DD293657A5 - Teilchensensor-hybridmodul und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Teilchensensor-Hybridmodul und Verfahren zur Herstellung eines Teilchensensor-Hybridmoduls mit einem Siliziumstreifendetektor und einer Anzahl Vorverstaerker. Erfindungsgemaesz sind auf einem gemeinsamen Substrat der Siliziumstreifendetektor und an diesen angeschlossene hochkanalige Signal-Ausleseeinheiten in Form von Chips angeordnet. Sie sind ueber Bondverbindungen an eine auf dem gemeinsamen Substrat aufgebaute Mehrebenen-Leitbahnanordnung angeschaltet. Das gemeinsame Substrat und mindestens ein weiteres Substrat sind mit in mehreren Ebenen angeordneten Leitbahnen versehen. Die Substrate sind derart uebereinander gestapelt, dasz im wesentlichen linienfoermig lokalisierte Kontaktflaechen stufenfoermig versetzt sind. Fig. 1{Teilchensensor-Hybridmodul; Siliziumstreifendetektor; Vorverstaerker; Substrat; Chips; Signal-Ausleseeinheit; Bondverbindungen; Mehrebenen-Leitbahnanordnung; Leitbahn; Ebene; Kontaktflaechen}

Description

Das an sich bekannte Ableiten der Verlustwärme durch Kühlkörper ist einerseits dutch die dichte Anordnung der Teilchensensoren im Experimentaufbau problematisch und andererseits sind die Kühlkörper durch die im Vakuum lediglich wirksame Wärmestrahlung uneffektiv. Ihre große Metallkonzentration kann außerdem die Teilchenbahnen verfälschen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die räumliche und zeitliche Auflösung von Teilchensensoren beim Erfassen der Spurkoordinaten hochenergetischer Teilchen zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Integrationsgrad und die Schnelligkeit der an einen Siliziumstreifendetektor angeschlossenen Vorverstärker und der Multiplex-Ausleseeinheit zu verbessern, ohne daß die Folgen dos höheren Integrationsgrades, insbesondere die höhere Dichte der Bondverbindungen und die vermehrt erzeugte Verlustwärme, die Zuverlässigkeit eines Teilchensensor-Hybridmoduls beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einem gemeinsamen Substrat der Siliziumstreifendetektor und an diesen angeschlossene hochkanalige Signal-Ausleseeinheiten in Form von Chips angeordnet sind, die über Bondverbindungen an eine auf dem gemeinsamen Substrat aufgebaute Mehrebenen-Leitbahnanordnung angeschaltet sind, bei der das gemeinsame Substrat und mindestens ein weiteres Substrat mit in mehreren Ebenen angeordneten Leitbahnen versehen und die Substrate derart übereinander gestapelt sind, daß die im wesentlichen linienförmig lokalisierten Kontaktflächen stufenförmig versetzt sind. Zur Herstellung des Teilchensensor-Hybridmoduls wird derart verfahren, daß auf jedes Substrat mit einer Goldpaste im Doppeldruck Bondinseln, mit einer ersten Leitbahnpaste aus AgPt und danach mit einer zweiten Leitbahnpaste aus AgPd die Leitbahnen in einer ersten Ebene und mit einer Multilayerpaste im Dreifachdruck eine Isolationsschicht gedruckt werden, daß wiederholend auf jede Isolationsschicht mit der Goldpaste im Doppeldruck weitere Bondinseln, mit der ersten und der zweiten Leitbahnpaste die Leitbahnen weiterer Ebenen und mit der Multilayerpaste im Dreifachdruck weitere Isolationsschichten gedruckt werden und daß abschließend auf die letzte Ebene der Leitbahnen mit der Multilayerpaste im Einfachdruck eins Isolationsschicht und mit einer Glasurpaste eine Deckschicht gedruckt werden. Auf die Leitbahnen sind Lötstellen aufgebracht.

Durch die erfindungsgemäße Lösung gelingt es, eine thermisch hochbelastbare Mehrebenen-Leitbahnanordnung bei kurzen Signalwegen in eine Anordnung von Siliziumstreifendetektor und nachgeordneten Signal-Ausleseeinheiten mit außerordentlich hohem Integrationsgrad zu integrieren.

Der Mehrebenen-Leitbahnanordnung fällt dabei die Aufgabe zu, jede Signal-Ausleseeinheit mit den erforderlichen Steuersignalen zu versorgen, ihre Ausgangssignale für ein serielles Auslesen zu kaskadieren, eine niederohmige Stromversorgung zu gewährleisten und entsprechende Verlustwärme abzuleiten.

Die in den Schichtaufbau der Mehrebenen-Leitbahnanordnung eingeordneten Substrate und die begrenzte Anzahl von Leitbahnebenen je Substrat vermindern weitgehend das Auftreten der durch die Erwärmung hervorgerufenen mechanischen Spannungen. Zugleich gelingt es, die große Anzahl der Bond- und Lötverbindungen in mehrere Ebenen aufzugliedern, so daß bei gleichbleibendem Abstand eine mehrfache Anzahl von Verbindungen je Flächeneinheit herstellbar ist. Durch die Gesamtheit der Maßnahmen entsteht ein hochauflösender Teilchensensor mit hoher Zuverlässigkeit.

Ausführungsbeisplel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: ein Detail des Teilchensensor-Hybridmoduls

Fig. 2: den Schichtaufbau der Mehrebenen-Leitbahnanordnung.

Fig. 1 zeigt ein Detail des erfindungsgemäßen Teilchensensor-Hybridmoduls mit einem gemeinsamen Substrat 1, einem Siliziumstreifendetektor 2, Bondverbindungen 3; 3' und Chips 4 mit jeweils einer 128kanaligen Signal-Ausleseeinheit, bestehend je Kanal aus einem ladungsempfindlichen Vorverstärker und einer „sample and hold"-Schaltung sowie aus einer Multiplexanordnung zum Auslesen der 128 Kanäle über einen Ausgang.

Das gemeinsame Substrat 1 enthält eine Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5. Sie besteht aus in mehreren Ebenen aufgebrachten Leitbahnen G auf dem gemeinsamen Substrat 1 und aus in mehreren Ebenen aufgebrachten Leitbahnen 6 auf einem weiteren Substrat 1'. Kontaktierflächen 7, wie Bondinseln T und Lötstellen 7" sind stufenförmig versetzt.

Fig. 2 zeigt den Schichtaufbau der Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 mit dem gemeinsamen Substrat 1, dem weiteren Substrat 1', den Leitbahnen 6, jeweils aus einer ersten und einer zweiten Leitbahnpaste, den Bondinseln T und den Lötstellen 7", Isolationsschichten 8 sowie einer Abdeckschicht 9. Eingezeichnete Vias 10 dienen der Verbindung zwischen den Leitbahnen 6 unterschiedlicher Ebenen. An die Bondinseln T sind die Bondverbindungen 3' und an die Lötstellen 7" Schaltdrähte 11 gezeichnet.

Der Maßstab des Schichtaufbaus wurde zwecks besserer Übersichtlichkeit verändert.

Der Aufbau des Teilchensensor-Hybridmoduls mit dei integrierten Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 ist folgender.

Der Siliziumstreifendetektor 2 und die Chips 4 mit der 128kanaligen Signalausleseeinheit, bestehend je Kanal aus dem ladungsempf indiichen Vorverstärker und der „sample and hold"-Schaltung sowie aus der Multiplex-Anordnung sind zusammen auf dem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet, beispielsweise durch ein thermisch leitendes Klebmittel befestigt und durch

Bondverbindungen 3; 3' elektrisch verbunden. Über das thermisch leitende Klebemittel wird die von dem Chip 4 mit einer

spezifischen Verlustleistung von zirka 10 W/cm erzeugte Verlustwärme an das gemeinsame Substrat 1 abgeleitet, das mit seiner vergleichsweise großen Flächenausdehnung und Masse eine ausreichende Wärmekapazität darstellt. Auf dem gemeinsamen Substrat 1 ist weiter unter Einhaltung kurzer Signalwege die Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 integriert. Sie besitzt eine den hochintegrierten Chips 4 entsprechende große Anzahl von Eingängen, deren parallele Eingangssignale mit Hilfe eines Busbetriebes seriell ausgelesen und einem Rechner zur Auswertung zugeführt werden. Der hohe Integrationsgrad des Teilchensensor-Hybridmoduls, mit dem das angestrebte zeitliche und räumliche Auflösungsvermögen realisiert wird, wird erst durch die integrierte Einordnung der thermisch hochbelastbaren Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 zu einer gemeinsamen Anordnung mit dem Siliziumstreifendetektor 2 und den hochkanaligen Signal-Ausleseeinheiten auf den Chips 4 ermöglicht. Die innerhalb der Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 bestehende hohe Konzentration an Leitbahnen 6, die durch eine Vielzahl von Speise- und Steuerströmen sowie Ereignissignalen belastet werden, führt zum Entstehen einer hohen Verlustwärmemenge je Zeit- und Flächeneinheit. Durch das Einfügen des weiteren Substrates 1' wird eine Vergrößerung der Wärmekapazität erreicht, die Anzahl der Ebenen mit wärmeerzeugenden Leitbahnen 6 je Substrat 1; V wird begrenzt und dadurch wird auch das Auftreten von mechanischen Spannungen aufgrund einer Erwärmung reduziert. Zugleich wird die Möglichkeit geschaffen, die Kontaktierflächen 7, also die Bondinseln 7' und die Lötstellen 7" in der Höhe auf mehrere Ebenen aufzugliedern, wodurch es möglich wird, bei Beibehaltung des technologisch erreichbaren Mindestabstandes der Bondstellen eine höhere Anzahl von Bondverbindungen 3' sowie Lötverbindungen herzustellen. Zur Herstellung der thermisch hochbelastbaren Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 werden zuerst auf das gemeinsame Substrat 1 mit Goldpaste im Doppeldruck Bondinseln T aufgetragen. Die Leitbahnen 6 werden anschließend mit einer ersten Leitbahnpaste aus AgPt und einer zweiten Leitbahnpaste aus AgPd gedruckt. Der Vorteil dieser Maßnahme beruht darin, daß die untere Schicht der Leitbahnen 6 sehr niederohmig ist und dadurch eine geringere Verlustleistung aufweist und daß die obere Schicht der Leitbahnen 6 dagegen als Oxidationsschutz, als Unterlage für die Lötstellen 7" und für die nachfolgende Isolationsschicht 8 sowie als Diffusionsbarriere wirkt, die die Silbermigration verhindert.

Anschließend wird mit Multilayerpaste im Dreifachdruck die Isolationsschicht 8 aufgetragen. In ihr enthaltene Vias 10 dienen zur Verbindung der Leitbahnen 6 in verschiedenen Ebenen. Dieses Verfahren wiederholt sich für weitere Ebenen von Leitbahnen 6, wobei auf die oberste Ebene der Leitbahnen 6 lediglich im Einfachdruck eine Isolationsschicht 8 und mit Glasurpaste eine Abdeckschicht 9 aufgetragen wird. Für die thermisch hochbelastete Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 hat es sich als zweckdienlich erwiesen, nicht mehr als zwei Ebenen von Leitbahnen 6 übereinander anzuordnen. Auf die obere Fläche der bis dahin aufgebauten Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 wird nunmehr ein weiteres Substrat 1' mit einem gleichen Schichtaufbau angeordnet und beispielsweise mit einem thermisch leitenden Klebemittel befestigt. Durch eine geeignete Bemessung der Druckflächen und des weiteren Substrats V gelingt es, die im wesentlichen linienförmig angeordneten Kontaktflächen 7, das heißt die Bondinseln T und die Lötstellen 7", stufenförmig versetzt anzuordnen.

Claims (3)

1. Teilchensensor-Hybridmodul, enthaltend einen Siliziumstreifendetektor, eine Anzahl Vorverstärker und eine Leitbahnanordnung zum Anschluß an eine Multiplex-Ausleseeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gemeinsamen Substrat (1) der Siliziumstreifendetektor (2) und an diesen angeschlossene hochkanalige Signal-Ausleseeinheiten in Form von Chips (4) angeordnet sind, die über Bondverbindungen (3) an eine auf dem gemeinsamen Substrat (1) aufgebaute Mehrebenen-Leitbahnanordnung (5) angeschaltet sind, bei der das gemeinsame Substrat (1) und mindestens ein weiteres Substrat (T) mit in mehreren Ebenen angeordneten Leitbahnen (6) versehen und die Substrate (1; T) derart übereinander gestapelt sind, daß die im wesentlichen linienförmig lokalisierten Kontaktflächen (7) stufenförmig versetzt sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines Teilchensensor-Hybridmoduls, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedes Substrat (1; T) mit einer Goldpaste im Doppeldruck Bondinseln (7'), mit einer ersten Leitbahnpaste aus AgPt und danach mit einer zweiten Leitbahnpaste aus AgPd die Leitbahnen (6) in einer ersten Ebene und mit einer Multüayerpaste im Dreifachdruck eine Isolationsschicht (8) gedruckt werden, daß wiederholend auf jede Isolationsschicht (8) mit der Goldpaste im Doppeldruck weitere Bondinseln (7'), mit der ersten und der zweiten Leitbahnpaste die Leitbahnen (6) weiterer Ebenen und mit der Multüayerpaste im Dreifachdruck weitere Isolationsschichten (8) gedruckt werden und daß abschließend auf die letzte Ebene der Leitbahnen (6) mit der Multüayerpaste im Einfachdruck eine Isolationsschicht (8) und mit einer Glasurpaste eine Deckschicht (9) gedruckt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Leitbahnen (6) Lötstellen (7") aufgebracht sind.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Teilchensensor-Hybridmodul und Verfahren zur Herstellung eines Teilchensensor-Hybridmoduls zum Erfassen der Spürkoordinaten hochenergetischer Teilchen, aber auch einsetzbar zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung über einen breiten Frequenzbereich, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt ist ein Teilchensensor, bei dem an einen Siliziumstreifendetektor ra'ischarme, ladungsempfindliche Vorverstärker mit 16 bis 20 Verstärkerkanälen, aufgebaut in Dickschicht-Hybridtechnik, und eine ebenfalls in dieser Technik aufgebaute Multiplex-Auslesseinheil angeschlossen sind. Die Verbindungen zwischen dem Siliziumstreifendetektor und den Vorverstärkern sind in Bondtechnik bei einem Bondstellenabstand von bis zu 200 pm ausgeführt, während zwischen dem Vorverstärkermodul und der Multiplex-Ausleseeinheit eine Dickschicht-Leitbahnanordnung zur Speisung der Vorverstärker und zur Übertragung der Teilchensignale zu dem auswertenden Rechner vorgesehen ist. In den als kundenspezifische Hybridschaltkreise komplex aufgebauten Vorverstärkern wird das Originalsignal von zirka 3fC auf etwa 70OfC bei einem Pulsabstand von 30 ns verstärkt. Mehrere derartiger Anordnungen werden bei einem Hochenergiephysik-Experiment teleskopartig ineinandergreifend im Vakuum um eine Versuchsanordnung geschachtelt, vgl. Daub, D„ Effing, H.: Development of a MOS-CCD for Parallel-In, Serial-Out Readout. Solid-State Special Products, Philips, Nijmegen, Netherlands.

Als unbefriedigend an dieser Anordnung hat sich aufgrund der Größe des in Dickschicht-Hybridtechnik aufgebauten Vorverstärkermoduls mit seinen etwa 20 Kanälen die zu geringe räumliche sowie aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit der Vorverstärker und der relativ großen Leitungslängen die zu geringe zeitliche Auflösung des Teilchensensors herausgestellt. Die Größe des Vorverstärkermoduls ist andererseits dadurch bedingt, daß zum Erreichen der genannten Verstärkung jeweils für Mikrosekunden ein Strort. von zirka 200 A erforderlich ist und somit je Zeit- und Flächeneinheit eine erhebliche Verlustleistung entsteht. Die dabei erzeugte Wärme beeinträchtigt nicht nur die Eigenschaften der Komponenten des Schaltkreises, sondern führt aufgrund innerer Spannungen in der Mehrlagen-Leitbahnanordnung in Dickschichttechnik zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit. Beim Einsatz von Dickschicht-Standardtechnologien unter Verwendung von Silber-Palladium-Pasten tritt aufgrund des relativ hohen spezifischen Widerstandes eine weitere Erhöhung der Verlustleistung ein, während Goldpaste durch die Wärmeeinwirkung eine zu geringe Haftfähigkeit aufweist, wodurch die Zuverlässigkeit weiter sinkt. Darüber hinaus sind bei Goldpasten Löttechnologien für das Einbringen hochintegrierter Aufsetz-Bauelemente nur begrenzt anwendbar. Eine in Betracht zu ziehende bloße Erhöhung des Integrationsgrades und der Einsatz schneller Halbleitertechnologien verschärfen die auftretenden Probleme, da je Zeit- und Flächeneinheit noch mehr Wärme erzeugt wird. Um die in diesem Fall größere Anzahl von Leitungswegen der Dickschicht-Leitbahnanordnung auf einer gleich großen oder sogar kleineren Fläche unterzubringen, müßte die Anzahl der Lagen in der Multilayeranordnung vervielfacht werden, wodurch die durch thermische Spannungen ungünstig beeinflußte Zuverlässigkeit weiter abnimmt. Darüber hinaus ist auch ein noch engerer Bondstellenabstand nicht beherrschbar und führt zu Kurzschlüssen.