DE19816309A1 - Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren und danach hergestellte Sensoren - Google Patents
Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren und danach hergestellte SensorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Senso
ren und danach hergestellte Sensoren. Es handelt sich dabei um Silizium-Sen
soren, bei denen durch (meist fotoelektrische) Wandlung elektrische Signale
erzeugt werden.
Diese Silizium-Sensoren bestehen im Falle der fotoelektrischen Abtastung im
wesentlichen aus einem optischen Beleuchtungssystem, einer gitterförmigen
Maßverkörperung und einer Anordnung von mehreren ortsphasenverschobe
nen Abtastspalten und Abtastgittern, hinter denen jeweils fotoelektrische
Wandler zur Erzeugung elektrischer Abtastfeldsignale angeordnet sind. Die
Abtastspalte und Abtastgitter sind entweder als separate Bauelemente vor
den fotoelektrischen Wandlern angeordnet oder monolithisch integriert
ausgeführt.
So wird beim Flip-Chip-Bonden die mechanische Verbindung durch ein
Verbindungssystem, bestehend aus sogenannten Bumps und einem Verbin
dungs- oder Haftmittel bzw. durch eine angepaßte Verbindungstechnologie
hergestellt. Dies setzt notwendigerweise mit Bumps versehene Bondinseln
auf den Silizium- und/oder Glaschips voraus, die durch Kleben, Löten,
US- oder Thermosonic-Bonden miteinander mechanisch verbunden werden und
neben der mechanischen Haltefunktion zumeist auch eine elektrische
Kontaktfunktion erfüllen. Das Flip-Chip-Bonden ist nicht auf die
mechanisch/elektrische Verbindung zwischen Silizium-Chips und Glas- oder
Glaskeramik-Chips beschränkt, sondern ermöglicht auch die Verbindung
anderer Materialien bzw. Substrate. Erforderlich sind in allen Fällen das
Vorhandensein von Bondinseln auf beiden Substraten und die Anordnung
von Bumps auf mindestens einem der Substrate.
Bedingt durch die Höhe der Bumps ergibt sich zwischen den Substraten ein
Abstand. Dieser kann aus verschiedenen Gründen mit bestimmten Mitteln
ausgefüllt werden. Solche Mittel sind Medien mit definierten optischen,
adhäsiven, chemischen oder sonstigen Eigenschaften und erfüllen eine oder
mehrere Systemfunktionen. Die laterale geometrische Ausdehnung und
geometrische Form der Chips bzw. Substrate spielt in der Regel eine unter
geordnet Rolle.
Bei der monolithisch integrierten Ausführung entfällt die Montage, es sind
jedoch die Bondstellen durch anisotropes Ätzen abzusenken. Dies erfordert
zusätzliche aufwendige Verfahrensschritte, die die Prozeßausbeute reduzie
ren.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen
Sensor anzugeben, mit dem durch Direktmontage von Glasplatten oder
Plättchen (Chips) eines andern Materials auf Silizium-Chips ohne aufwen
dige Verfahrensschritte die Prozeßausbeute erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Plätt
chen bzw. Chips direkt auf die Silizium-Chips geklebt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Die Chips des anderen Materials können dabei Einfluß auf das elektronische,
fotoelektrische, thermische, mechanische oder sonstige Verhalten der Silizi
um-Chips nehmen oder diesbezüglich ineffizient sein. Zusätzlich können sie
bestimmte Bedingungen im lateralen Umgebungsbereich gezielt gestalten
oder beeinflussen.
Im gegebenen Fall bildet die Dicke des anderen Materials einen mechani
schen Bonddraht-Schutzraum, der die Realisierung von Bondungen unter
halb des Systemoberflächenniveaus erlaubt. Dabei ist die geometrische Form
der Chips des anderen Materials beliebig bzw. im speziellen Fall derjenigen
der Silizium-Chips angepaßt. Die laterale geometrische Ausdehnung der
Chips des anderen Materials entspricht derjenigen der Silizium-Chips oder
ist im gegebenen Fall kleiner als diese. Die Chips des anderen Materials
haben definierte physikalische, mechanische, chemische, optische, sensitive
oder sonstige Eigenschaften und sind für den vorgesehenen Hauptanwen
dungsfall zumeist für einen bestimmten optischen Wellenlängenbereich trans
parent. Die Chips des anderen Materials können mit zusätzlichen Schichten
oder Mehrschichtkombinationen ein- oder beidseitig identisch oder unter
schiedlich bedeckt sein. Diese Schichten haben ebenfalls definierte Eigen
schaften und Merkmale und können inhomogen verteilt angeordnet oder
lithografisch strukturiert sein. Für den vorgesehenen Hauptanwendungsfall
handelt es sich um Glaschips mit beidseitig angeordneten und lithografisch
strukturierten Metallschichtsystemen mit definierten optischen Eigenschaften
(optische Blenden und Gitter).
In der ersten Bearbeitungsstufe werden die Basiselemente bereitgestellt.
Dazu zählen die Silizium-Chips, die Chips des anderen Materials und geeig
nete Chipcarrier. Die Silizium-Chips beinhalten i.a. die Signalwandler
und/oder Elemente der Signalverarbeitungselektronik. Die Chips des
anderen Materials werden anwendungsspezifisch vorpräpariert und mit den
beabsichtigten Eigenschaften und Merkmalen ausgestattet. Die Fertigstel
lung der Anordnung erfolgt in folgenden Verfahrensschritten:
- 1. Monieren der Silizium-Chips auf oder in die Chipträger,
- 2. Herstellung und gegebenenfalls Planierung der Drahtbondverbindungen zwischen den Silizium-Chips und den Chipcarriern,
- 3. Beschichten der Chips des anderen Materials mit einem Klebefilm; das Klebemittel hat gegebenenfalls spezifische Eigenschaften (gefüllt, UV-här tend o. ä.),
- 4. Fügen der Chips des anderen Materials auf den Plazierungsbereich der Silizium-Chips (Pick and Place Technology), Grob- und Feinpositionierung,
- 5. Einleiten des Klebemittel-Fixiervorganges (Härten, UV-Belichtung o. ä.),
- 6. Dosierter Kehlen- oder Rundumverguß zur Konservierung, Fixierung bzw. Hermetisierung der Bondverbindungen.
Im Ergebnis entstehen Funktionsmodule oder Bauelemente, die durch einen
mechanischen Klebe-Verbund der Silizium-Chips und Chips des anderen
Materials gekennzeichnet sind und auf oder in einem Chipcarrier angeordnet
sind. Abhängig von den verwendeten Chipcarriern sind sie für die Oberflä
chenmontage (SMD) geeignet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Abtastplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik
und
Fig. 2 eine Abtastplattenanordnung gemäß der Erfindung.
Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen von Abtastfeldern wird beim
vorgesehenen Hauptanwendungsfall ein mechanischer Klebe-Verbund
zwischen Silizium-Mikrosensorchips und hybriden Glasabtastplatten herge
stellt, wobei der Chipstapel auf Chipträgern aus Leiterkartenmaterial
angeordnet wird. Das Ergebnis des Ausführungsbeispieles sind optische
Abtastmodule für hochgenaue und hochauflösende inkremental- oder
absolutmessende Längen- oder Winkelmeßeinrichtungen oder -systeme.
Folgende Merkmale kennzeichnen die Anordnung:
- - Silizium-Chips mit integrierten Fotodiodenarrays zur optisch/elektrischen Signalwandlung (fotoelektrische Transducer) und Ein-Ebenen-Metallisierung zur Realisierung des internen elektrischen Leitbahnsystems und der Bondin seln in Oberflächenlage.
- - Die Glasabtastplatten (Glaschips) sind ein- oder beidseitig mit Metall schichten bedeckt, die fotolithografisch derart strukturiert wurden, daß an der Vorderseite optische Gitter und an der Rückseite (dem Silizium-Chip zugewandt) optische Blenden ausgebildet wurden. Die Glaschips haben keine elektrische Funktion.
- - Als Packaging bzw. Gefäßsystem finden zweiseitig metallisierte und struk turierte Chipträger aus Leiterkartenmaterial mit Zargenkontakten Anwen dung.
- - Der Aufbau führt zu SMDs.
Fertiggestellte Silizium-Chips werden nach der Vereinzelung in ein auf
einem Chipträger aus Leiterkartenmaterial (FR4) angeordnetes Klebstoffbett
aus isolierenden - in Sonderfällen mit elektrisch leitenden Epoxidharzen - ab
gelegt, positioniert und sind nach dem Härtevorgang vollständig verklebt.
Derart vorpräparierte Basismodule werden dem Drahtbondvorgang zur
elektrischen Verbindung der Silizium-Chip-Bondinseln mit den Bondpads
der FR4-Chipcarrier unterzogen. Anschließend werden die Vorderseiten der
Silizium-Chips mit einem UV-härtenden Epoxidharzfilm beschichtet und die
Glasabtastplatten darauf abgelegt, positioniert, mit Hilfe von Justiermarken
justiert und der Härtung durch Bestrahlung mit UV-Licht unterzogen.
Abschließend erfolgt ein dosierter Rundumverguß zur Versiegelung der
Bondverbindungen in der Kehle zwischen dem Silizium- und dem Glaschip.
Notwendig ist hierbei die Vermeidung von Vergußmittelüberständen über
die Vorderseite des Glaschips.
Claims (8)
1. Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren, bei denen Plättchen
bzw. Chips gegenüber anderen Silizium-Chips angeordnet werden müssen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen bzw. Chips direkt auf die Silizi
um-Chips geklebt werden.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden
Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- - Montieren der Silizium-Chips auf oder in die Chipträger,
- - Herstellung und gegebenenfalls Plazierung der Drahtbondverbindungen zwischen den Silizium-Chips und den Chipcarriern,
- - Beschichten der Chips des anderen Materials mit einem Klebefilm,
- - Fügen der Chips des anderen Materials auf den Plazierungsbereich der Silizium-Chips (Pick and Place Technology),
- - Grob- und Feinpositionierung der Chips,
- - Einleiten des Klebemittel-Fixiervorganges und
- - Durchführen eines dosierten Kehlen- oder Rundumverguß zur Konservie rung, Fixierung bzw. Hermetisierung der Bondverbindungen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plättchen bzw. Chips mit einer ein- oder beidseitig aufgebrachten Oberflä
chenbeschichtung oder -vergütung versehen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Klebemittel ein gefüllter oder ungefüllter Underfiller,
chemisch vernetzendes oder UV-härtendes Klebemittel ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Plättchen bzw. Chips mit ein- oder beidseitig aufgebrach
ter und strukturierter Metallbeschichtung mit oder ohne zusätzliche
elektrische Funktion versehen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Plättchen bzw. Chips auf den Silizium-Chips justiert
werden.
7. Sensoren, die nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Chips Single-Fotodioden oder
Fotodiodenarrays sind und mit oder ohne integrierter Signalverarbeitungse
lektronik versehen sind.
8. Sensoren, die nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Chipcarrier aus Leiterkartenmaterial,
Glas, Glaskeramik oder Metall bestehen.
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