또는 MI센서는 Z축의 경우 홀 센서와는 센싱 방향이 달라서 세워서 패키지를 해야 한다. 결국, MR센서 또는 MI센서는 Z축을 수직으로 세우는 공정에서 앞서 설명한 홀 센서와 같은 문제점을 갖는다.
또한, 최근에는 MR센서 또는 MI센서를 수직으로 세워서 패키지하는 것을 보완하기 위해 자기장 방향을 유도하는 방법을 사용하는 기술이 발표되고 있지만, 이 역시 자기장을 직접 감지하는 것이 아니므로 큰 측정 오차를 발생시키고 극소형 센서 제조에는 부적합하다.
따라서, 모션센서 제조에 있어서 자기센서의 정확한 작동 및 패키지 개선과 초소형 제조가 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 패키지 공정을 단순화시키고 초소형화한 반도체 패키지를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서를 갖춘 반도체 패키지는, X,Y,Z축 방향의 자기장을 감지하는 센서를 구동시키는 센서 구동 칩이 내장되고, X축 방향의 자기장을 감지하는 제 1 MR센서 및 Y축 방향의 자기장을 감지하는 제 2 MR센서가 내장된 기판; 및 기판의 상면에 설치되어 Z축 방향의 자기장을 감지하는 홀 센서를 포함한다.
기판은 반도체 웨이퍼상에 센서 구동 칩과 제 1 MR센서 및 제 2 MR센서를 구현시킨 것이다.
기판의 상면에는 가속도 센서가 추가로 설치된다.
기판은 반도체 웨이퍼의 상면의 금속 배선과 하면의 솔더 볼을 전기적으로 연결하는 웨이퍼 비아 홀을 포함한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지는 센서 구동 칩(CPU 내장)과 X축 방향의 자기장 감지용 MR센서 및 Y축 방향의 자기장 감지용 MR센서를 기판에 내장시키고 Z축 방향의 자기장 감지용 홀 센서를 기판의 상면에 설치시킴으로써 패키징 공정이 매우 간단하게 이루어진다. 즉, X,Y축의 MR센서와 Z축의 홀 센서를 이용하므로 센서를 수직으로 세울 필요없이 그냥 수평으로 패키징하면 된다.
2) 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지는 기판을 반도체 웨이퍼(wafer)를 이용하여 제조함으로써 PCB기판이 필요없게 되어 종래와 비교하여 반도체 패키지의 사이즈가 최소화된다.
3) 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지는 센서 구동 칩(CPU 내장)과 X축 방향의 자기장 감지용 MR센서 및 Y축 방향의 자기장 감지용 MR센서를 반도체 웨이퍼에 하나의 모듈로 제조한 기판(즉, 반도체 웨이퍼 레벨의 기판)을 사용함으로써, 센서의 축간 오차를 제거하고 반도체 패키지의 구성을 위한 부품수를 줄일 수 있으며 생산 수율을 향상시킨다.
4) 생산 수율의 향상으로 인해 제조 비용의 절감을 기대할 수 있게 된다.
5) 가속도 센서를 웨이퍼 레벨의 기판의 상면에 추가설치시킴으로써 최소형의 6축 모션센서를 제조할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 센서를 갖춘 반도체 패키지에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 구조를 나타낸 평면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 반도체 패키지는 EMC몰딩하기 전의 상태를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지는 센서 구동 칩(도시 생략)과 X축 방향의 자기장을 감지하는 제 1 MR센서(도시 생략) 및 Y축 방향의 자기장을 감지하는 제 2 MR센서(도시 생략)가 반도체 공정에 의해 반도체 웨이퍼 레벨의 기판(30)에 집적화된다. 본 발명에서는 제 1 및 제 2 MR센서를 제 1 및 제 2 MR센서 칩으로 이해하는 것이 보다 바람직할 것이다.
센서 구동 칩은 제 1 및 제 2 MR센서와 함께 후술할 홀 센서(Z축 방향의 자기장 감지)의 구동을 제어한다. 본 발명에서는 홀 센서를 홀 센서 칩으로 이해하는 것이 보다 바람직할 것이다. 센서 구동 칩은 X,Y,Z축 방향의 자기장을 감지하는 센서(제 1 MR센서, 제 2 MR센서, 홀 센서)에 전기적으로 연결된다. 센서 구동 칩은 CPU를 내장하고 있다. 센서 구동 칩내의 CPU는 X,Y,Z축 방향의 자기장을 감지하는 센서(제 1 MR센서, 제 2 MR센서, 홀 센서)에서 감지된 3방향(X,Y,Z)의 자기장 성분으로부터 자기장의 강도를 계산해 내는 연산 프로그램을 갖출 수도 있다.
기판(30)은 반도체 웨이퍼상에 센서 구동 칩과 제 1 MR센서 및 제 2 MR센서를 구현시킨 것으로 이해함이 바람직하다.
Z축 방향의 자기장을 감지하는 홀 센서(32)가 기판(30)의 상면에 스택(stack)된다. 3축의 가속도 센서(34)가 기판(30)의 상면에 스택된다. 가속도 센서(34)는 기판(30)의 상면에 형성된 패드(30b)에 와이어(도시 생략)를 통해 전기적으로 연결된다. 기판(30)에는 도전성의 웨이퍼 비아 홀(30a)(via hole)이 형성된다. 즉, 웨이퍼 비아 홀(30a)의 내부에는 도전성의 물질이 충전된다. 웨이퍼 비아 홀(30a)은 반도체 웨이퍼의 상면의 금속 배선(도시 생략)과 기판(30)의 하면에 형성된 솔더 볼(solder ball)(36)을 전기적으로 연결한다. 또한, 웨이퍼 비아 홀(30a)은 기판(30)에 다층의 금속 배선을 형성할 수 있게 한다. 레이저 드릴과 같은 장치를 이용하거나 기존의 식각 기술을 이용하여 웨이퍼 비아 홀(30a)을 형성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지는 센서 구동 칩과 X축 방향의 자기장 감지용 MR센서 및 Y축 방향의 자기장 감지용 MR센서를 기판에 내장시키고 Z축 방향의 자기장 감지용 홀 센서를 기판(30)의 상면에 설치시킴으로써 패키징 공정이 매우 간단하게 이루어진다. 특히, 반도체 웨이퍼상에 센서 구동 칩과 제 1 MR센서 및 제 2 MR센서를 구현시킨 것을 기판(30)으로 함으로써 PCB기판이 필요없게 되어 종래와 비교하여 반도체 패키지의 사이즈를 최소화시킬 수 있게 된다.
그리고, 센서 구동 칩(CPU 내장)과 X축 방향의 자기장 감지용 MR센서 및 Y축 방향의 자기장 감지용 MR센서를 반도체 웨이퍼에 하나의 모듈로 제조한 기판(즉, 반도체 웨이퍼 레벨의 기판)을 사용함으로써, 반도체 패키지의 구성을 위한 부품수를 줄일 수 있게 되고 생산 수율을 향상시킨다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 제조 공정도이다.
먼저, 반도체 공정을 이용하여 센서 구동 칩(CPU 내장; 도시 생략)과 X축 방향의 자기장을 감지하는 제 1 MR센서(도시 생략) 및 Y축 방향의 자기장을 감지하는 제 2 MR센서(도시 생략)를 반도체 웨이퍼(도시 생략)에 구현시킨 베이스 기판(40)을 준비한다(도 5 참조). 도 5에서는 베이스 기판(40)을 사각형으로 도시하였으나 원형으로 이루어질 수도 있다. 본 발명의 실시예의 경우, MR센서는 칩의 평면과 평행한 방향으로 자기장을 감지하므로 두 개의 MR센서 칩을 X, Y축으로 구성시킨다. 홀 센서는 칩의 평면과 수직한 방향으로 자기장을 감지하므로 Z축에 대해서는 한 개의 홀 센서를 구성시킨다. 이와 같이 하게 되면 센서를 수직으로 세울 필요가 없게 된다. 베이스 기판(40)은 복수개의 단품 영역(42)으로 구획된다. 즉, 각각의 단품 영역(42)에는 센서 구동 칩과 제 1 MR센서 및 제 2 MR센서가 집적되어 있다. 베이스 기판(40)은 추후에 단품 영역(42) 단위로 절단된다. 각각의 단품 영역(42)마다 복수의 도전성의 웨이퍼 비아 홀이 형성된다. 이때, 웨이퍼 비아 홀은 반도체 웨이퍼의 상면의 금속 배선(도시 생략)과 추후에 베이스 기판(40)의 하면(즉, 반도체 웨이퍼의 하면)에 형성시킬 솔더 볼(36)을 전기적으로 연결시키게 된다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 홀 센서(32) 및 3축의 가속도 센서(34)를 각각의 단품 영역(42)마다 다이(die) 부착시키고, 센서 구동 칩과의 연결을 위해 와이어(도시 생략) 본딩시킨다.
이후, 단품 영역(42)마다 홀 센서(32)와 가속도 센서(34)가 부착된 베이스 기판(40)을 몰딩용 금형(도시 생략)에 삽입한 후에 EMC몰딩을 행한다(도 7 참조). 이때, 베이스 기판(40)의 상면을 모두 덮도록 EMC몰딩한다. 도 7에서, 참조부호 50은 EMC몰딩에 의해 형성된 EMC몰딩부이다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이 베이스 기판(40)의 저면에 복수개의 솔더 볼(36)을 부착시킨다. 솔더 볼(36)은 정해진 디자인 룰에 의해 제위치에 부착된다.
마지막으로, EMC몰딩된 베이스 기판(40)을 소잉(sawing)하여 다수개의 단품(도 9 참조)으로 만든다. 따라서, 도 9처럼 제조된 단품의 반도체 패키지는 최하층을 이루는 기판(30), 기판(30)의 상면을 덮고 있는 EMC몰딩부(52), 및 기판(30)의 저면에 형성된 솔더 볼(36)을 포함하게 된다. 여기서, 기판(30)은 반도체 웨이퍼를 이용한 베이스 기판(40)을 단품 영역 단위로 소잉함에 따라 형성된 것이다. 따라서, 기판(30)에는 센서 구동 칩(도시 생략)과 제 1 MR센서(도시 생략) 및 제 2 MR센서(도시 생략)가 내장되어 있다. 도 9는 단품의 반도체 패키지를 쉽게 파악할 수 있도록 확대하여 도시한 것이다.
한편, 솔더 볼(36)은 소잉한 후에 부착시켜도 무방하지만, 제조 공정의 편리성을 위해 소잉전에 부착시키는 것이 보다 바람직하다.
본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1 및 도 2는 일반적인 6축 모션센서의 패키지 구조의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지의 제조 공정도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
30 : 기판 32 : 홀 센서
34 : 가속도 센서 36 : 솔더 볼

Claims (4)

  1. X,Y,Z축 방향의 자기장을 감지하는 센서를 구동시키는 센서 구동 칩이 내장되고, 상기 X축 방향의 자기장을 감지하는 제 1 MR센서 및 상기 Y축 방향의 자기장을 감지하는 제 2 MR센서가 내장된 기판; 및
    상기 기판의 상면에 설치되어 상기 Z축 방향의 자기장을 감지하는 홀 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 MR센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 반도체 웨이퍼상에 상기 센서 구동 칩과 상기 제 1 MR센서 및 상기 제 2 MR센서를 구현시킨 것을 특징으로 하는 MR센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판의 상면에는 가속도 센서가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 MR센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판은 반도체 웨이퍼의 상면의 금속 배선과 하면의 솔더 볼을 전기적으로 연결하는 웨이퍼 비아 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 MR센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지.
KR1020080015393A 2008-02-20 2008-02-20 Ｍｒ센서와 홀 센서를 갖춘 반도체 패키지 KR20090090113A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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