Ziel der Entwicklung

Logo: Bild vom Demonstrator: ELISE-02-Modul. Als eine neue Applikation der Strahler Empfänger Baugruppe mit hermetischem Wafer Level Packaging - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
Bild vom Demonstrator: ELISE-02-Modul. Als eine neue Applikation der Strahler Empfänger Baugruppe mit hermetischem Wafer Level Packaging - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH

Moderne Siliziumsensoren bestehen heute aus mehreren Metallisierungsschichten, um bei gleicher Baugröße die Funktionalität zu erhöhen. Bei jeder Beschichtung können auf der Waferoberfläche Unebenheiten entstehen, die in Folge zu den verschiedensten Fehlfunktionen in den nachfolgenden Prozessschritten führen können. Mittels Planarisierung werden extrem glatte Oberflächen möglich, als eine Voraussetzung für effiziente Aufbau- und Verbindungstechniken.Durch hermetisches Packaging werden die Bauteile widerstandsfähig gegen zum Teil extreme Umgebungsbedingungen. Zudem verlangen die Anwender Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und preiswerte Sensoren. Um diese Forderungen zu erfüllen, wurde ein hermetischer Packaging Prozess auf Wafer Level für planarisierte dreidimensionale Strukturen entwickelt und mit modernen Strukturierungstechniken im Waferprozess sowie neuen Montage- und Kontaktierungstechnologien der Aufbau- und Verbindungstechnik kombiniert

Vorteile und Lösungen

Die Hausung von Sensoren und anderer Halbleiterbauelemente auf Waferebene bieten deutliche Vorteile hinsichtlich erreichbaren Miniaturisierungsgrad sowie Herstellkosten. Jedoch erfordert die Verbindung ganzer Wafer im Front-End, dies bedeutet innerhalb der CMOS- kompatiblen Reinraum-Technologien, extrem plane und saubere Oberflächen. Da die überwiegende Mehrzahl der Prozessschritte, zum Beispiel Passivierungsebenen, lithographische Strukturierung und Metallleiterbahnen, jedoch mit einer topologischen Struktur verbunden sind, kommen die etablierten Verbindungsverfahren nicht infrage. Mit den im Projekt erarbeiteten Lösungen können die mit Wafer-Level-Packaging gebundenen Vorteile nun auch für solche komplexeren Sensoren und Baugruppen genutzt werden. Die Projektidee bestand in der Entwicklung eines hermetischen Packaging Prozesses auf Wafer Level für planarisierte dreidimensionale Strukturen als Kombination aus modernen Strukturierungstechniken im Waferprozess sowie den Verbindungsverfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik. Technologisch im Vordergrund stand dabei die Entwicklung einer Planarisierungs-Technologie für die Waferoberflächen, wodurch eine hermetisch dichte, hochstabile Wafer-Direktmontage erst möglich werden soll. Neben der Auswahl und Testung geeigneter Schichtsysteme wurde der Prozess des anodischen Bondens hinsichtlich minimalster Temperatur- und Zeitbelastung im Bereich von 220 bis 300 Grad Celsius optimiert und durch die Anwendung der Bondrahmen-Technologie weiterentwickelt. Schwerpunkt bei der Entwicklung der Planarisierungstechnologie für die 3D-Strukturen der beiden finalen Demonstratoren war die Herstellung von hochplanaren und ebenen Oberflächen bei der Verwendung von klassischen Metallisierungssystemen der Mikrosystemtechnik, wie zum Beispiel Aluminium und Aluminium- Silicium- Legierungen mit Dicken bis zu zwei Mikrometer. Unter dem Gesichtspunkt eines polymerfreien Systemkonzepts wurden alternative Montage- und Kontaktierungstechnologien zu den konventionellen Aufbautechniken entwickelt und angeprobt, die eine Bearbeitung auf Wafer Level Ebene ermöglichen bei einer gleichzeitigen Verbesserung der optischen Eigenschaften.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelten Technologien bieten die Möglichkeit, Systeme mit sehr unterschiedlicher Funktionalität zu realisieren, wodurch die Applikation in verschiedenen Photonik-Segmenten möglich wird wie Medizintechnik, Life Science mit optischen Komponenten und Systemen, Prozess-Sensorik oder Messtechnik. Die Zielgruppen sind dabei Hersteller dafür ausgelegter Sensorsysteme und Messgeräte. Das CiS Forschungsinstitut kann auf Grundlage der erarbeiteten Lösungen nun ein erweitertes Leistungsspektrum für die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer Sensorbaugruppen anbieten.