NL8615004A - Verbeteringen in of met betrekking tot hybride structuren. - Google Patents

Description

Titel: Verbeteringen in of met betrekking tot hybride structuren.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op hybride structuren en meer in het bijzonder op een hybride structuur, welke een lens, een antenne-samenstel en een geïntegreerde schakeling bevat.

Diëlektrische lenzen (welke gemaakt kunnen worden van materialen met brekingsindices (n) variërend van 2 tot 9 of meer) kunnen toegepast worden voor het focusseren van millimetergolfstraling op antennes (dipolen of quadrupolen), welke vervaardigd worden op vlakke substraten. Deze antennes ontvangen de straling, welke gedetecteerd en bewerkt wordt door als een geïntegreerde schakeling op een schijfje van een halfgeleidermateriaal vervaardigde actieve componenten, waarbij het halfgeleidermateriaal meestal silicium is, maar ook gallium arsenide kan zijn. Volgens de in Electronics Letters (1981) 17 729-31 van Brewitt-Taylor et al beschreven theorie, vertonen op een substraat met grote brekingsindex (zoals silicium) vervaardigde vlakke antennes in contact met een medium met kleine brekingsindex (zoals lucht) hun maximum gevoeligheid in een richting loodrecht op het vlak van het substraat, en ligt in het medium met grote brekingsindex, zoals getoond wordt in fig. 1 van de bijbehorende tekeningen. Een mogelijke structuur, welke gebruikt kan worden met lenzen van materialen zoals aluminium (brekingsindex 3,1) is daarom het vervaardigen van de vlakke antenne als een volgens het foto-etsprocede bepaalde reeks van opgedampte metaalstroken op een schijfje silicium, verbonden met een in het silicium vervaardigde detectie en signaalbewerkingsschakeling, zoals getoond wordt in fig. 2 van de bijbehorende tekeningen. De achterkant van deze schakeling wordt dicht tegen de aluminium lens aangedrukt, zoals getoond wordt in fig. 3 van de bijbehorende tekeningen. Het silicium en aluminium dienen in zeer nauw contact met elkaar te zijn, met een maximaal toelaatbare luchtspleet van ongeveer 5^um.

Gevonden werd dat de in fig. 3 getoonde structuur niet altijd geschikt is als het lensmateriaal een aanzienlijk grotere brekingsindex (n is ongeveer gelijk aan 6) bezit dan het silicium (silicium n ongeveer gelijk aan 3,4). Als dit het geval is, is het voor het lensmateriaal met grote brekingsindex noodzakelijk om in direct contact te staan met de metaallaag van de antennestructuur. Slechts zeer kleine luchtspleten zijn toelaatbaar als de inrichtingsstructuur uitvoerbaar dient te zijn (in de orde van 1 micron of minder) en een samengedrukte contactstructuur van het in fig. 3 getoonde type levert aanzienlijke moeilijkheden op bij de fabricage. Niettemin vertonen lenzen met grotere brekingsindex een aantal voordelen, doordat de golflengte van de straling ( ) in het medium met grote brekingsindex over- eenkomstig korter is, gegeven door: n = f^n waarin ^ de golflengte in de vrije ruimte is, en n de brekingsindex van het materiaal met grote brekingsindex.

Dit betekent dat voor een gegeven werkfrequentie, de antenne evenredig kleiner kan zijn, wat op zijn beurt inhoudt dat een groter aantal gevoelige punten per oppervlakte-eenheid van het samenstel vervaardigd kunnen worden. Ook kunnen de afmetingen van de diëlektrische lens gereduceerd worden, als een materiaal met grotere index gebruikt wordt, aldus resulterend in een compacter systeem voor een gegeven samenstel-afmeting.

Eën van de doelen van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde inrichtingsstructuur, welke de fabricage van antenne-samen-stel/microschakeling structuren met lenzen met grote brekingsindex aanzienlijk zal vergemakkelijken.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een hybride structuur verschaft, welke een lens, een antenne-samenstel en een geïntegreerde schakeling bevat, waarin het antenne-samenstel gevormd wordt op een oppervlak van de lens of op een oppervlak van een substraat met nagenoeg dezelfde brekingsindex als het lensmateriaal, en middelen verschaft worden voor het verbinden van de lens of het substraat met van tussenruimte voorziene locaties op de geïntegreerde schakeling.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding wordt het antenne-samenstel gevormd door middel van het foto-etsprocede bepaling van een metaallaag, direct aangebracht (door bijv. verdamping, opspuiten of uit een oplossing met gebruik van een chemisch of elektrochemisch proces) op het materiaal met grote brekingsindex, waarvan de lens of het substraat gemaakt is.

In ëën uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding wordt een elektrische en mechanische verbinding gemaakt tussen de antennes van het samenstel en op de halfgeleider microschakeling gevormde voorafbepaalde verbin-dingscontacten.

In een andere uitvoeringsvorm wordt een pure mechanische verbinding gemaakt tussen de antennes van het samenstel en de voorafbepaalde verbin-dingscontacten op de halfgeleiderschakeling.

Bij voorkeur wordt de elektrische en/of mechanische verbinding tussen de antennes en de voorafbepaalde verbindingscontacten geproduceerd door gebruik te maken van een metaal-klont verbindingstechniek zoals de soldeer-klont of indium-klont techniek.

De onderhavige uitvinding zal verder bij wijze van voorbeeld beschreven worden, met verwijzing naar de bijbehorende tekeningen waarin:

Fig. 1 is een bekend polair versterkingsdiagram voor een resonerende dipool-antenne op een substraat;

Fig. 2 is een schets-ontwerp voor een antennestructuur op een substraat;

Fig. 3 is een schematisch diagram van een hybride structuur;

Fig. 4 is een schematisch diagram van een hybride structuur volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 5 is een doorsnede-aanzicht van de hybride structuur van fig. 4;

Fig. 6 is een schematisch diagram van een hybride structuur volgens een tweede uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Figuren 7(a) en 7(b) tonen een soldeer verbindingsproces geschikt voor gebruik bij het vervaardigen van de in figuren 4, 5 en 6 getoonde hybride structuren.

Figuren 8(a) en 8(b) tonen een indium verbindingsproces geschikt voor gebruik bij het vervaardigen van de in figuren 4, 5 en 6 getoonde hybride structuren.

Figuren 9 en 10 zijn schematische diagrammen van afdichtingsinrich-tingen voor hybride structuren volgens de onderhavige uitvinding.

In fig. 4 is een halfgeleider microschakeling 2 op een van zijn platte vlakken voorzien van acht van elkaar gescheiden verbindingscontacten 4.

Alle verbindingscontacten 4 zijn door middel van metaal-klont verbindingen 6 verbonden met een bijbehorend oppervlak van een op een plat vlak van een lens 10 met grote brekingsindex aangebracht antenne-samenstel 8.

Zoals getoond wordt in fig. 5, bevat het ontwerp voorzieningen voor een aantal dummie-verbindingselementen 12, welke niet verbonden zijn met een schakeling op de halfgeleider. Deze verschaffen extra mechanische ondersteuning aan de hybride structuur tijdens montage. Een exacte positionering ten opzichte van de antenne-structuren is niet kritisch en wordt het meest aannemelijk bepaald door de ruimte-eisen van de bewerkingsschakelingen.

In een andere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding bevat de structuur een halfgeleider microschakeling, een substraat 14 met grote brekingsindex en een lens 10 met grote brekingsindex. Een dergelijke hybride/ lens structuur wordt schematisch getoond in fig. 6. De antenne-structuren worden eerst aangebracht op een dun, uit hetzelfde materiaal als de lens vervaardigd substraat met grote brekingsindex en evenwijdige zijden. Deze wordt eerst door middel van een metaal-klont verbonden aan de halfgeleider-schakeling en dan wordt de hybride vervolgens in nauw mechanisch contact met de lens met grote brekingsindex geplaatst. Het substraat en de lens dienen van hetzelfde materiaal met grote brekingsindex vervaardigd te zijn. Een dergelijke toepassing vergemakkelijkt zeer sterk de soldeer-klont verbin-dingsbewerking en de daarop volgende opbouw van een hermetisch afgedicht omhulsel rond de hybride inrichting, zoals later beschreven wordt.

Capacitieve koppeling tussen het gedefinieerde antenne-samenstel op het substraat met grote brekingsindex en een aanpassings-samenstel van antennes op de silicium geïntegreerde schakeling wordt ook verschaft door een andere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. In dit geval verschaffen de soldeerverbindingen mechanische in plaats van elektrische onderlinge verbinding van de hybride structuur, waarbij de uniform gecontroleerde hoogte van de soldeer-klont en het inherente zelf-aanpassingskarakter van het proces essentieel zijn voor effectieve capacitieve koppeling. In deze uitvoeringsvorm kunnen de soldeer-verbindingen in elk geschikt punt op het silicium IC oppervlak aangelegd worden en niet noodzakelijk op de antennes. Indium-klontverbinding is niet geschikt voor deze uitvoeringsvorm.

Er zijn twee hoofdverbindingstechnieken die toegepast kunnen worden voor het maken van meervoudige elektrische en mechanische verbindingen tussen de diëlektrische lens of het substraat en de silicium geïntegreerde schakeling, namelijk soldeerverbinding en indium-klont verbinding. De eerste techniek brengt een echt soldeerproces met zich mee, waarin de componenten boven het smeltpunt van het gekozen soldeer gebracht worden om de verbin-dingswerking te beïnvloeden, terwijl de laatste techniek steunt op het vloeien en koud lassen gedrag van op het oppervlak aangebrachte vaste indium-klonten, welke met elkaar verbonden dienen te worden onder toepassing van mechanische druk bij omgevingstemperatuur of enigszins verhoogde temperatuur. Het eerstgenoemde proces vertoont een aantal duidelijke voordelen en is ook verenigbaar met de constructie van een hermetisch afgesloten omhulsel rond de hybride inrichting. De twee verbindingsprocessen worden schematisch getoond in figuren 7 en 8.

Een belangrijke eerste stap in beide verbindingsprocessen is gebruikelijk het maken van een ohms contact met de alluminium ingangscontacten op het silicium IC, en, als dat noodzakelijk mocht zijn, met de antenne metaal-laag op het diëlektrische materiaal. In het eerste geval kan dit verkregen worden door een proces zoals ionbundel of spuitreiniging voor het verwijderen van een 6nm oxidefilm op de alluminium ingangscontacten (doorslagsterkte ongeveer 1 volt), gevolgd door het aanbrengen van de geschikte metaallaag in dezelfde vacuum procesbewerking. Dit metaal wordt gekozen voor het verschaffen van een goede hechting aan het aluminium en ook voor het optreden als een diffusie-barrière, om wisselwerking van volgende lagen (eveneens aange bracht tijdens dezelfde vacuum procesbewerking) met het aluminium te voorkomen. Metalen zoals chroom, titanium of nichroom (een Ni-Cr legering) zijn geschikt voor dit doel. In het indium verbindingsproces wordt deze hecht/ diffusie-barrière-laag onmiddellijk bedekt met een bekleding of klont van indium, met een kenmerkende dikte tussen 1 en 5 micron, terwijl in het sol-deer-verbindingsproces een soldeerbare metaallaag daarna wordt aangebracht (bijv. koper of nikkel), welke dan bedekt wordt met een dunne laag goud. De goudlaag werkt ter voorkoming van aanslag en corrosie van het soldeerbare materiaal na verwijdering uit het vacuum en tijdens volgende bewerkingen.

Als koper toegepast wordt als soldeerbaar metaal, dan is het belangrijk om te verzekeren dat er een legeringsgebied is tussen de barrièrelaag en het koper voor het voorkomen van totale smelting van het koper tijdens het solderen, wat dan zou resulteren in uitdrogen.

In het soldeer verbindingsproces wordt het gekozen soldeer toegepast in een opvolgend aanbrengingsproces op een oppervlak meestal iets groter dan het oppervlak van de soldeerbare metaallaag. Het soldeer kan aangebracht worden door elektro-neerslag, als een continue tijdelijke laag wordt aangebracht over het schijfoppervlak door middel van een geschikt masker, of een thermisch neerslagproces kan gebruikt worden om de soldeerlegering-bestanddelen in volgorde neer te slaan, bijv. elektronenbundel-verdamping gebruik makend van een dik gevoelig wegvloei masker. Na de soldeer-aanbrenging wordt het soldeer meestal weer vloeibaar gemaakt om de bestanddelen in staat te stellen om in het proces een reeks van nauwkeurig bepaalde soldeer-klonten te vormen.

In het indium verbindingsproces wordt de verbinding tot stand gebracht door mechanische uitlijning van de twee componenten en daarna een mecha- 2 nische druk (enkele kg/mm ) aan te brengen bij omgevingstemperatuur of een enigszins verhoogde temperatuur. Indium vervormt gemakkelijk door kruip onder dergelijke omstandigheden, de indiumoxide-film aan het oppervlak wordt verbroken en een echte metaalverbinding wordt gevormd. De toepassing van mechanische druk is mogelijk een ongewenst kenmerk van het proces, maar de vorming van een geluidsverbinding bij lage temperaturen kan een voorbeeld zijn voor sommige toepassingen. Het inherente gebrek aan zeer nauwkeurige component-uitlijning (waarschijnlijk niet beter dan + of - 10 micron) en het relatief lage smeltpunt van indium (156°C), welke dit proces onverenigbaar maakt met hermetische afsluitingstechnieken, zijn echter nadelen in het onderhavige geval.

Het soldeerverbindingsproces biedt aan de andere kant een groot voordeel door het verschaffen van een inherent mechanisme voor de zelf-uitlij- ning van de componenten tijdens het werkelijke soldeerverbindingsproces. De relatief grote oppervlakte-spanning van het gesmolten soldeer doet elke beginnende fout-uitlijning elimineren en produceert aldus een goed-uitgelijnde hybride structuur. Deze zelf-uitlijningswerking wordt afdoende verschaft, goede soldeerbaarheid wordt verzekerd en de massa van de bewegelijke component is niet overmatig. Het tot stand brengen van de verbinding brengt ook geen mechanische druk met zich mee. Soldeer-legeringen kunnen gekozen worden om een voldoend hoog smeltpunt te verschaffen, om lagere temperatuursoldeer te kunnen gebruiken in volgende bewerkingen, welke vereist zijn om een hermetische afdichting rond de opening van het inrichtingsomhulsel te verschaffen. Bijv. kan een 95 gew.% lood, 5 gew.% tin gebruikt worden in de soldeer-klonten (vaste toestand 310°C, vloeibare toestand 314°C), zodat een eutec-tische lood-tin legering (63 gew.% tin - 37 gew.% lood, eutectische temperatuur 183°C) gebruikt kan worden voor soldeer-afdichting van het omhulsel-deksel.

De hierboven met verwijzing naar figuren 4, 5 en 6 beschreven door middel van de flip-chip methode verbonden hybride structuren vereisen elektrische aansluitingen op de silicium-schijf en een ommanteling en bescherming in een hermetisch afgesloten omhulsel, welke geïntegreerd kan worden met de diëlektrische lens. Figuren 9 en 10 tonen twee door de onderhavige uitvinding verschafte basis omhulsel concepten, welke afhankelijk zijn van de thermische vermogensdissipatie van de silicium IC-chip.

De in fig. 9 getoonde omhulsel-structuur heeft betrekking op de flip-chip verbinding van de silicium-chip 2 op het van het grote n materiaal vervaardigde substraat 14. Het substraat 14 bevat het antenne-samenstel 8 en ook onderlinge verbindingsbanen, welke zich vanaf een positie tegenover de IC-chip omtrek waaiervormig uitbreiden naar de substraat-omtrek. Soldeer-klont verbindingen worden aangebracht tussen het antenne-samenstel 8 op het grote n substraat 14 en de bijbehorende ingangscontacten op de IC-chip 2. Langs de silicium-chip omtrek worden ook soldeer-klont verbindingen met sporen 18 op het grote n substraat aangebracht voor het verschaffen van vermogen voor het besturen van de IC-chip 2 en het invoeren van bewerkte signalen. (Op de silicium-chip 2 worden dus geen draadverbindingen aangebracht) . Het substraat met grote n, met zijn volgens de flip-chip methode in positie gebonden (gebruik makend van bijv. tot 95-5 Pb-Sn soldeerlegering, smeltpunt traject 310-314°C) silicium IC-2, wordt dan in een geschikte gemetalliseerde uitsparing in de basis van het omhulsel afgedicht door middel van soldeer. Deze soldeer-afdichting kan het best tot stand gebracht worden met gebruikmaking van een soldeer met lager smeltpunt bijv. een tin-zilver eutectisch soldeer (smeltpunt 221°C, 3,5 gew.% Ag) om verstoring van de soldeer-klont verbindingen te vermijden. Daarna worden draadverbindingen 20 vanaf de onderlinge verbindingssporen op het substraat met grote index naar de inwendige elektrische geleidingssporen van het omhulsel aangebracht, welke van het elektrisch bedrade of draadloze type kunnen zijn. Het omhulsel wordt door het in de getoonde positie met soldeer afdichten van een deksel gecompleteerd, wederom gebruik makend van een soldeer met lager smeltpunt. Plaatselijke verwarming kan vereist zijn om deze uiteindelijke afdichting stand te brengen zonder de substraat-omhulsel afdichting te verbreken. De dikte van het substraat met grote n en de omhulsel uitsparing worden zodanig ontworpen, dat het substraat met grote n uitsteekt uit de omhulsel-basis, zodat het in nauw contact met de rug van de lens 10 met grote brekingsindex gehouden kan worden (minder dan of gelijk aan een 5 micron-spleet). Dit omhulseltype is waarschijnlijk het meest geschikt, daar de silicium IC-chip 2 relatief weinig vermogen dissipeert (minder dan of gelijk aan ongeveer ïg watt), aangezien de enige effectieve thermische baan van de silicium IC-chip 2 via de soldeer-klont verbindingen loopt. De thermische weerstand van een enkele soldeer-klont verbinding (95-5:PbSn), 100 micron in diameter en 75 micron in hoogte, is ongeveer 270°C/watt, en het substraat met grote index, welke het volgende materiaal in de thermische baan is, mag geen grote thermische geleidingscoëfficiënt bezitten.

De in fig. 10 getoonde omhulsel-structuur is, voor wat betreft de uitwerking, het omgekeerde van die in fig. 9, aangezien het betrekking heeft op de flip-chip verbinding van een kleine schijf 14 van het grote n materiaal met de silicium IC-chip 2. In deze structuur bevat de schijf van grote n materiaal weer het antenne-samenstel, maar nu zijn de inrichtings en in- en uitgangsaansluitingen van de silicium-chip 2 conventionele draadverbindingen. Bij de vervaardiging wordt de grote n chip eerst volgens de flip-chip methode verbonden met de silicium-chip door gebruik te maken van 95:5 Pb:Sn soldeer. De resulterende hybride-chip wordt dan in de uitsparing van het omhulsel bevestigd door gebruik te maken van een methode, welke de soldeer-verbindingen niet beïnvloedt (bijv. SLID-verbinding, of epoxy-aanhechting).

De draadverbindingen 20 worden dan aangebracht van de silicium-chip naar de inwendige elektrische geleidingsdraden van het omhulsel. Het omhulsel wordt gecompleteerd door een met soldeer afgedichte grote n omhulsel-deksel 30, met gebruikmaking van een soldeerlegering met een lager smeltpunt. Tijdens deze bewerking wordt het grote n omhulsel-deksel 30, welke een centraal vlak uitsteeksel bezit, tegen het oppervlak van de grote n chip 14 gehouden zodat, na de afdichting van het omhulsel, een zeer kleine spleet tussen de twee componenten met grote n gehandhaafd wordt. Een spleet van maximaal 5 micron is toelaatbaar, mits de grote n chip meer dan ongeveer 200 micron in dikte is, d.w.z. dat de spleet meer dan 200 micron verwijderd is van antenne-samenstel. Deze omhulselstructuur houdt geen rekening met efficiënte warmte-overdracht van de silicium IC-chip 2 en daardoor kan een grotere ver-mogensdissipatie aanvaard worden. In de praktijk kunnen in deze structuur warmte-afvoer inrichtingen eenvoudig bevestigd worden aan de basis van het omhulsel om bij te dragen tot de warmte-dissipatie. In werking wordt het samengestelde omhulsel, met het deksel van grote n materiaal uitstekend, in nauw contact met de achterkant van de grote indexlens 10 gehouden.

Claims (9)

1. Hybride structuur, welke een lens 10, een antenne-samenstel 8 en een geïntegreerde schakeling 2 bevat, met het kenmerk, dat het antenne-samenstel 8 gevormd is op een oppervlak van de lens 10 of op een oppervlak van een substraat 14, welke nagenoeg dezelfde brekingsindex heeft als het materiaal van de lens 10, waarbij middelen 6, 12 verschaft worden voor het verbinden van de lens 10 of het substraat 14 met van tussenruimten voorziene posities op de geïntegreerde schakeling 2.

2. Hybride structuur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het antenne-samenstel 8 gevormd wordt door een foto-etsprocede bepaling van een direct op het grote brekingsindex materiaal, waarvan de lens 10 of het substraat 14 vervaardigd is, aangebrachte metaallaag.

3. Hybride structuur volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verbindingen 6, 12 verschaft worden tussen de antennes van het samenstel 8 en op de halfgeleider microschakeling van de geïntegreerde schakeling 2 gevormde voorafbepaalde verbindingscontactoppervlakken 4.

4. Hybride structuur volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat tenminste één van de verbindingen 6 een elektrische verbinding tussen de antennes van het samenstel 8 en de halfgeleider microschakeling 2 verschaft, en tenminste één van de verbindingen 12 dienst doet als een mechanische ondersteunings-verbinding.

5. Hybride structuur volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat alle ver-verbindingen 12 tussen de antennes van het samenstel 8 en de voorafbepaalde verbindingscontactoppervlakken 4 van de halfgeleider microschakeling een mechanische ondersteuningsfunctie verschaffen, waarbij de antennes van het samenstel 8 en de halfgeleider microschakeling 2 ingericht zijn om capaci-tief gekoppeld te zijn tijdens het in werking zijn.

6. Hybride structuur volgens conclusies 3 tot 5, met het kenmerk, dat de verbindingen 6, 12 vervaardigd zijn met gebruikmaking van een metaal-klont verbindingstechniek.

7. Hybride structuur volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een sol-deer-klont techniek toegepast is.

8. Hybride structuur volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een indium-klont techniek toegepast is.

9. Hybride structuur, welke een lens 10, een antenne-samenstel 8 en een geïntegreerde schakeling 2 bevat, met het kenmerk, dat het antenne-samenstel 8 gevormd is op een substraat materiaal, welke een grotere brekingsindex heeft dan het substraat materiaal, waarin de geïntegreerde schakeling 2 gevormd is.