KR20160061842A - 가스 센서 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20160061842A
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gas sensor
metal layer
sensor chip
insulating substrate
electrode terminals
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KR1020140164815A
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백지흠
황지훈
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 플립칩 본딩 구조를 갖는 반도체형 가스 센서를 포함하는 가스 센서 패키지에 관한 것으로, 가스 센서 패키지는, 절연기판, 절연기판의 일면상의 금속층, 금속층에 배치되어 금속층을 복수 개로 분리하는 단차부, 단차부 상에서 금속층에 전극단자가 연결되는 가스센서칩, 및 단차부와 마주하는 가스센서칩의 타면에 배치되는 센싱부를 포함하며, 여기서 단차부는 가스센서칩과 절연기판 사이에 센싱부를 경유하는 공기 유동 채널로 기능하며, 단차부의 폭은 가스센서칩의 복수의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이 간격의 일정 비율 이상으로 배치된다.

Description

가스 센서 패키지 및 그 제조 방법{Gas Sensor Package and Manufacturing Method thereof}
본 발명의 실시예들은 가스 센서 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플립칩 본딩 구조를 갖는 반도체형 가스 센서를 포함하는 가스 센서 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 작동 원리에 따라 반도체형, 진동자형, 고체전해질형, 전기화학형, 접촉연소형 등으로 분류된다. 그 중에 반도체형 가스센서는 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기저항과 일함수 등의 변화를 이용해 특정의 화학적 성분을 검출한다. 세라믹반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용 온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 센서에 이용되고 있다. 반도체형 가스센서는 가연성 가스에 응답을 나타내어 감지되는 가스의 종류가 많고, 센서 제작이 용이하고 검출 회로 구성이 간단하며, 상온에서 안정적인 열적 특성을 나타내는 장점이 있다.
반도체형 가스센서는 가스 센싱 물질이나 센싱 칩을 기판상에 실장한 패키지 구조를 가지며, 센싱부이나 센싱칩의 상면 보호를 위한 별도의 캡(Cap)을 필요로 한다. 캡 상부에는 미세한 망으로 형성된 메시(Mesh)가 설치되어 다수의 홀을 통해 케이스 내부가 외부와 통기 가능하게 구성된다.
그러나, 전술한 반도체형 가스센서는 센서칩과 전극을 연결하기 위해 와이어 본딩 방식을 사용하기 때문에 상부 구조의 높이가 커지고, 그에 의해 센서 칩의 사이즈에 비해 전체 패키지의 사이즈가 수 배 내지 수십 배 이상 커지는 단점이 있다. 이러한 반도체형 가스센서는 소형 전자제품이나 정보기술(IT)의 응용 분야에 아직까지 적용하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 일실시예에서는 기판상에 가스센서칩을 플립칩 본딩 방식으로 실장함으로써 기존 패키지 구조에 비해 패키지 구조의 높이를 낮추어 슬림화하고 사이즈를 감소시켜 장치를 소형화할 수 있으며, 가스센서칩 하부의 기판상에 공기 유동 채널을 형성함으로써 통기 경로를 확보하여 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가스 센서 패키지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는 플립칩 본딩 방식을 이용한 가스 센서용 패키지 구조에서 금속 갭의 유출공을 가스센서칩 상부에 배치함으로써 통기 경로를 효과적으로 제어할 수 있는 가스 센서 패키지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 캡과 금속층 사이에 배치되는 에폭시 접합부재를 이용하여 금속층 상의 가스센서칩이나 저항기의 접착력을 증대시킬 수 있는 가스 센서 패키지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일측면에 따른 가스 센서 패키지는, 절연기판; 절연기판의 일면상의 금속층; 금속층에 배치되어 금속층을 복수 개로 분리하는 단차부; 단차부 상에서 금속층에 전극단자가 연결되는 가스센서칩; 및 단차부와 마주하는 가스센서칩의 타면에 배치되는 센싱부를 포함하며, 여기서 단차부는 가스센서칩과 절연기판 사이에 센싱부를 경유하는 공기 유동 채널로 기능하며, 단차부의 폭은 가스센서칩의 복수의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이 간격의 일정 비율 이상으로 배치될 수 있다.
일실시예에서, 단차부의 단차 또는 깊이는 금속층의 단차를 포함하거나 금속층의 단차에 더하여 금속층의 단차에 대응하는 절연기판의 단차와 솔더 높이 및 센싱부의 단차를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 가스센서칩은 일면 중심부에 홈을 가진 용기 형태를 구비하고, 센싱부는 가스센서칩의 일면의 반대측 면인 타면 상에서 복수의 전극단자의 중심부에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 가스 센서 패키지의 제조 방법은, 절연기판상의 금속층을 선택적으로 식각하여 금속층을 복수 영역으로 분리하는 단차부를 형성하는 단계; 및 금속층의 복수의 영역에 센싱부가 연결되도록 금속층 상에 가스센서칩을 실장하는 단계를 포함하되, 단차부는 가스센서칩과 절연기판 사이에 센싱부를 경유하는 공기 유동 채널로 기능하며, 단차부의 폭은 가스센서칩의 복수의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이 간격의 일정 비율 이상으로 형성될 수 있다.
일실시예에서, 가스 센서 패키지의 제조 방법은, 가스센서칩에 병렬 연결되도록 금속층 상에 저항기를 실장하는 단계; 및 가스센서칩과 저항기를 수납하며 금속층을 덮는 캡을 배치하는 단계를 더 포함하되, 캡을 배치하는 단계에서, 캡과 금속층 사이의 에폭시 접합부재를 가스센서칩과 금속층과의 사이 또는 저항기와 금속층과의 사이까지 연장 배치하고; 여기서 캡은 절연기판의 일면과 마주하는 상부면에 1개 이상의 개구부를 구비하며, 1개 이상의 개구부는 가스센서칩과 마주하여 배치되는 공기 유입공 또는 공기 유출공으로 기능할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판상에 가스센서칩을 플립칩 본딩 방식으로 실장함으로써 기존 패키지 구조에 비해 가스 센서 패키지의 높이를 낮추어 슬림화하고 사이즈를 감소시켜 소형화할 수 있으며, 가스센서칩 하부의 기판상에 공기 유동 채널을 형성함으로써 가스 유동 경로를 확보하여 가스 센서 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속 캡을 이용하여 가스센서칩을 보호하면서 가스센서칩과 마주하는 금속 캡 상부의 개구부를 통해 가스 흐름을 제어함으로써 가스 센싱 후 캡 내부의 가스 방출(degassing)을 효과적으로 수행하여 가스 센서 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 캡과 금속층 사이에 배치되는 에폭시 접합부재를 이용하여 금속층 상의 가스센서칩이나 저항기의 접착력을 증대시킴으로써 가스 센서 패키지의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 플립칩 본딩 공법을 적용할 때 발생할 수 있는 통기성 문제를 해결하여 신뢰성을 확보하면서 기존의 와이어 본딩 구조의 가스 센서 패키지에 비해 소형화가 가능하며 전체 패키지의 높이를 낮출 수 있는 가스 센서 패키지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략적인 사시도
도 2는 도 1의 가스 센서 패키지에서 캡을 제거한 상태의 개략적인 평면도
도 3은 도 2의 가스 센서 패키지의 A-A 단면에 대응하는 단면도
도 4는 도 2의 가스 센서 패키지의 하부 기판 구조를 나타낸 평면도
도 5는 도 2의 가스 센서 패키지의 다른 하부 기판 구조를 나타낸 평면도
도 6은 도 1의 가스 센서 패키지에 채용 가능한 가스센서칩의 사시도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략적인 사시도
도 8은 도 7의 가스 센서 패키지의 횡단면도
도 9는 도 7의 가스 센서 패키지의 캡을 뒤집어 나타낸 사시도
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1의 가스 센서 패키지에서 캡을 제거한 상태의 개략적인 확대 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 센서 패키지(10)는, 절연기판(11), 금속층(12), 단차부(13), 센싱부(14), 가스센서칩(15), 저항기(16), 캡(17) 및 전극단자(19)를 포함한다.
절연기판(11)은 플렉시블 필름일 수 있다. 절연기판(11)의 재료로는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG) 등이 사용될 수 있다.
금속층(12)은 구리층 또는 단층 동박일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 금속층(12)은 절연기판(11)의 일면에 도전성 재료로 형성되는 소정 두께의 막을 포함할 수 있다. 또한, 금속층(12)은 절연기판(11)과 일체로 형성될 수 있다. 그 경우, 절연기판(11)과 금속층(12)은 FCCL(flexible copper clad laminate)로 구현될 수 있다.
단차부(13)는 금속층(12)을 제거하여 절연기판(11)의 일면에 금속층이 없는 부분으로 형성될 수 있다. 단차부(13)에 의하면, 금속층(12)은 네 영역 즉, 제1영역(A1), 제2영역(A2), 제3영역(A3) 및 제4영역(A4)로 분할된 구조를 가질 수 있다.
단차부(13)는 금속층(12)의 일부를 제거한 금속층의 단차를 포함하는 단차 혹은 깊이를 가진다. 본 실시예에서는 단차부(13)를 활용하여 가스센서칩의 플립칩 본딩 방식에서 발생하는 가스 유동 경로가 막히는 문제를 효과적으로 해결한다. 이를 위해, 단차부(13)는 일정 이상의 폭(W1, W2)을 구비한다.
본 실시예에서 단차부(13)는 절연기판(11) 상에서 서로 직교하는 방향으로 연장하는 제1폭(W1)의 제1단차부와 제2폭(W2)의 제2단차부를 구비하나 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 제1단차부와 제2단차부는 소정의 경사각을 갖고 교차하도록 설치될 수 있다. 제1단차부와 제2단차부의 교차부는 센싱부(14)과 마주하는 절연기판(11)상의 칩실장영역에 위치할 수 있다.
단차부(13)의 제1폭(W1)과 제2폭(W2)은 동일할 수 있다. 제1폭(W1) 또는 제2폭(W2)은 가스센서칩(15)의 복수의 전극단자들(151) 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격(이하, 기준간격)(Wref)보다 크다.
제1폭(W1) 또는 제2폭(W2)의 하한치는 기준간격(Wref)의 약 10%보다 크게 설정될 수 있다. 이러한 하한치는 본 실시예를 위한 자체 비교예의 가스센서칩에서 기준간격(Wref)인 인접한 전극단자들 사이의 간격의 약 7%보다 크게 하기 위함이다. 예를 들어, 비교예에서는 기준간격이 14㎜일 때, 단차부의 폭이 약 1㎜이다. 이 경우, 비교예의 단차부는 실질적으로 가스 센서의 공기 유동 채널로 기능하기가 어렵다. 따라서, 본 실시예에서는 비교예의 단차부의 폭 대비 약 1.5배 이상 넓은 폭을 갖는 단차부를 공기 유동 채널로 이용하고자 한다.
위의 설명에서, 가스센서칩(15)의 복수의 전극단자들(151) 중 서로 인접한 두 전극단자들은 사각 평면에서 네 코너 부분에 배치되는 4개의 전극단자들이 있을 때, 하나의 특정 변을 사이에 두고 양측 코너에 배치되는 두 전극단자들로 지칭될 수 있다. 본 실시예에서는 사각 평면의 경우를 예시하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 가스센서칩(15)의 타면 가장자리에 대략 동서남북 방향으로 배치된다면, 원형 평면이나 타원형 평면 혹은 다각형 평면인 경우에도 적용가능하다.
센싱부(14)는 가스 센서 패키지(10)의 주변 대기에 포함되어 있는 가스를 검출하기 위한 가스센서칩(15)의 전극단자로서 소정의 센싱물질로 이루어질 수 있다.센싱부(14)는 일산화탄소(C0), 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 황산화물(SO2) 등의 산소 함유 물질이나 수소(H2)의 양에 따라 물리화학적 성질이 변화하는 재료를 사용하여 구현될 수 있다.
예를 들어, 산화주석(SnO2)을 이용하는 경우, 센싱부(14)의 성질(감도, 선택성, 재현성 등)은 미세결정 크기 및 비표면적에 좌우되고, 센싱 메커니즘은 반도체 산화물 표면 반응에 관련되며, 공기 중에서 산소분자는 작동 온도에 따라 표면에 O2 -, O- 또는 O2 2 - 형으로 화학흡착된다. 이때, 산화물의 표면으로부터 전자가 감손되어 전기전도도가 감소하며, 이를 검출하여 가스를 감지한다. 그리고, 일산화탄소(CO)나 메탄(CH4) 등의 환원가스에 노출되면 화학흡착된 산소분자종은 환원가스와 반응하여 전자가 전도띠에 재진입하게 되고 그에 의해 전기전도도가 재고되며, 이러한 전기전도도를 검출하여 가스를 감지할 수 있다.
가스센서칩(15)은 일면에 오목한 홈 또는 중공부(150)를 구비하고, 일면의 반대측인 타면에 센싱부(14)와 전극단자들(151)을 구비할 수 있다. 센싱부(14)은 전극단자들(151)의 일부와 전기적으로 연결될 수 있다. 중공부(150)는 타면과 중공부(150)의 바닥면 사이가 약 1㎛의 막으로 구성되도록 가스센서칩 부재를 가공한 것이다. 가스센서칩 부재는 실리콘을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 가스센서칩(15)은 센싱부(14)이 절연기판(11)을 향하도록 뒤집어져 금속층(12) 상에 플립칩 본딩 방식으로 직접 접합될 수 있다. 이러한 플립칩 본딩은 솔더(solder)를 이용하거나 도체 성질을 가진 접착제를 이용하여 구현될 수 있다. 플립칩 본딩 구조에 의하면, 가스 센서 패키지의 방수, 방진, 오염 방지, 피독 방지 등에서 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 여기서, 피독은 가스 센서 패키지의 납땜 실장 시 땜납 가스에 의해 센싱부가 좋지 않은 상태로 변하는 것을 지칭한다.
전극단자들(151)은 구리(Cu) 층으로 구현될 수 있다. 또한, 전극단자들(151)은 구리층 상에 Ag, Au, Sn 등의 표면처리 도금층을 포함할 수 있다. 전극단자들(151)의 두께는 수 ~ 수백 ㎛의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 가스센서칩(15)의 플립칩 본딩 시 가스센서칩(15)의 측면부로 가스 유동을 허용하면서 금속층(12)과의 접합성을 향상시킬 수 있다.
한편, 전극단자들(151)은, 금속층(12) 상에 가스센서칩(15)을 플립칩 본딩 방식으로 접합할 때 가스센서칩(15) 하부의 통기 경로가 막히는 것을 방지하기 위해 가스센서칩(15)의 타면의 네 부분에 각각 위치할 수 있다. 물론, 가스센서칩(15)의 타면이 원형이면, 동서남북 형태로 타면의 네 가장자리에 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 금속층(12)과 가스센서칩(15) 사이의 이격 공간과 상술한 단차부(13)가 조합된 통기 구조에 의해 플립칩 본딩 구조를 갖는 가스 센서 패키지에서 통기 경로가 막히는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
저항기(16)는 제1단자(161) 및 제2단자(162)를 구비하고, 단차부(13)에 의해 분리된 두 영역에 걸쳐 금속층(12)에 실장될 수 있다. 저항기(16)는 두 영역을 통해 가스센서칩(15)의 두 전극단자들에 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 저항기(16)는 고정 저항기이거나 NTC(negative temperature coefficient thermistor) 소자일 수 있다.
캡(17)은 가스 센서 패키지가 외부의 충격이나, 열이나 압력 등에 의한 손상되는 것을 방지하도록 금속성 재질로 제작될 수 있다. 금속성 재질은 알루미늄, 황동, 스테인리스스틸(SUS 등)을 포함할 수 있다. 또한, 캡(17)은 가스 센서 패키지 내부로 가스가 유입된 후에 내부로부터의 가스 방출(degassing)이 신속하게 이루어질 수 있도록 절연기판(11)의 일면과 마주하는 캡의 상부면에 1개 이상의 개구부(171, 172)를 구비할 수 있다. 1개 이상의 개구부는 제1개구부와 제2개구부를 포함할 수 있다.
개구부가 제1개구부(171)와 제2개구부(172)를 포함하는 경우, 제1개구부(171)는 저항기(16)와 마주하도록 배치되고, 제2개구부(172)는 가스센서칩(15)과 마주하도록 배치될 수 있다. 그 때, 가스 센서 패키지의 기동 직후에 제1개구부(171)와 제2개구부(172)는 외부 공기를 흡입하는 공기 유입공으로 기능하고, 기동 후 소정 시간이 경과하면서 설치 위치나 주변 환경에 따라 제1개구부(171)는 공기 유입공으로, 제2개구부(172)는 공기 유출공으로 각각 기능할 수 있다. 물론, 주변 환경에 따라 제2개구부(172)는 공기 유입공으로, 제1개구부(171)는 공기 유출공으로 각각 기능하거나, 제1개구부(171)와 제2개구부(172) 각각이 공기 유입공과 공기 유출공으로 동시에 기능하도록 구현될 수 있다. 제1개구부(171)와 제2개구부(172)의 크기 또는 직경은 가스 센서 패키지의 보호 측면과 가스의 원활한 흐름 측면의 상관관계를 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
연결단자(19)는 가스 센서 패키지를 인쇄회로기판 등에 실장하기 위한 것으로, 금속층(12)에 연결되고, 절연기판(11)의 일면에서 절연기판(11)을 관통하여 절연기판(11)의 일면의 반대측인 타면에 노출될 수 있다. 본 실시예에서 연결단자(19)는 절연기판(11)의 네 코너에 각각 배치될 수 있다.
도 3은 도 2의 가스 센서 패키지의 A-A 단면에 대응하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 단차부(13)가 형성되는 금속층(12)의 두께(t1)는 수 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 바람직하게, 금속층(12)의 두께(t1)는 8㎛ 이상 70㎛ 이하일 수 있다. 이러한 금속층(12)의 두께(t1)는 단차부(13)의 단차 혹은 깊이에 대응할 수 있다.
향후 금속층(12)의 형성 기술이 발전하면, 금속층(12)의 두께(t1)는 8㎛보다 더 작아질 수 있으나, 상대적으로 넓은 통기 경로의 확보 차원에서 그 이하로 작아지면 통기 경로로서 기능하기 어렵다. 그리고, 상한치 70㎛는, 금속층(12)의 두께(t1)가 70㎛ 이상으로 두껍게 형성하는 경우에 단차부(13)의 통기 경로가 넓어지는 이점이 있으나 금속층의 두께가 두꺼워져 비용이 증가하는 단점을 있으므로 이를 고려하여 설정된 것이다.
또한, 구현에 따라서, 단차부의 단차 또는 깊이는 금속층과 솔더 및 센싱부의 플립칩 구조에 의해 금속층의 두께인 8~70㎛보다 클 수 있다. 또한, 베이스기재 혹은 절연기판을 에칭하는 경우, 기판 단차와 금속층 단차와 솔더 두께 및 센싱부의 단차 두께가 본 실시예의 단차부의 단차 또는 깊이가 될 수 있다.
본 실시예에서는 가스센서칩(15)을 플립칩 본딩 방식으로 하부 기판(11, 12)에 실장함으로써 패키지의 두께(h1)를 낮추어 장치를 슬림화한다. 패키지의 두께는 전극단자(19)의 길이를 포함한 두께(h2)로 언급될 수 있다.
또한, 솔더 범프(153)를 이용하여 플립칩 본딩 방식으로 금속층(12) 상에 가스센서칩(15)을 실장하고, 접착제나 솔더 범프(163)를 이용하여 금속층(12) 상에 저항기(16)를 실장한 후, 금속층(12) 또는 절연기판(11) 상에 캡(17)을 덮어 이들 사이의 내부 공간에 가스센서칩(15)과 저항기(16)를 수납할 수 있다. 이때, 캡(17)을 금속층(12) 상에 접합하는 부재로서 에폭시를 이용할 수 있다.
에폭시 접합부재(18)는 캡(17)과 금속층(12) 사이에 배치될 뿐 아니라 가스센서칩(15)과 금속층(12)과의 사이 또는 저항기(16)와 금속층(12)과의 사이까지 연장 배치되어 가스센서칩(15)과 저항기(16)와 하부 기판과의 접착력을 향상시킬 수 있다.
한편, 에폭시 접합부재(18)는 가스 센서 패키지의 캡(18) 내부에서 통기 경로가 막히지 않도록 가스센서칩(15)의 모서리 부분을 중심으로 배치될 수 있다. 또한, 에폭시 접합부재(18)는 가스센서칩(15) 하부의 단차부(13)를 덮지 않도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 하부 기판(11, 12)상에 가스센서칩(15)을 플립칩 본딩 방식으로 실장함으로써 기존 가스센서용 패키지 구조에 비해 패키지의 높이를 낮추어 슬림화하고 사이즈를 감소시켜 소형화할 수 있으며, 가스센서칩 하부의 하부 기판상에 별도의 단차부(13)를 공기 유동 채널로 확보함으로써 가스 센서 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 게다가, 금속성 캡(17)을 이용하여 가스센서칩(15)을 보호하면서 가스센서칩(15)과 마주하는 캡 상부면의 개구부(171, 172)를 통해 가스 흐름을 제어함으로써 가스 센싱 후 캡(17) 내부의 가스 방출(degassing)을 효과적으로 수행하여 가스 센서 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 캡(17)과 금속층(12) 사이에 배치되는 에폭시 접합부재(18)를 이용하여 금속층(12) 상의 가스센서칩(15)이나 저항기(16)의 접착력을 증대시킴으로써 가스 센서 패키지의 내구성을 높일 수 있다.
도 4는 도 2의 가스 센서 패키지의 하부 기판 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 가스 센서 패키지의 공기 흐름을 예시하여 나타내면, 공기는 점선의 공기 흐름 경로(Pa)를 따라 유동할 수 있다.
즉, 제1개구부(171)로 유입된 공기는 금속층(12)과 가스센서칩(15) 사이의 이격 공간과 단차부(13)를 통해 가스센서칩(15)과 하부 기판(11, 12) 사이로 흐르고 가스센서칩(15) 하부의 센싱부(14)를 경유한 후 이격 공간과 단차부(13)를 통해 가스센서칩(15) 외측으로 나온 다음 제2개구부(172)를 통해 외부로 방출된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 초소형 가스 센서 패키지의 플립칩 공법 적용 시 센싱부(14)이 하부 기판을 향하는 경우에도 공기 통로를 확보하여 공기 순환이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다. 게다가. 하부 기판(11, 12) 내부에 솔더볼 형태의 전극단자(19)를 배치하여 슬림화와 함께 인쇄회로기판에 대한 실장 편의를 도모한다.
전술한 가스 센서 패키지의 제조 방법을 예시하면 다음과 같다.
가스 센서 패키지의 제조 방법은, 먼저 단층 동박(구리층)이 일면에 적층되어 있는 절연기판(11)을 준비하고, 금속층(12)의 일종인 구리층을 선택적으로 식각하여 금속층의 일부 영역이 소정 모양으로 오목하게 제거된 형태의 단차부(13)를 형성할 수 있다. 금속층(12)은 단차부(13)에 의해 네 영역으로 분리될 수 있다. 그리고, 가스센서칩(15)의 센싱부가 솔더볼(153, 163) 등에 의해 플립칩 방식으로 금속층(12)에 연결되도록 금속층(12) 상에 가스센서칩(15)을 실장한다.
여기서, 단차부(13)는 센싱부(14)이 위치하는 가스센서칩 하부를 관통하는 공기 유동 채널을 형성한다. 단차부(13)의 폭은 가스센서칩(15)의 복수의 전극단자들(151; 151a, 151b, 151c, 151d) 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격보다 클 수 있다. 바람직하게는, 단차부(13)의 폭은 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격 즉, 기준 간격의 10% 이상에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 30% 이상 ~ 100% 이하의 범위에서 선택될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50% 이상 ~ 90% 이하의 범위에서 선택될 수 있다.
단차부(13)의 폭을 10% 이상으로 설정하면, 공기 유동 채널로 기능할 수 있으며, 30% 이상의 경우, 공기 유동을 눈에 띄게 증가시킬 수 있고, 50% 이상의 경우, 공기 유동을 현저하게 증가시킬 수 있다. 그리고, 단차부(13)의 폭을 90% 이하로 설정하면, 단차부(13)의 폭을 90% 초과 100% 이하로 설정하는 경우에 비해 가스센서칩(15)의 전극단자들을 금속층(12)에 용이하게 접합하기 위한 금속층(12) 영역을 좀더 넓게 확보하는 것이 가능하다.
또한, 가스 센서 패키지의 제조 방법은, 가스센서칩(15)의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들(151a, 151b)에 전기적으로 병렬 연결되도록 금속층(12)의 두 영역(A1, A2)에 걸쳐 저항기를 실장한 후, 가스센서칩(15)과 저항기(16)를 수납하며 금속층(12)을 덮는 캡(17)을 배치할 수 있다.
캡(17)을 배치하는 단계에서 사용되어 캡(17)과 금속층(12) 사이의 에폭시 접합부재(18)는, 가스센서칩(15)과 금속층(12)과의 사이 또는 저항기(16)와 금속층(12)과의 사이까지 연장하도록 설치될 수 있다.
전술한 캡(17)은 절연기판(11)의 일면과 마주하는 면(상부면, 도 8의 17a 참조)에 1개 이상의 개구부(171, 172)를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 개구부를 포함한 복수의 개구부를 이용하는 경우, 제1개구부(171)는 저항기(16)에 마주하여 배치되고, 제2개구부(172)는 가스센서칩(15)과 마주하여 배치될 수 있다. 그 경우, 가스센서칩(15)과 마주하는 제2개구부(172)를 통해 내부의 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 기존의 와이어 본딩 구조를 갖는 가스 센서 패키지에 비해 두께를 줄여 슬림화하고 사이즈를 줄여 소형화할 수 있다.
전술한 단차부의 폭의 범위에 따른 하부 기판 구조를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 2의 가스 센서 패키지의 하부 기판 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 센서 패키지는 절연기판(11)과 금속층(12)으로 이루어진 하부 기판에서 금속층(12)을 패터닝하여 그 일부를 식각한 단차부(13)의 폭이 기준간격(Wref)의 약 50%가 되도록 제작된다.
단차부(13)의 폭은 세로 방향의 제3폭(W3)과 가로 방향의 제4폭(W4)을 포함한다. 제3폭(W3)과 제4폭(W4)은 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 어느 하나의 폭이 전술한 제1폭(W1) 또는 제2폭(W2)과 동일하거나 후술하는 제5폭(W5) 또는 제6폭(W6)과 동일할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 단차부(13)의 폭을 서로 인접한 두 전극단자들(151a와 151b; 151b와 151c; 151c와 151d; 또는 151d와 151a) 사이의 간격 대비 약 50%로 설정함으로써, 동일 깊이 하에서 도 1 내지 도 4를 참조하여 앞서 설명한 단차부의 폭에 비해 넓은 통기 경로를 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 5는 도 2의 가스 센서 패키지의 다른 하부 기판 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 센서 패키지에서는 하부 기판(11, 12)에서 금속층(12)의 일부를 십자가 형태로 식각하여 기준간격(Wref)과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 단차부(13)를 설치한다.
단차부(13)의 폭은 세로 방향의 제5폭(W5)과 가로 방향의 제6폭(W6)을 포함한다. 제5폭(W5)과 제6폭(W6)은 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 어느 하나의 폭이 전술한 제1폭(W1), 제2폭(W2), 제3폭(W3) 또는 제4폭(W4)과 동일할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 단차부(13)의 폭을 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격 대비 약 100%로 설정함으로써, 동일 깊이 하에서 도 5를 참조하여 앞서 설명한 단차부의 폭에 비해 넓은 통기 경로를 확보할 수 있는 이점이 있다. 하지만, 이 경우, 가스센서칩의 전극단자가 금속층의 코너에 꼭 맞게 되므로, 제조 공정에서 정렬 오차 등에 불량이 발생할 수 있으므로 제조 공정에 따라 단차부의 최대 폭을 탄력적으로 선택하는 것이 가능하다.
도 6은 도 1의 가스 센서 패키지에 채용 가능한 가스센서칩의 사시도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스센서칩(15)은 일면(15a)의 중간부에 내측면과 하면을 구비한 중공부(150)를 포함한다.
또한, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 가스센서칩(15)은 일면(15a)의 반대측인 타면(15b)의 네 코너에 각각 배치되는 전극단자들(151a, 151b, 151c, 151d)과, 타면(15b)의 중앙부에 배치된 센싱부(14)을 구비한다.
세 전극단자들(151a, 151b, 151c)은 도전성 패턴(152)을 통해 각각 센싱부(14)에 전기적으로 연결된다. 나머지 전극단자(151d)는 센싱부(14)에 연결되지 않는 더미 단자일 수 있다.
본 실시예에서는 센싱부(14)이 육면체 형태를 갖는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 구현에 따라 둥근 형태 등을 가질 수 있다.
본 실시예의 가스센서칩(15)은 증착, 포토리소그래피를 통한 패터닝, 그리고 필요한 모양 형태를 제작하기 위한 에칭 공정 등의 반도체 제조기술을 이용하는 미세전자기계시스템(micro-electromechanical systems, MEMS)을 통해 제조될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 패키지의 개략적인 사시도이다. 도 8은 도 7의 가스 센서 패키지의 횡단면도이고, 도 9는 도 1의 가스 센서 패키지의 캡을 뒤집어 나타낸 사시도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 센서 패키지(10)는 단차부(13)의 공기 유동 채널이 캡(17)에 구비된 1개 이상의 개구부(171, 172)를 통해 외부와 연결되는 것을 제외하고, 도 1 내지 도 6을 참조하여 앞서 설명한 가스 센서 패키지와 실질적으로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 캡(17)은 사각 용기 형태의 몸체(173) 및 플랜지(174)를 구비한다. 몸체(173)는 사각 링 형태로 서로 연결되는 복수의 측벽(173a)과, 복수의 측벽(173a)의 일단을 막는 일면(17a)과, 복수의 측벽과 일면(17a)에 의해 한정되는 내부 공간(170)을 구비한다. 일면(17a)에는 제1개구부(171)와 제2개구부(172)가 배치된다. 캡(17)을 하부 기판상에 접합하면, 일면(17a)은 하부 기판과 마주하는 상부면이 된다.
플랜지(174)는 복수의 측벽의 타단에서 측벽 외측으로 소정 길이 연장하도록 설치된다. 플랜지(174)는 캡(17)을 하부 기판에 설치할 때 하부 기판과 마주하며 에폭시 접합부재와 맞닿는 부분이다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것은 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함 없이 본 발명에 대해 다수의 적절한 변형 및 수정이 가능함을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변형 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 가스 센서 패키지
11: 절연기판
12: 금속층
13: 단차부
14: 센싱부
15; 가스센서칩
16: 저항기
17; 캡
18: 접합부재
19: 전극단자

Claims (12)

  1. 절연기판;
    상기 절연기판의 일면상의 금속층;
    상기 금속층에 배치되어 상기 금속층을 복수 개로 분리하는 단차부;
    상기 단차부 상에서 상기 금속층에 실장되는 가스센서칩; 및
    상기 단차부와 마주하는 상기 가스센서칩의 타면에 배치되는 센싱부;
    를 포함하며,
    상기 단차부는 상기 가스센서칩과 상기 절연기판 사이에 상기 센싱부를 경유하는 공기 유동 채널로 기능하며, 상기 단차부의 폭은 상기 가스센서칩의 복수의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이 간격의 일정 비율 이상으로 배치되는 가스 센서 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단차부의 폭은 상기 가스센서칩의 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격의 10% 이상인 가스 센서 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단차부의 폭은 상기 가스센서칩의 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격의 30% 이상 내지 100% 이하인 가스 센서 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단차부의 폭은 상기 가스센서칩의 서로 인접한 두 전극단자들 사이의 간격의 50% 이상 내지 90% 이하인 가스 센서 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스센서칩에 전기적으로 병렬 연결되도록 상기 금속층에 실장되는 저항기를 더 포함하는 가스 센서 패키지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스센서칩과 상기 저항기를 수납하며 상기 금속층을 덮는 캡을 더 포함하고, 상기 캡은 상기 절연기판과 마주하는 상부면에 1개 이상의 개구부를 구비하는 가스 센서 패키지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 캡과 상기 금속층 사이의 에폭시 접합부재를 더 포함하며, 상기 에폭시 접합부재는 상기 가스센서칩과 상기 금속층과의 사이 또는 상기 저항기와 상기 금속층과의 사이까지 연장 배치되는 가스 센서 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층에 연결되고 상기 절연기판의 일면의 반대측인 타면에 노출되는 복수의 연결단자를 더 포함하는 가스 센서 패키지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단차부의 단차 또는 깊이는 상기 금속층의 단차를 포함하거나 상기 금속층의 단차에 더하여 상기 금속층의 단차에 대응하는 상기 절연기판의 단차와 솔더 높이 및 상기 센싱부의 단차를 더 포함하는 가스 센서 패키지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스센서칩은 일면 중심부에 홈을 가진 용기 형태를 구비하고, 상기 센싱부는 상기 가스센서칩의 일면의 반대측 면인 타면 상에서 상기 복수의 전극단자의 중심부에 배치되는 가스 센서 패키지.
  11. 절연기판상의 금속층을 선택적으로 식각하여 금속층을 복수 영역으로 분리하는 단차부를 형성하는 단계; 및
    상기 금속층의 복수의 영역에 센싱부가 연결되도록 상기 금속층 상에 가스센서칩을 실장하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 단차부는 상기 가스센서칩과 상기 절연기판 사이에 상기 센싱부를 경유하는 공기 유동 채널로 기능하며, 상기 단차부의 폭은 상기 가스센서칩의 복수의 전극단자들 중 서로 인접한 두 전극단자들 사이 간격의 일정 비율 이상으로 형성되는 가스 센서 패키지의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 가스센서칩에 병렬 연결되도록 상기 금속층 상에 저항기를 실장하는 단계; 및
    상기 가스센서칩과 상기 저항기를 수납하며 상기 금속층을 덮는 캡을 배치하는 단계;
    를 더 포함하되,
    상기 캡을 배치하는 단계에서, 상기 캡과 상기 금속층 사이의 에폭시 접합부재가 상기 가스센서칩과 상기 금속층과의 사이 또는 상기 저항기와 상기 금속층과의 사이까지 연장 배치되고,
    상기 캡은 상기 절연기판의 일면과 마주하는 상부면에 1개 이상의 개구부를 구비하며, 상기 1개 이상의 개구부는 상기 가스센서칩과 마주하여 배치되는 공기 유입공 또는 공기 유출공을 포함하는 가스 센서 패키지의 제조 방법.
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