In this thesis, vacuum packaging technology for enhancing NETD of microbolometer was studied. Also, pirani gauge which can measure the vacuum level under 10mTorr was designed and its theoretical leg thermal conductance was $3.25times10^{-7}$ W/K. For sensor packaging, Cu-Sn solder bonding was selected. To analyze the effects of bonding parameters, bonding was executed at various conditions. Cu-evaporated silicon wafer and Sn-evaporated silicon wafer were bonded at 260℃, 10000N for 10min, and diced into 4x3, 4x5, 6x3, 6x5 $cm^{-2}$ sizes for shear test. Measured average shear strength was 9.81MPa which was lower than the requirement of packaging shear strength of 12.3MPa. Average shear strength was increased to 21.29MPa if bonding force was increased to 20000N, so shear strength was linearly dependent on bonding force. And bonding temperature and time were insufficient to increase shear strength. Pirani gauge was fabricated by bulk micromachining and its properties were calculated and measured. First, resistances of Pirani gauge were measured at various pressures by flowing 100uA DC current. Initial resistance of 6.8kΩ was increased to 7.0kΩ at 50mTorr. By using this method, resistances of Pirani gauge were obtained at various pressures so these data can be used for measuring vacuum level inside the package. Measured TCR was $9.19times10^{-4}K^{-1}$ and total thermal conductance was $2.57times10^{-6}$ W/K. These proposed packaging method and Pirani gauge are suitable for IR sensor packaging and vacuum measurement.
본 논문에서는 적외선 센서인 마이크로 볼로미터의 온도 분해 능력 (NETD)을 향상시키기 위한 진공 패키징 기술을 연구하였다. 또한 마이크로 볼로미터의 일반적인 동작조건인 10 mTorr까지 진공도를 측정할 수 있는 피라니 게이지를 설계하였으며 이론적인 열전도도는 $3.25times10^{-7}$ W/K 이었다. 센서를 패키징하기 위하여 구리-주석 솔더 접합 방식을 적용하였으며 각 접합 변수들이 가지는 영향을 분석하기 위하여 여러 조건하에서 접합을 수행하였다.
260℃에서 10분간 10000N의 힘으로 구리가 증착된 실리콘 기판과 주석이 증착된 기판을 접합한 후 4x3, 4x5, 6x3, 6x5 $cm^{-2}$ 의 크기로 잘라 전단 시험으로 접합 강도를 측정하였다. 측정된 전단 접합 강도는 9.81 MPa의 평균 강도를 보였으며 이는 그림 3-18에 제안된 패키징의 요구조건인 12.3 MPa을 만족시키지 못하는 수치였다. 접합 힘을 20000N으로 증가시켰을 때 21.29 MPa의 평균 강도를 보였으며 접합 힘을 증가시킬수록 측정되는 전단 접합 강도도 이에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 접합 온도와 접합 시간을 증가시키는 것은 접합 강도 향상에 크게 도움이 되지 않는 것을 확인하였다.
벌크 마이크로머시닝 공정을 통해 피라니 게이지를 제작하였으며 측정과 계산을 통해 성능을 검증하였다. 우선 제안한 피라니 게이지에 100uA의 DC 전류를 흘려 압력에 따른 저항 값을 측정하였으며, 원래의 저항 값인 6.8kΩ이 50 mTorr의 진공도에서는 약 7.0kΩ까지 증가하였다. 이로써 각 진공도에 따른 피라니 게이지의 저항 값을 얻을 수 있었으며, 이는 진공 패키징 내부의 피라니 게이지의 저항을 측정함으로써 패키징 내부의 진공도를 측정하는데 사용될 수 있다. 또한 측정된 열 저항 계수(TCR)는 $9.19times10^{-4}K^{-1}$, 열전도도는 $2.57times10^{-6}$ W/K 이었다.
이로써 마이크로 볼로미터를 패키징하기 위해 적절한 강도를 가지는 접합 방법과 조건을 찾았으며 패키징 내부의 진공도를 측정하기 위한 피라니 게이지를 설계하였다.
