Uncooled Microbolometer FPA Sensor with Wafer-Level Vacuum Packaging

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.5.300 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

웨이퍼 레벨 진공 패키징 비냉각형 마이크로볼로미터 열화상 센서 개발

안미숙^1,+ · 한용희²

Uncooled Microbolometer FPA Sensor with Wafer-Level Vacuum Packaging

Misook Ahn^1,+ and Yong-Hee Han²

Abstract

The uncooled microbolometer thermal sensor for low cost and mass volume was designed to target the new infrared mar- ket that includes smart device, automotive, energy management, and so on. The microbolometer sensor features 80x60 pixels low-resolution format and enables the use of wafer-level vacuum packaging (WLVP) technology. Read-out IC (ROIC) implements infrared signal detection and offset correction for fixed pattern noise (FPN) using an internal digital to analog convertor (DAC) value control function. A reliable WLVP thermal sensor was obtained with the design of lid wafer, the formation of Au80%wtSn20% eutectic solder, outgassing control and wafer to wafer bonding condition. The measurement of thermal conductance enables us to inspect the internal atmosphere condition of WLVP microbolometer sensor. The dif- ference between the measurement value and design one is 3.6×10-9 [W/K] which indicates that thermal loss is mainly on account of floating legs. The mean time to failure (MTTF) of a WLVP thermal sensor is estimated to be about 10.2 years with a confidence level of 95 %. Reliability tests such as high temperature/low temperature, bump, vibration, etc. were also conducted. Devices were found to work properly after accelerated stress tests. A thermal camera with visible camera was developed. The thermal camera is available for non-contact temperature measurement providing an image that merged the thermal image and the visible image.

Keywords: Uncooled microbolometer, infrared focal plane array, wafer level vacuum packaging technology

1. 서 론

물체 표면의 방사 열에너지를 감지하는 열화상 센서는 전통 적으로 의료, 군사, 검사 등 제한된 분야에서 주로 사용되었다.

적외선 센서는 동작 온도에 따라 냉각기가 필요한 냉각형과 상 온에서 동작하여 별도의 냉각기가 필요없고 사용이 편리한 비 냉각형으로 나뉜다. 비냉각형 마이크로볼로미터는 적외선 에너 지에 의한 감지물질의 저항 변화량을 전기신호로 변환하는 물

리센서로써 높은 감도와 픽셀 크기의 소형화가 용이하기 때문 에 주로 열화상 센서로 이용되고 있다. 마이크로볼로미터는 기 존의 320×240 이상의 고가/고해상도 시장뿐만 아니라 픽셀 크 기의 축소, 패키징 기술의 진보, 높아진 사용자 편리성과 함께 에너지 절전, 자동차, 보안, 화재 사전 감시, 스마트기기등과 같 은 160×120이하의 저해상도, 저가격, 소형의 신시장으로 적용 범주를 확대해 가고 있다[1].

본 연구에서는 새로운 시장에서 요구하는 성능, 합리적인 가 격, 대량생산성, 패키징 기술을 갖추어 픽셀 크기 35 μm, 해 상도 80×60의 웨이퍼 레벨 진공 패키징 마이크로볼로미터 열 화상 센서를 개발하고 이를 활용한 열화상 카메라 제품을 개 발하였다. 본 논문에서는 바나듐 텅스텐 옥사이드 감지 물질 과 마이크로볼로미터 구조 설계와 제조, 웨이퍼 레벨 패키징, ROIC설계 등 열화상 센서 개발의 일련의 과정을 기술하고, 열 화상 센서의 전기-광학적 특성, 웨이퍼 레벨 패키징의 열전도 도를 이용한 평가 결과와 열화상 센서의 신뢰성 평가를 서술 하였다. 마지막으로 열화상 카메라의 구성과 설계에 대하여 기 술하였다.

1㈜유우일렉트로닉스 (U electronics)

#425 Gyeonggi R&DB center, 105, Gwanggyo-ro Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16229, Rep. of Korea

2㈜유우일렉트로닉스 (U electronics)

#425 Gyeonggi R&DB center, 105, Gwanggyo-ro Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16229, Rep. of Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Aug. 9, 2018, Revised: Aug. 30, 2018, Accepted: Aug. 31, 2018)

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2. 연구 방법

2.1 마이크로볼로미터 열화상 센서 기술

저항형 마이크로볼로미터의 주요 성능 지수인 응답도는 적외 선 에너지에 대한 출력 전압의 비를 나타낸다. 응답도(Rv)는 온 도 저항 계수 (Temperature Coefficient of Resistance, α), 저항(R), 열전도도(G), 열시정수(τ), 주파수(ω), 바이어스 전류(I)에 의해 결정된다.

(1)

식(1)에서 온도 저항계수는 다음 식으로 나타낸다.

(2)

여기서 ΔR: 저항 저항 변화량, ΔT: 온도 변화량이다.

마이크로볼로미터의 주된 노이즈는 존슨 잡음으로 화이트 노 이즈의 특성을 갖는다.

(3) 여기서 k는 볼츠만 상수, T는 온도 , 는 잡음대역폭(noise bandwidth)이다.

응답도와 노이즈를 결정하는 요인인 온도 저항 계수와 노이 즈는 감지물질의 특성으로 결정된다. 따라서 감도가 높은 열화 상 센서를 제조하기 위해서는 높은 온도 저항 계수와 낮은 잡 음을 갖는 감지 물질을 선택해야 한다. 마이크로볼로미터는 ROIC 와 모노리식(monolithic)하게 형성되기 때문에 감지 물질 형성 공정은 시모스(CMOS) 회로와 공정 호환성을 가져야 한다.

센서 성능을 결정짓는 다른 중요한 요소로 열전도도가 있다.

적외선 에너지가 마이크로볼로미터 멤브레인에 입사하면 멤브 레인과 멤브레인 주변 환경과의 온도차가 발생하고 온도차에 비 례하여 감지물질의 저항차가 발생하고 출력전압이 커진다. 그러 나 온도차는 시간에 따라 열전도에 의해 열평형 상태에 이르게 된다. 열전도는 지지다리를 통한 전도(G

), 주변 대기 가스에 의한 대류(G

), 복사(G

) 를 통해 발생한다[2].

(5) 여기서 적외선 열에너지의 전기 응답 특성을 높이기 위해 열 전도를 최소화할 필요가 있다. 이를 위해 멤브레인을 공중에 띄 우고 멤브레인을 떠받치는 가늘고 긴 지지다리 구조를 설계하 였다. 센서를 진공 패키징하여 멤브레인 주변의 대기 가스에 의 한 열전도를 최소화하였다.

2.1.1 바나듐 텅스텐 옥사이드 감지 물질

마이크로볼로미터용 감지 물질로는 바나듐 옥사이드[3,4], 비

정질 실리콘[5], ZnO[6]등 사용되고 있다. 본 연구에서는 비정 질 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O)을 감지 물질로 사용하였다.

바나듐 텅스텐 산화물의 저항 크기와 저항 온도 계수는 바나듐 과 텅스텐의 조성비, 산화시간의 함수이다. 바나듐 텅스텐 산화 물은 열용량을 고려한 수십 나노 두께의 박막 형성이 가능하고 낮은 산화 온도로 시모스 공정과 호환되는 장점이 있다[7].

2.1.2 열화상 센서의 설계와 제조

마이크로볼로미터의 단위 픽셀은 35 μm 픽셀크기에 열전도 도를 최소로 하기 위해 지지다리 길이를 54.8 μm 로 설계하였 다. 열전도도는 4.95×10

W/K, 열용량은 1.81×10

J/K, 열시정 수는 36.7×10

sec로 설계하였다. 마이크로볼로미터 어레이는 80×60 포맷으로 배열되었으며 표면미세가공기술 (Surface Micro- machining Technology)을 이용하여 제작하였다. Fig. 1의 공정 프로세스에서 보듯이 마이크로볼로미터 어레이는 ROIC 웨이퍼 위에 모노리식하게 제작되어 ROIC 회로와 일체화되고 동시에 전기적 연결된다. 적외선 센서는 반사층, 지지층, 희생층, 감지 물질층, 보호층으로 구성되었다. 웨이퍼레벨패키징을 하기 위하 여 웨이퍼레벨에서 금속 솔더층을 증착한 후 희생층을 제거하 였다. Fig. 2은 제작이 완료된 마이크로볼로미터 단위 픽셀의 전 자 현미경 사진과 ROIC 회로와 센서가 전기적으로 연결되어 모 노리식하게 공정된 단면사진이다. Fig. 3는 80×60 마이크로볼로 R

αIR G 1 ω +

τ

---

=

α ΔR --- ΔT 1 R ---

×

=

V

= 4kTR f Δ

f Δ

G G =

+ G

+ G

Fig. 1. Process flow of Microbolometer with WLVP.

Fig. 2. (a) Microbolometer unit (b) Monolithic fabrication with

ROIC and microbolometer for electric contact

미터 FPA를 찍은 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다. 센서의 구 조가 뒤틀림없이 형성되었음을 확인하였다.

2.2 웨이퍼레벨패키징 기술

마이크로볼로미터 열화상 센서는 금속 패키징, 세라믹 패키징, 웨이퍼레벨패키징등 다양한 형태의 패키지에 패키징되고 있다.

본 연구에서는 대량 생산과 패키징 비용 절감에 효과적인 웨이 퍼레벨패키징 기술을 개발하여 마이크로볼로미터 열화상 센서 에 적용하였다.

웨이퍼레벨패키징기술은 캡 웨이퍼의 설계 및 제조 기술, 완 전 밀봉용 금속 솔더와 접합 기술, 아웃개싱(outgassing) 컨트롤 기술이 필요하다. Fig. 4는 웨이퍼레벨패키징을 위한 설계 칩 단 면이다. 본딩용 캡 웨이퍼는 가격이 싸고 가공이 쉬운 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. Wet etching 방법으로 캐비티(cavity)를 만 들고 5.5 μm 이상 투과 필터를 양면 코팅하였다. 아웃개싱용 박 막형 게터를 증착하고 웨이퍼 접합용 금속 솔더를 증착하였다.

금속 솔더는 기계적, 물리적 특성이 완전 밀봉에 적합한 특성을

갖는 Au80 wt%Sn20 wt% 제1공융점(eutectic point)을 사용하였 다. 접합온도는Au와 Sn의 조성비에 민감하기 때문에 조성비 편 차를 고려하여 330

C에서 본딩하였다. 웨이퍼 접합은 소자 웨 이퍼와 캡 웨이퍼를 고진공용 본더안에서 정렬하고 아웃개싱 공 정을 거친 후 330

C 열과 5 kN 압력을 가하여 접합하였다. Fig.

5은 위의 기술을 이용하여 제작된 웨이퍼 레벨 진공 패키징 공 정 후 개별화된 열화상 센서 사진이다.

2.3 ROIC 설계

적외선 신호 검출용 ROIC는 Fig. 6처럼 마이크로볼로미터 저 항 변화를 증폭하는 적외선 신호 검출부와 디지털 신호처리부, 인터페이스, 타이밍 컨트롤 영역으로 구성된다. ROIC는 16 MHz 의 메인 클럭으로 동작하고, 데이터의 read/write를 위해 SPI 통 신을 지원한다. 모드 설정으로 serial peripheral interface(SPI), embit binary interface(EBI), inter-integrated circuit(I2C) 등 3가지 의 데이터 통신 인터페이스를 지원하며 타이밍 컨트롤 영역은 칩의 각 영역을 제어한다. 마이크로볼로미터 신호 검출을 위한 적분기는 Capacitive trans-impedance amplifier(CTIA) 구조를 사 용하였다. 적외선 신호 검출은 액티브 픽셀과 레퍼런스 픽셀의 전류의 차이를 전압으로 변환하고 적분시간과 적분 캐피시터를 조정하여 이득(gain)을 조정한다. 증폭된 신호는 ROIC 내부의 12 bit 아날로그-디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC) 에서 디지털 신호로 변환된다. ADC의 다이나믹 레인지(Dynamic range)는 1.65±1 V이다. 디지털 변환된 마이크로볼로미터 출력 신호는 내부에 존재하는 버퍼에 저장된다.

마이크로볼로미터의 저항 편차에 의해 발생하는 고정 패턴 노 이즈(FPN)을 보상하기 위한 방법으로 내부 DAC회로에서 픽셀 별로 DAC 값을 조절함으로써 동일한 오프셋을 출력하도록 설 계하였다. 오프셋 값은 1.8~2.8 V 내에서 조절 가능하다. 픽셀 별 보정 DAC값은 칩 내부의 DAC 버퍼에 저장하기 때문에 일 정한 오프셋 출력이 가능하다. 칩 내부에 초기값 변경과 사용자 정보기록을 위한 one time programmable(OTP) 메모리를 사용 할 수 있다.

Fig. 3. Microbolometer Focal plane array with 80×60 format

Fig. 4. Schematic diagram of wafer-level vacuum packaging infrared sensor

Fig. 5. Microbolometer FPA sensor with wafer-level vacuum pack-

aging technology

3.

3.1 웨이퍼레벨진공 패키지의 성능 측정

마이크로볼로미터의 셀프히팅 효과(Self-heating effect)를 이용 하여 웨이퍼레벨진공 패키징 열화상 센서의 열전도도를 측정하 였다. 셀프히팅 효과는 저항체인 마이크로볼로미터에 전압 또는 전류 바이어스를 가하면 줄 히팅(Joule heating)에너지가 발생하 여 마이크로볼로미터 내부 온도와 저항이 변하는 현상을 이른다.

즉, 바이어스를 가하면 줄 히팅 에너지(P)가 발생하고 마이크로 볼로미터의 멤브레인에서 멤브레인 주변으로 열의 흐름이 발생 한다. 열전도에 의한 열전달은 멤브레인과 주변환경의 온도차 ( ΔT)를 발생시킨다. 열전도도와 줄 히팅의 관계식은 식(6)와 같다.

(6) 마이크로볼로미터 저항(R)에 전류 바이어스(I)를 가할 때, 식 (2) 와 식(6)로부터 열전도도를 구하는 식(7)를 얻을 수 있다. 여 기서 R

는 초기저항이다.

(7)

웨이퍼 레벨 진공 패키징된 열화상 센서의 내부 진공도는 마

이크로게이지를 패키지 내부에 제작하여 진공도를 직접 측정하 지 않는 한 패키지 내부의 진공도를 직접 측정할 수 있는 방법 은 없다. 내부 진공 상태를 판단하기 위한 간접적인 방법으로 패키지 내부에 존재하는 액티브 픽셀과 동일한 테스트 픽셀의 열전도도를 측정하였다. 프로브스테이션의 기판 온도를 변화시 키면서 식(2)에 따라 저항 온도 계수를 측정하고, 바이어스를 변 화시키며 저항을 측정하였다. 식(7)과 온도 저항 계수를 이용하 여 열전도도를 산출하였다. 열전도도의 중앙값(Median)은 5.39×10

W/K, 1사분위수는 5.11×10

W/K, 3사분위수는 5.65×10

W/K 이다. 설계값과 측정값이 차이가 3.6×10

W/K로 설계값 대비 약 7 %의 오차를 보인다. 이러한 오차는 열전도도값이 지지다 리의 길이와 폭, 지지다리를 구성하는 금속층과 지지층의 두께 에 의해 결정되는데 제작 공정 오차가 열전도도의 오차를 유발 한 것으로 생각된다. 열전도도 측정 결과로부터 열전도도가 주 로 지지다리에 의한 열전도에 의해 일어나기 때문에 웨이퍼 레 벨 패키지의 내부가 진공 상태로 유지되고 있음을 알 수 있다.

3.2 광학 특성 측정

웨이퍼레벨진공패키징된 적외선 센서의 전기-광학 특성을 확 인하기 위하여 noise equivalent temperature difference(NETD)를 측정하였다. NETD는 최소 온도 분해능으로 마이크로볼로미터 어레이 시스템의 성능을 가늠하는 중요한 성능 지수이다. NETD 는 F넘버값이 1인 렌즈와 흑체소스(blackbody source)를 이용하 여 측정하였다. 흑체 소스 온도가 25

C, 35

C일 때 각각 신호 와 잡음을 측정하여 반응도(Responsivity)를 구한 후 잡음을 반 응도로 나누어 산출한다. 평균 응답도는 11.6 mV/K, 평균 노이 즈는 1.96 mV, 평균 NETD는 170 mK이다.

3.3 WLVP 열화상 센서의 신뢰성평가

웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서의 진공도 수명을 예측 G P

T Δ ---

=

1 R --- 1

R

--- α G ----

⎝ ⎠ ⎛ ⎞ I ×

–

=

Fig. 6. Block diagram of ROIC

Fig. 7. Pixel read-out architecture

Fig. 8. Histogram of thermal conductance of WLVP microbolometer

sensors

하기 위하여 JEDEC standard JESD22-A108D:2010 기반으로 가 속 스트레스 시험을 하였다. 가속 조건은 125

C, 1000 시간이며, 3.4 V 바이어스를 가하며 동작 시험하였다. 시료는 77개를 시험 하였다. 시험 전후의 열전도도를 측정하여 가속 온도에 의한 내 부 진공도 변화가 있는지 측정하였다. 측정결과 시험 시간 동안 고장시료는 없었으며, JESD74A에 기반하여 신뢰도 95 % 구간 에서 시료 77개가 무고장일 때 MTTF는 10.2년으로 산출되었다.

열화상 센서의 환경평가는 고온/저온시험, 고온고습시험, 온 도변화시험, 진동시험, 충격시험, 낙하시험, 정전기 방전시험을 하였다. 시험 전후의 응답도, 노이즈, NETD를 측정하여 변화량 을 측정하였고 정상 동작함을 확인하였다.

3.4. 비접촉 온도 측정이 가능한 적외선 카메라 개발

본 연구에서 개발한 웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서를 기반으로 웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서 모듈과 네트워 크 기반 열화상 카메라를 개발하였다. Fig. 9의 열화상 센서 모 듈 구성도에서 보듯이, 열화상 센서는 비접촉 온도 측정용 데이 터를 저장하는 메모리와 기준온도를 제공하는 접촉 온도센서로

구성되었으며 SPI와 I2C 데이터 통신 프로토콜을 제공한다. 네 트워크 기반 열화상 카메라는 Fig. 10에서 보듯이 메인보드, 640×480 실화상 카메라(CIS sensor), LED 조명을80×60 열화상 카메라 모듈(TIS sensor)에 실장하였다. 실화상 카메라의 높은 해상도에 익숙한 현대인은 약 4,800 개 픽셀의 열 이미지를 쉽 게 인식하지 못 한다. 본 연구에서는 고해상도의 실화상 이미지 와 온도 정보가 담긴 열화상 이미지를 합성한 합성 이미지를 제 공하여 이미지의 인식을 용이하게 하는 동시에 온도 정보를 표 시하는 기능을 구현하였다(Fig. 11). 이더넷 프로토콜을 이용하 여 카메라의 제어, 측정 온도값, 이미지를 전송하고, power over ethernet(PoE) 를 이용하여 데이터와 전력을 동시에 공급받는다.

4. 결 론

웨이퍼레벨 진공 패키징 기술을 적용한 80x60 마이크로볼로 미터 열화상 센서의 설계와 제조, 웨이퍼레벨 열전도도 측정 방 법, 신뢰성 평가, 개발된 열화상 센서를 이용한 비접촉 실시간 온도 측정 모니터링용 열화상 카메라를 설계하고 개발하였다.

열화상 카메라는 배전반, 변압기등 대상 지역을 감시하고 대상 물체의 온도를 모니터링하여 이상온도 발생시 네트워크를 통해 사용자에게 알람을 제공함으로써 사건 발생 전 조기 대처가 가 능하도록 하는 기능을 제공하고 있다. 80x60 열화상 카메라는 앞서 언급한 스마트기기, 스마트 빌딩, 에너지 절전 분야 등의 신시장에서 요구하는 가격 경쟁력과 다양한 기능을 충족시킴으 로써 적외선센서 시장의 외연을 넓혀갈 계획이다.

Fig. 9. Schematic diagram of WLVP optic module

Fig. 10. Schematic diagram of network thermal camera with built-in digital camera

Fig. 11. (a) 80x60 thermal image (b) 640x480 visible image (c)

Merged image

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