KR20130095489A - 마이크로 전자기계 시스템 패키지 - Google Patents

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KR20130095489A
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박재홍
송명호
김태현
김희연
박남수
황욱중
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한국과학기술원
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    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]

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Abstract

본 발명은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS, Micro electro mechanical systems) 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 새로운 구조의 밀봉 부재를 구비한 MEMS 패키지에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지는, MEMS 소자가 실장된 MEMS 기판과, 상기 MEMS 기판을 덮는 캡핑 기판(capping wafer)과, 상기 MEMS 소자를 밀봉시키기 위해서 상기 MEMS 기판과 상기 캡핑 기판 사이에 형성되는 밀봉 부재를 포함한다. 상기 밀봉 부재는, 상기 MEMS 소자를 둘러싸며, 서로 나란한 복수의 제1본딩 라인들과, 서로 인접한 상기 제1본딩 라인들과 연결되어 폐쇄된 영역들을 형성하며, 상기 제1본딩 라인들과 경사진 제2본딩 라인들을 포함한다. 본 발명에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지는 서로 나란한 복수의 제1본딩 라인들과, 제1본딩 라인들 사이를 연결하여 폐쇄된 영역을 형성하는 제2본딩 라인들을 포함하는 밀봉 부재에 의해서 밀봉되므로, 압력이 제2본딩 라인들을 따라서 고르게 분산된다. 따라서 진공이 파기될 확률이 낮다.

Description

마이크로 전자기계 시스템 패키지{Micro electro mechanical systems package}
본 발명은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS, Micro electro mechanical systems) 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 진공 패키지를 위한 새로운 구조의 밀봉 부재를 구비한 MEMS 패키지에 관한 것이다.
마이크로 전자기계 시스템은 전통적인 IC(Integrated Circuit)와 달리 부서지기 쉬운 구동부를 구비한다. 이러한 구동부는 소정의 외부환경, 보다 구체적으로는, 온도, 습도, 미세 먼지, 진동 및 충격 등에 민감하게 반응한다. 따라서 이러한 외부 환경에 의하여 구동부가 동작을 수행하지 않거나, 구동부 동작 중에 에러가 빈번히 발생한다는 문제점이 있었다.
MEMS 유닛은 보통 기판상에서 MEMS 소자들을 어레이로 형태로 제조한 다음에 개별 유닛으로 분리된다. 분리는 보통 다이싱 공정에 의해서 진행된다. 이러한 다이싱 공정은 MEMS 소자들을 오염시켜 사용할 수 없게 한다는 문제도 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, MEMS 소자들이 형성된 MEMS 기판을 절단하여 개별 유닛을 얻기 전에 MEMS 소자들을 각각 밀봉하는 방법이 제안되었다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, MEMS 소자들이 어레이 형태로 형성되어 있는 MEMS 기판(1) 위에 각각의 MEMS 소자들을 감싸는 밀봉 라인(2)을 형성한다. 밀봉 라인(2)은 구리로 이루어질 수 있으며, 전기 도금 방식으로 형성할 수 있다.
그리고, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 캡핑 기판 위에 MEMS 기판 위에 형성된 밀봉 라인과 대응하는 위치에 밀봉 라인(4)을 형성한다. 캡핑 기판 위에 형성되는 밀봉 라인은 구리 또는 금 등의 금속 층(5)과 금속 층(5) 위에 형성되는 주석 등의 금속 층(6)으로 이루어질 수 있다.
다음, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 캡핑 기판(3)의 밀봉 라인(4)과 MEMS 기판(1)의 밀봉 라인(2)이 서로 접하도록 캡핑 기판(3)을 MEMS 기판(1) 위에 올려놓은 후, 리플로우 공정 등을 통해서 주석 층(6)을 가열한다. 가열된 주석 층(6)은 녹아서 구리 층(2, 5)과 합금을 형성하면서, MEMS 기판(1)을 밀봉한다.
다음, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 밀봉 라인 사이를 절단하여, MEMS 소자들을 분리한다.
MEMS 소자는 그 구동부의 종류에 따라서 원활한 작동을 위한 분위기에 차이가 있다. 예를 들어, 가속도계나 스위치의 경우에는 대기압의 불활성 가스 분위기 내에서 원활하게 작동하며, 레조네이터의 경우에는 진공에서 원활하게 작동한다.
MEMS 패키지 내에 진공을 형성하는 경우에는 진공이 파기되는 것을 방지하기 위해 밀봉 라인의 내구성을 향상시킬 필요가 있다. 이러한 요구에 따라서 밀봉 라인을 이중 라인 형태로 하거나, 이중 라인 사이에 이중 라인을 수직으로 연결하는 라인이 추가된 형태의 밀봉 라인이 사용되었다.
등록특허공보 제0855817호 공개특허공보 제2009-0038379호
N. Belov, T-K. Chou, J. Heck, K. Kornelsen, D. Spicer, S. Akhlaghi, M. Wang, T. Zhu, "Thin-Layer Au-Sn Solder Bonding Process for Wafer-Level Packaging, Electrical Interconnections and MEMS Applications", IEEE-MEMS 2009 Conference Proceedings. Nga P. Pham, Paresh Limaye, Piotr Czarnecki, Olalla Varela Pedreira, Vladimir Cherman, "Metal-bonded, Hermetic 0-level Package for MEMS", IEEE-MEMS 2010 Conference Proceedings.
상술한 이중 라인 형태의 밀봉 라인은 단일한 밀봉 라인에 비해서는 고 진공 달성도 및 내구성이 향상되었으나, 이중 라인 중 안쪽 밀봉 라인에 샘(leak)이 발생할 경우 압력이 분배되지 않고, 바깥쪽 밀봉 라인에 일방향으로 전달되어, 진공이 파기될 가능성이 있다는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 고 진공을 유지할 수 있으며, 내구성이 향상된 밀봉라인을 구비한 MEMS 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지는, MEMS 소자가 실장된 MEMS 기판과, 상기 MEMS 기판을 덮는 캡핑 기판(capping wafer)과, 상기 MEMS 소자를 밀봉시키기 위해서 상기 MEMS 기판과 상기 캡핑 기판 사이에 형성되는 밀봉 부재를 포함한다.
상기 밀봉 부재는, 상기 MEMS 소자를 둘러싸며, 서로 나란한 복수의 제1본딩 라인들과, 서로 인접한 상기 제1본딩 라인들과 연결되어 폐쇄된 영역들을 형성하며, 상기 제1본딩 라인들과 경사진 제2본딩 라인들을 포함한다.
상기 제2본딩 라인들은, 상기 제1본딩 라인들과 연결되어 사각형을 이루는 제3본딩 라인들과 상기 제1본딩 라인들과 상기 제3본딩 라인들에 의해 형성된 사각형의 대각선을 이루는 제4본딩 라인들을 포함할 수 있다.
상기 제3본딩 라인들은 상기 제1본딩 라인에 수직일 수 있다.
상기 폐쇄된 영역은 삼각형을 이루는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지는 서로 나란한 복수의 제1본딩 라인들과, 제1본딩 라인들 사이를 연결하여 폐쇄된 영역을 형성하는 제2본딩 라인들을 포함하는 밀봉 부재에 의해서 밀봉되므로, 제1본딩 라인의 일부가 손상되어도, 진공압력이 제2본딩 라인들을 따라서 고르게 분산된다. 또한, 진공파괴의 시발점이 될 수 있는 주요 결함(critical defect)이 있을 확률을 감소시킨다. 따라서 고 진공을 유지할 수 있으며, 내구성이 향상된다.
도 1은 종래의 MEMS 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 전자기계 시스템 패키지의 캡핑 기판을 제거한 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 밀봉 부재에 진공압력이 가해질 때 진공압력에 대한 저항력의 방향을 표시한 도면이다.
도 5와 6은 밀봉 부재의 다른 실시예들의 일부를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지의 일실시예의 단면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 전자기계 시스템 패키지는 MEMS 기판(10), 캡핑 기판(Capping wafer, 20) 및 밀봉 부재(30)를 포함한다.
MEMS 기판(10)은 MEMS 소자(11)가 형성된 반도체 기판 자체이거나, MEMS 소자(11)가 실장된 인쇄회로기판으로서, 전기 신호를 외부로 전달하기 위한 패드(미도시)가 형성되어 있다. MEMS 기판(10)은 하나의 MEMS 소자가 형성된 것뿐 아니라 다수의 MEMS 소자가 형성된 것도 포함된다.
MEMS 소자(11)로는 가속도계, RF 스위치, 레조네이터, 변위 센서, 마이크로 모터 등을 모두 포함한다.
캡핑 기판(20)은 MEMS 기판(10)의 상부에 결합되어, 밀봉 부재(30)와 함께 MEMS 기판(10)을 밀봉하는 역할을 한다. 캡핑 기판(20)의 두께는 100~500㎛ 정도이다.
밀봉 부재(30)는 MEMS 기판(10)에 형성되거나 실장된 MEMS 소자(11)를 외부 환경으로부터 분리하여 밀봉하기 위한 것으로서, MEMS 기판(10)의 상면과 캡핑 기판(20)의 하면 사이에 형성된다. 밀봉 부재(30)로는 고점도 실리콘, 겔 타입의 실리콘 또는 에폭시, 도금 층과 솔더 등을 이용할 수 있다. 고진공용 밀봉 부재(30)로는 도금 층과 솔더를 이용하는 것이 바람직하다. 도금 층은 MEMS 기판(10)과 캡핑 기판(20)에 각각 형성되며, MEMS 기판(10) 또는 캡핑 기판(20)의 도금 층 위에 솔더 층이 형성된다. 다음 캡핑 기판(20)으로 MEMS 기판(10)을 덮고, 리플로우 공정을 통해 솔더 층에 열을 가하여, MEMS 기판(10)과 캠팽 기판(20)을 상호 접합시킨다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 전자기계 시스템 패키지의 캡핑 기판을 제거한 평면도이다.
도 3을 참고하면, 밀봉 부재(30)는 복수의 밀봉 라인들로 이루어져 있다. 밀봉 라인들은 MEMS 소자의 외곽을 둘러싸며, 서로 나란한 제1밀봉 라인(31)들과, 인접하는 제1밀봉 라인(31)들을 연결하며, 제1밀봉 라인(31)들과 경사진 제2밀봉 라인(32)들을 포함한다.
제2밀봉 라인(32)들은 제1밀봉 라인(31)들과 연결되어, 밀폐된 영역을 형성한다. 본 실시예의 경우에는 직각삼각형 형태의 밀폐된 영역들을 형성한다.
본 실시예에 있어서, 제2밀봉 라인(32)들은 제1밀봉 라인(31)들과 연결되어 사각형을 이루는 제3밀봉 라인(33)들과 제1밀봉 라인(31)과 제3밀봉 라인(33)에 의해서 형성된 사각형의 대각선에 해당되는 제4밀봉 라인(34)들을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제3밀봉 라인(34)들은 제1밀봉 라인(31)들에 수직으로 결합한다. 제4밀봉 라인(34)들은 지그재그로 배치되어 있다.
도 4는 도 3에 도시된 밀봉 부재에 진공압력이 가해질 때 진공압력에 대한 저항력의 방향을 표시한 도면이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 제2밀봉 라인(32)들에 의해서 진공압력에 대한 밀봉 라인들의 저항력이 다양한 방향으로 형성된다. 즉, 진공압력이 밀봉 라인의 특정 방향으로 집중되지 않는다. 따라서 제1밀봉 라인(31)의 일부가 특정방향으로 손상되어도, 여러 저항방향을 가진 제2밀봉 라인까지 특정 방향으로 손상될 확률이 최소화된다.
도 5와 6은 밀봉 부재의 다른 실시예들의 일부를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 밀봉 부재는 제4밀봉 라인(34)들이 제1밀봉 라인(31)들과 제3밀봉 라인(32)들에 의해서 형성된 사각형의 두 개의 대각선 모두에 형성되어 있어, 도 3에 도시된 밀봉 부재에 비해서 내구성이 더욱 향상된다.
도 6에 도시된 밀봉 부재는 세 개의 제1밀봉 라인(31)들을 포함하며, 도 3과 도 5에 도시된 밀봉 부재와 달리, 제3밀봉 라인(33)들이 제1밀봉 라인(31)들과 60°로 결합하여, 사다리꼴의 영역을 형성한다. 제4밀봉 라인(34)들은 사다리꼴의 대각선을 이룬다. 결국, 제1밀봉 라인(31)들과 제2밀봉 라인(32)들에 의해서 정삼각형 형태의 밀폐 영역들이 형성된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10: MEMS 기판 11: MEMS 소자
20: 캡핑 기판 30: 밀봉 부재
31: 제1밀봉 라인 32: 제2밀봉 라인
33: 제3밀봉 라인 34: 제4밀봉 라인

Claims (5)

  1. MEMS 소자가 실장된 MEMS 기판과, 상기 MEMS 기판을 덮는 캡핑 기판(capping wafer)과, 상기 MEMS 소자를 밀봉시키기 위해서 상기 MEMS 기판과 상기 캡핑 기판 사이에 형성되는 밀봉 부재를 포함하는 MEMS 패키지에 있어서,
    상기 밀봉 부재는,
    상기 MEMS 소자를 둘러싸며, 서로 나란한 복수의 제1본딩 라인들과,
    서로 인접한 상기 제1본딩 라인들과 연결되어 폐쇄된 영역들을 형성하며, 상기 제1본딩 라인들과 경사진 제2본딩 라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자기계 시스템 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2본딩 라인들은
    상기 제1본딩 라인들과 연결되어 사각형을 이루는 제3라인들과 상기 제1본딩 라인들과 상기 제3본딩 라인들에 의해 형성된 사각형의 대각선을 이루는 제4본딩 라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자기계 시스템 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3본딩 라인들은 상기 제1본딩 라인들에 수직인 것을 특징으로 하는 마이크로 전자기계 시스템 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폐쇄된 영역은 삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로 전자기계 시스템 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉 부재는,
    상기 MEMS 기판과 상기 캡핑 기판의 표면에 각각 형성된 도금 층들과 상기 도금 층들 사이에 배치되는 솔더 층의 합금인 것을 특징으로 하는 마이크로 전자기계 시스템 패키지.
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