KR20120125176A - 3축 센서 칩 패키지 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

3축 센서 칩 패키지 시스템 및 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 방향성 센서 패키지는, 베이스; 베이스에 실장되고, 제1 능동 센서 회로 및 상기 제1 능동 센서 회로에 전기적으로 연결된 복수의 제1 금속 패드를 포함하는 제1 센서 다이; 및 베이스에 실장되고, 제1 표면 상에 위치되는 제2 능동 센서 회로 및 제2 능동 센서 회로에 전기적으로 연결되고 제2 표면 상에 위치되는 복수의 제2 금속 패드를 포함하는 제2 센서 다이를 포함한다. 제2 센서 다이는, 제2 능동 센서 회로가 제1 능동 센서 회로에 대하여 직교하도록 배향되고, 베이스에 수직이다. 제2 표면은, 제1 표면에 인접하고, 제1 표면의 평면에 대하여 각을 이룬다.

Description

3축 센서 칩 패키지 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR THREE-AXIS SENSOR CHIP PACKAGES}

본 발명은 3축 센서 칩 패키지 시스템 및 방법에 관한 것이다.

휴대폰 및 나침반과 장치와 같은 다른 휴대용 전자 장치에서의 애플리케이션 때문에, 자기장의 모든 성분을 3차원에서 검출하는 자기 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. 물리적인 크기 제한 때문에, 그리고 제조의 용이성을 위하여, 종래 기술에서의 바람직한 해결 방안은 3개의 센서 요소를 단일 집적 회로 패키지에 집적하는 것이다. 시장 공간(market s`e)에서의 실행가능한 해결 방안이 되기 위한 센서의 임의의 이러한 집적은, 비용에 있어서 경쟁력이 있을 것을 요구한다.

자기 센서 기술(예를 들어, 이방성 자기 저항(Anisotropic Magnetoresistance(AMR) 센서)을 이용하는 데 있어서, 가장 바람직한 상용의 선택 사항에 도달하는 것을 방해하는 여러 가지 중요한 관점이 있다. 결과에 따른 센서의 비용 및 물리적 높이는 이러한 관점 중 2가지이다. 단일 다이의 모놀리식(monolithic) 3축 자기 센서 장치는 종래에 존재하지 않았다. 이러한 단점은 2개의 다이의 해결 방안을 이용함으로써 해결되었다. 예를 들어, 2개의 직교하는 방향으로 민감한 단일 다이가 평면 내(in-plane) 2축 감지를 달성하는데 이용된다. 그 다음, 제2 센서 다이는 그 감지 축이 전자(前者)의 다이의 감지 축에 직교하도록 회전된다. 후자의 다이는 리플로우 솔더링을 통해 기판 상으로 탑재된다. 그러나, 지금까지의 이러한 해결 방안은, 작은 다이 크기, 수직으로 배향된 센서에 대하여 상호 연결부를 형성하는데 있어서의 비용이 드는 다중 단계의 처리 때문에, 비용이 많이 들고, 제조하기 어려웠다.

전술한 이유 및 본 명세서를 읽고 이해함으로써 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하게 될 후술되는 다른 이유로, 3축 센서 패키지에 대한 개선된 시스템 및 방법에 대한 요구가 본 발명이 속하는 기술 분야에 있다.

본 발명의 실시예는 3축 센서 패키지 방법 및 시스템을 제공하며, 하기의 명세서를 읽고 연구함으로써 이해될 것이다.

일 실시예에서, 방향성 센서 패키지는, 베이스; 베이스에 실장되고, 제1 능동 센서 회로 및 상기 제1 능동 센서 회로에 전기적으로 연결된 복수의 제1 금속 패드를 갖는 제1 센서 다이; 및 베이스에 실장되고, 제1 표면 상에 위치되는 제2 능동 센서 회로 및 제2 능동 센서 회로에 전기적으로 연결되고 제2 표면 상에 위치되는 복수의 제2 금속 패드를 갖는 제2 센서 다이를 포함한다. 제2 센서 다이는, 제2 능동 센서 회로가 제1 능동 센서 회로에 대하여 직교하도록 배향되고, 베이스에 수직이다. 제2 표면은, 제1 표면에 인접하고, 제1 표면의 평면에 대하여 각을 이룬다.

본 발명의 실시예는 바람직한 실시예에 대한 설명과 다음의 도면을 참조하여 고려될 때 더욱 용이하게 이해될 것이며, 그에 대한 이점 및 용도가 더욱 자명하게 될 것이다:
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예의 3축 센서를 도시하는 도면이다;
도 2는 본 발명의 일 실시예의 수직 다이를 제조하는 기술을 도시하는 도면이다; 그리고,
도 3은 본 발명의 일 실시예의 방번을 나타내는 플로우 차트이다.
일반적인 실시에 따라, 설명된 다양한 특징은 척도에 맞게 작도되지 않고, 본 발명에 관한 특징을 강조하도록 작도된다. 참조 부호는 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용의 전체를 통해 유사한 구성요소를 나타낸다.

하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서, 그 일부를 이루며 본 발명이 실시될 수 있는 특정의 예시적인 실시예에 의해 도시된 첨부된 도면이 참조된다. 이러한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세히 설명되며, 다른 실시예가 이용될 수 있고, 논리적, 기계적 및 전기적 변경이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 한정적 의미로 취급되어서는 안된다.

본 발명의 실시예는 센서 패키지 내에서 비회전 다이(non-rotated die) 및 90도 회전 센서 다이를 모두 이용하는 3축 센서를 제공한다. 비회전 다이는, 그 능동 센서 회로(즉, 감지 요소가 제조되는 다이의 영역)가 상부면에 위치되고 센서의 전기 연결 패드와 동일 평면에 있도록, 종래에 실시되는 것과 같이 제조된다. 회전 다이(rotated die)는 2개의 상이한 표면을 가지도록 제조된다. 제1 표면은 다이의 능동 센서 회로를 포함하도록 제조된다. 제2 표면은 제1 표면 내로 에칭됨으로써 제조되어, 제1 표면에 인접한 각진(angled) 표면을 형성한다. 각진 제2 표면은 제1 표면 상에 형성된 능동 센서 회로와 전기적 상호 연결을 제공하는 금속 패드를 포함하도록 제조된다.

비회전 및 회전 다이 사이의 상호 연결은 회전 다이의 각진 표면 상의 금속 연결 패드와 비회전 다이의 능동 센서 회로 표면 상에 위치된 금속 연결 패드 사이에 와이어 본드(wirebond)를 구축하는 표준 와이어 본딩 기술을 이용하여 획득된다. 이와 같이, 회전 다이 상에서 수직 연결 패드에 직접 전기 연결을 형성하기 위한 필요성이 방지된다. 또한, 2개의 다이에 대한 상호 연결부를 와이어 본딩하는 능력은 다이와 패키지 베이스 사이에서 솔더링된 하부 콘택 연결부를 제공하는 필요성을 제거하여, 상대적으로 더 간단한 제조 공정을 가져다 준다. 따라서, 이는 솔더링된 하부 콘택에 대한 리플로우 공정으로부터 발생할 수 있는 센서의 정렬 오차를 방지한다. 일반적인 애플리케이션이 2축 평면 내(in-plane) 센서를 갖는 수평 센서 다이를 평면 외(out-of-plane) 측정을 위한 단일 축 센서를 갖는 수직 다이와 함께 포함하는 것이 고려되지만, 본 발명의 실시예는 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 3축 센서가 2축 센서를 갖는 수직 다이와(한 축은 평면 내에 있고 다른 한 축은 평면 외에 있을 것이다), 2축 센서에 직교하도록 배양된 단일 축 센서를 갖는 수평 다이로부터 형성될 수도 있다는 것이 고려된다. 또한, 다른 실시예에서, 센서는 자기 센서(즉, 자기장에 민감한 센서), 관성 센서(예를 들어, 가속도계 및/또는 자이로스코프) 또는 그 조합을 포함할 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예의 3축 센서(100)를 도시하는 도면이다. 3축 센서(100)는 능동 센서 회로(112)와, 능동 센서 회로(112)와의 전기적 상호 연결을 제공하는 복수의 금속 패드(114)를 갖는 제1 센서 다이(110)를 포함한다. 능동 센서 회로(112)와 금속 패드(114)는 모두 센서(100)의 베이스(105)에 대하여 동일 평면으로 배향된 센서 다이(110)의 단일 표면(116) 상에 형성된다. 다른 실시예에서, 베이스(105)는 센서에 대하여 사용되는 패키지 종류에 따라, 기판, 프레임 또는 다른 집적 회로 중 하나일 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "패키지(package)"는 하나의 집적 회로 또는 여러 집적 회로를 수용하는 보호 용기로서 기능하는 칩 캐리어(또한, 칩 용기 또는 칩 패키지라고도 함)를 구체적으로 지칭하는 집적 회로 기술 분야의 용어이다. 즉, 패키지는 집적 회로 칩이 인쇄 회로 보드와 같은 외부 회로에 대한 집적 회로의 기계적 및 전기적 결합을 제공하게 되는 하우징이다. 전기적 연결은 소켓 또는 표면 실장을 통해 수행될 수 있다. 이와 같이, 패키지는 일반적으로 파손되기 쉬운 칩을 인쇄 회로 보드에 전기적 및 기계적으로 연결하기에 충분하게 견고한 금속 리드(leads) 또는 패드를 제공할 것이다.

3축 센서(100)는 능동 센서 회로(122)와, 능동 센서 회로(122)와의 전기적 상호 연결을 제공하는 복수의 금속 패드(124)를 갖는 제2 센서 다이(120)를 더 포함한다. 센서 다이(120) 상에서, 능동 센서 회로는 센서 다이(110)의 표면(116)에 직교하도록 배향된 제1 표면(126) 상에 형성된다. 금속 패드(124)는 제1 표면(126)으로부터 에칭된 각진(angled) 제2 표면(128) 상에 형성된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 다이(120)는, 능동 센서 회로가 베이스(105)에 수직이 되어 금속 패드(124)가 베이스(105)로부터 적어도 부분적으로 방향이 빗나가도록, 베이스(105) 상에 형성된다. 이러한 배향은 와이어 본드(140)를 금속 패드(114)에 연결하는데 사용되는 동일한 공정을 이용하여 와이어 본드(140)가 금속 패드(124)에 연결될 수 있게 한다. 일 실시예에서, 각진 표면(128)은 표면(126)의 평면으로부터 적어도 45도 각을 이룬다.

일 실시예에서, 다이(110, 120)는 표준 다이 부착 공정을 이용하여 베이스(105)에 실장된다. 본 명세서를 읽는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 다이 부착은 다이가 패키지 또는 지지 구조에 실장되어 고정되는 반도체 장치 제조 동안의 단계이다. 일부 실시예에서, 다이(110, 120)는 공융(eutectic) 본딩된다. 다른 실시예에서, 글루(glue), 테이프 또는 에폭시 접착제가 사용된다. 일 실시예에서, 다이 부착 접착제가 다이(110)와 다이(120) 사이에 접착되어 2개의 다이를 함께 고정한다. 다이의 감지 축을 직교 배향되게 유지하는 기계적 지지를 제공하는데 더하여, 2개의 다이 사이에 다이 부착 재료를 삽입하는 것은 패키지 내의 캐비티를 제거하는 역할을 한다. 또한, 다이(110, 120)에 대한 전기적 연결이 해당 다이의 상부에 위치되는 금속 패드(114, 124)에 의해 제공되기 때문에, 전기 연결을 제공하기 위하여 다이(110)와 베이스(105) 사이에 솔더를 인가하는 필요성이 제거된다.

본 명세서를 읽는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 한 가지 중요한 이점은 각진 표면(128)은 비회전 다이(110)에 대하여 사용된 것과 동일한 공정을 이용하여 수직 회전 다이(120) 상에서의 와이어 본드의 설치를 허용한다는 것이다. 즉, 양 다이에 대한 와이어 본드는 위로부터 직접 설치될 수 있다. 수평 표면 상에서, 다이(110) 상에 형성된 콘택은 다이의 상부 표면(116) 상에 있다. 따라서, 통상의 와이어 본딩 기술이 사용될 수 있다. 회전 다이(120)에서, 다이 상에 형성된 회로(122)는 베이스(105)에 대하여 수직인 측면에 대하여 회전된다. 통상의 와이어 본딩 기술은 이러한 수직 표면에 대한 와이어 본딩을 허용하지 않는다. 따라서, 각진 표면(128)을 갖는 것은 위로부터 금속 콘택(124)으로의 충분한 액세스를 제공하여, 위로부터의 와이어 본딩을 수행한다.

도 1c 및 1d에 도시된 바와 같이, 다이(110, 120) 사이에 와이어 본드 연결(140)을 가지는 것에 더하여, 하나 이상의 구현례에서, 와이어 본드 연결부(142)가 각진 표면(128) 상에 위치된 금속 패드(124)와 베이스(105) 상에 형성된 금속 패드(138) 사이에 형성된다. 본 명세서를 읽는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 각진 표면(128) 상에 금속 패드(124)를 갖는 것이 다이(110, 120)를 상호 연결하기 위하여 통상의 와이어 본딩 기술을 이용하는 것을 용이하게 하는 것과 같이, 위로부터의 금속 패드(124)의 액세스 용이성 때문에, 이는 다이(120)를 다른 회로에 상호 연결하기 위하여 통상의 와이어 본딩 기술을 이용하는 것을 용이하게 한다.

도 2는 다이(120)와 같은 수직 다이를 제조하기 위한 본 발명의 일 실시예에 대한 기술을 도시한다. 3축 센서를 형성하는 것에 연계하여, 수평 다이는 종래의 제조 기술을 이용하여 처리되고 이 이유로 더 이상 논의되지 않는다.

수직 센서 다이는 실리콘 웨이퍼(210)로부터 제조되어, 회로 요소가 증착되는 2개의 상이한 표면(212, 216)을 가진다. 수직 센서 다이는 선택적 에칭 공정을 적용함으로써(예를 들어, 수산화 칼륨(KOH)을 이용함으로써) 그루브(groove)(215)가 웨이퍼(210)의 표면 상에 형성되는 스타팅 웨이퍼 재료(210)로부터 형성된다. 에칭 공정에 의해 그루브(215) 내에 형성된 동일 평면상에 있지 않은 각진 표면(216) 상에서, 표면은 수직 센서를 다른 회로에 상호 연결하는데 사용될 금속 패드(222)를 제조하는데 형성된다. 능동 센서 회로(220)는 웨이퍼(210)의 그루브가 형성되지 않은 수평 표면(212) 상에 형성된다. 능동 센서 회로(220)의 증착과 패드(22)의 금속화는 평면 센서를 제조하는데 사용될 수 있는 웨이퍼 제조 공정과 동일한 웨이퍼 제조 공정을 이용한다. 웨이퍼(210)는 통상의 방법으로 싱귤레이트(singulate)되어, 개별 다이를 획득하고, 이에 따라 금속화된 본드 패드를 갖는 수평 능동 표면과 경사진 표면을 구비한다. 그 다음, 이 다이는 능동 센서 회로가 수직이 되고 패키지 내에서 수평 다이의 능동 센서 회로에 직교하도록 실장되게 90도 회전한다. 와이어 본드 연결부의 설치를 용이하게 하는데 더하여, 금속 본드 패드(222)가 수직에 대하여 각도를 가지기 때문에, 수직 센서 패키지의 전체 높이는 감소된다.

도 3은 능동 센서 회로를 위한 제1 표면과, 금속 패드를 포함하는 각진 제2 표면을 포함하는 수직 센서 다이를 구비한 3축 센서를 제조하는 본 발명의 일 실시예에 대한 예시적인 절차를 도시하는 플로우 차트이다. 도 3의 방법의 일 적용례에서, 수직 다이는 수평 다이와 결합되어 도 1a 내지 1d에 도시된 바와 같은 3축 센서를 형성한다. 일 실시예에서, 도 3의 절차는 도 2에 대하여 설명한 바와 같은, 수직 센서를 획득하기 위하여 웨이퍼를 처리하는 것을 제공한다.

선택적 에칭 공정을 이용하여 웨이퍼 내에 그루브를 형성하는 310에서 절차를 시작한다. 그루브 내에서의 각진 표면 상에 금속 패드를 증착하고, 그루브 외부의 표면 상에 제1 능동 센서 회로를 증착하며, 제1 능동 센서 회로가 금속 패드에 전기적으로 연결되는 320으로 절차를 진행한다. 이 단계에서, 수평 센서 웨이퍼를 형성하는 동일한 공정 단계가 능동 센서 회로 및 금속 패드를 증착하는 공정 단계로서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 능동 센서 회로는 단축 센서를 포함한다. 다른 실시예에서, 능동 센서 회로는 2축 센서를 포함한다.

그 다음, 웨이퍼를 싱귤레이트하여 개별 센서 다이를 획득하는 330으로 절차를 진행한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 제1 싱귤레이션 절단(230)이 그루브 벽 상에 형성된 금속 패드(222) 세트 사이의 그루브(215)의 베이스에서 수행되고, 제2 싱귤레이션 절단(235)이 웨이퍼(210)의 그루브가 아닌 부분 상에 형성된 능동 센서 회로(220) 사이에서 수행된다. 웨이퍼는 수평 방향으로도 싱귤레이션되어 개별 센서 다이를 제공한다. 절차는 능동 센서 회로가 베이스에 대하여 수직이 되고 금속 패드가 베이스로부터 방향이 빗나가도록 베이스 상으로 센서 다이를 수직으로 실장하는 340으로 진행한다. 이 실장에 있어서, 센서 다이는 베이스의 표면에 대하여 수직인 방향으로 향하는 감지 축을 가지도록 배향된다. 싱귤레이트된 다이는 패드 금속을 노출하도록 잘려진 측 및/또는 실리콘 웨이퍼의 배면을 이용하여 인접한 다이나, 패키지의 기판 또는 캐비티에 다이 부착된다(die-attached).

그 다음, 와이어 본드를 금속 패드 상으로에 설치함으로써 능동 센서 회로를 다른 회로에 상호 연결하는 350으로 절차를 진행한다. 이 단계에서, 수직 다이는 다른 다이 또는 기판, 혹은 캐비티 핑거에 와이어 본딩될 수 있다(예를 들어, 도 1a 내지 1d에 도시된 것과 같이). 일 실시예에서, 결과에 따른 3축 센서는 예를 들어, 구리 금속화 리드 프레임을 이용하는 QF-N(quad flat no lead) 패키지 타입이나 또는 DF-N(Dual Flat No lead) 패키지와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 패키지 내에서 밀봉된다.

이러한 절차는 리플로우 처리에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 이는 저비용 경로가 되며, 단일 패스 실리콘 제조 공정은 직교하는 본딩가능한 콘택 패드를 형성하는 추가적인 단계를 제거한다. 일 실시예에서, 수직 센서 다이가 리플로우 공정을 받을 필요가 없기 때문에, 절차는 수직 센서 다이를 얇게 하는 단계를 더 포함한다. 이 단계는 전체 패키지 크기를 더 감소시켜, 추가적 비용 감소를 제공할 것이다.

본 발명의 실시예가 포함하는 센서를 구현하는데 사용되는 근본적인 기술은 이방성 자기저항(AMR) 센서에 한정되지 않으며, 평면 내 및 평면 외 방향성 센서를 모두 포함하는 다른 기술일 이용하여 실시될 수 있다. 예를 들어, 앞에서 논의된 임의의 실시예는 MR(Magneto-Resistive) 센서(예를 들어, 이방성 자기저항(AMR) 센서, GMR(Giant Magneto-Resistance) 센서 및 TMR(Tunnel Magneto-resistance) 센서를 포함), MI(Magneto-Inductive) 센서, 홀 이펙트(Hall effect) 센서 및/또는 플럭스 게이트(fluxgate) 센서를 이용하여 구현될 수 있다.

특정 실시예가 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하도록 계산된 임의의 방식이 도시된 특정 실시예를 대체할 수 있다. 본 출원은 본 발명의 임의의 변형 또는 수정을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명이 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한되는 것이 명시적으로 의도된다.

Claims (3)

1. 베이스(105);
   상기 베이스(105)에 실장되고, 제1 능동 센서 회로(112) 및 상기 제1 능동 센서 회로(112)에 전기적으로 연결된 복수의 제1 금속 패드(114)를 갖는 제1 센서 다이(110); 및
   상기 베이스(105)에 실장되고, 제1 표면(126) 상에 위치되는 제2 능동 센서 회로(122) 및 상기 제2 능동 센서 회로(122)에 전기적으로 연결되고 제2 표면(128) 상에 위치되는 복수의 제2 금속 패드(114)를 갖는 제2 센서 다이(120)
   를 포함하고,
   상기 제2 센서 다이(120)는, 상기 제2 능동 센서 회로(122)가 상기 제1 능동 센서 회로(112)에 대하여 직교하도록 배향되고, 상기 베이스(105)에 수직이며,
   상기 제2 표면(128)은, 상기 제1 표면(126)에 인접하고, 상기 제1 표면(126)의 평면에 대하여 각진,
   방향성 센서 패키지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 센서 다이(110)의 상기 복수의 제1 금속 패드(114)를 상기 제2 센서 다이(120)의 상기 복수의 제2 금속 패드(124)와 상호 연결하는 하나 이상의 와이어 본드 연결부를 더 포함하는,
   방향성 센서 패키지.
   
3. 선택적 에칭 프로세서를 이용하여 웨이퍼(210) 내에 그루브(215)를 형성하는 단계;
   상기 그루브(215) 내의 각진 표면(216) 상에 금속 패드(222)를 증착하고, 상기 그루브(215) 외부의 표면 상에 제1 능동 센서 회로(220)를 증착하는 단계로서, 상기 제1 능동 센서 회로(220)는 금속 패드(222)에 전기적으로 연결되는 단계;
   상기 웨이퍼(210)를 싱귤레이트하여 개별 센서 다이(120)를 획득하는 단계;
   상기 제1 능동 센서 회로(220)가 베이스(105)에 수직이 되고, 상기 금속 패드(222)가 상기 베이스(105)로부터 반대측의 상기 센서 다이(120)에 위치설정되도록 상기 베이스(105) 상으로 상기 센서 다이(120)를 실장하는 단계; 및
   와이어 본드(140, 142)를 상기 금속 패드(222) 상으로 설치하여, 상기 능동 센서 회로를 다른 회로에 상호 연결하는 단계
   를 포함하는,
   방향성 센서 제조 방법.

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