In this thesis, a nickel based Resistance Temperature Detector (RTD) which integrated into the LED package for measuring the package temperature in real-time has been proposed and implemented. A stable metallic film is required for the long term reliability and stability of RTD type temperature sensor. Therefore, deposition and annealing condition for stable thin film were determined. The characteristic features of the thin film are determined by the film thickness, the deposition temperature, the annealing temperature, and the etc. As the result, the most stable thin film requires the particular condition to be formed; after deposited from the temperature, at 177˚C, to the thickness, 100nm, annealed in nitrogen ambient for an hour at 400˚C. Among this condition, the resistivity of the thin film is 7.629μΩcm, which is closed to the resistivity, 6.9μΩcm.
Based on the current deposition, the 105μm by 10μm size of RTD was fabricated by the deposition and patterning processes. The line width and the line spaced were determined as 5μm by the previous pattern-ing test. Moreover, in order to improve the sensitivity through the increasing the resistance, the RTD had a serpentine structure. The changing in resistance was linearly increased by the changing the condition in the temperature from 0˚C to 140˚C. In addition, the RTD exhibited the resistance, 302.65Ω and the TCR, 0.00516˚C-1 at the particular temperature, 25˚C. Consequently, the RTD was confirmed about being able to monitoring the proper temperature of the LED packages.
The LED package system, which has constant brightness regardless changing temperature, was pro-posed and implemented by compensating the optical properties in changing temperature condition. When the resistance of the RTD was changed by the package temperature, the changing resistance was converted to voltage through the conversion circuit. Additionally, the system noise was decreased through the low pass filter, and the output voltage was amplified by the OP Amp element in order to compensate the resolution. The voltage of the conversion circuit went through as the input of the control board, and the PWM signal with the duty rate related with the input signal was released. Based on this result, the light intensity, which was affected by the changing temperature, was compensated. As a result, the duty rate of PWM signal was changed with changing the temperature, and the duty rate similarly varied with the target duty rate. The max-imum error was 1.002% at 80˚C. Consequently, the fabricated RTD can be used for compensate the optical properties of LED and the LED package which exhibits constant brightness regardless of temperature change can be feasible
기존의 LED패키지가 갖는 온도에 따른 광 특성 변화의 보완을 위해 내부에 온도센서가 집적한 LED 패키지를 제안하였다. Wafer level package (WLP) 방식을 이용함으로써 기존의 패키지가 갖는 열 방출의 문제나 TEC차이에서 오는 신뢰성 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라 패키지 내부에 소자의 집적이 가능하다는 장점을 이용할 수 있었다. 먼저 온도센서의 제작목적을 고려하여 LED의 동작범위인 0C에서 140C에서 동작하며 장기간의 안정성과 정확성을 나타낼 수 있는 Resistance Temperature Detector 방식의 온도센서를 제작하기로 결정하였다. RTD 타입은 금속물질의 온도에 변화에 따른 저항변화를 이용하는 온도센서이므로 금속 물질들의 특성을 비교하여 높은 Temperature Coefficient of Resistivity (TCR)값을 가지며, 동작온도 범위에서 온도변화에 따른 저항의 변화가 선형적인 특성을 갖는 Nickel을 사용하기로 결정 하였다.
금속 박막은 증착 조건이나 이후 열처리 조건에 따라 그 특성이 변화되기 때문에 장기간 안정성을 갖는 온도센서를 위해서는 안정된 박막의 증착 조건 및 열처리 조건을 구하는 것이 우선이 되어야 한다. 따라서 Bulk와 유사한 안정된 박막을 얻기 위한 조건을 두께, 증착 온도 그리고 열처리 온도를 변화시키면서 조사한 결과 177˚C 에서 100nm 두께로 증착 한 뒤 in situ로 질소 분위기에서 400˚C 로 1시간동안 열처리 하였을 경우에 가장 안정된 박막의 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이 조건에서 형성된 박막은 Bulk에서 나타나는 비저항 값인 6.9μΩcm 에 가까운 7.629μΩcm 의 값을 나타내었다.
결정된 증착 조건을 바탕으로 Silicon wafer를 이용하여 제작된 WLP위에 RTD 타입의 온도센서를 제작하였다. 제작과정은 Nickel 박막을 형성하고 패터닝 과정을 통해 Line width와 Line space가 5um인 Serpentine형태를갖는 RTD를 형성하였으며, 이후 Pad metal을 위해 Titanium과 Aluminum을 각각 100nm, 500nm두께로 증착 하고 패터닝 하는 과정을 통해 제안한 소자를 패키지 내부에 제작하였다. 제작한 온도센서의 저항은 25˚C에서 사전에 모델링과정을 통해 구한 208Ω 보다 조금 큰 값인 302.65Ω을 나타냈다. 이는 모델링에서 사용한 Bulk에서의 비저항 값보다 Thin film으로 제작한 비저항 값이 크기기 때문이며, 또한 Serpentine구조의 Patterning시에 발생한 lateral Etching의 영향으로 인해 W of L의 비율이 증가하여 전체적인 저항값이 증가한 것으로 생각되었다. TCR값은 모델링에서 구했던 값과 유사한 0.00516˚C-1을 나타내었다. 제작된 RTD 타입의 온도센서의 저항변화는 직접적으로 측정이 불가능하기 때문에 전압으로 변환하여 주어야 하며, 이를 위해 Conversion Circuit을 제작하여 이용하였다. 일반적으로 Conversion Circuit에 사용되는 Wheatstone Bridge를 이용한 방식을 통해 저항변화에 비례하는 전압을 나타내는 회로를 설계하였다. 그 결과 0˚C 에서140˚C까지 온도를 변화시켜가면서 온도변화에 따른 저항변화는 최대오차가 1.1%를 가지며 거의 선형적으로 변화하는 것을 확인 할 수 있었다.
다음으로 제작된 온도센서를 통해 앞에서 말한 온도에 따라 변화하는 광 특성의 보상을 위해 사용하기 위하여 온도의 변화에 무관하게 항상 일정한 광 출력을 나타낼 수 있는 LED 패키지 시스템을 구성하였다. 온도에 따라 감소하는 광량을 보상해주기 위하여 온도센서를 통해 측정된 온도 정보를 바탕으로 PWM 신호의 Duty rate을 증가시켜주는 방식을 통해 이를 구현하였다. 따라서 앞에서 설명한 Conversion Circuit을 통해 나온 출력 전압을 Control Board 쪽에 입력으로 넣어줌으로써 온도 정보를 파악하고 사전에 제작된 프로그램을 통해 적절한 Duty rate을 갖는 PWM 신호를 출력하도록 하였다. 그 결과 목적했던 0˚C 에서는 71%의 Duty rate을 가지며 온도가 증가할수록 선형적으로 증가하여 140˚C에서 100%의 Duty rate을 갖는 PWM 신호가 출력되는 것에 근접한 1.002%의 최대 오차를 가지며 출력결과가 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 제작된 온도센서는 기존 LED 패키지가 갖는 온도에 따른 광 출력 감소의 문제점을 해결하기 위한 방안으로써 사용될 수 있음을 확인하였다
