3축 자기 센서를 위한 단일 패키지 디자인{SINGLE PACKAGE DESIGN FOR 3-AXIS MAGNETIC SENSOR}

본 발명은 일반적으로 센서 패키지를 제조하는 방법과 이러한 방법에 의해 제조된 패키지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 인쇄 회로기판(PCB) 상의 패키지의 수직 높이를 최소화하기 위한 3축 센서 패키지의 디자인 및 그 제조에 관한 것이다.

자구 자계 강도는 약 0.5 내지 0.6 가우스(gauss)이고, 항상 자북(magnetic north)을 향하는 지구 표면에 평행한 성분을 가진다. 이 자계는 쌍극자 모델(dipole model)로 근사될 수 있는데, 이 자계는 항상 북쪽을 향하지만, 지구 표면에 대한 자계의 각도는 적도에서 수평이다가 북반구에서는 수평아래(sub-horizontal)(즉, 지면을 향해 "아래")로 변하고 남반구에서는 수평위(supra-horizontal)(즉, 공중을 향하여 "위")로 변한다. 모든 경우에 있어, 지구 자계의 수평 방향은 자북을 향하고 나침반 방향을 결정하는 데에 사용된다.

자기 센서는 2,000년을 훨씬 넘게 사용되어왔고, 주로 방향 탐지 또는 항법(navigation)를 위해 지구 자계를 감지하는 데에 사용되어왔다. 오늘날, 자기 센서는 여전히 항법의 주요 수단이며, 다른 많은 용도가 개발되었다. 그 결과, 자기 센서는 의료용, 실험실용 및 전자 기구; 기상관측 부이(weather buoy); 가상현실(vertual reality) 시스템; 및 다른 다양한 시스템에서 발견될 수 있다.

현대의 소비자 및 상업 전자 장비 디자인은 일반적으로 다수의 다른 기능들을 하나의 디바이스(device)로 통합하는 것을 포함하고 점점 소형 규모 디바이스로의 발전을 포함하다. 다수의 기능을 통합한 소형 디바이스 또는 디바이스들은 내부 부품들이 가능하면 작을 것을 요구한다. 길찾기(wayfinding) 및 항법 기술을 이러한 조밀 디바이스에 통합하고자 한다면, 필요한 2 및 3차원 센서, 예컨대 자기 센서 및/또는 기울기 센서(tilt sensor)가 Z축으로(즉, PCB의 면 밖으로) 최소 높이일 것이 요구된다. Z축을 따라 수직 센서를 실장하는 것은 반도체 조립 산업에 있어서, 특히 공간 제약을 갖는 응용에 있어서 도전적인 문제에 해당한다. 현재 사용되는 방법은 제약된 공간과 비용에 민감한, 대량의, 표준 PCB 공정(standard PCB processes)을 갖는 응용에 대해 수직 (Z축) 센서를 실장하지 못한다.

따라서, 예컨대, 휴대전화와 다른 소비자 및 상업 응용에서 3축 센서를 낮은 프로파일 방식으로 실장할 필요가 있다. 이러한 필요는 비용에 민감하고 대량적이며 통상의 PCB 조립 공정에 용이하게 적응할 수 있는 응용에 의해 충족되어야 한 다.

본 발명의 일 측면에서, 센서 패키지는 X축 센서 회로부품, Y축 센서 회로부품, 또는 다른 대안으로서 결합된 X/Y축 센서 회로부품, 및 Z축 센서 회로부품을 포함하여 제공되고, 각 회로부품은 경성 기판(rigid substrate)의 상면에 실장되거나, 다른 대안으로서 인쇄회로기판(PCB)에 실장된다. 이 기판은 바람직하게는 16개의 입출/출력 (I/O) 패드와 함께 3 mm × 3 mm의 치수를 가진다. 이 패드는 리드없는 칩 캐리어(leadless chip carrier: LCC) 디자인과 볼 그리드 어레이(ball grid array: BGA) 디자인을 포함한 다양한 디자인으로 배열될 수 있다. X축 센서와 Y축 센서 또는 X/Y축 센서는 기판의 상면에 실장된다. 패키지의 높이를 최소화하기 위해, Z축 센서 부품을 수용하도록 채널이 기판의 상면에 제공된다. 채널은 Z축 센서의 두께에 해당하는 폭을 가진다.

모든 3개의 센서는 기판에의 도전성 연결을 위해 입력/출력 (I/O) 패드를 가진다. X축 및 Y축 그리고 X/Y축 센서 상의 I/O 패드는 기판을 향하는 센서의 일측 상에 배열되고, 솔더(solder)로 충진된 비아의 형태로 된, 기판 상면 상에 위치한 대응 I/O 패드와 협동한다. Z축 센서 부품 상에는, Z축 센서 부품의 I/O 패드는 모두 Z축 센서의 일 엣지를 따라 하나의 어레이(array)로 배열되고, 솔더로 충진된 비아로서 채널의 상부 엣지(top edge)에 위치한 기판 상의 I/O와 협동한다. 일단 센서들이 모두 기판에 실장되었으면, 패키지는 봉지(encapsulated)된다. 봉지후에, 패키지의 전체 높이는 1.2 mm보다 작다.

본 발명의 제2 측면에서, Z축 센서 회로부품을 실장하는 방법이 제공된다. Z축 센서 회로부품은 모든 I/O 패드가 센서의 일 엣지를 따라 수직 어레이(vertical array)로 배열된다. I/O 패드는 Z축 센서의 엣지를 따라 형성되고 솔더의 범프(bump)가 이 패드 상에 배치된다. 상기 방법은 경성 기판으로부터 채널을 커팅하는 단계를 포함하며, 이 채널은 Z축 센서의 두께에 해당하는 폭과, Z축 센서가 기판 상면을 지나서 X축 센서 및 Y축 센서보다 더 연장되지 않을 정도로 긴 깊이를 가진다. 채널 형성 동안에, 비아가 채널의 상부 엣지에 형성된다. 그 후, 이 비아는 솔더로 채워진다. Z축 센서는 Z축 방향의 자계를 측정할 수 있도록 배치되고, 솔더로 채워진 비아와 접촉하도록 범프 패드(bumped pad)가 기판면 상에 안착된(resting) 상태에서 채널 안으로 삽입된다. 그 후, Z축 센서와 경성 기판 사이에 도전성 연결을 형성하기 위해 표준의 리프로우 공정(re-flow process)이 사용될 수 있다. 그 후 패키지가 봉지되고 패키지의 전체 높이는 1.2 mm가 된다.

도 1은 경성 기판에 부착된 X축 센서, Y축 센서, 및 Z축 센서를 포함하는 센서 패키지의 개략도이다.

도 2는 3개 센서의 각 센서 상의 I/O 패드들과 정렬된 기판 상의 I/O 패드들 의 배치를 나타내는 센서 패키지의 개략도이다.

도 3은 3개 센서의 배치와 Z축 센서 상의 I/O 패드의 정렬을 나타내는 센서 패키지의 개략도이다.

도 4a는 I/O 패드들의 배치를 나타내는 도 3에 도시된 센서 패키지의 개략적인 평면도이다.

도 4b는 기판 내에 커팅된 채널을 나타내는 도 3에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 4c는 기판 상의 센서들의 배치를 나타내는 도 3에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 4d는 패키지의 봉지(encapsulation)를 나타내는 도 3에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 5는 2개 센서의 각 센서 상의 I/O 패드들과 정렬된 기판 상의 I/O 패드들의 배치를 나타내는 도 3에 도시된 센서 패키지의 다른 실시예의 개략도이다.

도 6은 2개 센서의 배치와 Z축 센서 상의 I/O 패드의 정렬을 나타내는 도 5에 도시된 보드 센서 패키지의 개략도이다.

도 7a는 I/O 패드들의 배치를 나타내는 도 6에 도시된 센서 패키지의 개략적인 평면도이다.

도 7b는 기판 내에 커팅된 채널을 나타내는 도 6에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 7c는 기판 상의 센서들의 배치를 나타내는 도 6에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 7d는 패키지의 봉지를 나타내는 도 6에 도시된 센서 패키지의 개략적인 측면도이다.

도 8은 솔더로 충진된 비아들의 배치를 나타내는 도 6에 도시된 센서 패키지의 단면도이다.

도 9는 채널의 배치를 나타내는 리드없는 칩 캐리어(LCC) I/O 기판의 개략도이다.

도 10은 채널의 배치를 나타내는 볼 그리드 어레이(BGA) I/O 기판의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 도면부호 10으로 통칭하여 지정된 본 발명의 3축 센서 패키지의 구조가 예시되어 있다. 이 3축 센서는 센서 회로부품(즉, 센서) (20, 30, 40)이 실장되는 상면(14)을 갖는 경성 기판(rigid substrate: 12)을 포함한다. 이 센서들은 다른 대안으로서 인쇄회로기판(PCB) 상으로 실장될 수도 있다. 기판은 바람직하게는 16개 입력/출력 (I/O) 패드와 함께 3 mm × 3 mm의 치수를 갖는다. 패드는 도 9에 도시된 리드없는 칩 캐리어(LCC) 디자인 및 도 10에 도시된 볼 그리드 어레이(ball grid array: BGA) 디자인을 포함한 다양한 디자인으로 배열될 수 있다. X축 센서 회로부품(20)은 X축에 따른 자력에 민감하고, Y축 센서 회로부품(30)은 Y축에 따른 자력에 민감하다.

2개 센서(20, 30) 모두는 표준의 플립 칩 리플로우(standard flip chip re-flow) 센서 부착 공정을 사용하여 기판(12)에 실장된다. 일반적으로, 센서는 또한 와이어 본딩(wire bonding) 및 테이프 자동 본딩(tape automated bonding: TAB)을 포함한 다른 표준의 칩-온-보드(chip-on-board) 기술을 사용하여 기판에 실장될 수 있다. X축 및 Y축 센서는, 도 2에 가장 잘 나타나 바와 같이, 기판(12) 상에 배치된 대응 I/O 패드(60, 62)와 도전성으로 연결된 입력/출력(I/O) 패드(미도시)를 갖고, 대응 I/O 패드(60, 62)는 솔더로 충진된 비아(solder-filled vias)의 형태로 되어 있다.

또한 센서 패키지는 Z축에 따른 자력에 민감한 Z축 센서 회로부품(40)을 포함한다. Z축 센서는 기판(12)의 상면(14)에 형성된 채널(50) 내에 배치된다. 도 4c 및 4d에 도시된 바와 같이, 채널(50)의 폭은 Z축 센서(40)의 두께에 해당하고, 채널의 깊이는 Z축 센서(40)가 X축 및 Y축 센서의 상면보다 더 수직으로 연장되지 않도록 하는 치수를 갖는다. Z축 센서(40)는 센서의 일 엣지만을 따라 수직 어레이(vertical array)로 배열된 솔더 범프(68)를 포함한 I/O 패드(66)를 더 구비한다. 도 3에 가장 잘 나타난 바와 같이, 패드(66)는 기판(12) 내의 채널(50) 형성 동안에 형성된 대응하는 솔더로 충진된 비아(64)와 도전성으로 연결된다. 솔더로 충진된 비아(64)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(12)을 완전히 관통한다. 센서의 솔더 범프(68)가 비아(64)와 접촉한 상태에서, Z축 센서(40)를 X축 및 Y축 센서 와 연결시키도록 표준 리플로우 공정이 사용될 수 있다.

도 3 및 4를 참조하면, 센서들이 모두 기판에 안전하게 실장되면, 도 4d에 가장 잘 나타난 바와 같이, 패키지는 봉지층(70)으로 봉지된다. 봉지는, 디바이스의 패널이 봉지 물질로 덮히거나 채워지고, 경화되고, 개별 소자로 절단(sawed)되는 일괄 공정(batch process)이다. 이 봉지 공정은 통상의 패키지 기술에서 표준적인 것이다. 봉지 후에, 패키지의 전체 높이는 1.2 mm 미만이다.

도 5 내지 7은, 분리된 X축 및 Y축 센서 대신에 결합된 X/Y축 센서(combined X/Y-axis sensor) 회로부품(120)이 사용된 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 결합된 센서(120)는 I/O 패드(160)를 사용하여 기판(112) 상으로 실장된다. Z축 센서(140)는 Z축 센서(40)에 관하여 상술한 바와 마찬가지로 기판(112) 내의 채널(150) 안으로 삽입된다. 도면에 나타난 바와 같이, 센서(140)의 I/O 패드(166)는 솔더가 충진된 비아(164)와 연결된다.

도 9 및 10을 참조하면, 센서 패키지(10', 10'')에 대한 다른 디자인이 도시되어 있다. 도 9는 리드없는 칩 캐리어(LCC)(12') 상에서 Z축 센서를 위한 채널(50')의 배치를 보여준다. LCC는 PCB에 연결하기 위해 그 외주(outside perimeter)를 따라 I/O 패드(80)를 갖는다. X축 및 Y축 센서는 기판의 상면(top surface)에 배치된 단일 패키지 내에 위치하며(미도시), 각 센서는 기판의 상면 상 의 대응 I/O 패드와 도전성으로 연결하기 위한 I/O 패드를 갖는다(미도시). LCC 디자인에서, 기판의 상면 상에 있는 대응 I/O 패드는, 기판의 하면(bottom surface)으로 연장되어 하면 상의 금속 패드(미도시)와 접촉하는 솔더로 충진된 비아의 형태를 갖는다. 그래서 그 비아는 금속 패드와 접촉하고 외주 상의 I/O 패드(80)와 접촉하게 된다. 이에 따라 기판의 외주 상에 위치한 I/O 패드(80)와의 도전성 연결이 이루어질 수 있다. LCC 패드는 완성된 구성에서 노출된 상태로 남게 된다.

도 10은 볼 그리드 어레이(BGA)(12'') 상의 Z축 센서를 위한 채널(50'')을 나타낸다. BGA는, X축 및 Y축 센서에 부착시키기 위해 기판의 상면 상에 배치된 솔더 볼(90)의 형태로 I/O 패드를 갖는다. X축 및 Y축 센서는 기판의 상면에 배치된 단일 패키지 내에 위치한다(미도시). BGA 패드(90)는 완성된 구성에서 봉지된다.

Z축 센서 회로부품을 실장하는 방법이 또한 제공된다. 상술한 바와 같이, Z축 센서 회로부품은 그 모든 패드가 센서의 일 엣지를 따라 수직 어레이로 배열되어 있다. 이 패드들은 Z축 센서의 엣지를 따라 범핑된(bumped) 솔더이다. 이 방법은 경성 기판, 또는 다른 대안으로서 PCB로부터 채널을 커팅하는 단계를 포함하고, 이 채널은 Z축 센서의 두께에 해당하는 폭과, Z축 센서가 기판 상면을 지나서 X축 센서 및 Y축 센서보다 더 연장되지 않을 정도로 긴 깊이를 가진다. 채널의 형성 동안에, 채널의 상부 엣지(top edge)에 비아들이 형성된다. 그 후 이 비아들은 솔더로 채워진다. Z축 센서는 Z축으로의 자계를 측정할 수 있도록 기판 내의 채널 안으 로 배치된다. 그리고 나서, 솔더로 충진된 비아와 접촉하도록 범프 패드가 기판면 상에 안착된 상태에서, 상기 Z축 센서는 채널 안으로 삽입된다. 패드를 제자리에 유지시키도록 솔더 페이스트(solder paste)가 가해지고, 그 후 Z축 센서와 경성 기판 간의 도전성 연결을 형성하도록 표준의 리플로우 공정이 사용될 수 있다. 패키지가 봉지되고, 패키지의 전체 두께는 1.2 mm 미만이 된다.

상술한 모든 실시예에 있어서, 센서 회로부품들 상의 I/O 패드는 바람직하게는, 와이어 본딩, 플립 칩, 솔더 범핑(solder bumping), 스터드 범핑(stud bumping), 도전성 에폭시, 및 예컨대, 테이프 자동 본딩(TAB) 등의 플렉시블 상호연결 본딩(flexible interconnect bonding) 기술로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법을 사용하여 기판 상으로 실장된다. 다른 대안으로서, X축 센서 회로부품은 Y축 센서 회로부품으로의 도전성 연결을 위해 제1 면 상에 I/O 패드를 구비할 수 있고, 이 I/O 패드는 바람직하게는, 와이어 본딩, 플립 칩, 솔더 범펑, 스터드 범핑, 도전성 에폭시, 및 예컨대, 테이프 자동 본딩(TAB) 등의 플레시블 상호연결 본딩 기술로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법을 사용하여 기판 상으로 실장된다. 이와 같이, X축 센서 회로부품은 Y축 센서 회로부품에 도전성으로 연결될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 센서 회로부품들은 고체 센서(solid state sensors)인 반면, 다른 실시예에서는 센서 회로부품들은 자기 센서(magnetic sensors)이다. 또 다른 실시예에서, 센서 회로부품들은 기울기 센서(tilt sensors)이다. 또 다른 실 시예에서, 하나 이상의 센서 회로부품은 예컨대, 자기 센서 또는 기울기 센서와 같은 일 종류의 센서이고, 하나 이상의 다른 센서 회로부품은 예컨대, 수직의 지지 엣지(vertical support edge)를 제공할 수 있는 고체 칩(solid state chip)과 같은 다른 종류의 센서일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 센서 부품은 예컨대, 자기 센서 또는 기울기 센서와 같은 임의의 종류의 센서일 수 있고, 하나 이상의 다른 센서 회로부품은, 실제 센서이든지 아니든지 간에, 센서 회로부품에 대한 지지를 제공할 수 있는 센서 회로부품 인터페이스 엣지를 구비한다면, 임의의 고체 칩일 수 있다.

일부 실시예에서, Z축 센서 회로부품은 와이어 본딩, 플립 칩, 솔더 범프, 스터드 범프, 도전성 에폭시, 및 예컨대, 테이프 자동 본딩(TAB)과 같은 플렉시블 상호연결 본딩 기술로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 기판에 도전성으로 연결된다.

본 명세서에서 본 발명의 여러 특징들과 실시예들을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이하의 청구범위 내에서 모든 수정예 및 변형예를 포함한다.