DD293657A5

DD293657A5 - PARTICLE SENSOR HYBRID MODULE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD293657A5
Application number: DD90339562A
Authority: DD
Inventors: Joachim Mueller; Karl-Heinz Segsa; Karl Truetzschler
Original assignee: ��@��@��k��@�K@��@�K@��@��Kk��
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1991-09-05

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}The invention relates to a particle sensor hybrid module and method for producing a particle sensor hybrid module with a silicon strip detector and a number Vorverstaerker. According to the invention, the silicon strip detector and high-channel signal read-out units connected thereto are arranged in the form of chips on a common substrate. They are connected via bond connections to a multilevel interconnect arrangement constructed on the common substrate. The common substrate and at least one further substrate are provided with interconnects arranged in several levels. The substrates are stacked on top of each other in such a way that substantially linear contact surfaces are staggered stepwise. Fig. 1 {particle sensor hybrid module; Silicon strip detector; preamplifier; substrate; Crisps; Signal read-out unit; Bonds; Multilevel Leitbahnanordnung; interconnect; Level; 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.The known derivation of the heat loss through the heat sink is on the one hand dutch the dense arrangement of the particle sensors in the experimental setup problematic and on the other hand, the heat sink are ineffective due to the only effective in vacuum heat radiation. Their large metal concentration can also falsify the particle trajectories.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die räumliche und zeitliche Auflösung von Teilchensensoren beim Erfassen der Spurkoordinaten hochenergetischer Teilchen zu verbessern.The aim of the invention is to improve the spatial and temporal resolution of particle sensors when detecting the track coordinates of high-energy particles.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to improve the degree of integration and the speed of the connected to a silicon strip detector preamplifier and the multiplex read-out without the consequences dos higher degree of integration, in particular the higher density of the bonds and the increased heat loss generated, the reliability of a particle sensor Hybrid module.

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.According to the invention this object is achieved in that are arranged on a common substrate of the silicon strip detector and connected to these high-channel signal readout units in the form of chips, which are connected via bonding to a built-up on the common substrate multi-level interconnect arrangement in which the common substrate and at least one further substrate provided with multi-level interconnects and the substrates are stacked one above the other such that the substantially linearly located contact surfaces are staggered. To produce the particle sensor hybrid module, the procedure is such that printed on each substrate with a gold paste in double pressure bonding islands, with a first interconnect of AgPt and then with a second interconnect of AgPd the interconnects in a first plane and with a multilayer paste in triple printing an insulating layer be repeatedly printed on each insulation layer with the gold paste in the double pressure more bonding islands, with the first and second interconnect paste the interconnects other levels and with the multilayer paste in triple printing more insulation layers and that finally on the last level of the interconnects with the multilayer paste in single print one insulation layer and with a glaze paste a topcoat to be printed. On the interconnects solder joints are applied.

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.By means of the solution according to the invention, it is possible to integrate a thermally highly loadable multilevel interconnect arrangement with short signal paths into an arrangement of silicon strip detector and downstream signal readout units with an extraordinarily high degree of integration.

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.The multilevel interconnect arrangement has the task of providing each signal readout unit with the necessary control signals, cascading its output signals for serial readout, ensuring a low-resistance power supply, and dissipating corresponding heat loss.

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.The substrates arranged in the layer structure of the multilevel interconnect arrangement and the limited number of interconnect levels per substrate substantially reduce the occurrence of the mechanical stresses caused by the heating. At the same time, it is possible to divide the large number of bond and solder joints in several levels, so that at the same distance a multiple number of connections per unit area can be produced. The totality of the measures creates a high-resolution particle sensor with high reliability.

AusführungsbeisplelAusführungsbeisplel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: ein Detail des Teilchensensor-Hybridmoduls1 shows a detail of the particle sensor hybrid module

Fig. 2: den Schichtaufbau der Mehrebenen-Leitbahnanordnung.2 shows the layer structure of the multilevel interconnect arrangement.

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.1 shows a detail of the particle sensor hybrid module according to the invention with a common substrate 1, a silicon strip detector 2, bonding compounds 3; 3 'and chips 4, each with a 128-channel signal readout unit, each channel of a charge-sensitive preamplifier and a "sample and hold" circuit and a multiplex arrangement for reading the 128 channels via an output.

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.The common substrate 1 contains a multilevel interconnect arrangement 5. It consists of interconnects G applied on several levels on the common substrate 1 and of interconnects 6 applied on several levels on a further substrate 1 '. Contact surfaces 7, such as bonding islands T and solder joints 7 "are staggered.

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.2 shows the layer structure of the multilevel interconnect arrangement 5 with the common substrate 1, the further substrate 1 ', the interconnects 6, each of a first and a second interconnect paste, the bonding pads T and the solder joints 7 ", insulation layers 8 and a cover layer 9. Marked vias 10 serve to connect the interconnects 6 of different levels to the bonding pads T , the bond connections 3 'and to the solder joints 7 "switch wires 11 are drawn.

Der Maßstab des Schichtaufbaus wurde zwecks besserer Übersichtlichkeit verändert.The scale of the layer structure was changed for the sake of clarity.

Der Aufbau des Teilchensensor-Hybridmoduls mit dei integrierten Mehrebenen-Leitbahnanordnung 5 ist folgender.The construction of the particle sensor hybrid module with the integrated multi-level interconnect arrangement 5 is as follows.

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 durchThe silicon strip detector 2 and the chips 4 with the 128-channel signal readout unit, each channel from the charge-receiving amplifier and the "sample and hold" circuit and from the multiplex arrangement are arranged together on the common substrate 1, for example by a thermally conductive adhesive attached and through

Bondverbindungen 3; 3' elektrisch verbunden. Über das thermisch leitende Klebemittel wird die von dem Chip 4 mit einerBond connections 3; 3 'electrically connected. About the thermally conductive adhesive that of the chip 4 with a

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.dissipated heat loss of about 10 W / cm generated heat loss to the common substrate 1, which represents a sufficient heat capacity with its comparatively large surface area and mass. On the common substrate 1, the multi-level interconnect arrangement 5 is further integrated while maintaining short signal paths. It has a large number of inputs corresponding to the highly integrated chips 4, whose parallel input signals are serially read by means of a bus operation and supplied to a computer for evaluation. The high degree of integration of the particle sensor hybrid module, with which the desired temporal and spatial resolution is realized, is only by the integrated classification of thermally highly resilient multilevel interconnect assembly 5 to a common arrangement with the silicon strip detector 2 and the high-channel signal read-out units on the chips 4th allows. The existing within the multilevel interconnect arrangement 5 high concentration of interconnects 6, which are burdened by a variety of supply and control currents and event signals, resulting in the generation of a high heat loss amount per unit time and area. By inserting the further substrate 1 ', an increase in the heat capacity is achieved, the number of levels with heat-generating interconnects 6 per substrate 1; V is limited and thereby also the occurrence of mechanical stresses due to heating is reduced. At the same time, the possibility is created of dividing the contacting surfaces 7, ie the bonding islands 7 'and the solder joints 7 ", into several levels, thereby making it possible, while maintaining the technologically achievable minimum distance of the bonding sites, to increase the number of bond connections 3' and solder joints To produce the thermally highly stressable multilevel interconnect arrangement 5, bonding islands T are first applied to the common substrate 1 with gold paste in double printing The interconnects 6 are subsequently printed with a first interconnect paste made of AgPt and a second interconnect paste made of AgPd The fact that the lower layer of the interconnects 6 is very low and thereby has a lower power loss and that the upper layer of the interconnects 6, however, as oxidation protection, as a support for the solder joints 7 "and for the subsequent insulation layer 8 and as a diffusion barrier w that prevents silver migration.

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.Subsequently, the insulating layer 8 is applied with multilayer paste in triple printing. Vias 10 contained therein serve to connect the interconnects 6 in different planes. This process is repeated for further levels of interconnects 6, wherein an insulating layer 8 and glaze paste is applied to the top level of the interconnects 6 only in single print a cover layer 9. For the thermally highly loaded multi-level interconnect arrangement 5, it has proved expedient not to arrange more than two levels of interconnects 6 one above the other. On the upper surface of the hitherto constructed multi-level interconnect arrangement 5, a further substrate 1 'is now arranged with a same layer structure and fixed for example with a thermally conductive adhesive. By a suitable dimensioning of the pressure surfaces and of the further substrate V, it is possible to arrange the contact surfaces 7 arranged essentially in a linear manner, that is to say the bonding islands T and the solder joints 7 ", in a staggered manner.

Claims

1. Particle sensor hybrid module comprising a silicon strip detector, a number of preamplifiers and a Leitbahnanordnung for connection to a multiplex read-out unit, characterized in that on a common substrate (1) of the silicon strip detector (2) and connected to these high-channel signal read-out units in the form of chips (4) are arranged, which are connected via bonding connections (3) to one on the common substrate (1) constructed multi-level interconnect arrangement (5), in which the common substrate (1) and at least one further substrate (T) provided in several levels arranged interconnects (6) and the substrates (1; T) are stacked on one another such that the substantially linearly located contact surfaces (7) are staggered stepwise.

2. A method for producing a particle sensor hybrid module, characterized in that on each substrate (1; T) with a gold paste in the double pressure bonding islands (7 '), with a first interconnect paste of AgPt and then with a second interconnect paste AgPd the interconnects ( 6) in a first plane and with a Multüayerpaste in triple printing an insulating layer (8) are printed, that repeated on each insulating layer (8) with the gold paste in the double printing further Bondinseln (7 '), with the first and the second Leitbahnpaste the interconnects ( 6) further levels and with the Multüayerpaste in triple printing more insulation layers (8) are printed and that finally on the last level of the interconnects (6) with the Multüayerpaste in single print an insulating layer (8) and a glaze paste a cover layer (9) are printed ,

3. The method according to claim 2, characterized in that on the interconnects (6) solder joints (7 ") are applied.

For this 2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a particle sensor hybrid module and to methods for producing a particle sensor hybrid module for detecting the detection coordinates of high-energy particles, but also usable for detecting electromagnetic radiation over a wide frequency range, and to a method for its production.

Characteristic of the known state of the art

Known is a particle sensor, in which are connected to a silicon strip detector ra'ischarme, charge-sensitive preamplifier with 16 to 20 amplifier channels, constructed in thick-film hybrid technology, and also constructed in this technology multiplex read-out. The connections between the silicon strip detector and the preamplifiers are carried out in bonding technique with a bonding pad spacing of up to 200 pm, while between the preamplifier module and the multiplex readout unit, a thick-film interconnect arrangement for feeding the preamplifier and for transmitting the particle signals to the evaluating computer is provided. In the complex preamplifiers designed as custom hybrid circuits, the original signal is amplified from approximately 3fC to approximately 70OfC with a pulse spacing of 30 ns. Several such arrangements are nested telescopically in a vacuum around a test setup in a high energy physics experiment, cf. Daub, D "Effing, H .: Development of a MOS-CCD for Parallel-In, Serial-Out Readout. Solid-State Special Products, Philips, Nijmegen, Netherlands.

Due to the size of the built-in thick-film hybrid technology preamplifier module with its approximately 20 channels, the insufficient spatial and due to the limited speed of the preamplifier and the relatively large line lengths, the too low temporal resolution of the particle sensor has proven unsatisfactory in this arrangement. On the other hand, the size of the preamplifier module is due to the fact that a current is reached for microseconds in each case in order to achieve said amplification. is required by about 200 A and thus each time and area unit results in a significant power loss. The heat generated thereby not only affects the properties of the components of the circuit, but due to internal stresses in the multilayer interconnect arrangement in thick film technology leads to a reduction in reliability. When using thick-film standard technologies using silver-palladium pastes due to the relatively high resistivity, a further increase in power dissipation occurs, while gold paste has too low adhesion due to the effect of heat, whereby the reliability decreases further. In addition, in gold pastes soldering technologies for the introduction of highly integrated Aufsetz-components have limited applicability. Considering a mere increase in the degree of integration and the use of fast semiconductor technologies exacerbate the problems encountered, since ever more heat is generated per unit of time and area. In order to accommodate the larger number of conductive paths of the thick film interconnect in this case on an even or even smaller area, the number of layers in the multilayer array would have to be multiplied, thereby further decreasing the reliability adversely affected by thermal stresses. In addition, an even closer bond gap distance is unmanageable and leads to short circuits.