KR20150038916A

KR20150038916A - 가스센서패키지

Info

Publication number: KR20150038916A
Application number: KR20130117299A
Authority: KR
Inventors: 백지흠
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-09

Abstract

본 발명의 실시예들은 가스센서패키지에 관한 것으로, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되어 기판에 형성된 가스인입홀을 통해 센싱하도록 해, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성하는 기술을 제공한다.

Description

가스센서패키지{PACKAGE FOR GAS SENSOR}

본 발명의 실시예 들은 가스센서패키지에 관한 것이다.

가스센서가 가져야 하는 조건으로는 얼마나 빨리 반응을 할 수 있는지를 보여주는 신속성, 얼마나 미세한 양이 검출이 되어도 반응할 수 있는지를 보여주는 민감성, 얼마나 오랫동안 동작을 할 수 있는지를 보여주는 내구성, 그리고 소비자가 얼마나 부담 없이 센서를 사용할 수 있는지를 보여주는 경제성 등의 특성을 요구하고 있다. 또 기존의 반도체 공정 기술과 결합하기 위해서는 집적화, 나열화 하기 쉬운 특성을 갖고 있어야 한다. 실용적인 가스센서로는 산화주석(SnO₂)을 재료로 해서 만들어진 가정용 가스 누출 경보기 등이 폭넓게 보급되어 있다. 동작원리로는 가스양의 변화에 따라서 저항 값이 변화하는 것을 이용한 반도체형과 일정 주파수를 갖고 진동하고 있는 진동자에 가스가 흡착되면 진동수가 바뀌는 것을 이용한 진동자형이 있다. 대부분의 가스센서는 회로가 간단하고 상온에서 안정적인 열 적인 특성을 보이는 반도체형을 이용하고 있다.

일반적으로 가스센서는 가스센싱물질이나 센싱칩을 실장하는 구조의 패키지 구조를 가지고 있으며, 종래에는 가스센싱물질이나 센싱칩의 상면 보호를 위한 별도의 캡부재를 구비하여야 하며, 이러한 캡부재 상면에는 미세한 망으로 형성되어 있는 메쉬형상의 부재를 마련하여 가스통기가 가능하도록 형성하고 있다.

이러한 가스센싱을 위한 센싱패키지는 이러한 캡부재 및 메쉬형부재로 인해 상부 구조의 높이가 커지고, 센서칩과 전극부와의 연결에 있어서, 와이어본딩을 사용하게 되어 센서칩보다 전체 패키지 사이즈가 수배~수십배 커지게 되며, 이러한 문제로 가스센서의 소형화가 구현되지 못하는 한계로 작용하고 있다.

본 발명의 실시예 들은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되어 기판에 형성된 가스인입홀을 통해 센싱하도록 해, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성할 수 있는 가스센서패키지를 제공할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 가스 인입홀을 포함하는 제1기판; 상기 제1기판상에 실장되며, 가스센싱부를 포함하는 가스센싱소자;를 포함하며, 상기 가스센싱부가 상기 제1기판의 표면에 마주하도록 실장되는 가스센서패키지를 제공한다.

본 발명의 실시예예 따르면, 가스센싱소자가 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 실장되어 기판에 형성된 가스인입홀을 통해 센싱하도록 해, 매우 박형화(Slim)한 구조의 가스센서를 형성할 수 있는 효과가 있다.

특히, 가스센싱소자가 기판의 금속전극에 직접 실장되는바 와이어 본딩이 불필요하여 패키지 면적이 줄어들며, 패키지 전체 높이를 줄일 수 있는 장점이 구현된다.

또한, 기존 가스센싱패키지에 필수적인 센서칩 상부의 센싱부를 보호하기 위한 별도의 캡이 불필요하여 제조원가를 더욱 절감하는 한편, 패키지를 더욱 소형화할 수 있게 된다.

아울러, 센싱을 위한 가스의 통로를 기판의 가스인입홀을 통한 1차 가스유입외에도 칩의 측면의 이격부를 통해 가스유입이 이루어져 효율적인 센싱이 구현될 수 있는 장점도 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 가스센서패키지는 상술한 슬림화와 다기능화를 통해 전제 패키지의 사이즈의 축소 및 원가절감이 반영된 IT 기기 전반에 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지의 요부 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 가스센싱소자의 구현예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지의 상부 평면 개념도를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지를 PCB에 결합하여 가스센싱을 구현하는 개념도를 도시한 것이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지를 PCB 사이의 공기의 이동흐름을 도시한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)" 에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접 (directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지의 요부 단면도를 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자의 요부 개념도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱패키지는, 가스인입홀(220)을 포함하는 제1기판(210)과 상기 제1기판(210)상에 실장되며, 가스센싱부(110)를 포함하는 가스센싱소자(100)를 포함하며, 상기 가스센싱부(110)가 상기 제1기판의 표면에 마주하도록 실장되는 것을 특징으로 한다.

도 1에 도시된 것과 같이, 상기 제1기판(210)은 절연물질로 형성되는 기판표면에 금속물질로 전극패턴(회로패턴)이 패터닝된 금속패턴(211, 212)을 다수 포함하는 구조로 형성되며, 특히 기판의 상하부를 관통하는 구조의 가스인입홀(220)을 포함한다. 상기 가스인입홀(220)은 후술하는 가스센싱소자(100)의 가스센싱부(110)가 노출되어 가스와 접할 수 있는 통로역할을 수행하게 된다.

아울러, 상기 제1기판(210)은 상기 가스인입홀(220)외에 상기 제1기판(210)과 외부의 기판이나 대상물과의 결합을 위한 관통홀(230)이 다수 구비되며, 특히 상기 관통홀(230)은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 금속물질로 충진(이하, 금속충진부)되며, 상기 금속충진부는 도시된 것과 같이 일정부분 상기 제1기판(210)의 하부로 돌출되는 구조로 형성된다. 이렇게 돌출되는 구조로 형성됨은 후술하는 제2기판 등의 인쇄회로기판과 같은 대상체와 상기 금속충진부(230)이 전기적으로 결합되는 것과 동시에 가스이동통로를 마련하는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 제1기판(210)의 상부면의 금속패턴(211, 212)는 상기 가스센싱소자(100)의 접합패드 또는 금속전극과 직접 접합되게 되며, 일반적으로 Cu 층에 Ag, Au, Sn 등의 표면처리 도금층을 포함하는 구조로 형성되어 상기 금속전극과 접합성을 향상시킬 수 있도록 함이 바람직하다. 특히, 상기 금속패턴(211, 212)의 두께를 조절하여 1㎛~수백㎛의 범위로 형성하여 가스센싱소자(100)의 측면부로 가스의 통기가 가능하도록 하는 역할을 수행하도록 할 수 있다.

상기 가스센싱소자(100)는 가스센싱이 가능한 센싱물질을 포함하는 기능부로, 통상 상용화된 모든 가스센싱방식의 구조물을 통칭하여 적용할 수 있는 것으로, 산화물반도체를 이용한 센싱소자, 탄소나노튜브를 이용한 센싱소자, 기타 다양한 센싱반도체 칩 등을 모두 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 특징적으로 이러한 가스센싱소자(100)를 실장되는 제1기판(100)의 표면에 마주하도록 실장한다. 즉, 상기 가스센싱소자(100)의 패드부와 상기 제1기판의 금속패턴(211, 212)이 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 직접 결착하도록 하여, 본딩 와이어를 제거할 수 있도록 함으로써, 패키지 면적이 줄어들고, 별도의 가스센싱부 상부에 캡부재나 메쉬부재등의 기구물이 불필요한바, 패키지를 더욱 소형화할 수 있으며 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 가스센싱소자(100)의 가스센싱부(110)는 외부의 가스가 이동하여 가스와 접촉할 수 있는 제1기판(100)의 가스인입홀(220)과 대응되도록 어라인 됨이 바람직하다. 이는 가스와 접촉효율을 높일 수 있도록 가스인입홀을 통해 상기 가스센싱부(110)가 노출되는 구조, 즉 가스센싱부(110)와 가스인입홀(220)의 중심부가 어라인되도록 배치하는 것이 센싱효율면에서 가장 효율적이다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니며, 어라인 구성이 일정 범위에서 어긋나도록 배치하는 것도 가능하며, 이 경우 본 발명이 실시예에서 가스센싱소자의 측면에서 가스이동이격부 등을 통해 가스검출을 보완할 수 있는바, 센싱효율의 향상의 효과를 동일하게 구현될 수 있게 된다. 아울러, 상기 제1기판상에 실장되는 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(400)를 더 포함할 수 있다. 이러한 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(400)의 경우 저항방식을 전압방식 출력으로 전환하며, 특히 NTC의 경우 온도에 따른 초기 센싱물질에 저항변화값을 보상하여 일정한 초기 전압값을 가질 수 있도록 할 수도 있다.

도 3은 도 1 및 도 2에서 상술한 가스센싱패키지에 실장되는 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자의 구현예를 도시한 개념도이다.

도 3을 참조하면, (a)는 본 발명의 실시예에 따른 가스센싱소자의 사시도로서, 몸체(120) 표면에 센싱물질 또는 센싱칩을 통해 가스를 검출하는 가스센싱부(110)가 배치되며, 인접 표면에 외부 단자와 접속할 수 있는 전극패턴(130)을 구비하며, 가스센싱부(110)와 전극패턴(130)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 도 3의 (b)는 (a)에서 도시한 가스센싱소자(100)의 하부면을 도시한 것으로, 몸체(120)의 내부에 일정한 공동부(140)이 형성되는 구조로 형성되어, 가스체류시간을 확보할 수 있도록 할 수 있도록 함이 더욱 바람직하다. (c)는 가스센싱소자의 단면도를 도시한 것이다. 도 3의 구조와 같은 가스센싱소자(100)은 도 1 및 도 2에서의 제1기판(210)의 표면에 가스센싱부(110)가 마주하도록 실장되며, 특히 제1기판(210)의 가스인입홀(220)을 통해 유입되는 가스를 검출할 수 있도록 한다.

도 1 및 도 2는 각각 도 3에서 상술한 가스센싱소자(100)를 제1기판(210) 상에 실장한 구조로, 각 구조상의 차이로는 가스센싱소자(100)의 내부에 공동부(140)를 유지하면서 에폭시 등의 고점도 몰딩재를 통해 가스센싱소자나 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(400) 등을 몰딩하여 공동부(140)를 유지하는 방식으로 몰딩을 수행할 수 있다(도 1). 도는 도 3에서와 같이 점도가 낮은 몰딩재를 적용하는 경우에는 가스센싱소자(100)나 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(400)의 상부면을 제외한 주변부만을 몰딩 고정하여 가스센싱소자(100)의 내부의 공동부를 유지하도록 하여 센싱효율을 향상할 수 있다. 상기 몰딩부(300)은 종래의 센싱부 상부의 캡부재나 메쉬부재와는 달리, 가스센싱소자 자체를 고정하기 위한 고정물질인바, 그 크기의 증가는 매우 작아 크기 증가에 영향이 크지 않다.

도 4는 도 1 및 도 2의 가스센싱소자(100)을 제1기판(100)에 실장하는 상부 평면도를 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 제1기판(100)의 표면에 가스센싱소자의 가스센싱부가 마주하도록 플립칩 방식으로 본딩하며, 금속충진부(240)은 하부에 배치되며, 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자(400)가 추가될 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 패키지를 제2기판(500) 상에 결합하는 구조를 적용예를 도시한 것이다.

도 5 및 도 6에 따르면, 제2기판(500)은 인쇄회로기판을 적용할 수 있다. 특히 인쇄회로기판은 플렉시블(flexible)한 재료를 적용할 수 있으며, 도시된 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 제1기판(210)의 금속충진부(240)과 인쇄회로기판인 제2기판(500)과 전기적으로 접속이 이루어지도록 한다. 특히 이 경우 상기 금속충진부(240)는 상기 제1기판(210)의 하부면 방향으로 일정 부분 돌출되는 구조를 가지는 바, 제2기판(500)과 접속후에도 일정한 이격부를 가지게 되며, 이 이격부는 도시된 것과 같이 가스의 이동통로(X, Y)를 형성하게 된다(이하, '가스이동이격부'라 한다.).

상기 가스이동이격부(510)은 본 발명의 실시예에 따른 패키지에서 제1기판에 마련되는 가스인입홀(220)을 통해 직접적으로 가스와 가스센싱부(110)가 접촉하는 것 이외에도, 가스센싱소자의 측면부에서 접근하는 가스를 가스센싱부와 접촉하게 할 수 있어 센싱효율의 증가를 보장할 수 있다.

종래의 가스센서들이 기판의 상부면을 바라보도록 가스센싱부를 배치하는 방식으로 구현되는 데에는 가스와의 접촉효율을 확보하기 위함이었으며, 이에 필연적으로 가스센싱부를 상부를 바라보도록 하는 동시에 메쉬구조의 보호망 등을 필요로 하여 패키지의 크기가 커질 수 밖에 없었으나, 본 발명의 실시예에 따른 패키지의 경우에는 가스센싱부가 마련된 부분이 제1기판의 표면에 접하도록 실장을 구현하여 별도의 캡을 설치하지 않아 패키지를 소형화할 수 있음은 물론, 제조원가를 절감할 수 있게 하며, 가스인입홀 및 측면으로 부터 가스센싱부로 가스를 유도하는 이격부를 구현하여 센싱효율 역시 확보할 수 있게 된다.

도 7은 도 5 및 도 6에서의 패키지를 상부에서 바라본 평면 개념도로, 하부 PCB와 제1기판(210)이 결합한 이후, 가스이동이격부를 통한 가스이동의 경로(X, Y)를 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 가스센싱소자(100)의 하부에서 접근하는 가스는 별론으로 하더라도, 좌우 측면부에서 제1기판과 인쇄회로기판 사이의 가스이동이격부를 통해 원활한 가스의 통기가 이루어져 가스센싱부에 가스가 전달될 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 가스센싱소자
110: 가스센싱부
120: 몸체
130: 전극패턴
140: 공동부
210: 제1기판
220: 가스인입홀
230: 관통홀
240: 금속충진부
300: 몰딩부
400: 고정저항 또는 NTC
500: 제2기판(인쇄회로기판)
510: 가스이동이격부

Claims

가스인입홀을 포함하는 제1기판;
상기 제1기판상에 실장되며, 가스센싱부를 포함하는 가스센싱소자;를 포함하며,
상기 가스센싱부가 상기 제1기판의 표면에 마주하도록 실장되는 가스센서패키지.
청구항 1에 있어서,
상기 가스인입홀은 상기 제1기판을 관통하는 구조인 가스센서패키지.
청구항 2에 있어서,
상기 가스인입홀과 상기 가스센싱부가 대응되도록 어라인되는 가스센서패키지.
청구항 2에 있어서,
상기 가스센싱소자의 패드부와 상기 제1기판의 금속패턴이 플립칩 본딩(Flip chip bonding) 방식으로 직접 결착하는 가스센서패키지.
청구항 2에 있어서,
상기 제1기판은,
상기 제1기판 상의 금속패턴 하부를 관통하는 적어도 1 이상의 관통홀을 더 포함하는 가스센서패키지.
청구항 5에 있어서,
상기 관통홀은 금속물질이 충진되는 금속충진부를 더 포함하는 가스센서패키지.
청구항 6에 있어서,
상기 금속충진부는,
상기 제1기판의 하부표면 이상으로 돌출되는 가스센서패키지.
청구항 7에 있어서,
상기 제1기판의 하부에 상기 금속충진부를 매개로 결합되는 제2기판을 더 포함하는 가스센서패키지.
청구항 8에 있어서,
상기 제1기판의 하부와 상기 제2기판 사이에 상기 가스인입홀과 연통하는 가스이동이격부가 마련되는 가스센서패키지.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스센서패키지는,
상기 제1기판상에 실장되는 고정저항 또는 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자를 더 포함하는 가스센서패키지.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스센서패키지는,
상기 가스센싱소자 내부에 공동부를 형성하는 몰딩부를 더 포함하는 가스센서패키지.
청구항 11에 있어서,
상기 몰딩부는,
상기 가스센싱소자의 상부면 이외의 영역에 몰딩되는 가스센서패키지.