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문제 정의
- 본 연구에서는 새로운 시장에서 요구하는 성능, 합리적인 가격, 대량생산성, 패키징 기술을 갖추어 픽셀 크기 35 μm, 해상도 80×60의 웨이퍼 레벨 진공 패키징 마이크로볼로미터 열화상 센서를 개발하고 이를 활용한 열화상 카메라 제품을 개발하였다. 본 논문에서는 바나듐 텅스텐 옥사이드 감지 물질과 마이크로볼로미터 구조 설계와 제조, 웨이퍼 레벨 패키징, ROIC설계 등 열화상 센서 개발의 일련의 과정을 기술하고, 열화상 센서의 전기-광학적 특성, 웨이퍼 레벨 패키징의 열전도도를 이용한 평가 결과와 열화상 센서의 신뢰성 평가를 서술하였다. 마지막으로 열화상 카메라의 구성과 설계에 대하여 기술하였다.
- 본 연구에서 개발한 웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서를 기반으로 웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서 모듈과 네트워크 기반 열화상 카메라를 개발하였다. Fig.
- 마이크로볼로미터 열화상 센서는 금속 패키징, 세라믹 패키징, 웨이퍼레벨패키징등 다양한 형태의 패키지에 패키징되고 있다. 본 연구에서는 대량 생산과 패키징 비용 절감에 효과적인 웨이퍼레벨패키징 기술을 개발하여 마이크로볼로미터 열화상 센서에 적용하였다.
제안 방법
- NETD는 최소 온도 분해능으로 마이크로볼로미터어레이 시스템의 성능을 가늠하는 중요한 성능 지수이다. NETD는 F넘버값이 1인 렌즈와 흑체소스(blackbody source)를 이용하여 측정하였다. 흑체 소스 온도가 25℃, 35℃일 때 각각 신호와 잡음을 측정하여 반응도(Responsivity)를 구한 후 잡음을 반응도로 나누어 산출한다.
- Wet etching 방법으로 캐비티(cavity)를 만들고 5.5 μm 이상 투과 필터를 양면 코팅하였다.
- 웨이퍼 레벨 진공 패키징된 열화상 센서의 내부 진공도는 마이크로게이지를 패키지 내부에 제작하여 진공도를 직접 측정하지 않는 한 패키지 내부의 진공도를 직접 측정할 수 있는 방법은 없다. 내부 진공 상태를 판단하기 위한 간접적인 방법으로 패키지 내부에 존재하는 액티브 픽셀과 동일한 테스트 픽셀의 열전도도를 측정하였다. 프로브스테이션의 기판 온도를 변화시키면서 식(2)에 따라 저항 온도 계수를 측정하고, 바이어스를 변화시키며 저항을 측정하였다.
- 네트워크 기반 열화상 카메라는 Fig. 10에서 보듯이 메인보드, 640×480 실화상 카메라(CIS sensor), LED 조명을80×60 열화상 카메라 모듈(TIS sensor)에 실장하였다.
- 마이크로볼로미터 어레이는 80×60 포맷으로 배열되었으며 표면미세가공기술 (Surface Micromachining Technology)을 이용하여 제작하였다.
- 마이크로볼로미터의 단위 픽셀은 35 μm 픽셀크기에 열전도도를 최소로 하기 위해 지지다리 길이를 54.8 μm 로 설계하였다.
- 마이크로볼로미터의 셀프히팅 효과(Self-heating effect)를 이용하여 웨이퍼레벨진공 패키징 열화상 센서의 열전도도를 측정하였다. 셀프히팅 효과는 저항체인 마이크로볼로미터에 전압 또는 전류 바이어스를 가하면 줄 히팅(Joule heating)에너지가 발생하여 마이크로볼로미터 내부 온도와 저항이 변하는 현상을 이른다.
- 마이크로볼로미터의 저항 편차에 의해 발생하는 고정 패턴 노이즈(FPN)을 보상하기 위한 방법으로 내부 DAC회로에서 픽셀별로 DAC 값을 조절함으로써 동일한 오프셋을 출력하도록 설계하였다. 오프셋 값은 1.
- 본 논문에서는 바나듐 텅스텐 옥사이드 감지 물질과 마이크로볼로미터 구조 설계와 제조, 웨이퍼 레벨 패키징, ROIC설계 등 열화상 센서 개발의 일련의 과정을 기술하고, 열화상 센서의 전기-광학적 특성, 웨이퍼 레벨 패키징의 열전도도를 이용한 평가 결과와 열화상 센서의 신뢰성 평가를 서술하였다. 마지막으로 열화상 카메라의 구성과 설계에 대하여 기술하였다.
- 실화상 카메라의 높은 해상도에 익숙한 현대인은 약 4,800 개 픽셀의 열 이미지를 쉽게 인식하지 못 한다. 본 연구에서는 고해상도의 실화상 이미지와 온도 정보가 담긴 열화상 이미지를 합성한 합성 이미지를 제공하여 이미지의 인식을 용이하게 하는 동시에 온도 정보를 표시하는 기능을 구현하였다(Fig. 11). 이더넷 프로토콜을 이용하여 카메라의 제어, 측정 온도값, 이미지를 전송하고, power overethernet(PoE)를 이용하여 데이터와 전력을 동시에 공급받는다.
- 본 연구에서는 새로운 시장에서 요구하는 성능, 합리적인 가격, 대량생산성, 패키징 기술을 갖추어 픽셀 크기 35 μm, 해상도 80×60의 웨이퍼 레벨 진공 패키징 마이크로볼로미터 열화상 센서를 개발하고 이를 활용한 열화상 카메라 제품을 개발하였다.
- 이를 위해 멤브레인을 공중에 띄우고 멤브레인을 떠받치는 가늘고 긴 지지다리 구조를 설계하였다. 센서를 진공 패키징하여 멤브레인 주변의 대기 가스에 의한 열전도를 최소화하였다.
- 시료는 77개를 시험하였다. 시험 전후의 열전도도를 측정하여 가속 온도에 의한 내부 진공도 변화가 있는지 측정하였다. 측정결과 시험 시간 동안 고장시료는 없었으며, JESD74A에 기반하여 신뢰도 95 % 구간에서시료 77개가 무고장일 때 MTTF는 10.
- 열화상 센서의 환경평가는 고온/저온시험, 고온고습시험, 온도변화시험, 진동시험, 충격시험, 낙하시험, 정전기 방전시험을 하였다. 시험 전후의 응답도, 노이즈, NETD를 측정하여 변화량을 측정하였고 정상 동작함을 확인하였다.
- 5 μm 이상 투과 필터를 양면 코팅하였다. 아웃개싱용 박막형 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 사용하였다.
- 열화상 센서의 환경평가는 고온/저온시험, 고온고습시험, 온도변화시험, 진동시험, 충격시험, 낙하시험, 정전기 방전시험을 하였다. 시험 전후의 응답도, 노이즈, NETD를 측정하여 변화량을 측정하였고 정상 동작함을 확인하였다.
- 웨이퍼 레벨 진공 패키징 열화상 센서의 진공도 수명을 예측하기 위하여 JEDEC standard JESD22-A108D:2010 기반으로 가속 스트레스 시험을 하였다. 가속 조건은 125℃, 1000시간이며, 3.
- 웨이퍼레벨 진공 패키징 기술을 적용한 80x60 마이크로볼로미터 열화상 센서의 설계와 제조, 웨이퍼레벨 열전도도 측정 방법, 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 통해사용자에게 알람을 제공함으로써 사건 발생 전 조기 대처가 가능하도록 하는 기능을 제공하고 있다.
- 웨이퍼레벨진공패키징된 적외선 센서의 전기-광학 특성을 확인하기 위하여 noise equivalent temperature difference(NETD)를 측정하였다. NETD는 최소 온도 분해능으로 마이크로볼로미터어레이 시스템의 성능을 가늠하는 중요한 성능 지수이다.
- 적외선 센서는 반사층, 지지층, 희생층, 감지물질층, 보호층으로 구성되었다. 웨이퍼레벨패키징을 하기 위하여 웨이퍼레벨에서 금속 솔더층을 증착한 후 희생층을 제거하였다. Fig.
- 여기서 적외선 열에너지의 전기 응답 특성을 높이기 위해 열전도를 최소화할 필요가 있다. 이를 위해 멤브레인을 공중에 띄우고 멤브레인을 떠받치는 가늘고 긴 지지다리 구조를 설계하였다. 센서를 진공 패키징하여 멤브레인 주변의 대기 가스에 의한 열전도를 최소화하였다.
- 내부 진공 상태를 판단하기 위한 간접적인 방법으로 패키지 내부에 존재하는 액티브 픽셀과 동일한 테스트 픽셀의 열전도도를 측정하였다. 프로브스테이션의 기판 온도를 변화시키면서 식(2)에 따라 저항 온도 계수를 측정하고, 바이어스를 변화시키며 저항을 측정하였다. 식(7)과 온도 저항 계수를 이용하여 열전도도를 산출하였다.
- NETD는 F넘버값이 1인 렌즈와 흑체소스(blackbody source)를 이용하여 측정하였다. 흑체 소스 온도가 25℃, 35℃일 때 각각 신호와 잡음을 측정하여 반응도(Responsivity)를 구한 후 잡음을 반응도로 나누어 산출한다. 평균 응답도는 11.
대상 데이터
- 아웃개싱용 박막형 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 사용하였다. 접합온도는Au와 Sn의 조성비에 민감하기 때문에 조성비 편차를 고려하여 330℃에서 본딩하였다.
- 마이크로볼로미터용 감지 물질로는 바나듐 옥사이드[3,4], 비정질 실리콘[5], ZnO[6]등 사용되고 있다. 본 연구에서는 비정질 바나듐 텅스텐 산화물(V-W-O)을 감지 물질로 사용하였다. 바나듐 텅스텐 산화물의 저항 크기와 저항 온도 계수는 바나듐과 텅스텐의 조성비, 산화시간의 함수이다.
- 4는 웨이퍼레벨패키징을 위한 설계 칩 단면이다. 본딩용 캡 웨이퍼는 가격이 싸고 가공이 쉬운 실리콘웨이퍼를 사용하였다. Wet etching 방법으로 캐비티(cavity)를 만들고 5.
- 4 V 바이어스를 가하며 동작 시험하였다. 시료는 77개를 시험하였다. 시험 전후의 열전도도를 측정하여 가속 온도에 의한 내부 진공도 변화가 있는지 측정하였다.
이론/모형
- 모드 설정으로 serial peripheral interface(SPI), embit binary interface(EBI), inter-integrated circuit(I2C)등 3가지의 데이터 통신 인터페이스를 지원하며 타이밍 컨트롤 영역은 칩의 각 영역을 제어한다. 마이크로볼로미터 신호 검출을 위한 적분기는 Capacitive trans-impedance amplifier(CTIA) 구조를 사용하였다. 적외선 신호 검출은 액티브 픽셀과 레퍼런스 픽셀의 전류의 차이를 전압으로 변환하고 적분시간과 적분 캐피시터를 조정하여 이득(gain)을 조정한다.
성능/효과
- 시험 전후의 열전도도를 측정하여 가속 온도에 의한 내부 진공도 변화가 있는지 측정하였다. 측정결과 시험 시간 동안 고장시료는 없었으며, JESD74A에 기반하여 신뢰도 95 % 구간에서시료 77개가 무고장일 때 MTTF는 10.2년으로 산출되었다.
후속연구
- 열화상 카메라는 배전반, 변압기등 대상 지역을 감시하고 대상 물체의 온도를 모니터링하여 이상온도 발생시 네트워크를 통해사용자에게 알람을 제공함으로써 사건 발생 전 조기 대처가 가능하도록 하는 기능을 제공하고 있다. 80x60 열화상 카메라는 앞서 언급한 스마트기기, 스마트 빌딩, 에너지 절전 분야 등의 신시장에서 요구하는 가격 경쟁력과 다양한 기능을 충족시킴으로써 적외선센서 시장의 외연을 넓혀갈 계획이다.
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