DE19805549C1 - Verfahren zum Bond-Kontaktieren von elektronischen Bauelementchips, insbesondere Metalloxid-Gassensorchips - Google Patents

Verfahren zum Bond-Kontaktieren von elektronischen Bauelementchips, insbesondere Metalloxid-Gassensorchips

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Description

In großem Umfange werden in der Technik elektronische Bauele­ mentchips, insbesondere Metalloxid-Gassensorchips benötigt. Es handelt sich dabei in der Regel um Chips, die aus einem vorzugsweise aus Keramik oder dgl. bestehenden Substratplätt­ chen mit auf dessen Oberfläche befindlichen Elektrodenstruk­ turen und darüber angeordneten gassensitiven Metalloxid- Schichten gebildet sind. Ebenfalls in der Regel sind auf sol­ chen Chips zusätzlich auch elektrische mäanderförmige Leiter­ bahnstrukturen angeordnet, die für elektrische Beheizung des Chips vorgesehen sind. Als gassensitive Schichten werden be­ vorzugt Oxide, wie Ga2O3, AlVO3, WO3 usw. benutzt. Insbesonde­ re wegen vorgesehener hoher Betriebstemperaturen bis 600°C oder gar 1000°C ist es erforderlich, Edelmetalle wie Gold, Platin und/oder Platinmetalle für die Elektrodenstrukturen, Heizungsleiterbahnen und auch für die Kontaktpads(-Anschluß­ flächen) zu verwenden. Da selbst Leiterbahnen aus hochschmel­ zenden Edelmetallen bei wie angegeben hohen Temperaturen nicht mehr stabil sind, wenn sie direkt der Prozeßatmosphäre ausgesetzt sind, ist es die Praxis, einen jeweiligen Bauele­ mentchip, Gassensorchip mit einer dessen Oberfläche überzie­ henden Passivierungsschicht zu versehen. Als Passivierungs­ schichten werden vorzugsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und dgl. verwendet, die aufgesputtert werden. Damit ist es möglich, die Edelmetallelektroden gegen Diffusi­ onsprozesse, Gasphasentransport und dgl. zu schützen.
Um sicherzustellen, daß das Ankontaktieren der Anschlußdrähte an den Kontaktpads mit genügend hoher Festigkeit und geringem Kontaktwiderstand erreicht wird, ist es die Praxis, auf den Kontaktpads lokal solche Stellen derselben von einer Be­ schichtung mit dem Passivierungsmaterial freizuhalten, an de­ nen die Kontaktierung mit dem Anschlußdraht erfolgen soll.
Dies, gilt sowohl für die Kontaktpads der Elektroden der gas­ sensitiven Oxidschicht als auch für diejenigen der Heizungs­ mäander. Dabei soll eine nur möglichst kleine Fläche der Kon­ taktpads frei bleiben. Dies insbesondere auch deshalb, weil z. B. nicht bedecktes Platinmetall bei den genannten hohen Temperaturen als Oxidationskatalysator wirkt und Anteile des zu detektierenden Gases dadurch verbrannt werden können, ehe sie mit der gassensitiven Schicht in Wechselwirkung treten können, also als solche zu messen sind.
Bisher war vorgesehen, daß nach dem beidseitigen Aufbringen der Edelmetall-Strukturen (der Interdigitalstruktur für die gassensitive Schicht und der Heiz-Mäanderstruktur) auf dem als Substrat dienenden Keramikplättchen (z. B. 2 × 2 Zoll groß bemessen) zunächst alle Kontaktpads verstärkt werden, um das spätere Kontaktieren mit, den Edelmetalldrähten durch Bond- bzw. Schweißverfahren zu erleichtern. Für diese Verstärkung wird auf die üblicherweise in Dünnschichttechnik aus Edelme­ tall hergestellten Kontaktpads in Dickschichttechnik, vor­ zugsweise Siebdrucktechnik, jeweils lokal eine Edelmetall-, insbesondere Platinmetall-Dickschichtpaste aufgebracht und eingebrannt. Vor dem Aufbringen dieser Dickschicht- Verstärkungen an den vorgegebenen Stellen der Kontaktpads sind aber noch die gassensitive Schicht auf der dafür vorge­ sehenen Fläche der Elektrodenstrukturen und die Passivie­ rungsschicht auf allen noch freiliegenden Edelmetallflächen, ausgenommen die Flächenbereiche für die Dickschicht- Verstärkungen, aufzubringen. Für das Freihalten der für die Dickschicht-Verstärkungen vorgesehenen Stellen wurden für das Aufbringen der Passivierungsschicht und der gassensitiven Schicht Masken aus z. B. dünner Aluminiumoxidkeramik auf die Chips aufgelegt. Da jedoch auch eine Dejustierung der jewei­ ligen Maske berücksichtigt werden muß, ist die Maskenöffnung jeweils größer auszulegen, als es für die zu beschichtenden Flächen nötig wäre. Damit ist sichergestellt, daß jeglicher dafür vorgesehener Anteil der Edelmetallbeschichtung auch tatsächlich mit einer dieser Schichten bedeckt ist.
Andernfalls würde nämlich für die Sensorstruktur eine uner­ wünschte Änderung des Sensor-Grundwiderstandes hervorgerufen sein und im Falle der Heizungsstruktur eine deutlich einge­ schränkte Lebensdauer einhergehen. Anschließend werden die Sensorchips vereinzelt und die Kontaktierung ausgeführt.
Die Verwendung einer solchen Maske ist aber mit einigen Nach­ teilen verbunden. Die Herstellung einer solchen Maske z. B. durch Laserschneiden ist aufwendig. Die Nutzungsdauer dersel­ ben ist z. B. auch durch Materialablagerung an deren Kanten begrenzt, was damit auch zu Fehlern bei der Maskierung führt. Die Maske kann auch eine potentielle Verunreinigungsquelle sein. Auch das Justieren einer solchen Maske ist aufwendig. Für miniaturisierte Sensorchips sind Masken mit Strukturbrei­ ten erforderlich, die sehr klein sind und für die die oben erwähnten Nachteile besonders ins Gewicht fallen. Selbst wenn all diese Forderungen erfüllt sind, liegen dennoch relativ große Flächen der Beschichtung der Siebdruckverstärkung mit Platin offen, d. h. der erwähnte Effekt der katalytischen Ver­ brennung von an sich zu detektierenden Gasen wird kaum ver­ mieden.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 265 834 A2 ist ein Sensor mit zugehörigem Herstellungsverfahren, insbesondere zur Kontaktierung von Anschlußdrähten an Kontaktstellen be­ kannt. Der Sensor besteht aus einer Struktur verschiedener elektrisch leitender und nicht leitender Schichten, wobei ei­ ne sensitive Schicht vorhanden ist, die Verbrennungsabgase, Feuchtigkeit oder ähnliches detektiert und ein Signal über eine Elektrode ausgibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Bond-Kontaktierung von elektronischen Bauelemen­ ten, insbesondere Metalloxid-Gassensoren, bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch ein Verfahren ent­ sprechend der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dem Unteranspruch zu entneh­ men.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, lokal auf die elek­ trischen Kontaktpads aus Edelmetall - sowohl auf diejenigen der interdigitalen Elektrodenstruktur als auch auf die der Heizstruktur - zunächst erst die z. B. mit Siebdrucktechnik aufzubringenden Dickschicht-Verstärkungen aus Edelmetall-, vorzugsweise Platin-Paste auszuführen. Diese Dickschichtver­ stärkungen werden dann wie üblich eingebrannt. Als folgender Schritt des Verfahrens wird erfindungsgemäß erst jetzt die erwähnte gassensitive Schicht bzw. die Passivierungsschicht, und zwar dies ohne das Erfordernis der Verwendung einer wie oben beschriebenen Maske, aufgebracht, insbesondere aufge­ sputtert. Die gassensitive Schicht auf der sensoraktiven Sei­ te und die Passivierungsschicht auf der Seite der Heizstruk­ tur bedecken damit auch die schon vorher aufgebrachten Dick­ schicht-Verstärkungen auf den Kontaktpads.
Es wird nun das Anbringen der Anschlußdrähte an den dafür vorgesehenen Stellen mit den Dickschicht-Verstärkungen vorge­ nommen. Dieses Kontaktieren wird mit einem hohen Anpreßdruck auf den jeweiligen, auf der Dickschicht-Verstärkung auflie­ genden Draht ausgeführt. Durch den entsprechend bemessenen hohen Druck auf den Draht wird die aus der porösen Edelme­ tallpaste bestehende Dickschicht-Verstärkung deformiert, so daß die darüberliegende aufgesputterte Dünnschicht aus dem gassensitiven Material bzw. dem Material der Passivierung an deren Andruckstellen aufgebrochen wird. Die ansonsten durch das z. B. Aluminiumoxid der Passivierungsschicht bewirkte elektrische Isolation wird an der Druckstelle aufgehoben und ein zuverlässiger elektrischer Kontakt kann zwischen dem Draht und dem Kontaktpad hergestellt und gewährleistet wer­ den. Es tritt keine signifikante Erhöhung des Kontakt- bzw. Übergangswiderstandes zwischen der Elektrodenschicht bzw. der Pad-Verstärkung und dem Anschlußdraht auf.
Mit der Erfindung ist die Verwendung einer wie oben beschrie­ benen Sputtermaske nicht mehr erforderlich, und es kann die Maske als solche und der Aufwand ihrer Verwendung eingespart werden. Das Vereinzeln der Chips kann bei der Erfindung nach dem Aufbringen der sensitiven Schicht und der Passivierungs­ schicht und vor dem Kontaktieren ausgeführt werden.
Mit der Erfindung kann infolge der ganzflächigen gassensiti­ ven bzw. passivierenden Beschichtung in idealer Weise prak­ tisch jegliches Freiliegen von (möglicherweise) katalytisch wirksamem Metall, insbesondere von Platin, auf der Oberfläche des Chips vermieden oder doch wenigstens minimiert werden.
Das steigert nicht nur die Sensitivität des Sensors sondern auch dessen Meßgenauigkeit.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für weitere Miniatu­ risierung, da die begrenzenden Strukturmaßnahmen einer Maske nicht mehr in Betracht kommen. Miniaturisierte Sensorchips haben den Vorteil, daß für sie eine verringerte Heizleistung erforderlich und/oder rascheres Aufheizen derselben möglich ist, was für die technische Weiterentwicklung von großem Vor­ teil ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die verwende­ te metallische Siebdruckpaste für die Dickschicht- Verstärkungen auf den Kontaktpads besonders auszuwählen. Eine solche eingebrannte Siebdruckpaste weist aufgrund ihrer Poro­ sität eine gewisse Elastizität auf. Dieser Umstand wird bei der Erfindung genutzt, um das Material der sensitiven Schicht bzw. der Passivierungsschicht an den Stellen, an denen dieses die Dickschicht-Verstärkungen überzieht, mit Anwendung des Druckes dadurch aufzubrechen, daß dort der Untergrund, näm­ lich das darunter befindliche Dickschicht-Material, nachgibt. Insbesondere kann dieser Effekt weitgehend durch den Anteil von Lösungsmitteln in der für diese Dickschicht-Verstärkung verwendeten Metallpaste wahlweise eingestellt werden, nämlich um die Eigenschaft dieses Materials und den anzuwendenden Druck aufeinander günstig abstimmen zu können.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand der Be­ schreibung zu den Figuren gegeben.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt und
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Sensors.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Leistungsfähigkeit und
Fig. 4 Stand der Technik.
Die Seitenansicht gemäß Fig. 1 ist eine Schnittansicht (Schnitt I-I in Fig. 2) eines Bauelement-Chips 1, z. B. eines Gassensors. Mit 11 ist das Substratplättchen bezeichnet. Auf der in dieser Darstellung oberen Oberfläche sind mit 12 be­ zeichnet die Kontaktpads einer dort angeordneten (nicht näher dargestellten) Interdigitalstruktur gezeigt. Mit 12' sind Kontaktpads einer ebenfalls nicht näher dargestellten Hei­ zungs-Leiterstruktur bezeichnet. Diese Kontaktpads 12, 12' sind flächige Edelmetall-Beschichtungen, z. B. mit Gold, Pla­ tin oder dgl., der jeweiligen Substratplättchen-Oberfläche. Mit 14 sind auf den Kontaktpads 12, 12' aufgebrachte Dick­ schicht-Verstärkungen aus z. B. Platinpaste bezeichnet. Diese Dickschicht-Verstärkungen 14 sind zusammen mit der übrigen Oberfläche des Substratplättchens 11 und den darauf befindli­ chen Strukturen 12, 12' mit der gassensitiven Dünnschicht 17 bzw. mit der Passivierungsschicht 16 jeweils ganzflächig be­ schichtet. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind dabei - dar­ auf sei gegenüber dem Stand der Technik hingewiesen - auch die seitlich außerhalb der Drähte 18 liegenden Oberflächen der Verstärkungen 14 und der Kontaktpads 12, 12' mit schüt­ zender Passivierungs-/sensitiver Schicht 16/17 bedeckt.
Mit 18 sind Anschlußdrähte bezeichnet, die an die auf der Oberseite des Substratplättchens darunter liegenden, auf der Unterseite des Substratplättchens darüber liegenden Dick­ schicht-Verstärkungen 14, 14' anzukontaktieren sind. Die Fig. 1 zeigt den Zustand, wie er als Zwischenstadium des Kon­ taktierens eintritt. Für den Anschlußdraht 18' ist die Aus­ übung des Anpreßdruckes F angedeutet, der auf den Draht 18' übertragen wird. Die Fig. 1 zeigt, wie der aufgepreßte Draht 18' (ebenso wie die übrigen Drähte 18) gerade die gassensiti­ ve Dünnschicht 17 bzw. die Passivierungsschicht 16 auf der Dickschicht-Verstärkung 14 durchbricht.
Die Fig. 2 zeigt zur Fig. 1 eine Aufsicht, in der zur Fig. 1 beschriebene Einzelheiten dort dieselben Bezugszeichen ha­ ben. Aus Fig. 2 ist als Beispiel die Ausdehnung einer wie beschriebenen Dickschicht-Verstärkung 14 auf dem jeweiligen Kontaktpad 12 zu ersehen. Die Fig. 2 zeigt auch eine inter­ digitale Elektrodenstruktur 13, wie sie auf der Chipoberflä­ che unterhalb der in soweit noch nicht aufgebrachten gassen­ sitiven Schicht üblicherweise strukturell ausgeführt ist. Die Fig. 2 zeigt somit kein tatsächliches Zwischenstadium, weil andererseits bereits die erst später anzubringenden Drähte 18 dargestellt sind.
Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm, aus dem die vorteilhafte Wir­ kung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich ersichtlich ist. Auf der Abzisse der Fig. 3 ist die Kohlenmonoxid- Konzentration aufgetragen. Die Kurve 22 der Fig. 3 zeigt den Verlauf der auf der Ordinate aufgetragenen Sensitivität eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, d. h. mit erfindungsgemäß ganzflächiger Beschichtung aus Passivierungs­ schicht 16 bzw. gassensitiver Dünnschicht 17 versehenen Gas­ sensors. Die mit der Erfindung erzielte Sensitivität ist er­ sichtlich höher als die gemäß Kurve 23 eines bekannten Gas­ sensors (Fig. 4) ansonsten gleichen Typs, bei dem jedoch entgegen der Erfindung die Kontaktpads nicht ganz lückenlos, d. h. teilweise (114) freiliegend, mit Passivierungs- bzw. gassensitiver Schicht bedeckt sind. Die Fig. 4 des Standes der Technik zeigt hierzu ein Beispiel. Die oben benutzten Be­ zugszeichen gelten auch für diese Fig. 4. Ersichtlich sind dort freiliegende Bereiche 114 auf den Dickschicht- Verstärkungen 14 (beiderseits der Drähte 18) und auch den Kontaktpads 12, 12' vorhanden. In diesen Bereichen ist das Edelmetall dieser Verstärkungen und Kontaktpads gegen eine einwirkende Gasatmosphäre nicht abgedeckt (siehe dazu auch Fig. 1). Dies ist eine sich aus der Verwendung der erwähnten Maske zwangsläufig ergebende Folge im Stand der Technik.

Claims (2)

1. Verfahren zur Bond-Kontaktierung von Anschlußdrähten (18) an Kontaktstellen von elektrischen Kontaktpads auf einem Bauelementechip (1), der mit passivierender und/oder gassen­ sitiver Beschichtung (16; 17) versehen ist, insbesondere ei­ nem Chip eines halbleitenden Gassensors, mit den Verfahrensschritten:
daß zunächst auf dem Chip (1) die vorgesehenen lokalen Kontaktstellen der Kontaktpads (12, 12') mit jeweils einer porösen Dickschicht-Verstärkung (14) aus Edelmetallpaste ver­ sehen werden und diese Paste eingebrannt wird,
daß dann die jeweilige Oberfläche des Chips, einge­ schlossen die Dickschicht-Verstärkungen (14) ganzflächig mit der passivierenden/gassensitiven Schicht (16; 17) versehen werden,
daß die Kontaktierung des jeweiligen auf die jeweilige Dickschicht-Verstärkung (14) aufgelegten Anschlußdrahtes (18) unter Anwendung eines derart hoch bemessenen Anpreßdruckes auf den jeweiligen Anschlußdraht erfolgt, daß infolge der nachgebenden Porosität der Dickschicht-Verstärkung (14) die zwischen dem Anschlußdraht (18) und der Dickschicht-Verstär­ kung (14) befindliche Schicht (16; 17) dort aufgebrochen wird und die direkte Kontaktierung des Anschlußdrahtes (18) mit der Dickschicht-Verstärkung (14) und somit dem Kontaktpad (12, 12') erfolgt,
wobei der Anpreßdruck, die Dicke und Porosität der Dick­ schicht-Verstärkung (14), die Dicke der passivieren­ den/gassensitiven Schicht (16; 17) und die Kontur des Kontakt­ drahtes (18) für das Aufbrechen der Schicht (16; 17) aufeinan­ der abgestimmt bemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem dem auf die Kontaktpads (12, 12') aufzubrin­ genden Material für die Dickschicht-Verstärkung (14) durch vorherige Zugabe von Lösungsmittel eine solche Beschaffenheit gegeben worden ist, daß diese Dickschicht-Verstärkung (14) im auf den Kontaktpads fertigen porösen Zustand ein solches Maß an Elastizität aufweist, daß mit auf diese Elastizität abge­ stimmtem Druck (F) auf den anzukontaktierenden Anschlußdraht (18) die zwischen der Dickschicht-Verstärkung (14) und dem Anschlußdraht (18) befindliche Schicht (16; 17) mit dem An­ schlußdraht (18) aufgebrochen wird.
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DE102016201193A1 (de) * 2016-01-27 2017-07-27 Technische Universität München Gedruckte Sensorvorrichtung zum Detektieren von Medien

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