KR20160006494A - 와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브 - Google Patents

와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브 Download PDF

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electrode
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강성찬
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박상하
신형재
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Abstract

와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브가 개시된다. 개시된 프로브는 제1면 상에서 마주보는 양측에 형성된 복수의 제1 전극패드를 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT) 칩과, 상기 CMUT 칩의 상기 제1면 상에 배치되며 상기 복수의 제1 전극패드를 노출시키는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판 상에서 상기 복수의 제1 전극패드와 대응되게 형성된 복수의 제2 전극패드와, 서로 대응되는 상기 제1 전극패드와 상기 제2 전극패드를 연결시킨 복수의 와이어를 포함한다.

Description

와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브{Capacitive micromachined ultrasonic transducer probe using wire-bonding}
개시된 실시예는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 칩과 인쇄회로기판을 와이어 본딩으로 연결한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브에 관한 것이다.
정전용량 미세가공 초음파 변환기(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer: CMUT)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환하는 장치이다.
초음파 프로브를 제조하기 위해 CMUT를 전기회로와 본딩한다. 본딩 방법으로는 와이어 본딩과 플립칩 본딩을 할 수 있다. CMUT와 인쇄회로기판을 연결하는 경우, 플립칩 본딩을 이용시 공정이 복잡하고 제조비용이 증가할 수 있다.
한편, 와이어 본딩을 이용하는 경우 와이어 본딩을 위한 면적이 더 필요할 수 있으며, 이에 따라 초음파 프로브에서 CMUT의 유효 면적이 감소되어 측정 품질이 낮아질 수 있다.
초음파 프로브의 크기는 측정 대상에 따라 그 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어 심장측정용 초음파 프로브의 경우 사람의 갈비뼈 사이에 초음파 프로브가 위치해야 하므로, 그 짧은 측정부의 크기가 대략 20mm 이하로 정해질 수 있다. 따라서 초음파 프로브 안에 장착할 수 있는 CMUT 칩의 면적도 제한된다. 초음파 음압의 크기와 초음파 프로브의 초점 거리의 조절 등이 CMUT 칩의 active 면적에 의존되므로, CMUT 칩의 유효면적을 최대화할 필요가 있다.
CMUT 칩의 일면에 CMUT 칩의 전극패드를 노출시키는 인쇄회로기판을 설치하여 CMUT 칩과 인쇄회로기판을 와이어 본딩을 하여 CMUT의 유효 면적을 증가시킨 정전용량 미세가공 초음파 변환기 모듈을 제공한다.
일 실시예에 따른 와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브는:
제1면 상에서 마주보는 양측에 형성된 복수의 제1 전극패드를 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT) 칩;
상기 CMUT 칩의 상기 제1면 상에 배치되며 상기 복수의 제1 전극패드를 노출시키는 인쇄회로기판;
상기 인쇄회로기판 상에서 상기 복수의 제1 전극패드와 대응되게 형성된 복수의 제2 전극패드; 및
서로 대응되는 상기 제1 전극패드와 상기 제2 전극패드를 연결시킨 복수의 와이어;를 포함한다.
상기 CMUT 칩은 제1방향으로 일 열로 배치된 복수의 채널을 포함하며, 각 채널은 상기 제1방향과 직교하는 제2방향으로 일정 간격으로 배치된 적어도 2개의 제3 전극패드를 포함하며, 인접한 채널들의 상기 제3 전극패드는 상기 제2 방향에서 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
대응되는 상기 제1 전극패드 및 상기 제3 전극패드를 연결하는 복수의 제1 연결배선을 더 포함할 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 각 채널은 상기 적어도 2개의 제3 전극패드를 상기 제2방향으로 서로 연결하는 제2 연결배선을 더 포함한다.
상기 제1 전극패드 및 상기 제1 연결배선은 각 채널에서 일측에만 배치될 수 있다.
각 채널의 상기 제1 전극패드 및 상기 제1 연결배선은 상기 CMUT 칩의 양측에서 교번적으로 배치될 수 있다.
상기 인쇄회로기판의 마주보는 양측에는 상기 복수의 제1 전극패드들이 2열로 지그재그로 배열될 수 있다.
상기 제1 전극패드가 상기 제2 전극패드 보다 면적이 더 넓다.
상기 인쇄회로기판은 상기 CMUT 칩 보다 크기가 작다.
상기 CMUT 칩의 전면과 적어도 일부 측면을 감싸며 측정 대상물과 접촉하는 볼록부를 포함하는 음향 렌즈; 및
상기 RTV 렌즈의 측면을 감싸며 상기 볼록부를 노출시키는 케이싱을 더 포함한다.
실시예에 따른 와이어 본딩을 이용한 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브는 CMUT 칩과 인쇄회로기판의 전기적 연결이 CMUT 칩의 배면에서 이루어지므로 CMUT 칩의 액티브 영역이 거의 케이싱내 면적을 다 차지하므로 CMUT 칩의 유효 면적이 극대화된다. 따라서, CMUT 프로브의 측정 품질이 향상될 수 있다.
또한, 와이어 본딩으로 CMUT 칩과 인쇄회로기판을 전기적으로 연결하므로, 제조공정이 용이해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 CMUT 프로브의 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 도 1의 CMUT 칩의 일 예를 보여주는 단면도다.
도 3은 도 1의 CMUT 칩의 평면도다.
도 4는 도 1의 CMUT 칩 및 인쇄회로기판이 결합된 구조의 일부 평면도다.
도 5는 다른 실시예에 따른 CMUT 칩 및 인쇄회로기판이 결합된 구조의 일부 평면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브(CMUT 프로브)(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 1을 참조하면, CMUT 프로브(100)는 CMUT 칩(110)과 인쇄회로기판(130)을 포함한다. CMUT 칩(110)은 멤브레인(112)이 형성된 액티브 면과 반대면인 제1면(110a)에 각 엘리먼트에 전기적 연결을 위한 제1 전극패드(115)가 형성되어 있다. 제1면(110a) 상에 인쇄회로기판(130)이 배치된다. 인쇄회로기판(130)은 CMUT 칩(110)에 에폭시와 같은 접착제로 부착될 수 있다. CMUT 칩(110)의 액티브 면에는 멤브레인(112)과 공통전극인 상부전극(114)이 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 CMUT 칩(110)의 일 예를 보여주는 단면도다.
도 2를 참조하면, CMUT 칩(110)은 TSV 기판(210)과 TSV 기판(210)에 본딩된 디바이스 기판(240)을 포함할 수 있다. 디바이스 기판(240)은 TSV 기판(210) 상에 본딩될 수 있다. TSV 기판(210) 및 디바이스 기판(240)은 유테틱 본딩(eutectic bonding)으로 결합될 수 있다.
TSV 기판(210)은 실리콘 기판으로 이루어지고 복수의 관통홀(through hole)(212)이 형성될 수 있다. CMUT 칩(110)은 복수의 엘리먼트(E)를 포함한다. TSV 기판(210)에는 각 엘리먼트(E)에 대응되는 관통홀들(212)이 형성될 수 있다. 관통홀들(212) 및 TSV 기판(210)의 표면에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 관통홀들(212)에는 비아 메탈(214)이 채워져 있다.
디바이스 기판(240)은 도전성 재질로 형성되며, 그 두께는 수십 ㎛일 수 있다. 디바이스 기판(240)의 두께는 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 디바이스 기판(240)은 불순물이 고농도로 도핑된 저저항 실리콘으로 이루어질 수 있다. 디바이스 기판(240)은 하부 전극으로 사용될 수 있다.
디바이스 기판(240)은 그 상면에 형성된 절연층(242)과 캐버티(C)를 형성하는 지지부(250)와 지지부(250) 상에서 캐버티(C)를 덮는 멤브레인(260)을 포함할 수 있다. 멤브레인(260) 상에는 상부전극(270)이 형성될 수 있다. 멤브레인(260)은 실리콘으로 형성될 수 있다. 지지부(250)는 절연물질로 형성될 수 있다. 지지부(250)는 예를 들어, 산화물, 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 2에서 절연층(242)은 디바이스 기판(240) 상면에 형성되어 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 절연층(242)은 멤브레인(254) 및 지지대(244) 사이에 형성될 수도 있다.
상부전극(270)은 Au, Cu, Sn, Ag, Al, Pt, Ti, Ni, Cr 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
절연층(242)은 예를 들어, 산화물, 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
도 2에는 하나의 엘리먼트(E)에 두 개의 캐버티(C)가 형성된 것을 도시하였으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예컨대 하나의 엘리먼트(E)에 하나 또는 복수 개의 캐버티(C)가 형성될 수 있다.
디바이스 기판(240)의 하부에는 비아 메탈(214)과 연결되게 본딩패드(220)가 형성된다. 본딩패드(220)는 유테틱 본딩 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Au-Sn 유테틱 물질로 형성될 수 있다.
TSV 기판(210)의 하부에는 비아 메탈(214)과 연결된 제3 전극패드(216)가 형성되어 있다. 제3 전극패드(216)에는 구동 신호전압이 인가될 수 있다. 상부 전극(270)에는 그라운드 전압이 인가될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 인쇄회로기판(130)은 CMUT 칩(110) 상에 배치되어서 제1 전극패드들(115)을 노출시킨다. 즉, CMUT 칩(110)의 면적은 인쇄회로기판(130)의 면적보다 크다. 인쇄회로기판(130) 상에는 제1 전극패드(115)와 대응되는 제2 전극패드(135)가 형성되어 있다. 제2 전극패드(135)는 제1 전극패드(115)와 와이어(140)로 본딩되어 있다. 와이어 본딩은 제2 전극패드(135)로부터 시작해서 제1 전극패드(115)로 진행될 수 있다. 제2 전극패드(135)는 제1 전극패드(115) 보다 작은 면적에 형성될 수 있다.
CMUT 칩(110)의 상부전극(114) 상에는 음향 렌즈(150)가 배치될 수 있다. 음향 렌즈(150)는 실리콘 고무로 형성될 수 있다. 음향 렌즈(150)로부터 연장된 보호부재(152)는 CMUT 칩(110)의 측면을 감싸도록 형성될 수 있다. 음향 렌즈(150) 상에는 음향렌즈(150)의 볼록부(154)를 노출시키는 케이싱(160)이 형성될 수 있다. 케이싱(160)은 플라스틱으로 형성될 수 있다.
인쇄회로기판(130)에서 음향렌즈(150)와 마주보게 방열 부재(170)가 형성될 수 있다. 방열 부재(170)는 전도성이 좋은 금속, 예컨대 알루미늄으로 형성될 수 있다.
보호부재(152) 및 방열 부재(170) 사이에서 CMUT 칩(110) 및 인쇄회로기판(130) 상에는 와이어(140)를 덮으면서 보호하는 패킹부재(180)가 형성될 수 있다. 패킹부재(180)는 에폭시로 형성될 수 있다.
볼록부(154)는 CMUT 프로브(100)의 일 방향에서 소정의 곡률로 볼록하게 형성될 수 있다. 이 볼록부(154)의 길이는 CMUT 칩(110)의 길이와 거의 동일하게 형성될 수 있다. CMUT 칩(110)의 외주는 보호부재(152)의 내주에 접촉하게 형성된다. 즉, CMUT 칩(110)은 CMUT 프로브(100)의 내면을 다 차지하게 형성되므로, CMUT 칩의 유효면적이 상대적으로 크다.
도 3은 도 1의 CMUT 칩(110)의 평면도다. 도 1 및 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명을 생략할 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 제3 전극패드들(117)이 CMUT 칩(110)의 제1면(110a) 상으로 형성되어 있다. CMUT 칩(110)은 복수 개, 예컨대 80개 또는 128개 채널로 이루어질 수 있다. 이들 복수 개의 채널은 1차원적으로 배치될 수 있다. 이하에서는 80개 채널로 이루어진 CMUT 칩(110)을 가지고 설명한다.
80개의 채널은 제1방향(화살표 X방향)으로 순차적으로 형성될 수 있다. 도 3에는 편의상 6개의 채널(CH1~CH6)만 도시하였다. 각 채널에는 하나의 엘리먼트가 형성될 수 있다. 각 채널에는 전원공급을 위한 제3 전극패드(117)가 하나 또는 복수 개로 형성될 수 있다. 도 2에서는 각 채널은 2개의 제3 전극패드(117)를 포함한다. 하나의 채널에 복수 개, 예컨대 2개의 제3 전극패드(117)를 형성하는 것은 하나의 제3 전극패드(117)에서 전기적 실패(failure)가 일어나더라도 나머지 제3 전극패드(117)가 전원 공급 역할을 할 수 있기 때문이다. 제3 전극패드(117)는 도 2의 제3 전극패드(216)에 대응되는 것이다.
한 채널의 복수 개의 제3 전극패드(117)는 인접한 채널과의 사이에 공간 확보를 위해서 도 3에서처럼 인접한 제3 전극패드들(117)이 제2방향(화살표 Y방향)에서 균일하게 이격되어 있다. 예컨대, 4개의 인접한 채널은 서로 균일하게 제1방향 및 제2방향으로 이격되게 형성될 수 있다. 이러한 배치가 반복될 수 있다.
각 제3 전극패드(117)는 대향하는 CMUT 칩(110)의 에지로 연장되어서 제1 전극패드(115)와 연결된다. 제1 전극패드(117)와 제1 전극패드(115)는 제1 연결배선(116)으로 연결될 수 있다. 제1 연결배선(116)은 제2방향에 나란하게 형성될 수 있다.
제1 전극패드들(115)은 서로 지그재그로 2열로 배치될 수 있다. 이는 비교적 큰 면적을 차지하는 제1 전극패드들(115)이 1열로 배치되는 경우 제1 전극패드들(115) 사이의 단락이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다.
제3 전극패드들(117)과 이격되게 적어도 하나의 다른 전극패드(미도시)가 형성되어서 CMUT 칩(110)의 상부전극(114)에 그라운드 전압을 인가할 수 있다.
도 4는 도 1의 CMUT 칩(110) 및 인쇄회로기판(130)이 결합된 구조의 일부 평면도다. 도 1 내지 도 3의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명을 생략할 수 있다.
도 4를 참조하면, CMUT 칩(110)의 제1면(110a) 상에 인쇄회로기판(130)이 본딩되어 있다. CMUT 칩(110) 보다 인쇄회로기판(130)의 면적이 작으며, CMUT 칩(110)의 제1 전극패드들(115)은 인쇄회로기판(130)에 의해 노출 된다. 인쇄회로 기판(130) 상에는 제1 전극패드들(115)과 대응되는 제2 전극패드들(135)이 형성되어 있다. 제2 전극패드들(135)은 상대적으로 제1 전극패드들(115) 보다 작으므로 일 열로 배치될 수 있다. 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 제1 전극패드들(115)과 제2 전극패드들(135)은 다양하게 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 전극패드들(115)과 대응되게 제2 전극패드들(135)들도 지그재그로 2열로 배치될 수 있다.
제2 전극패드들(135)과 제1 전극패드들(115)은 와이어(140)로 연결된다. 와이어 본딩시 제2 전극패드(135)로부터 시작해서 와이어(140)가 제1 전극패드(115)에 연결될 수 있으므로, 제2 전극패드(135)의 크기는 제1 전극패드(115)의 크기 보다 작을 수 있다.
실시예에 따른 CMUT 프로브(100)는 CMUT 칩(110)과 인쇄회로기판(130)의 전기적 연결이 CMUT 칩(110)의 배면에서 이루어지므로 CMUT 칩(110)의 액티브 영역이 거의 케이싱(160) 내 면적을 다 차지하며 와이어 본딩으로 전기적으로 연결되므로, CMUT 칩(110)의 유효 면적이 매우 높다. 따라서 CMUT 프로브(100)의 측정 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 CMUT 칩(210) 및 인쇄회로기판(230)이 결합된 구조의 일부 평면도다. 도 1 내지 도 4의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명을 생략할 수 있다.
도 5를 참조하면, CMUT 칩(210)의 제1면(210a) 상에서 각 채널의 제3 전극패드들(117)이 제2 연결배선(219)으로 전기적으로 연결되어 있다. 제2 연결 배선(219)은 제3 전극패드들(117)과 제1 연결배선(116)의 형성 공정에서 함께 금속층을 패터닝하여 형성할 수 있다. 각 채널 영역에서 제1 전극패드(115)는 인쇄회로기판(150)의 마주보는 양측에서 일 측에 하나만 형성될 수 있으며, 제2 전극패드(135)도 대응되는 제1 전극패드(115)에 인접하게 형성될 수 있다. 또한, 도 5에서 보는 것처럼, 각 채널의 제1 전극패드(115) 및 제1 연결배선(116)은 CMUT 칩(210)의 양측에 교번적으로 형성될 수 있다. 대응되는 제1 전극패드(115)와 제2 전극패드(135)는 와이어(140)로 전기적으로 연결된다.
도 5의 CMUT 칩(210) 및 인쇄회로기판(230)은 제1 전극패드(115), 제2 전극패드(135) 및 그 사이의 와이어(140) 수가 도 4의 CMUT 칩(110) 및 인쇄회로기판(130)과 비교하여 반으로 줄어들며, 배선의 설계가 더 용이해 질 수 있다.
실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 4에서 각 채널의 제3 전극패드들(117)을 연결하는 제2 연결배선(219)이 더 형성된 구조일 수도 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브
110: CMUT 칩 112: 멤브레인
114: 상부전극 115: 제1 전극패드
130: 인쇄회로기판 135: 제2 전극패드
140: 와이어 150: 음향 렌즈
160: 케이싱 170: 방열 부재
180: 패킹 부재

Claims (10)

  1. 제1면 상에서 마주보는 양측에 형성된 복수의 제1 전극패드를 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT) 칩;
    상기 CMUT 칩의 상기 제1면 상에 배치되며 상기 복수의 제1 전극패드를 노출시키는 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판 상에서 상기 복수의 제1 전극패드와 대응되게 형성된 복수의 제2 전극패드; 및
    서로 대응되는 상기 제1 전극패드와 상기 제2 전극패드를 연결시킨 복수의 와이어;를 구비하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 프로브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 CMUT 칩은 제1방향으로 일 열로 배치된 복수의 채널을 포함하며, 각 채널은 상기 제1방향과 직교하는 제2방향으로 일정 간격으로 배치된 적어도 2개의 제3 전극패드를 포함하며, 인접한 채널들의 상기 제3 전극패드는 상기 제2 방향에서 일정 간격을 두고 배치된 초음파 변환기 프로브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    대응되는 상기 제1 전극패드 및 상기 제3 전극패드를 연결하는 복수의 제1 연결배선을 더 구비하는 초음파 변환기 프로브.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 채널은 상기 적어도 2개의 제3 전극패드를 상기 제2방향으로 서로 연결하는 제2 연결 배선을 더 구비하는 초음파 변환기 프로브.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 전극패드 및 상기 제1 연결배선은 각 채널에서 일측에만 배치된 초음파 변환기 프로브.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각 채널의 상기 제1 전극패드 및 상기 제1 연결배선은 상기 CMUT 칩의 양측에 교번적으로 배치된 초음파 변환기 프로브.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 마주보는 양측에는 상기 복수의 제1 전극패드들이 2열로 지그재그로 배열된 초음파 변환기 프로브.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극패드가 상기 제2 전극패드 보다 면적이 더 넓은 초음파 변환기 프로브.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 상기 CMUT 칩 보다 크기가 작은 초음파 변환기 프로브.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 CMUT 칩의 전면과 적어도 일부 측면을 감싸며 측정 대상물과 접촉하는 볼록부를 포함하는 음향 렌즈; 및
    상기 RTV 렌즈의 측면을 감싸며 상기 볼록부를 노출시키는 케이싱을 더 포함하는 초음파 변환기 프로브.
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