DE19923514B4

DE19923514B4 - Packungsanordnung für Lichtventile mit Siliziumrückseite

Info

Publication number: DE19923514B4
Application number: DE19923514A
Authority: DE
Inventors: Matthew D. Morgan Hill Penry
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1998-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-05-22
Also published as: US6049094A; TW494715B; DE19923514A1

Abstract

Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, mit folgenden Merkmalen:
ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der nicht größer als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückseite ist;
eine weiche Klebschicht auf einer Oberseite des Substrats;
ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das an dem Substrat mittels der weichen Klebschicht angebracht ist;
eine flexible Schaltung mit einer Öffnung, welche über dem Substrat liegt und das Lichtventil durch die Öffnung freigibt;
Bonddrähte, welche die flexible Schaltung mit dem Lichtventil elektrisch verbinden;
ein Kapselungsdamm, der an der flexiblen Schaltung angebracht ist und das Lichtventil umgibt und dadurch einen Hohlraum eingrenzt; und
eine weiche Kapselungsschicht, die in dem Hohlraum liegt und das Substrat, die flexible Schaltung und das Lichtventil zumindest teilweise bedeckt und die Bonddrähte vollständig bedeckt.

Description

Die Erfindung betrifft die Kapselung von Lichtventilen mit Siliziumrückseite und insbesondere Lichtventil-Packungsanordnungen mit Siliziumrückseite, in denen geringere Spannungen auftreten, und Verfahren zu deren Herstellung.

Herkömmliche Flüssigkristallanzeigen (LCDs) umfassen zwei Glasscheiben, die so angeordnet sind, daß sie eine dünne Zelle bilden, die mit einem Flüssigkristallmaterial gefüllt ist. Eine der Glasscheiben weist Transistoren und Pixelaktivierungsplatten auf ihrer Oberfläche auf, die zum Aktivieren des Flüssigkristallmaterials bei diskreten Pixelstellen dienen.

Ein Lichtventil, oder auch Lichtsteuereinrichtung (light valve), mit Siliziumrückseite, beispielsweise aus DE 43 18 022 C1 bekannt, ist im wesentlichen eine miniaturisierte LCD mit einer Siliziumrückplatte (Backplane) anstelle einer der Glasscheiben. Die Oberfläche der Siliziumrückplatte weist die Transistoren (üblicherweise auf CMOS-Basis), Pixelaktivierungsplatten und die Ansteuerschaltung (z.B. Zeilen- und Spaltentreiber) auf, die für den Betrieb des mit Lichtventils mit Siliziumrückseite notwendig sind. Die Pixelaktivierungsplatten dienen auch als Reflektorplatten, die während des Betriebs des Lichtventils ankommendes Licht zurück zum Betrachter reflektieren.

Ein repräsentatives Lichtventil mit Siliziumrückseite ist in 1 im Querschnitt dargestellt. Das Lichtventil mit Siliziumrückseite 10 umfaßt eine Siliziumrückplatte (Backplane) 12 und eine Glasdeckplatte 14, die von Präzisionsabstandhaltern 16 mit Abstand zueinander gehalten werden. Der dünne gleichmäßige Spalt (der auch als der Abstand oder die LCD-Zelle bezeichnet wird), der zwischen der Siliziumrückplatte 12 und der Glasdeckplatte 14 gebildet wird, ist mit Flüssigkristallmaterial 18 gefüllt. Die Kombination aus Siliziumrückplatte 12, Flüssigkristallmaterial 18 und Glasdeckplatte 14 stellt im wesentlichen eine miniaturisierte, reflektive Flüssigkristallanzeige dar.

Die Aufrechterhaltung eines dünnen, gleichmäßigen Spalts zwischen der Siliziumrückplatte 12 und der Glasdeckplatte 14 (und dadurch die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Dicke des Flüssigkristallmaterials 18) ist notwendig, um die Bildung unerwünschter optischer Interferenz-Streifenmuster auf der Anzeige zu vermeiden. Solche Streifenmuster machen, wenn sie für den Benutzer sichtbar sind, die Anzeige unbrauchbar für den kommerziellen Verkauf.

Übliche Verfahren zum Herstellen von Packungsanordnungen für Lichtventile mit Siliziumrückseite umfassen zunächst das Anbringen der Siliziumrückplatte an einem Substrat, entweder einer üblichen gedruckten Schaltungsplatte (PCB) oder einer gedruckten Schaltungsplatte, die an einer zweiten Glasplatte haftet, mit einem Klebstoff. Nach dem Anbringen von Bonddrähten zwischen der Siliziumrückplatte und dem PCB-Substrat werden die Bonddrähte, Teile des PCB-Substrats und die Siliziumrückplatte von einer Kapselungsschicht bedeckt, um einen mechanischen Schutz und einen Schutz gegen Umgebungseinflüsse zu schaffen.

Ein Nachteil der herkömmlichen Packungsanordnungen ist, daß das PCB-Substrat, der Klebstoff und die Kapselungsschicht alle zur Ausübung unerwünschter mechanischer Spannungen auf das Lichtventil mit Siliziumrückseite beitragen können. Die für den Zusammenbau der Packung eingesetzten Verfahrensschritte (z.B. erhöhte Temperaturen während des Aushärtens bzw. Trocknens des Klebstoffes und des Kapselungsmaterials) tragen ebenfalls zur Erzeugung unerwünschter mechanischer Spannungen bei. Solche mechanischen Spannungen verformen den dünnen gleichmäßigen Spalt zwischen der Siliziumrückplatte und der Glasdeckplatte, was zu optischen Interferenz-Streifenmustern und letztendlich dazu führt, daß die Packungsanordnung aussortiert werden muß. Extremtemperaturen, die während des Gebrauchs auftreten können, können ebenfalls zu mechanischen Spannungen in dem Lichtventil und somit zu unerwünschten Streifenmustern führen. Das Anbringen einer gedruckten Schaltungsplatte an eine zweite Glasplatte in dem Versuch, ein Substrat zu schaffen, das einen dünnen, gleichmäßigen Spalt aufrechterhält, ist nicht immer erfolgreich und führt zu zusätzlichen Herstellungskosten.

Ein zusätzlicher Nachteil zu der Verwendung einer Kapselungsschicht in Lichtventil-Packungsanordnungen mit Siliziumrückseite ist die relativ große Packungsgröße, die zum Unterbringen der Kapselungsschicht notwendig ist. Bei herkömmlichen Kapselungsprozessen wird ein Epoxidkapselungsmaterial frei über den Bonddrähten, den Umfangsseiten der Siliziumrückplatte und dem PCB-Substrat aufgebracht. Aufgrund der kuppelförmigen oder konvexen Form, welche das aufgebrachte Epoxidkapselungsmaterial annimmt, verteilt sich die Kapselungsschicht auf natürliche Weise über einen relativ großen Umfangsbereich, bevor sie die Höhe annimmt, die notwendig ist, um die Bonddrähte vollständig zu bedecken und zu schützen. Diese Verteilung führt zu einer unerwünscht großen Größe der Packungsanordnung.

Wenn das Lichtventil mit Siliziumrückseite einmal verkapselt ist, muß die gesamte Packungsanordnung auf einer übergeordneten Anordnung montiert werden, z.B. einer dichroitischen Prismaanordnung, einem Metallrahmen oder einem Plastikgehäuse einer optischen Anzeigeeinrichtung oder auf einer Unteranordnung einer optischen Anzeigeeinrichtung. Ein Nachteil der herkömmlichen Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite ist das Fehlen einer integralen Maßnahme zum Montieren der Lichtventil-Packungsanordnung auf der übergeord neten Anordnung. Das Vorsehen zusätzlicher Befestigungselemente erhöht die Kosten, die Komplexität der Packung und die Packungsgröße.

Auf diesem Gebiet der Technik wird also eine kosteneffiziente Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, in der höchstens geringe mechanische Spannungen auftreten, sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben benötigt, welche die Bildung von für den Benutzer sichtbaren optischen Interferenz-Streifenmustern vermeiden. Die Packungsanordnung sollte auch relativ klein und kostengünstig sein und Maßnahmen zum Anbringen derselben an einer übergeordneten Anordnung umfassen.

Die Erfindung sieht eine Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite vor, in der nur geringe Spannungen und keine optischen Interferenz-Streifenmuster auftreten. Die Erfindung sieht ferner eine kostengünstige, relativ kleine Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite vor, die Maßnahmen zum Anbringen derselben an einer übergeordneten Anordnung umfaßt.

Die Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung umfaßt ein Substrat mit einem angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE; Coefficient of Thermal Expansion), wobei dieser CTE nicht größer als 300% des CTE der Siliziumrückplatte ist. Ein Lichtventil mit Siliziumrückseite wird mittels einer weichen Klebschicht mit einer Shore D-Härte von weniger als 5 an das Substrat mit angepaßten CTE gebondet. Die Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung umfaßt ferner eine weiche Kapselungsschicht mit einer Shore D-Härte von weniger als 5, welche das Substrat mit angepaßtem CTE und das Lichtventil mit Siliziumrückseite wenigstens teilweise bedeckt. Diese Kombination aus Substrat mit angepaßtem CTE, weicher Klebschicht und ebenso weicher Kapselungsschicht hält die mechanischen Spannungen, die auf das Lichtventil mit Siliziumrückseite ausgeübt werden, ausreichend niedrig, um eine Verformung des dünnen, gleichmäßigen Spaltes sowie das Auftreten unerwünschter optischer Interferenz-Streifenmuster zu verhindern.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zur Verwendung eines Substrats mit angepaßtem CTE und einer weichen Klebschicht eine flexible Schaltung (Flex-Schaltung) an das Substrat mit angepaßtem CTE geklebt und über Bonddrähte mit dem Lichtventil mit Siliziumrückseite elektrisch verbunden. Da die flexible Schaltung nicht in direktem Kontakt mit dem Lichtventil ist, erlaubt diese Konfiguration die Verwendung flexibler Schaltungen, die einen relativ große CTE haben, als ein Mittel zum Liefern von Eingangssignalen an das Lichtventil, während die auf das Lichtventil mit Siliziumrückseite ausgeübten Spannungen noch immer auf einem niedrigen Niveau gehalten werden. Die fertige Konfiguration umfaßt ferner einen Kapselungsdamm, der an die flexible Schaltung geklebt wird und das Lichtventil mit Siliziumrückseite umgibt, sowie die weiche Kapselungsschicht. Der Kapselungsdamm ist so konzipiert, daß er die weiche Kapselungsschicht innerhalb des abgegrenzten Bereichs, der von dem Kapselungsdamm eingegrenzt wird, umschließt. Die weiche Kapselungsschicht verteilt sich daher nicht über einen übermäßig großen Umfangsbereich der Packungsanordnung, und es können vergleichsweise kleine Größen der Packungsanordnung erreicht werden.

Bei einer anderen Ausführungsform wird der Kapselungsdamm modifiziert, um ein Mittel zum Anbringen der Packungsanordnung an einer übergeordneten Anordnung vorzusehen.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite vor, in der geringe Spannungen auftreten. Eine flexible Schaltung, die mehrere leitende Spuren aufweist, welche Eingangssignale an ein Lichtventil mit Siliziumrückseite liefern können, wird als erstes vorgesehen. In der flexiblen Schaltung wird eine Öffnung ausgebildet. Obwohl die Öffnung irgendwo auf der flexiblen Schaltung liegen kann, ist ein bevorzugter Ort für die Öffnung ein Ende der flexiblen Schaltung. Ferner werden ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das eine Siliziumrückplatte mit Bondfeldern aufweist, und ein Substrat mit angepaßtem CTE vorgesehen.

Daraufhin wird die flexible Schaltung an dem Substrat mit angepaßtem CTE angebracht, wobei die Öffnung in der flexiblen Schaltung einen freilegenden Teil des Substrats mit angepaßtem CTE eingrenzt. Ein weicher Klebstoff (z.B. ein Vorläufer einer weichen Klebschicht) wird dann über dem freiliegenden Teil des Substrats mit angepaßtem CTE aufgebracht, und anschließend wird das Lichtventil mit Siliziumrückseite auf dem weichen Klebstoff positioniert. Anschließend wird der weiche Klebstoff ausgehärtet, wodurch sich eine weiche Klebschicht bildet, die das Lichtventil mit Siliziumrückseite mit dem Substrat mit angepaßtem CTE verbindet.

Anschließend werden Bonddrähte zwischen den Bondfeldern der Siliziumrückplatte und den mehreren leitenden Spuren der flexiblen Schaltung angebracht. Ein Kapselungsdamm wird dann um das Lichtventil mit Siliziumrückseite gelegt und mit der flexiblen Schaltung mittels einer Epoxidschicht permanent verbunden. Eine ausreichende Menge eines weichen Kapselungsmaterials (z.B. ein Vorläufer der weichen Kapselungsschicht) wird anschließend über der flexiblen Schaltung, den Bonddrähten und der Siliziumrückplatte aufgebracht, um die Bonddrähte und die freiliegenden Teile der Siliziumrückplatte vollständig abzudecken. Anschließend wird das weiche Kapselungsmaterial ausgehärtet, wodurch die weiche Kapselungsschicht gebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt eine Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, in der nur geringe Spannungen auftreten.

Die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, in denen die Grundsätze der Erfindung umgesetzt sind, wird in Verbindung mit der Zeichnung ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der Erfindung ermöglichen. In den Figuren zeigen:
1 eine geschnittene Seitenansicht eines Lichtventilelementes mit Siliziumrückseite;
2 eine geschnittene Seitenansicht einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung;
3 eine geschnitte Vorderansicht der Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite aus 1;
4A und 4B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Kapselungdamms gemäß der Erfindung;
5 ein geschnittene Seitenansicht einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung, die einen Kapselungsdamm umfaßt;
6 eine geschnittene Seitenansicht einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung, die Mittel zum Montieren derselben an einer übergeordneten Anordnung umfaßt;
7 eine geschnittene Seitenansicht einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung, die an eine übergeordnete Anordnung in Form eines Prismas montiert ist; und
8 eine Draufsicht auf eine Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, die eine Kapselungsdamm und Bonddrähte umfaßt, um die Siliziumrückwand mit leitenden Spuren einer flexiblen Schaltung zu verbinden.
2 und 3 zeigen eine Ausführungsform einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite 20, die eine Siliziumrückpatte 12 aufweist, welche an einem Substrat 22 mit angepaßtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) mittels einer weichen Klebschicht 24 haftet. Die Siliziumrückplatte 12 ist ferner mit leitenden Spuren einer flexiblen Schaltung 26 (üblicherweise ein Polyimid/Kupfer-Laminat) über wenigstens einen Bonddraht 28 (üblicherweise dünne metallische Drähte z.B. aus Aluminium/Silizium oder Gold) elektrisch verbunden.
Der Begriff „Substrat mit angepaßtem CTE" bezeichnet ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nicht größer als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückplatte ist. Silizium hat einen CTE von ungefähr 3,0·10^–6/°C. Geeignete Substratmaterialien mit angepaßtem CTE umfassen Aluminiumoxidkeramik (mit einem CTE von ungefähr 7,9·10^–6/°C), Aluminiumoxidnitrid (mit einem CTE von ungefähr 4,7·10^–6/°C) und Mullit, 3Al₂O₃2SiO₂ (mit einem CTE von ungefähr 4,2·10^–6/°C). Im Vergleich hierzu hat eine übliche gedruckte Schaltungsplatte aus E-Glas und Epoxid einen CTE von ungefähr 12–16·10^–6/°C in der x-y-Richtung und von 60–80·10^–6/°C in der z-Richtung.
Der Begriff „weiche Klebschicht" bezeichnet eine gehärtete Klebstoffschicht mit einer Härte unter 5 auf der Shore D-Skala (d.h. unter 50 auf der Shore A-Skala). Geeignete Klebstoffe sind Epoxide und Silikone, wie die, welche im Handel von Dow und GE erhältlich sind. Diese weichen Klebstoffe unterscheiden sich von den Befestigungsmaterialien für Siliziumchips, die üblicherweise in Verbindung mit flexiblen Schaltungen verwendet werden, z.B. Ag-gefüllte Epoxide, weil die üblichen Befestigungsmaterialien für Siliziumchips Härtewerte von ungefähr 80 auf der Shore D-Skala haben.
Die flexible Schaltung 26 ist eine Verdrahtungsstruktur, die aus leitenden Spuren (z.B. aus Kupfer, Aluminium oder aus leitenden Polymerbahnen) auf einem dünnen Dielektrikum (z.B. Polyimid oder Polyester) aufgebaut ist. Die flexible Schaltung kann eine einseitige, zweiseitige oder mehrschichtige Konfiguration haben. Geeignete flexible Schaltungen sind z.B. erhältlich von Sigma Circuits, Santa Clara, CA, USA; Dynaflex Technology, San Jose, CA, USA; Mektek, Fremont, CA, USA; Adflex, Phoenix, AZ, USA; und Nitto, Japan. Übliche flexible Schaltungen auf Polyimidbasis haben einen CTE von ungefähr 18–50·10^–6/°C, während flexible Schaltungen auf Polyesterbasis einen CTE von ungefähr 31·10^–6/°C haben.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, wird die Siliziumrückplatte 12 über eine weiche Klebschicht 24 an dem Substrat 22 mit angepaßtem CTE direkt angebracht. Dies kann durch Vorsehen einer Öffnung in der flexiblen Schaltung 26, vorzugsweise an einem Ende der Schaltung, erreicht werden, so daß ein Teil der Oberseite des Substrats 22 mit angepaßtem CTE frei bleibt, nachdem das Ende der flexiblen Schaltung mit der Öffnung über das Substrat mit angepaßtem CTE gelegt wurde. Diese besondere Konfiguration ermöglicht es, daß die Siliziumrückplatte an dem Substrat mit angepaßtem CTE direkt angebracht wird, anstatt an der flexiblen Schaltung, die einen CTE aufweist, der deutlich höher ist als der der Siliziumrückplatte. Alternativ könnte anstelle der flexiblen Schaltung eine gedruckte Schaltungsplatte (PCB) verwendet werden.
Die Unterseite der Glasdeckplatte 14 wird mit einer dünnen leitenden Schicht aus Indiumzinnoxid (ITO) mit einer Dicke von üblicherweise 300 Angström (nicht gezeigt) überzogen. Die mit der dünnen leitenden Schicht aus ITO beschichtete Glasdeckplatte 14 wird mit der flexiblen Schaltung 26 über wenigstens eine ITO-Verbindung 30 verbunden. Die ITO-Verbindung 30, die üblicherweise aus einem leitenden Epoxid hergestellt wird, ist so konzi piert, daß sie während des Betriebs des Lichtventils mit Siliziumrückseite eine elektrische Vorspannung an der dünnen leitenden Schicht aus ITO vorsieht.
Bonddrähte 28, freiliegende Umfangsseiten der Siliziumrückplatte 12, die freiliegende Oberseite des Substrats 22 mit angepaßtem CTE (d.h. der Teil der Oberseite des Substrats mit angepaßtem CTE, über dem nicht entweder die Siliziumrückplatte 12 oder die flexible Schaltung 26 liegen) und ein Teil der flexiblen Schaltung 26 werden von der weichen Kapselungsschicht 32 vollständig bedeckt, um einen mechanischen Schutz und einen Schutz gegen Umgebungseinflüsse vorzusehen.
Der Begriff „weiche Kapselungsschicht" bezeichnet ein ausgehärtetes oder getrocknetes Kapselungsmaterial mit einem Härtewert unter 5 auf der Shore D-Skala (d.h. unter 50 auf der Shore A-Skala). Geeignete Kapselungsmaterialien sind Epoxide und Silikone, wie die, die im Handel von Dow und GE erhältlich sind. Die weichen Kapselungsmaterialien unterscheiden sich in ihrer Härte deutlich von den Kapselungsmaterialien, die üblicherweise in Verbindung mit flexiblen Schaltung eingesetzt werden und Härtewerte von 50–80 auf der Shore D-Skala haben.
Es hat sich herausgestellt, daß eine erhebliche Abweichung des CTE zwischen einem Substrat und einer Siliziumrückplatte zu unerwünschten mechanischen Spannungen führt, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung bei Temperaturschwankungen, die entweder während des Packungsprozesses oder des Gebrauchs auftreten, auf das Lichtventil mit Siliziumrückseite ausgeübt werden. Diese Spannungen werden durch das Vorsehen einer nicht-nachgiebigen Klebschicht zwischen dem Substrat und der Siliziumrückplatte (welche Spannungen von dem Substrat auf die Siliziumrückplatte überträgt) und das Vorhandensein einer nicht-nachgiebigen Kapselungsschicht gefördert. Diese mechanischen Spannungen bewirken eine Verwerfung (Verformung) des Lichtventils und des dünnen gleichmäßigen Spaltes, und die Verwerfungen führen ihrerseits zu optischen Interferenz-Streifenmustern. Es wurde jedoch herausgefunden, daß dann, wenn (i) der CTE des Substrats an den der Siliziumrückplatte ausreichend gut angepaßt ist, (ii) eine ausreichend große Nachgiebigkeit in dem Klebstoff, der zum Befestigen des Lichtventils mit Siliziumrückseite an dem Substrat verwendet wird be reitgestellt wird, und (iii) eine ausreichend große Nachgiebigkeit in dem Kapselungsmaterial bereitgestellt wird, die mechanischen Spannungen unter einem Niveau gehalten werden können, das optische Interferenz-Streifenmuster erzeugt. Diese Kriterien werden von der Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung, die eine Kombination aus Substrat mit angepaßtem CTE, einer weichen Klebeschicht und einem weichen Kapselungsmaterial umfaßt, erfüllt. Diese besondere Kombination erzeugt eine Packungsanordnung mit geringen mechanischen Spannungen, die das unerwünschte Verwerfen und die optischen Interferenz-Streifenmuster vermeidet.
Es hat sich ferner herausgestellt, daß ein Lichtventil mit Siliziumrückseite mit einem dünnen, präzise bemessenen, gleichmäßigen LCD-Spalt zwischen der Siliziumrückplatte und der Glasdeckplatte wesentlich empfindlicher gegen mechanische Spannungen ist als übliche Halbleiterbauteile, wie Speicher oder Logikschaltungen. Im Falle eines Halbleiterbauteils muß das Niveau der mechanischen Spannung nur ausreichend niedrig gehalten werden, um ein Reißen des Siliziums zu vermeiden. Im Falle von Lichtventilen mit Siliziumrückseite müssen die mechanischen Spannung jedoch auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden, weil die unerwünschten optischen Streifenmuster bei einem Spannungsniveau erzeugt werden, das deutlich niedriger liegt als das Spannungsniveau, bei dem das Silizium zu reißen beginnt. Im Falle der Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung wird die spannungsempfindliche Bauweise der Lichtventile mit Siliziumrückseite jedoch kompensiert, indem die Kombination aus weicher Klebschicht, weichem Kapselungsmaterial und Substrat mit angepaßtem CTE vorgesehen wird.
4A und 4B zeigen einen Kapselungsdamm 40, der in einer Ausführungsform der Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite gemäß der Erfindung enthalten ist. Der Kapselungsdamm 40 kann z.B. aus einem ULTEM-Material hergestellt sein, das durch mechanische Bearbeitung oder Gießen in die gewünschte Form gebracht werden kann. Auch Kunststoffe der ABS-Klasse (ABS = Acrylonitrilbutadienstyren) und Polycarbonate eignen sich, weil mit ihnen kostengünstige, durch Gießen geformte Kapselungsdamme hergestellt werden können. Ein Kapselungsdamm 40 ist im wesentlichen ein gegossener oder durch mechanische Bearbeitung geformter Ring, der dazu bestimmt ist, an einer flexiblen Schaltung oder einer gedruckten Schaltungsplatte angebracht zu werden.
5 zeigt eine Lichtventil-Packungsanordnung 50 mit Siliziumrückseite, die einen Kapselungsdamm 40 aufweist (der äquivalent ist zu den in den 4A und 4B gezeigten ist). Der Kapselungsdamm 40 ist an einer flexiblen Schaltung 26 über eine Schicht aus Epoxidklebstoff (in 5 nicht gezeigt) befestigt. Der Kapselungsdamm 40 umgibt das Lichtventil mit Siliziumrückseite und definiert eine Grenze (oder einen Hohlraum), innerhalb derer Kapselungsmaterial eingeschlossen sein wird. Der Kapselungsdamm 40 verhindert daher, daß sich das Kapselungsmaterial über den Umfangsbereich der Packungsanordnung ausbreitet, und stellt sicher, daß es ausreichend Höhe annimmt, um die Bonddrähte 28 vollständig abzudecken und zu schützen. Da der Kapselungsdamm 40 den Umfangsbereich reduziert, der ansonsten notwendig wäre, um die weiche Kapselungsschicht aufzunehmen, verringert sich die Größe der Packungsanordnung erheblich.
Ein bevorzugtes Verhältnis der Höhe des Kapselungsdamms zu seiner Breite ist 2:1 oder größer. Dieses Verhältnis stellt sicher, daß die Höhe der weichen Kapselungsschicht ausreichend ist, um die Bonddrähte vollständig abzudecken, während noch eine relativ kleine Packungsgröße beibehalten wird. Wenn das Verhältnis der Höhe des Kapselungsdamms zu seiner Breite geringer ist als 2:1, bedeckt der Kapselungsdamm selbst einen größeren Anteil der Umfangsfläche als notwendig.
6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Lichtventil-Packungsanordnung 60 mit Siliziumrückseite einen kombinierten Montagerahmen und Kapselungsdamm 62 aufweist, der sowohl als Kapselungsdamm als auch als Montagerahmen dient, um die Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite 60 an einer übergeordneten Anordnung anzubringen, wie einem Prisma 70, das in 7 gezeigt ist. Wie in 6 gezeigt, wurde die Höhe des kombinierten Montagerahmens und Kapselungsdamms 62 im Vergleich zu dem Kapselungsdamm 40 in 5 vergrößert, um seine zusätzliche Funktion als Montagerahmen für eine übergeordnete Anordnung zu unterstützen. Ferner kann die Breite des kombinierten Montagerahmens und Kapselungsdamms 62 innerhalb des obenge nannten Verhältnisses variiert werden, um einen größeren Oberflächenbereich für das Aufbringen eines Klebstoffs und das Verbinden mit einer übergeordneten Anordnung vorzusehen (siehe z.B. 7), während die Größe der Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite noch immer relativ klein gehalten wird. Alternativ können Ecken des kombinierten Montagerahmens und Kapselungsdamms 62 „ausgefüllt" werden, um eine zusätzliche Fläche für die Verbindung mit einer übergeordneten Anordnung vorzusehen.
Eine beispielhafte Packungsanordnung mit Siliziumrückseite ist so konzipiert, daß sie ein Lichtventil mit Siliziumrückseite mit einer Pixelfläche (13,1 mm breit und 16,3 mm lang) und eine Glasdeckplatte (16,1 mm breit und 20,2 mm lang) hält. Diese Anordnung umfaßt ein Substrat mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten aus einer Aluminiumoxidkeramik (19,2 mm breit, 29,8 mm lang und 0,79 mm dick). An dem Substrat mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten ist eine flexible Schaltung angebracht, die aus Kupfer und Polyimid hergestellt ist und 40 Kupferspuren umfaßt. Die flexible Schaltung hat eine Öffnung (16,1 mm breit und ungefähr 21 mm lang), vorzugsweise an einem ihrer Enden, welche über dem Substrat mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten liegt. An diesem Ende ist die Breite der flexiblen Schaltung gleich der des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten (19,2 mm). Die Breite der flexiblen Schaltung ist am anderen Ende der Länge der flexiblen Schaltung, welche 508 mm beträgt, auf 51,2 mm aufgefächert. Die Öffnung der flexiblen Schaltung grenzt eine freiliegende Oberfläche des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten ein (wie in den 2, 3, 5 und 6 gezeigt). Die Öffnung ist von einem ULTEM-Kapselungsdamm mit einer Breite von 0,51 mm und einer Höhe von 1,02 mm umgeben.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite vor. Zunächst wird eine flexible Schaltung vorgesehen, die mehrere leitende Spuren aufweist, welche Eingangssignale an ein Lichtventil mit Siliziumrückseite liefern können (z.B. die Logiksignale und Spannungen, die zum Betreiben des Lichtventils und Aufbauen eines Bildes notwendig sind). Dann wird in der flexiblen Schaltung eine Öffnung ausgebildet, vorzugsweise an einem Ende. Die flexible Schaltung wird dann an dem Substrat mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten so angebracht, daß ein Teil der Oberseite des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten freiliegt.
Als nächstes wird ein weicher Klebstoff auf die freiliegende Oberfläche des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten aufgebracht. Dann wird ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das eine Siliziumrückplatte (Silizium-Backplane) mit Bondflecken aufweist, vorgesehen und über dem weichen Klebstoff positioniert. Anschließend wird der weiche Klebstoff ausgehärtet, um eine weiche Klebschicht zu bilden. Die weiche Klebschicht verbindet das Lichtventil mit Siliziumrückseite mit der freiliegenden Oberseite des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten.
Anschließend werden Bonddrähte zwischen den Bondflecken auf der Silizium-Backplane und den leitenden Spuren der flexiblen Schaltung angebracht. Ein Kapselungsdamm (oder ein kombinierter Montagerahmen und Kapselungdamm) wird anschließend vorgesehen und mit Hilfe eine Epoxidklebstoffs derart an der flexiblen Schaltung befestigt, daß er das Lichtventil mit Siliziumrückseite umgibt. Anschließend wird ein weiches Kapselungsmaterial in dem Bereich aufgebracht, der von dem Kapselungsdamm eingeschlossen ist, um die Bonddrähte, die freiliegende Oberseite des Substrats mit angepaßtem Temperaturkoeffizienten und Teile der flexiblen Schaltung und der Silizium-Backplane vollständig zu bedecken. Schließlich wird das weiche Kapselungsmaterial ausgehärtet, um eine weiche Kapselungsschicht zu bilden. Die resultierende Ventilanordnung mit Siliziumrückseite ist äquivalent den in 5 (mit dem Kapselungsdamm), 6–7 (mit dem kombinierten Montagerahmen und Kapselungdamm) und 8 (in dem die weiche Kapselungsschicht nicht gezeigt ist) gezeigten.
Man sollte verstehen, daß zahlreiche Alternativen der hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bei der Umsetzung der Erfindung eingesetzt werden können. Die folgenden Ansprüche sollen den Bereich der Erfindung definieren, und Verfahren und Strukturen innerhalb des Bereichs dieser Ansprüche sowie deren Äquivalente sollen durch die Ansprüche umfaßt sein.

Claims

Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, mit folgenden Merkmalen: ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der nicht größer als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückseite ist; eine weiche Klebschicht auf einer Oberseite des Substrats; ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das an dem Substrat mittels der weichen Klebschicht angebracht ist; eine flexible Schaltung mit einer Öffnung, welche über dem Substrat liegt und das Lichtventil durch die Öffnung freigibt; Bonddrähte, welche die flexible Schaltung mit dem Lichtventil elektrisch verbinden; ein Kapselungsdamm, der an der flexiblen Schaltung angebracht ist und das Lichtventil umgibt und dadurch einen Hohlraum eingrenzt; und eine weiche Kapselungsschicht, die in dem Hohlraum liegt und das Substrat, die flexible Schaltung und das Lichtventil zumindest teilweise bedeckt und die Bonddrähte vollständig bedeckt.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Öffnung an einem Ende der flexiblen Schaltung liegt.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2; bei der das Substrat aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Substrat aus einem Aluminiumoxidnitrid hergestellt ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruchs 1 oder 2, bei der das Substrat aus Mullit hergestellt ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die weiche Klebschicht einen weichen Klebstoff umfaßt.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 6, bei der der weiche Klebstoff ein Epoxid ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 6, bei der der weiche Klebstoff ein Silikonklebstoff ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die weiche Kapselungsschicht ein weiches Kapselungsmaterial aufweist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 9, bei der das weiche Kapselungsmaterial ein Epoxid ist.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 9, bei der das weiche Kapselungsmaterial ein Silikonklebstoff ist.
Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, mit folgenden Merkmalen: ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der nicht größer als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückseite ist; eine weiche Klebschicht auf einer Oberseite des Substrats; ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das an dem Substrat mittels der weichen Klebschicht angebracht ist; eine gedruckte Schaltungsplatte mit einer Öffnung, welche über dem Substrat liegt und das Lichtventil durch die Öffnung freigibt; Bonddrähte, welche die gedruckte Schaltungsplatte mit dem Lichtventil elektrisch verbinden; ein Kapselungsdamm, der an der gedruckten Schaltungsplatte angebracht ist und das Lichtventil umgibt und dabei einen Hohlraum einschließt; und eine weiche Kapselungsschicht, die in dem Hohlraum angeordnet ist und das Substrat, die gedruckte Schaltungsplatte und das Lichtventil wenigstens teilweise bedeckt und die Bonddrähte vollständig bedeckt.
Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, mit folgenden Merkmalen: ein Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der nicht größer als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückseite ist.; eine weiche Klebschicht auf einer Oberseite des Substrats; ein Lichtventil mit Siliziumrückseite, das an dem Substrat mittels einer weichen Klebschicht angebracht ist; eine flexible Schaltung mit einer Öffnung, welche über dem Substrat liegt und das Lichtventil durch die Öffnung freigibt; Bonddrähte, welche die flexible Schaltung mit dem Lichtventil elektrisch verbinden; ein kombinierter Montagerahmen und Kapselungsdamm zum Vorsehen eines Mittels zum Montieren der Lichtventil-Packungsanordnung an einer übergeordneten Anordnung, wobei der kombinierte Montagerahmen und Kapselungsdamm an der flexiblen Schaltung angebracht ist, das Lichtventil umgibt und dabei einen Hohlraum eingrenzt; und eine weiche Kapselungsschicht, die dem Hohlraum angeordnet ist und das Substrat, die flexible Schaltung und das Lichtventil wenigstens teilweise bedeckt und die Bonddrähte vollständig bedeckt.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 13, bei der die Öffnung an einem Ende der flexiblen Schaltung liegt.
Lichtventil-Packungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei der der kombinierte Montagerahmen und Kapselungsdamm eine Höhe hat, die größer ist als die Höhe des Lichtventils.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtventil-Packungsanordnung mit Siliziumrückseite, in der geringe mechanische Spannungen auftreten, mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen einer flexiblen Schaltung mit einer Öffnung, welche mehrere leitende Spuren zum Liefern von Eingangssignalen an ein Lichtventil mit Siliziumrückseite aufweist; Bereitstellen eines Lichtventils, das eine Siliziumrückseite mit mehreren Bondflecken aufweist; Bereitstellen eines Substrats mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der nicht größer ist als 300% des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliziumrückseite; Anbringen der flexiblen Schaltung an dem Substrat, so daß die Öffnung einen freiliegenden Teil des Substrats eingrenzt; Aufbringen eines weichen Klebstoffs auf den freiliegenden Teil des Substrats; Positionieren des Lichtventils auf dem weichen Klebstoff; Aushärten des weichen Klebstoffs, um eine weiche Klebschicht zu bilden, welche das Lichtventil mit dem Substrat haftend verbindet; Anbringen von Bonddrähten zwischen den Bondflecken und den mehreren leitenden Spuren; Anbringen eines Kapselungsdamms an der flexiblen Schaltung, so daß der Kapselungsdamm die Öffnung in der flexiblen Schaltung umgibt und einen Hohlraum bildet, welcher das Lichtventil und die Bonddrähte umgibt; Aufbringen eines weichen Kapselungsmaterials in den Hohlraum über der flexiblen Schaltung, den Bonddrähten und der Siliziumrückseite, so daß das weiche Kapselungsmaterial das Substrat, die flexible Schaltung und die Siliziumrückseite wenigstens teilweise bedeckt und die Bonddrähte vollständig bedeckt; und Aushärten des weichen Kapselungsmaterials zum Ausbilden einer weichen Kapselungsschicht.