DE10056776A1 - Anordnung von Multi-Chip-Sensormodulen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Anordnung von Multi-Chip-Sensormodulen und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Kontaktsysteme aggressiven Umweltbedingungen über eine längere Zeit standhalten, die in einem Batchprozess herstellbar und damit zur Herstellung größerer Stückzahlen und Schädigungen des sensitiven Materials weitgehend vermeiden. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass das Trägersubstrat strukturiert ist und Aussparungen enthält, unter denen jeweils mindestens ein Sensorchip so befestigt ist, das die Sensorflächen nach oben hin freiliegen und an den Sensorchip angebrachte Kontaktpads vom Substrat abgedeckt werden und dass das sensitive Material, technologisch entkoppelt von den übrigen Prozessschritten, in einem back-end Batch-Prozess, ohne Schädigung in den Aufbau integriert wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Anordnung und eine Herstellung von Multi-Chip-Sensormodulen, insbesondere für Feuchte-, Gas- und Biosensoren, bei denen das sensitive Material in einem back-end Batch-Prozess in den Aufbau integriert wird. DOLLAR A
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und eine Herstellung von Multi-Chip
Sensormodulen, insbesondere für Feuchte-, Gas- und Biosensoren, bei denen
das sensitive Material in einem back-end Batchprozeß in den Aufbau integriert
wird.
Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, nach denen dünne sensitive
Schichten zur Herstellung von Feuchte-, Gas- und Biosensoren in einer Vielzahl
von Anwendungen in einem Spin-Coating-Prozess oder mittels Plasma-, PVD-
und CVD-Prozesse im Waferverbund aufgetragen und anschließend
photolithographisch strukturiert werden. Am Ende des Herstellungsprozesses
werden die Sensorelemente vereinzelt und einem Aufbauprozess wie z. B. der
SMD-, COB- oder Flip-Chip-Technologie zugeführt.
Die Vorgehensweise hat auf einem planaren Substrat den Vorteil eines sehr
homogenen Schichtauftrages. Nachfolgende Strukturierungs-, Trenn- und
Aufbauprozesse schädigen jedoch das sensitive Material beträchtlich, so dass
sich die Ausbeute verringern kann, die Funktion durch z. B. Drift,
Kennlinienverschiebung oder Parameterstreuung sowie die Langlebigkeit
beeinträchtigt wird.
Einige Sensorhersteller versuchen die Schädigung durch Autbauprozesse zu
vermeiden, indem zuerst im Substratnutzen die Kontaktsysteme hergestellt und
abgedeckt werden und erst danach das sensitive Material aufgebracht wird. Ein
Aufschleudern des Materials mittels Spin-Coating liefert bei solchen Aufbauten
aufgrund der nichtplanaren Oberfläche sehr inhomoge Schichten. Die
Anwendung anderer Prozesse schränkt die Materialauswahl stark ein. Bei
diesem Verfahren ist ebenfalls eine Schädigung des sensitiven Materials durch
den Vereinzelungsprozess zu erwarten.
Die bislang vorwiegend in der Sensorik verwendeten konventionellen
Aufbaukonzeptionen wie z. B. SMD-, COB- andere Löt- oder Bondtechniken
mit den entsprechenden Verkappungen sind derart, dass insbesondere die
Kontaktsysteme aggressiven Umweltbedingungen nicht oder nur sehr kurze Zeit
standhalten.
Bei neueren Aufbaukonzepten wird versucht, mit Hilfe einer
Chip-Durchkontaktierung das Kontaktsystem von der Sensorfläche auf die
Unterseite des Chips zu verlagern, damit die der Umwelt ausgesetzte Fläche des
Vergußmaterials minimiert wird. Zudem kann das sensitive Material ohne die
Notwendigkeit einer Strukturierung auf der Oberseite mit einem
Spin-Coating-Prozess aufgebracht werden. Nachteile dieser Vorgehensweise ist
der erhöhte Aufwand durch die Durchkontaktierung und die dadurch
entstehenden Mehrkosten und die wiederum durch den Vereinzelungsprozess zu
erwartenden Schädigungen des sensitiven Materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Kontaktsysteme
aggressiven Umweltbedingungen über eine längere Zeit standhalten, die in
einem Batchprozeß herstellbar und damit zur Herstellung größerer Stückzahlen
und Schädigungen des sensitiven Materials weitgehend vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der
Patentansprüche 1 und 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anordnung zur
Herstellung von Multi-Chip Sensormodulen, bei dem das sensitive Material,
technologisch entkoppelt von den übrigen Prozessschritten, in einem back-end
Batch-Prozess ohne eine Schädigung in den Aufbau integriert wird. Der
Aufbau- und Herstellungprozess erfolgt im Träger-Substratnutzen, wobei viele
Teilschritte als austauschbare Technologiemodule und alle Teilschritte als
Batchprozesse konzipiert sind. Dies ermöglicht die Herstellung sehr
unterschiedlicher Sensorkonfigurationen und eine sehr kostengünstige
Produktion mittlerer bis großer Stückzahlen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform für ein Sensormodul im Schnitt,
Fig. 2 die prinzipielle Anordnung der Integration des sensitiven
Materials in einem back-end Batchprozess im Schnitt,
Fig. 3 die Anordnung von Sensormodulen im Nutzen nach
Vereinzelung, wobei die erste Reihe im Schnitt dargestellt ist,
Fig. 4 Ausführungsformen einer Rückseitenverkappung mit einem
Rahmensystem im Schnitt
und
Fig. 5 Konfigurationen von Trägersubstrat und Sensorsubstrat
zueinander im Schnitt.
Der Ablauf für die erfindungsgemäße Herstellung eines Sensormoduls erfolgt
nach den im folgenden erläuterten Verfahrensschritten.
Fig. 1 zeigt die Schnittdarstellung einer erfindungsgemäße Anordnung. In
einen skalierbaren Träger-Substratnutzen (1) werden Aussparungen für die
Sensorchips eingebracht. Auf der Unterseite des Nutzens wird ein
Leitbahnsystem erstellt. Der Substratnutzen kann optional auf der Unterseite
mit einem Rahmensystem bestückt werden, welches beim Vereinzelungsprozess
so zerteilt wird, dass jedes Sensormodul auf der Unterseite mit einem Rahmen
umgeben ist.
Die Sensorchips (3) und gegebenenfalls Signalverarbeitungschips (2) werden
zur Verbesserung der Kontaktstabilität mit einer Under-Bump-Metallisierung
versehen und bevorzugt durch eine Flip-Chip Technologie unter dem Substrat
befestigt. Die Ränder der Sensorchips (3), die die Kontaktpads enthalten,
decken dabei die Aussparung des Substrats ab, während die noch nicht
beschichteten Sensorflächen nach oben hin zur Umwelt freiliegen. Die
Kontaktsysteme der Chips werden anschließend mit einem chemisch und
thermisch resistenten Underfiller abgedichtet.
Wie aus den Figuren (2) bis (3) ersichtlich ist, wird nach der abgeschlossenen .
Herstellung des Kontaktsystems die Rückseite des Substrats mit oder ohne
optionales Rahmensystem mit einem Verkappungsmaterial verschlossen und
danach optional auf die Rückseite noch eine dünne Metallfolie aufgeklebt.
Anschließend wird dann vorzugsweise über eine Schattenmaske (8) das
sensitive Material (4) aufgebracht. Dies geschieht je nach Material und dessen
Eigenschaften mit einer fortschrittlichen Sprühbeschichtung, bei der eine
Schichtdickenhomogenität von <5% über die Sensorfläche angestrebt wird,
mittels Plasma-, PVD-, CVD-Prozess oder bei planaren Oberflächen bzw. in
Fällen mit geringen Ansprüchen an die Homogenität des Auftrags mittels
Spin-Coating (7). Durch komplementäre Schattenmasken, lassen sich so
unterschiedliche Sensorflächen mit verschiedenen Materialien beschichten. Je
nach Anwendungsfall lassen sich die sensitiven Schichten und/oder zusätzliche
Metallisierungsschichten auf dem sensitiven Material durch einen zusätzlich
aufgesprühten Photolack lithographisch strukturieren.
Anschließend wird bevorzugt auf den gesamten Substratnutzen ein Filter (5) aus
Keramikmaterial, einer Polymer- oder Glasfasermembran aufgebracht. Als
nächstes wird der gesamte Nutzen zum Schutz mit einer Folie abgedeckt und
vereinzelt. Als letzter Schritt erfolgt das Anlöten eines Flexkabels.
Sowohl das Träger-Substrat (1) als auch die Sensorchips (3) können je nach
Anwendung und Anforderungen des Sensors in verschiedenen Formen
ausgeführt sein. Das Trägersubstrat mit Leitbahnsystem kann in planarer
Ausführung (9) oder in einer zu den Aussparungen hin nach oben hin
abgedünnten Ausführung (10) gestaltet werden. Die Sensorchips können
ebenfalls planar (11) oder mit dem Randgebieten, die das Kontaktpads
enthalten, abgesenkt sein (12). Die Absenkung der Sensorchips kann dergestalt
sein, dass nach der Montage mit dem entsprechenden Substrat die Sensorfläche
oberhalb, auf gleicher Höhe oder unterhalb der Substratoberfläche liegen kann.
Die Fig. 4 und 5 erläutern mögliche Kombinationen von Substrat- und
Sensorchip-Ausführungen sind in den Ausführungsformen (13) bis (20).
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Integration sensitiver
Materialien ohne diese zu schädigen und vermeidet damit die oben angeführten
Nachteile bisheriger Sensor-Aufbauvarianten.
Die Herstellung des Kontaktsystems und dessen Verkappung wird vor dem
Auftrag des sensitiven Materials durchgeführt, so dass diese Prozesse keine
Schädigung des sensitiven Materials hervorrufen können. Das sensitive Material
wird nicht bzw. nur über eine Schattenmaske strukturiert, so dass auch durch
diesen Prozess keine Schädigung auftritt. Der Trenn- und Vereinzelungsprozess
wird durchgeführt, nachdem das Filtermaterial auf dem Substratnutzen mit einer
Schutzfolie überzogen ist, so dass auch durch diesen Vorgang keine Schädigung
entsteht.
Gleichzeitig können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die
Zuverlässigkeit und die Langlebigkeit des Sensormoduls zu erhöhen. Dazu
gehört die Anwendung der Flip-Chip-Technologie, die die Angriffsfläche des
Kontaktsystems zur Umwelt minimiert und mit einer zusätzliche
Under-Bump-Metallisierung und einer chemisch sehr resistenten
Underfiller-Verkappung deutliche Vorteile gegenüber konventionellen
Kontaktsystemen bietet. Durch die Integration eines effektiven Filters wird die
Standzeit des Sensors zudem deutlich erhöht.
Durch die Anwendung einer Nutzenstechnologie und einer durchgängigen
Verwendung von Batchprozessen eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten in der
Produktion größerer Stückzahlen, verbunden mit einer deutlichen
Preisreduktion.
Die vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich zudem durch eine sehr große
Flexibilität aus. Je nach Art des Sensors können bevorzugte Ausführungsformen
von Trägersubstrat und Sensorchip miteinander kombiniert werden. Durch die
Auswahl und die Kombination von Signalverarbeitungs- und Sensorchips und
der Möglichkeit auf unterschiedliche Sensorchips verschiedene sensitive
Materialien aufzubringen und diese ggf. mit Hilfe einer Lack-Sprühbeschichtung
noch photolithographisch zu strukturieren bzw. mit Deckelektroden zu
versehen, ist eine Vielzahl von Möglichkeiten der Sensorkonfiguration gegeben.
1
Träger-Substratnutzen
2
Signalverarbeitungschip
3
Sensorchip
4
sensitives Material
5
Filter
6
optionale Rückseitenverkappung
7
Schichtabscheidung in Kavitäten
8
Schattenmaske
9
planares Trägersubstrat mit Leitbahnsystem
10
nach oben verdünntes Trägersubstrat mit Leitbahnsystem
11
planares Sensorchip
12
Sensorchip mit Kontaktpads in Randgebieten
13
. . .
20
mögliche Kombination von Substrat- und
Sensorchip-Ausführungen
Claims (22)
1. Anordnung von Multi-Chip Sensormodulen, insbesondere zur Herstellung
von Feuchte-, Gas- und Biosensoren, bei dem dünne sensitive Schichten im
Waferverbund aufgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trägersubstrat strukturiert ist und Aussparungen enthält unter denen jeweils
mindestens ein Sensorchip so befestigt ist, dass die Sensorflächen nach oben hin
freiliegen und an den Sensorchips angebrachte Kontaktpads vom Substrat
abgedeckt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trägersubstrat aus Silizium-, Keramik oder Glas besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trägersubstrat von unten mit einem Rahmensystem so bestückt ist, dass nach
einem Vereinzelungsprozess jedes Sensormodul mit einem Rahmen umgeben
ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass das Rahmensystem aus Keramik oder Glas besteht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass sich unterhalb des Trägersubstrats (1) pro Sensormodul mindestens ein
Signalverarbeitungschip (2) befindet.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägersubstrat (1) auf der Unterseite Leitbahnen enthält und mit den
Kontaktpads des Sensorchips (3) und/oder Signalverarbeitungschips (2) ein
Kontaktsystem bildet.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die zu kontaktierenden Chips mit einer Under-Bump-Metallisierung
versehen sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktsystem mit einem chemisch und thermisch resistenten
Underfiller hermetisiert ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktsystem durch Flip-Chip-Technologie realisiert ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktsystem durch anodisches oder eutektisches Bonden realisiert
ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet
dass die Rückseite des Trägersubstrats mit einer Vergußmasse (6) verkappt
wird.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass auf die verkappte Rückseite des Trägersubstrats eine dünne Metallfolie
aufgebracht ist.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Substratnutzen mit einem Filter (5) aus einem
Keramik-, einer Polymer- oder Glasfasermaterial gedeckelt ist.
14. Anordnung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontakte der vereinzelten und vollständig
verkapselten Sensormodule mit einem Flexkabel verbunden sind.
15. Verfahren zur Herstellung von Multi-Chip Sensormodulen gemäß den
Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Material,
technologisch entkoppelt von den übrigen Prozessschritten, in einem back-end
Batch-Prozess, ohne Schädigung in den Aufbau integriert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Herstellung der Multi-Chip Sensormodule in Substrat-Nutzen (1) erfolgt, wobei
die einzelnen Prozessschritte durchgängig als Batchprozesse ausgeführt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das
sensitive Material (4) nach Fertigstellung des Kontaktsystems, dessen
Hermetisierung und nach der Rückseitenverkappung aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass das sensitive Material (4) über eine Schattenmaske (8) mit einer
Sprühbeschichtung, Plasma-, PVD-, CVD-Prozessen oder bei planaren
Oberflächen oder mittels Spin-Coating (7) in den Kavitäten auf das Sensorchip
aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass durch komplementäre Schattenmasken (8) auf verschiedenen Sensorflächen
unterschiedliche Materialien im Batchprozess aufgebracht werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
dass das sensitive Material (4) und/oder mindestens eine zusätzlich aufgebrachte
Metallisierungschichten zur Herstellung von Leitbahnen bzw. Elektroden auf
der Sensorfläche durch Aufsprühen oder Aufschleudern eines Photolacks
photolithographisch strukturiert werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktsystem mit einer Flip-Chip Technologie erzeugt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktsystem durch anodisches oder eutektisches Bonden erzeugt
wird.
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DE10056776A DE10056776A1 (de) | 2000-03-20 | 2000-11-16 | Anordnung von Multi-Chip-Sensormodulen und Verfahren zu deren Herstellung |
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DE10056776A DE10056776A1 (de) | 2000-03-20 | 2000-11-16 | Anordnung von Multi-Chip-Sensormodulen und Verfahren zu deren Herstellung |
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DE10056776A Ceased DE10056776A1 (de) | 2000-03-20 | 2000-11-16 | Anordnung von Multi-Chip-Sensormodulen und Verfahren zu deren Herstellung |
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DE (1) | DE10056776A1 (de) |
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