Elektronikfertigung

Aufregende Zeiten

26.09.2006 | Redakteur: Claudia Mallok

Airbag-Sensor oder Tintenstrahldruckerkopf - Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) und Sensoren, die vor zehn Jahren noch undenkbar waren, sind heute aus dem Alltag nicht mehr...

Airbag-Sensor oder Tintenstrahldruckerkopf – Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) und Sensoren, die vor zehn Jahren noch undenkbar waren, sind heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Während die Medizinelektronik großes Interesse an hochgradig miniaturisierten Sensoren zeigt, nutzt die digitale Bildverarbeitung schon die neuesten Entwicklungen der Mikrosystemtechnik. Ein Blick auf einige wichtige Forschungsgebiete und bahnbrechende Technologien in der Gehäuse- und Verkapselungstechnik, die diese viel versprechenden Anwendungen ihrer Realisierung näher bringen, lohnt sich.Der starke Druck auf die Skalierung der elektronischen Bauelemente hat die Industrie im wahrsten Sinne des Wortes in eine höhere Dimension katapultiert: Stapeln von Dice und anderen Komponenten in der z-Achse erscheint im Programm fast jeder renommierten Forschungseinrichtung. Auch IMEC, das belgische Forschungszentrum für Nanoelektronik und Nanotechnologie hat in den letzten Jahren umfangreiche Arbeiten auf dem Gebiet der dreidimensionalen SIPs (System in a Package) geleistet.• 3D-StapelBeim Ansatz von IMEC setzt sich der Stapel aus individuellen Subsystemen zusammen, wie z.B. Antenne, HF-Frontend, Basisbandverarbeitung, Anwendungs-Hardware, MEMS-Sensoren, Leistungsmanagement und Energieerzeugung. Diese Subsysteme sind stapelbar, was ein hochdichtes 3D-SIP ergibt. Seine Vorteile liegen vor allem da-rin, dass sich jedes Subsystem vor dem endgültigen Zusammenbau in-dividuell und vollständig testen lässt, was die Ausbeute signifikant steigert. Über einige dieser Bauteile, die nach diesem Prinzip entstanden, ist bereits berichtet worden: 5-GHz-WLAN-Transceiver mit Antenne auf dem Gehäuse, umfassende Bluetooth-Schnittstelle (Basisband- und HF-Teil) mit den Abmessungen 7 mm × 7 mm und eine autonome SIP-Sensorplattform einschließlich Antenne mit sehr niedrigem Strombedarf für das 2,4- GHz-Band in nur einem Kubikzentimeter.Das letzte Beispiel nimmt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung eines voll autonomen, drahtlosen und intelligenten Sensors ein. Im Rahmen des Human ++-Programms wurde ein vollständiges BAN (Body Area Network) für die Patientenüberwachung entwickelt (siehe Bild 1a). Das für 2010 erwartete Endergebnis dieses Programms wird eine Antwort auf viele Fragestellungen der Medizinelektronik und Wellness-Industrie geben, die portable und diskrete Monitoring-Systeme verlangen. Als Technologietreiber von Human ++ gelten unter anderem ein integriertes EEG mit 24 Kanälen und ein einkanaliges EKG-Gerät zum körpernahen Einsatz.Kommunikations- und DSP-Funktionen auf 1 cm3Derzeit enthält das nur einen Kubikzentimeter große SIP die DSP- und Kommunikationsfunktionen, die mit den notwendigen Analogschaltungen zur Signalvorverarbeitung auf einer Platine montiert sind. Letztere nehmen mehr als 80% der Montagefläche ein und erfordern damit das Volumen etwa einer Zigarettenschachtel (Bild 1b). Dies wird sich entscheidend ändern, wenn es gelingt, diese 80% in einen Chip, kleiner als ein Fingernagel, zu integrieren.• Die-StapelBis dahin ist aber noch ein weiter Weg, auf dem noch einige Stolpersteine zu überwinden sind. So nehmen derzeitige 3D-Stapel Volumina von einem oder wenigen Kubikzentimetern ein und sind aus marktverfügbaren Standardkomponenten aufgebaut. Für die Weiterentwicklung miniaturisierter Bauteile spielen neuartige Verbindungstechnologien, welche die Stapelung von mehreren Chips und Integration neuerer Technologien verbessern, eine Schlüsselrolle.So können massiv parallele, hybride Integrationsverfahren, die Wafer-Durchkontaktierungen und Lot-Bumps nutzen, eine Assemblierung mit hoher Ausbeute erlauben. Solder Bumps verbinden bereits Megapixel-Bildsensoren mit ihrer Ausleseschaltung auf einem ASIC (Bild 2). Diese erfordern, wie auch die Bildaufnehmer in Druckern oder Anzeigen, lokale Verbindungen zwischen jedem Sensorbildpunkt und seiner Auswerteschaltung, was die Nachfrage nach hochdichter zweidimensionaler Integration fördert. IMEC hat erfolgreiche Resultate für Arrays mit einem 10-µm-Raster vor-gestellt. Bumps lassen sich einfach durch Elektroplattierung oder Aufdampfen auf eine oder beide Seiten des Substrats erzeugen. Da es dabei auf gute Planparallelität ankommt, sind Verbindungsausbeuten von bis zu 99,5% anzustreben.Für eine weitere Miniaturisierung auf Systemebene sind neuartige Methoden für die Verflachung, Hantierung und Ablage von Dice in Dünnfilm-Plattformen entwickelt worden. Die Verflachung des Die gelingt bis herab zu 10 µm ohne Beeinträchtigung ihrer Funktionalität. Darüber hinaus lassen sich diese flachen Dice in den Dünnfilmprozess einbetten; durch weitere Verbindungen auf Wafer-Ebene erübrigen sich Kontakte über Flip-Chip oder Drahtbonden.Noch kleinere Bauteile lassen sich erzielen, wenn MEMS-Komponenten direkt auf ihre ASICs gearbeitet werden. Als Strukturmaterial für MEMS ist Poly-SiGe besonders geeignet. So entstand bei IMEC im Rahmen eines europäischen Researchprojekts ein Poly-SiGe-Gyroskop auf einer standardmäßigen CMOS-Schaltung mit fünf Metallisierungsebenen, das zur ISSCC-Konferenz im Februar dieses Jahres in San Franzisco (Bild 3) der Fachwelt vorgestellt wurde. Darüber hinaus eignet sich dieses Material auch für Dünnfilm-Kapselungen.• MEMS-PackagingMEMS-Komponenten sind für autonome 3D-Sensor-Knoten unentbehrlich. Da MEMS nach ihrer Fertigung besonders empfindlich gegen-über Beschädigungen und mit vielen herkömmlichen Packaging-Prozessen nicht kompatibel sind, beginnt ein typisches MEMS-Packaging beim Level 0. Einfache Wafer-auf-Wafer- und Die-auf-Wafer-Assemblierungstechniken mit BCB-Versiegelung haben sich hierfür als nützliche und zuverlässige Möglichkeit in verschiedenen Situationen erwiesen. (BCB ist eine Alternative zur Lötverbindung, um das IC-Gehäuse mit dem MEMS zu verbinden.)Dabei ist die Versiegelung mit Polymeren tolerant gegenüber der Topologie, leicht zu gestalten und bei niedrigen Temperaturen zu verarbeiten - mittlerweile auch kompatibel zu höheren - und mehr als ausreichend robust gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen. Allerdings liefern Polymere nur semi-hermetische Versiegelungen: Das garantiert eine Feuchtigkeitssperre und wirksamen Schutz vor aggressiven Assemblierungsschritten, sowie einen Feuchtigkeitsschutz für die MEMS im Rahmen der Device-Lifetime. Die Herstellung von hermetisch dichten Kammern ist aufwändig Für vollkommen hermetisch dichte Kammern sind Versiegelungen auf der Basis von Zinn oder Indium (Bild 4) die beste Wahl. Allerdings erfordern diese Lösungen einen komplexeren Prozessablauf, etwa durch Metallisierung des MEMS vor dem Verlöten. Das Ergebnis rechtfertigt aber den Aufwand. Mit der Indent-Reflow-Versiegelung ist es möglich, den Inhalt der Kammer in einem Level-0-Einbau in Bezug auf internen Druck und Gasfüllung zu steuern. Auf lange Sicht gesehen wird es für spezielle Anwendungen allerdings notwendig sein, das heikle Problem des Entgasens in den Griff zu bekommen und u.U. Gettermaterial zu verwenden. Mit diesen Techniken lassen sich Kapselungen mit einer Stärke bis zu 50 µm montieren. Um die Querabmessungen gering zu halten, können auch Dünnfilm-Abdeckungen aufgebracht werden - allerdings auf Kosten eines komplexeren Prozesses und mehr bauteil-spezifischen Prozessschritten.• ZusammenfassungVollautomatische Monitoring-Systeme von der Größe eines Kubikzentimeters stehen dicht vor ihrer Realisierung. Wenn moderne Technologien, wie Wafer-Verflachung, MEMS-Verarbeitung und Gehäuseeinbau einmal optimiert sind, dürften weitere miniaturisierte Bauteile realisierbar sein. Und in nicht zu ferner Zukunft werden faszinierende Anwendungen, die unsere Lebensqualität verbessern, auf dem Markt kommen.

Koen Snoeckx, Kris Baert, Chris Van Hoof und Eric Beyne

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