KR20150141417A - 다축센서 - Google Patents

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KR20150141417A
KR20150141417A KR1020140070115A KR20140070115A KR20150141417A KR 20150141417 A KR20150141417 A KR 20150141417A KR 1020140070115 A KR1020140070115 A KR 1020140070115A KR 20140070115 A KR20140070115 A KR 20140070115A KR 20150141417 A KR20150141417 A KR 20150141417A
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sensor
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axis
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geomagnetic
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KR1020140070115A
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강필중
이정원
이현기
송종형
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 다축센서는 임베디드 기판에 임베디드 되어 위치를 감지하는 제1 센서부 및 상기 임베디드 기판상에 접합 된 하부캡용 기판에 웨이퍼 레벨 패키지(WLP: Wafer Level Package) 방식으로 형성되어 관성력을 감지하는 제2 센서를 포함한다.

Description

다축센서{MULTI-AXIS SENSOR}
본 발명은 다축센서에 관한 것이다.
휴대폰, 태블릿 PC 등 모바일 기기 (Mobile Electronics)에 포함된 전자부품들은 두 가지 중요한 지표(경쟁목표)가 있다. 하나는 동일성능 혹은 더 뛰어난 성능을 가지면서 그 크기가 더 작은 소형화 경쟁이다. 그리고 다른 하나는 최소한의 소비 전력이다.
전자부품들 중 특히, 각속도센서, 가속도센서, 지자계센서, 압력센서 등의 각종센서는, 하기의 대한민국 특허 10-0855471호에 기재된 특허문헌과 같이, 각 해당 정보를 계측하여 정보를 제공한다.
상술한 바와 같이, 각종센서의 각각의 정보가 모바일 기기의 기능에 필요로 하는 정보로서도 활용할 수 있지만, 모바일 기기의 사용자들에게 더 다양하고 복잡한 기능들을 제공하기 위해서 각종센서들의 정보를 종합적으로 계산하여야 모바일 기기의 기능에 필요로 하는 정보로서 활용할 수 있기 때문에, 최근에는 각종 센서를 통합한 다축센서의 사용이 점점 증가 되고 있는 추세이다.
또한, 최근에는 각종센서들을 하나의 통합 정보처리 기기로 판단을 하고 필요한 시기에 필요한 센서만을 구동하여 정보를 얻는 등의 방식으로 소비 전력을 줄일 수 있는 다축센서의 적절한 설계 및 제작방법이 요구되는 추세이다.
KR 10-0855471 B
본 발명은 다축센서의 구조를 개선하여 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있는 다축센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다축센서는 임베디드 기판에 임베디드 되어 위치를 감지하는 제1 센서부 및 상기 임베디드 기판상에 접합 된 하부캡용 기판에 웨이퍼 레벨 패키지(WLP: Wafer Level Package) 방식으로 형성되어 관성력을 감지하는 제2 센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판과 상기 하부캡용 기판은 수직통전형의 에폭시(Epoxy)가 개재되어 갭필링(gap filling)되며 서로 접합 될 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판 및 상기 하부캡용 기판 각각은 길이방향의 길이가 2㎜ ~ 4㎜이고, 폭방향의 길이가 1㎜ ~ 2㎜일 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판은 높이가 100㎛ ~ 300㎛일 수 있다.
또한, 상기 하부캡용 기판은 수평/수직방향으로 형성된 전기적 배선을 포함하며, 허메틱 실 본딩(Hermetic Seal Bonding)이 가능한 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부캡용 기판은 엘티씨씨(LTCC: Low temperature co-fired ceramic), 유리(Glass), 인터포져(Interposer), 응용 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit) 및 실리콘(Silicon) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 센서부는 싱글 인라인 패키지(SIP: single-in-line package) 방식으로 형성되어 위치를 감지할 수 있다.
또한, 상기 지자계센서는 넓이가 1㎡ ~ 1.5㎡ 일 수 있다.
또한, 상기 지자계센서의 일면에는 전극패드가 형성되며, 상기 지자계센서는 상기 전극패드가 외부에 노출되도록 상기 일면에 대향하는 타면이 상기 임베디드 기판에 형성된 캐비티 내에 접합하여 임베디드될 수 있다.
또한, 상기 전극패드는 상기 지자계센서의 상하면 또는 양 측면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 캐비티는 상기 지자계센서보다 넓게 형성될 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판은 상기 캐비티가 형성된 코어층과, 상기 코어층의 하면에 증착되어 상기 지자계센서를 지지하는 절연층과, 상기 코어층 상에 형성되며 상기 캐비티 내에 접합하여 임베디드된 지자계센서와 전기적으로 연결되는 복수의 배선패턴 및 상기 지자계센서를 포함한 상기 코어층의 상면에 적층 되는 빌드업층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판은 상기 빌드업층, 상기 코어층 및 상기 절연층을 수직으로 관통하여 형성되며, 상기 배선패턴을 통하여 상기 지자계센서와 전기적으로 연결되는 복수의 관통홀을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판은 상기 캐비티가 형성된 코어층과, 상기 코어층의 하면에 상기 지자계센서를 지지하기 위한 절연층 및 상기 절연층 내부에 형성되며 상기 캐비티 내에 접합하여 임베디드된 지자계센서와 전기적으로 연결되는 배선패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 센서부는 3축 가속도센서와 3축 각속도센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 센서부는 유리, 질화규소(silicon nitride) 및 금속 중 어느 하나로 형성된 허메틱 실을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 센서부는 상부캡용 기판 및 상기 하부캡용 기판을 포함하며, 상기 상부캡용 기판 및 상기 하부캡용 기판 각각은 응용 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit)로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 3축 지자계센서를 임베디드한 임베디드 기판과 허메틱 실을 가지는 6축 관성센서가 WLP 방식으로 직접 형성된 하부캡용 기판을 포함함으로써, 하부캡용 기판이 임베디드 기판상에 접합 된 구조의 9축 센서가 형성될 수 있어서, 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있다.
또한, 허메틱 실을 가지는 6축 관성센서를 WLP 방식으로 기판에 직접 형성함으로써, 3축 지자계센서와 6축 관성센서 모두를 각각의 SIP 방식으로 형성한 후, 기판상에 각각 실장 시켜 이루어진 9축 센서보다 사이즈를 감소시켜 소형화를 달성함과 동시에 공간 활용도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정수를 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 허메틱 실을 가지는 6축 관성센서를 WLP 방식으로 기판에 직접 형성함으로써, 6축 관성센서를 저비용으로 대량생산할 수 있고, 6축 관성센서를 소형화시킬 수 있으며, 허메틱 실의 성능에 대한 신뢰성 및 성능이 향상될 수 있다.
또한, 하부캡용 기판으로서 사용된 ASIC에 6축 관성센서를 형성하고 ASIC이 3축 지자계센서를 임베디드하는 임베디드 기판상에 접합 됨으로써, 9축 센서와 ASIC을 서로 근접하게 배치할 수 있기 때문에, 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 다축센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 'A' 측면에서의 각속도센서 및 지자계센서를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 'B' 측면에서의 가속도센서, 각속도센서 및 지자계센서를 나타낸 단면도이다.
도 4는 실시 예에 따른 다축센서의 지자계센서의 형성방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시 예에 따른 다축센서의 지자계센서가 임베디드되는 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6은 실시 예에 따른 다축센서의 제2 센서부의 형성방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 다축센서의 제2 센서부가 형성된 하부캡용 기판을 임베디드 기판상에 접합하는 공정을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 다축센서를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 'A' 측면에서의 각속도센서 및 지자계센서를 나타낸 단면도이며, 도 3은 도 1의 'B' 측면에서의 가속도센서, 각속도센서 및 지자계센서를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 다축센서(이하 다축센서라 칭한다.)는 임베디드 기판(I)에 임베디드된 3축 제1 센서부 및 임베디드 기판(I) 상에 접합 된 6축 제2 센서부를 포함한다.
상기 제1 센서부는 SIP 방식으로 형성된 3축 지자계센서(100)일 수 있고, 상기 제2 센서부는 WLP 방식으로 형성된 6축 관성센서(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 관성센서(300)는 하부캡용 기판(10)상에 WLP 방식으로 직접 형성되며 허메틱 실을 가진다.
예를 들면, 상기 3축 지자계센서(100)가 임베디드 기판(I)에 임베디드되고, 3축 가속도센서(330)와 3축 각속도센서(350)와 같은 6축 관성센서(300)가 하부캡용 기판(10)에 형성된다.
상기 다축센서는 3축 지자계센서(100)가 임베디드된 임베디드 기판(I)상에 상기 6축 관성센서(300)가 형성된 하부캡용 기판(10)이 접합 됨으로써, 직선, 각, 전자기적 움직임을 감지할 수 있는 9축 센서일 수 있다. 그리고 실시 예에 따른 다축센서는, 상술한 바와 같이 9축 센서가 이루어진 후, 전체적으로 패키징(Packaging)하여 하나의 모듈로 형성된다.
상술한 바와 같이, 상기 다축센서는 관성력 즉, 직선, 각을 감지하고 위치 즉, 전자기적 움직임을 감지할 수 있는 9축 센서로서, 상기 직선, 각, 전자기적 움직임 등의 각종센서들의 정보를 종합적으로 계산하여 모바일 기기의 기능에 필요로 하는 정보로서 활용할 수 있기 때문에, 모바일 기기의 사용자들에게 더 다양하고 복잡한 기능들을 제공할 수 있다.
상기 임베디드 기판(I)은 솔더볼 패드(450) 및 솔더볼(470)이 포함될 수 있다. 또한, 상기 임베디드 기판(I)은 길이방향의 길이가 2㎜ ~ 4㎜이고, 폭방향의 길이가 1㎜ ~ 2㎜이며, 높이가 100㎛ ~ 300㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판(I) 소정영역에는 지자계센서(100)를 수용하는 캐비티가 형성될 수 있다. 상기 캐비티는 지자계센서(100)의 크기보다 다소 크게 즉, 지자계센서(100)보다 넓게 형성된다. 상기 캐비티는 레이저 드릴 또는 비교적 저렴한 라우터 및 펀칭 등을 사용하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 지자계센서(100)는 상기 캐비티 내의 임베디드 기판(I)에 실장 된다.
또한, 상기 지자계센서(100)가 실장 된 임베디드 기판(I) 상에는 절연층인 빌드업층이 적층 된다. 이에, 상기 지자계센서(100)는 상기 캐비티의 내부에서 상기 빌드업층의 절연물질에 의해 매몰된 상태에서 고정된다. 여기서, 상기 빌드업층은 에폭시수지 및 글라스(glass)와 같은 보강기재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 임베디드 기판(I)은 관통홀(410) 및 배선패턴(430)을 더 포함한다. 상기 관통홀(410)은 임베디드 기판(I)을 관통하여 형성되며, 상기 배선패턴(430)은 지자계센서(100)와 관통홀(410) 사이에 전기적으로 연결될 수도 있다. 이에 따라, 상기 임베디드 기판(I)에 임베디드된 지자계센서(100)의 신호는 관통홀(410), 배선패턴(430), 솔더볼 패드(450) 및 솔더볼(470)을 통하여 외부로 전달될 수 있다.
또한, 상기 지자계센서(100)의 일면에는 미도시 되었으나, 전극패드가 형성될 수 있으며, 상기 전극패드가 위쪽으로 향하도록 즉, 상기 전극패드가 외부에 노출되도록 상기 일면에 대향하는 타면이 임베디드 기판(I)에 형성된 상기 캐비티 내에 접합하여 실장 될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극패드는 배선패턴(430)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 전극패드는 지자계센서(100)의 상하면 또는 양 측면에 형성될 수도 있다.
상기 하부캡용 기판(10)은 길이방향의 길이가 2㎜ ~ 4㎜이고, 폭방향의 길이가 1㎜ ~ 2㎜ 일 수 있다. 또한, 상기 하부캡용 기판(10)은 수평/수직방향으로 전기적 배선이 가능하면서 허메틱 실 본딩(Hermetic Seal Bonding)이 가능한 기판으로서, LTCC, 유리, 인터포져, 관통홀(430)이 구비된 ASIC 및 수직/수평 배선이 구비된 실리콘 등으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 상기 다축센서는, 하부캡용 기판(10)으로서 사용된 ASIC에 6축 관성센서(300)가 형성되고 상기 ASIC이 3축 지자계센서(100)가 임배디드된 임베디드 기판(I)상에 접합 됨으로써, 상기 9축 센서와 ASIC을 서로 근접하게 배치할 수 있기 때문에, 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있다.
즉, 미세 전자 기계 시스템(MEMS: microelectromechanical systems)와 ASIC을 서로 근접하여 배치하면 성능이 향상된다. 이에 따라, MEMS 설계자들의 설계에 대한 수많은 고려 사항 중 하나로서는 ASIC과 같은 집적 회로와 MEMS를 함께 작동시키려는 필요에서 비롯된다. 따라서, 이 구성요소들을 서로 근접하여 패키징하는 것은 아주 중요한 것이다.
이하, 상기 임베디드 기판(I)에 임베디드된 지자계센서(100)에 대해 보다 상세히 설명할 것이다.
상기 지자계센서(100)는, SIP 방식으로 형성되어 지구 자기장의 세기를 측정하는 3축 센서로서, 전자기적 움직임을 감지한다. 이러한, 상기 지자계센서(100)는 MEMS 기술을 이용하여 1개의 칩으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 지자계센서(100)는 넓이가 1㎡ ~ 1.5㎡ 일 수 있다.
상기 지자계센서(100)는 3축 센서를 구현하기 위해서, 홀(hall)센서, MR(Magneto-Resistance)센서, MI(Magneto-Impedance)센서 등의 각각 독립된 3개의 센서를 사용할 수 있다.
여기서, 상기 홀센서, MR센서 및 MI센서는 센싱 방향이 1방향으로 되어 있기 때문에 1축으로 제조된다. 예를 들면, 상기 지자계센서(100)는, 미도시 되었으나, X축 방향의 자기장을 감지하는 제1 MR센서와, Y축 방향의 자기장을 감지하는 제2 MR센서 및 Z축 방향의 자기장을 감지하는 홀 센서를 포함하며, 상기 제1, 제2 MR센서는 상기 홀 센서 일측에 서로 직각을 이루도록 배치될 수 있다.
이하, 상기 WLP 방식으로 형성된 6축 관성센서(300)에 대해 보다 상세히 설명할 것이다.
상기 관성센서(300)는 WLP 방식으로 형성된 3축 가속도센서(330)와 3축 각속도센서(350)를 포함한 6축 관성센서이다.
여기서, 상기 관성센서(300)는 물, 공기 등이 유입되는 것을 방지하는 허메틱 실이 필요하기 때문에, 하부캡용 기판(10)에 WLP 방식으로 형성된다. 상기 WLP 방식은 웨이퍼 레벨에서 하부캡용 기판(10)과 후술할 상부캡용 기판(30)의 두 개의 웨이퍼를 이용하여 관성센서(300)의 허메틱 실을 구현한 후 웨이퍼 레벨로 다이싱하기 때문에, 절단작업 시 상기 6축 관성센서에 공기, 먼지, 입자, 수분 등이 점착되거나 유입될 염려가 없다.
상기 가속도센서(330)는, 상부캡용 기판(30)을 포함한 X, Y, Z축의 가속도를 측정하는 3축 센서로서, 직선의 움직임을 감지한다. 이러한, 가속도센서(330)는 미세한 가속도를 검출하기 위해서 고분해능이며, 소형이어야 한다.
예를 들면, 상기 가속도센서(330)는 질량체부(331) 및 상기 질량체부(331)와 연결한 가요성 빔부(333)를 포함하여, 질량체부(331)나 가요성 빔부(333)의 움직임을 전기 신호로 변환하는 것이다.
즉, 외력에 의해 가속도가 가속도센서(330)에 가해지면, 가속도센서(330)는, 질량체부(331)가 변위하고 가요성 빔부(333)가 변형함으로써, 미도시 되었으나, 가요성 빔부(333)에 설치한 피에조 저항 소자의 전기 저항이 변화됨으로써, 각각의 질량체부(331)의 가속도를 검지하는 4개의 피에조 저항 소자의 저항 변화량의 차이에 의해 생기는 전위차를 추출하여 가속도의 값으로서 감지할 수 있다. 또한, 가속도센서(330)는, 미도시 되었으나, 가요성 빔부(333)와 상기 피에조 저항 소자를 전기적으로 연결하는 배선을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가요부성 빔부(333)는, 질량체부(331)를 지지하는 것으로서, 제1 내지 제4 가요부성 빔부 각각이 질량체부(331)의 주위에 있는 각각의 변의 중앙에 형성된다.
예를 들면, 상기 제1 가요부의 끝에는 X축 가속도 검지용 반도체 피에조 저항 소자가 형성되고, 상기 제2 가요부의 끝에는 Z축 가속도 검지용 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어, 상기 제1 가요부와 제2 가요부는 X축과 Z축 방향의 가속도를 검지할 수 있다. 또한, 상기 제1 가요부와 제2 가요부에 수직으로 배치된 상기 제3 가요부와 제4 가요부는 각각의 Y축 가속도 검지용 반도체 피에조 저항 소자가 형성되어, Y축 방향의 가속도를 검지할 수 있다.
상기 각속도센서(350)는, 상부캡용 기판(30)을 포함한 X, Y, Z축의 각속도를 측정하는 3축 센서로서, 각의 움직임을 감지한다. 이러한, 각속도센서(350)는 미세한 각속도를 검출하기 위해서 고분해능이며, 소형이어야 한다.
예를 들면, 상기 각속도센서(350)는 센서질량체(353), 프레임(355) 및 가요부(357)를 포함한다.
상기 센서질량체(353)는 코리올리힘에 의해서 변위가 발생하는 것으로, 동일한 크기 및 형상으로 이루어진 제1 질량체와 제2 질량체를 포함한다. 상기 제1, 제2 질량체는 전체적으로 사각기둥 형상으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1, 제2 질량체에 각각 연결된 가요부(357)가 프레임(355)에 각각 연결됨에 따라, 상기 제1, 제2 질량체는 프레임(355)에 지지 된다. 이를 위해 상기 프레임(355)은 센서질량체(353)가 내재 될 수 있고, 가요부(357)에 의해 센서질량체(353)와 연결된다.
상기 프레임(355)은 가요부(357)에 의해 연결된 상기 제1, 제2 질량체가 각각 변위를 일으킬 수 있는 공간을 확보해주고, 상기 제1, 제2 질량체가 변위를 일으킬 때 기준이 된다. 그리고 상기 프레임(355)은 가요부(357)와 동일한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 프레임(355)은 센서질량체(353)의 일부만을 커버하도록 형성될 수도 있다. 또한, 상기 프레임(355)은 중심에 사각기둥 형상의 공동(空洞)이 형성된 사각기둥 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 가요부(357)는 센서질량체(353)의 각의 변위를 감지하는 감지수단이 구비될 수 있다. 또한, 상기 가요부(357)는 센서질량체(353)의 진동 변위를 측정하기 위해서, 센서질량체(353)의 중심에서 일정 거리가 떨어진 위치에 서로 분리 배치될 수 있다. 여기서, 상기 감지수단은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압전 방식, 압저항 방식, 정전용량 방식, 광학 방식 등을 이용하도록 형성할 수 있다.
이하, 실시 예에 따른 다축센서의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명할 것이다.
도 4는 실시 예에 따른 다축센서의 지자계센서의 형성방법을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 다축센서의 제조방법은 3축 지자계센서(100)를 SIP 방식으로 형성한다.
그리고 도 5는 실시 예에 따른 다축센서의 지자계센서가 임베디드되는 공정을 나타낸 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 임베디드 기판(I)에 지자계센서(100)를 임베디드한다. 여기서, 상기 임베디드 기판(I)은 절연층(I1), 코어층(I2) 및 빌드업층(I3)을 포함한다.
예를 들면, 상기 코어층(I2) 소정영역에 지자계센서(100)를 수용하기 위한 캐비티를 형성하고, 코어층(I2)의 하면에 지자계센서(100)를 지지하기 위한 절연층(I1)을 증착한다. 여기서, 상기 캐비티는 지자계센서(100)의 크기보다 다소 크게 형성할 수 있다. 상기 캐비티 형성 공정은 레이저 드릴 또는 비교적 저렴한 라우터 및 펀칭 등을 사용하여 진행할 수 있다. 한편, 상기 절연층(I1)은 코어층(I2)의 하면에 증착되어 상기 캐비티의 하단부를 폐쇄한다.
그리고, 상기 캐비티 내부의 절연층(I1) 상에 지자계센서(100)를 실장 한다. 그 후, 상기 절연층(I1)과 코어층(I2)을 선택 식각하여 복수의 관통홀(410)을 형성하고, 상기 코어층(I2) 상의 소정영역에 복수의 배선패턴(430)을 형성한다.
여기서, 상기 관통홀(410)은 절연층(I1)과 코어층(I2)을 수직으로 관통한다. 그리고 상기 배선패턴(430)은 지자계센서(100)의 상부에 배치하여 지자계센서(100)와 관통홀(410) 사이에 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 상기 배선패턴(430)을 지자계센서(100)의 하부에 배치하여 지자계센서(100) 및 관통홀(410)과 전기적으로 연결할 수도 있다. 즉, 상기 절연층(I1) 내부에 배선패턴(430)을 형성하고 절연층(I1) 상부에 지자계센서(100)를 실장 함으로써, 상기 배선패턴(430)을 지자계센서(100)의 하부에 배치할 수 있다.
계속해서, 상기 관통홀(410) 및 배선패턴(430)을 포함한 코어층(I2)의 상면에는 절연층인 빌드업층(I3)을 적층 한다. 여기서, 상기 빌드업층(I3)은 에폭시수지 및 글라스(glass)와 같은 보강기재로 형성할 수 있다.
계속해서, 도 6은 실시 예에 따른 다축센서의 제2 센서부의 형성방법을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 센서부인 관성센서(300)를 하부캡용 기판(10)에 WLP 방식으로 직접 형성한다. 여기서, 상기 관성센서(300)는 3축 가속도센서(330)와 3축 각속도센서(350)로 이루어진 6축 관성센서이다. 한편, 상기 관성센서(300)와 지자계센서(100)의 형성공정에 있어서, 상술한 바와 같이 WLP 방식 또는 SIP 방식으로 각각 별도의 공정으로 형성하기 때문에, 그 형성순위는 결정된 것이 아니다. 예를 들면, 상기 관성센서(300)를 하부캡용 기판(10)에 WLP 방식으로 먼저 형성하여 마련한 후, 지자계센서(100)를 SIP 방식으로 형성하고 임베디드 기판(I)에 임베디드할 수도 있다.
상기 관성센서(300)는 물, 공기 등이 유입되는 것을 방지하는 허메틱 실이 필요하기 때문에, 하부캡용 기판(10)에 WLP 방식으로 형성한다. 즉, 허메틱 실이 적용되는 관성센서(300)의 형성공정은 웨이퍼 레벨 본딩(WLB: Wafer Level Bonding) 공정이 필요하다.
상기 WLP 방식은 웨이퍼 레벨에서 하부캡용 기판(10)과 상부캡용 기판(30)의 두 개의 웨이퍼를 이용하여 6축 관성센서(300)의 허메틱 실을 구현한 후 웨이퍼 레벨로 다이싱하기 때문에, 절단작업 시 상기 6축 관성센서(300)에 공기, 먼지, 입자, 수분 등이 점착되거나 유입될 염려가 없다.
상기 WLP 방식은, 6축 관성센서(300)가 분리되지 않은 웨이퍼 상에서 조립까지 끝마치는 패키지 방식으로서, 웨이퍼 상의 각각의 관성센서 위에 감광성 절연물질을 코팅하고, 배선을 연결한 후 상기 관성센서를 보호하는 상부캡용 기판(30)과 하부캡용 기판(10)을 접합하는 간단한 절차로 패키지 할 수 있다. 이에, 상기 WLP 방식은 배선 연결, 플라스틱 패키지와 같은 조립과정이 단축되어 상기 6축 관성센서(300)를 보호하는 패키지 제작공정이 단순화되고, 더욱이 기존의 형성공정에 쓰이던 플라스틱, 회로기판, 배선연결용 와이어 등도 필요가 없게 되어 대폭적인 원가절감을 실현할 수 있다. 특히, 상기 WLP 방식은 상기 6축 관성센서(300)와 일관 공정으로 패키지 공정이 진행되기 때문에 패키지 크기를 줄일 수 있어 소형화가 가능하다.
계속해서, 도 7은 실시 예에 따른 다축센서의 제2 센서부가 형성된 하부캡용 기판을 임베디드 기판상에 접합하는 공정을 나타낸 단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 지자계센서(100)가 임베디드된 임베디드 기판(I) 상에 관성센서(300)가 형성된 하부캡용 기판(10)을 접합한다.
그리고 미도시 되었으나, 그 후속 공정으로서, 상기 임베디드 기판(I) 하부에 솔더볼 패드(450) 및 솔더볼(470)을 형성한다. 여기서, 상기 지자계센서(100)의 신호는 임베디드 기판(I) 내부의 전기배선을 통하여 솔더볼 패드(450)로 바로 연결될 수도 있다.
또한, 금속 캔(Metal Can) 혹은 에폭시 등으로 몰딩(Molding)을 하는 Plastic PKG 공정을 진행한다. 여기서, 상기 임베디드 기판(I) 상에 하부캡용 기판(10)의 접합에 있어서, ACF 등의 수직통전형의 에폭시를 적용하여 갭필링함으로써, 패키지 면적을 최소화할 수 있다. 그리고 상술한 공정을 진행하여 9축센서를 완성할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 실시 예에 따른 다축센서는 허메틱 실을 가지는 6축 관성센서로 이루어진 제1 센서가 WLP 방식으로 직접 형성된 하부캡용 기판과 3축 지자계센서를 임베디드한 임베디드 기판을 포함함으로써, 상기 하부캡용 기판이 상기 임베디드 기판상에 접합 된 구조의 9축 센서가 형성될 수 있어서, 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있다.
즉, 실시 예에 따른 다축센서는 3축 지자계센서가 임베디드 기판에 임베디드되기 때문에, 3축 지자계센서가 6축 관성센서 상에 배치된 구조보다 9축 센서의 높이가 낮아지고 또한, 3축 지자계센서가 6축 관성센서 일측에 배치된 구조보다 9축 센서의 넓이가 작아져 소형화를 이룰 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 다축센서는 6축 관성센서를 WLP 방식으로 하부캡용 기판에 직접 형성함으로써, 6축 관성센서의 소요 면적을 줄일 수 있기 때문에, 관성센서 각각을 SIP 방식으로 형성한 후, 상기 하부캡용 기판상에 각각 실장 시켜 이루어진 6축 관성센서보다 사이즈를 감소시켜 소형화를 달성함과 동시에 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 3축 가속도센서 및 3축 각속도센서를 각각의 SIP 방식으로 형성하는 방법으로 이루어진 6축 관성센서는 상기 SIP 방식으로 형성된 각 센서마다의 소요 면적 등에 의해 그 크기를 작게 하는 것에 한계가 있다.
또한, 실시 예에 따른 다축센서는 허메틱 실을 가지며 6축 관성센서를 WLP 방식으로 하부캡용 기판에 직접 형성함으로써, SIP 방식으로 형성한 후 하부캡용 기판에 실장 시켜 이루어진 6축 관성센서보다 제조공정수를 단축시킬 수 있어 저비용으로 생산할 수 있고, 대량으로 일괄 생산하여 생산성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 3축 가속도센서 및 3축 각속도센서를 각각의 SIP 방식으로 형성하는 방법으로 이루어진 관성센서는 하나하나 제작된 센서를 다이본딩 등을 이용하여 PCB 등의 하부캡용 기판에 실장하고 이를 와이어본딩으로 전기적 연결을 한 후 최종적으로 메탈캔 또는 플라스틱 패키지로 하나의 모듈로 제작을 한다. 이러한, 관성센서는 하나하나 개별 패키지의 작업이 필요함으로써 패키지 비용이 증가하는 등 각각의 센서를 실장하고 연결하는 패키지 공정의 제작 단가가 높고 또한 패키지공정의 스루풋(Through put)이 느려 대량생산이 어렵다.
또한, 실시 예에 따른 다축센서는 하부캡용 기판으로서 사용된 ASIC에 6축 관성센서를 형성하고 상기 ASIC이 3축 지자계센서를 임베디드한 임베디드 기판상에 접합 됨으로써, 상기 9축 센서와 ASIC을 서로 근접하게 배치할 수 있기 때문에, 소형화를 이룰 수 있고, 소비 전력을 줄일 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 다축센서는 허메틱 실을 가지는 6축 관성센서를 WLP 방식으로 기판에 형성함으로써, 6축 관성센서를 저비용으로 대량생산할 수 있고, 6축 관성센서를 소형화시킬 수 있으며, 허메틱 실의 성능에 대한 신뢰성 및 성능이 향상될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 다축센서는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 하부캡용 기판 30 : 상부캡용 기판
100 : 지자계센서 300 : 관성센서
330 : 가속도센서 331 : 질량체부
333 : 가요성 빔부 350 : 각속도센서
353 : 센서질량체 355 : 프레임
357 : 가요부 410 : 관통홀
450 : 솔더볼 패드 470 : 솔더볼

Claims (17)

  1. 임베디드 기판에 임베디드 되어 위치를 감지하는 제1 센서부; 및
    상기 임베디드 기판상에 접합 된 하부캡용 기판에 웨이퍼 레벨 패키지(WLP: Wafer Level Package) 방식으로 형성되어 관성력을 감지하는 제2 센서;
    를 포함하는 다축센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 임베디드 기판과 상기 하부캡용 기판은 수직통전형의 에폭시(Epoxy)가 개재되어 갭필링(gap filling)되며 서로 접합 되는 다축센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 임베디드 기판 및 상기 하부캡용 기판 각각은 길이방향의 길이가 2㎜ ~ 4㎜이고, 폭방향의 길이가 1㎜ ~ 2㎜인 다축센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 임베디드 기판은 높이가 100㎛ ~ 300㎛인 다축센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부캡용 기판은 수평/수직방향으로 형성된 전기적 배선을 포함하며, 허메틱 실 본딩(Hermetic Seal Bonding)이 가능한 재질로 형성되는 다축센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부캡용 기판은 엘티씨씨(LTCC: Low temperature co-fired ceramic), 유리(Glass), 인터포져(Interposer), 응용 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit) 및 실리콘(Silicon) 중 어느 하나로 형성되는 다축센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 센서부는 싱글 인라인 패키지(SIP: single-in-line package) 방식으로 형성되어 위치를 감지하는 3축 지자계센서인 다축센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 지자계센서는 넓이가 1㎡ ~ 1.5㎡ 인 다축센서.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 지자계센서의 일면에는 전극패드가 형성되며,
    상기 지자계센서는 상기 전극패드가 외부에 노출되도록 상기 일면에 대향하는 타면이 상기 임베디드 기판에 형성된 캐비티 내에 접합하여 임베디드되는 다축센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전극패드는 상기 지자계센서의 상하면 또는 양 측면에 형성되는 다축센서.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 지자계센서보다 넓게 형성되는 다축센서.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 임베디드 기판은
    상기 캐비티가 형성된 코어층;
    상기 코어층의 하면에 증착되어 상기 지자계센서를 지지하는 절연층;
    상기 코어층 상에 형성되며 상기 캐비티 내에 접합하여 임베디드된 지자계센서와 전기적으로 연결되는 복수의 배선패턴; 및
    상기 지자계센서를 포함한 상기 코어층의 상면에 적층 되는 빌드업층;
    을 포함하는 다축센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 임베디드 기판은 상기 빌드업층, 상기 코어층 및 상기 절연층을 수직으로 관통하여 형성되며, 상기 배선패턴을 통하여 상기 지자계센서와 전기적으로 연결되는 복수의 관통홀을 더 포함하는 다축센서.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 임베디드 기판은
    상기 캐비티가 형성된 코어층;
    상기 코어층의 하면에 상기 지자계센서를 지지하기 위한 절연층; 및
    상기 절연층 내부에 형성되며 상기 캐비티 내에 접합하여 임베디드된 지자계센서와 전기적으로 연결되는 배선패턴;
    을 포함하는 다축센서.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 센서부는 3축 가속도센서와 3축 각속도센서를 포함하는 다축센서.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 센서부는 유리, 질화규소(silicon nitride) 및 금속 중 어느 하나로 형성된 허메틱 실을 포함하는 다축센서.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 센서부는 상부캡용 기판 및 상기 하부캡용 기판을 포함하며,
    상기 상부캡용 기판 및 상기 하부캡용 기판 각각은 응용 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit)로 이루어지는 다축센서.
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