DE19816309B4 - Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren und danach hergestellte Sensoren - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Direktmontage von Silizium-Sensoren, bei denen Plättchen oder
Chips eines anderen Materials gegenüber Silizium-Chips angeordnet
werden müssen,
wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
– Montieren der Silizium-Chips auf oder in die Chipträger,
– Herstellung und gegebenenfalls Platzierung der Drahtbondverbindungen zwischen den Silizium-Chips und den Chipträgern,
– Beschichten der Chips des anderen Materials mit einem Klebefilm,
– Fügen der Chips des anderen Materials auf den Platzierungsbereich der Silizium-Chips (Pick-and-Place-Technology),
– Grob- und Feinpositionierung der Chips,
– Einleiten des Klebemittel-Fixiervorgangs,
gekennzeichnet durch, ein Durchführen eines dosierten Kehlen- oder Rundumvergusses zur Konservierung, Fixierung bzw. Hermetisierung der Bondverbindungen.
– Montieren der Silizium-Chips auf oder in die Chipträger,
– Herstellung und gegebenenfalls Platzierung der Drahtbondverbindungen zwischen den Silizium-Chips und den Chipträgern,
– Beschichten der Chips des anderen Materials mit einem Klebefilm,
– Fügen der Chips des anderen Materials auf den Platzierungsbereich der Silizium-Chips (Pick-and-Place-Technology),
– Grob- und Feinpositionierung der Chips,
– Einleiten des Klebemittel-Fixiervorgangs,
gekennzeichnet durch, ein Durchführen eines dosierten Kehlen- oder Rundumvergusses zur Konservierung, Fixierung bzw. Hermetisierung der Bondverbindungen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren und danach hergestellte Sensoren. Es handelt sich dabei um Silizum-Sensoren, 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 ortsphasenverschobenen 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 Verbindungs- 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 untergeordnet 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 reduzieren.
- Nach
DE 43 19 786 A1 ist eine in Kunststoff gegossene LCD-Einheit bekannt, bei der Chips gegenüber anderen Silizium-Chips angeordnet sind, wobei die Chips direkt auf die Silizium-Chips geklebt sind. - In
US 4 566 170 ist ein Verfahren zur Herstellung eines LED-Arrays bekannt, bei dem Chips ebenfalls direkt auf andere Silizium-Chips geklebt sind. - Diesen Druckschriften sind jedoch keine Hinweise auf einen dosierten Kehlen- oder Rundum-Verguss zu entnehmen.
- Bei einem in
DE 39 37 996 A1 beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips wird ein Zweikomponentenkleber zum Verkleben von Halbleiterchips mit einem Lichtdurchgangsfenster verwendet, wobei der Halbleiterchip bereits auf die Chipkontaktstelle eines Leitungsrahmens montiert ist. - Nach
DE 43 42 890 A1 ist ein Verfahren zum Abdichten herstellungsprozessbedingter Öffnungen bei der die Herstellung mikromechanischer Beschleunigungssensoren bekannt, bei dem ein Schichtpaket aus Glas-Silizium-Glas mit einer Pendelnasse durch einen dispensierten Klebstofftropfen durch kapillares Fließen ausgefüllt und durch UV-Licht ausgehärtet wird. - Die
US-Patentschriften 5 021 888 undUS 4 523 102 beschreiben die Herstellung eines CCD-Elements, wobei ein CCD-Chip mit dem Deckel durch einen Kleber verbunden wird, welcher zuvor dazwischen gefügt wurde oder der nach dem Verbinden in den Zwischenraum gesogen wurde und dann durch UV-Licht ausgehärtet wurde. - Nachteilig ist hierbei jedoch, dass dieses Verfüllen nicht nach dem Montieren des Chips oder des Schichtpaketes auf einem Chipträger durchgeführt wird.
- 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 aufwendige Verfahrensschritte die Prozessausbeute erhöht werden kann.
- Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe das Verfahren des Anspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
- Erfindungsgemäß ist zudem der Sensor gemäß Anspruch 6.
- Die Chips des anderen Materials können dabei Einfluß auf das elektronische, fotoelektrische, thermische, mechanische oder sonstige Verhalten der Silizium-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 mechanischen Bonddraht-Schutzraum, der die Realisierung von Bondungen unterhalb 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 Hauptanwendungsfall zumeist für einen bestimmten optischen Wellenlängenbereich transparent. Die Chips des anderen Materials können mit zusätzlichen Schichten oder Mehrschichtkombinationen ein- oder beidseitig identisch oder unterschiedlich bedeckt sein. Diese Schichten haben ebenfalls definierte Eigenschaften 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 stukturierten 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 geeignete 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 Fertigstellung der Anordnung erfolgt in folgenden Verfahrensschritten:
- 1. Montieren der Silizum-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-härtend o.a.)
- 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.a.)
- 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 Oberflächenmontage (SMD) geeignet.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Abtastplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik und -
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 hergestellt, 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 Bondinseln in Oberflächenlage.
- – Die Glasabtastplatten (Glaschips) sind ein- oder beidseitig mit Metallschichten 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 strukturierte Chipträger aus Leiterkartenmaterial mit Zargenkontakten Anwendung.
- – 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 – abgelegt, 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 (7)
- Verfahren zur Direktmontage von Silizium-Sensoren, bei denen Plättchen oder Chips eines anderen Materials gegenüber Silizium-Chips angeordnet werden müssen, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Montieren der Silizium-Chips auf oder in die Chipträger, – Herstellung und gegebenenfalls Platzierung der Drahtbondverbindungen zwischen den Silizium-Chips und den Chipträgern, – Beschichten der Chips des anderen Materials mit einem Klebefilm, – Fügen der Chips des anderen Materials auf den Platzierungsbereich der Silizium-Chips (Pick-and-Place-Technology), – Grob- und Feinpositionierung der Chips, – Einleiten des Klebemittel-Fixiervorgangs, gekennzeichnet durch, ein Durchführen eines dosierten Kehlen- oder Rundumvergusses zur Konservierung, Fixierung bzw. Hermetisierung der Bondverbindungen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen bzw. Chips mit einer ein- oder beidseitig aufgebrachten Oberflächenbeschichtung oder -vergütung versehen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel ein gefüllter oder ungefüllter Underfiller, chemisch vernetzendes oder UV-härtendes Klebemittel ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen bzw. Chips mit ein- oder beidseitig aufgebrachter und strukturierter Metallbeschichtung mit oder ohne zusätzliche elektrische Funktion versehen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen bzw. Chips auf den Silizium-Chips justiert werden.
- 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 Signalverarbeitungselektronik versehen sind.
- Sensoren, die nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurden, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipträger aus Leiterkartenmaterial, Glas, Glaskeramik oder Metall bestehen.
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