System in Package

Jüngste Fortschritte in der Systemintegration und dem Packaging für MEMS

14.04.2005 | Autor / Redakteur: Koen Snoeckx, Kris Baert, Chris Van Hoof und Eric Beyne* / Claudia Mallok

Integrierte 3D-System-in-Package-Sensor-Plattform (unten rechts auf der Leiterplatte) in einem EEG/ECG-Modul
Integrierte 3D-System-in-Package-Sensor-Plattform (unten rechts auf der Leiterplatte) in einem EEG/ECG-Modul

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.

Der starke Druck auf die Skalierung der elektronischen Bauelemente hat die Industrie im wahrsten Sinn 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-Stapel

Beim 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 darin, dass sich jedes Sub-system vor dem endgültigen Zusammenbau individuell 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 x 7 mm und eine autonome SIP-Sensorplattform einschließlich Antenne mit sehr niedrigem Strombedarf für das 2,4 GHz-Band in nur einem Kubikzentimeter.

Dieses letzte Beispiel nimmt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung eines voll autonomen, drahtlosen und intelligenten Sensors ein. Im Rahmen des Human++-Programms ist ein vollständiges BAN (Body Area Network) für die Patientenüberwachung entwickelt worden.

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 cm3

Bild 1: IMEC-Gehäusekonzept für autonome, intelligente Sensorknoten
Bild 1: IMEC-Gehäusekonzept für autonome, intelligente Sensorknoten

Derzeit 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 1). Dies wird sich entscheidend ändern, wenn es gelingt, diese 80% in einen Chip, kleiner als ein Fingernagel, zu integrieren.

Die-Stapel

Bis 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.

Bild 2: Mpixel CMOS-Bildsensor mit Lot-Bumps, geeignet für eine parallele High-Density Integration mit Lötpunkten im 10µm-Raster
Bild 2: Mpixel CMOS-Bildsensor mit Lot-Bumps, geeignet für eine parallele High-Density Integration mit Lötpunkten im 10µm-Raster

So können massiv parallele, hybride Integrationsverfahren, die Wafer-Durchkontaktierungen und Lot-Bumps nutzen, eine Assemblierung mit hoher Ausbeute erlauben. Solder Bumps dienen bereits der Verbindung von 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 Integ-ration fördert.

IMEC demonstrierte erfolgreiche Resultate für Arrays mit einem 10 µm-Raster. Bumps lassen sich einfach durch Elektroplattierung oder Aufdampfen auf eine oder beide Seiten des Substrats erzeugen. Da es dabei auf gute Planparallelität an-kommt, 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 von Dice 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 werden Kontakte über Flip Chip oder Drahtbonden überflüssig.

Bild 2: Mpixel CMOS-Bildsensor mit Lot-Bumps, geeignet für eine parallele High-Density Integration mit Lötpunkten im 10µm-Raster
Bild 2: Mpixel CMOS-Bildsensor mit Lot-Bumps, geeignet für eine parallele High-Density Integration mit Lötpunkten im 10µm-Raster

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 Research-Projekts ein Poly-SiGe-Gyroskop auf einer standardmä-ßigen CMOS-Schaltung mit fünf Metallisierungsebenen, das zur ISSCC-Konferenz im Februar dieses Jahres in San Francisco (Bild 2) der Fachwelt vorgestellt wurde. Darüber hinaus eignet sich dieses Material auch für Dünnfilm-Kapselungen.

MEMS-Packaging

MEMS-Komponenten sind für autonome 3D-Sensor-Knoten unentbehrlich. Da MEMS nach ihrer Fertigung besonders emp-findlich gegenüber Beschädi-gungen 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 Lötverbingung, 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 ausrei-chend robust gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen. Allerdings liefern Polymere nur semihermetische 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

Bild 3: Poly-SiGe-MEMS-Gyroskop bei IMEC in einem normalen 5-Level-CMOS-Prozess gefertigt
Bild 3: Poly-SiGe-MEMS-Gyroskop bei IMEC in einem normalen 5-Level-CMOS-Prozess gefertigt

Für vollkommen hermetisch dichte Kammern sind Versiegelungen auf der Basis von Zinn oder Indium (Bild 3) die beste Wahl, auch wenn sie einen komplexeren Prozessablauf, etwa durch Metallisierung des MEMS vor dem Verlöten, erfordern. 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.

Bild 4: Hermetisch dichte Metallverkapselung, hergestellt in der „Indent Reflow“-Verkapselungstechnik
Bild 4: Hermetisch dichte Metallverkapselung, hergestellt in der „Indent Reflow“-Verkapselungstechnik

Auf lange Sicht gesehen wird es für spezielle Anwendungen allerdings notwendig sein, das heikle Problem des Entgasens in den Griff zu bekommen und unter Umständen den Einsatz von Gettermaterial in Betracht zu ziehen. Mit diesen Techniken lassen sich Kapselungen mit einer Stärke bis herab zu 50 µm montieren. Um die Querabmessungen gering zu halten, können auch Dünnfilm-Abdeckungen aufgebracht werden, allerdings auf Kosten eines komplexeren Prozesses und mehr bauteilspezifischen Prozessschritten.

Zusammenfassung

Vollautomatische 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 immer öfter präsentiert werden. Und in nicht zu ferner Zukunft werden faszinierende Anwendungen, die unsere Lebensqualität verbessern, auf dem Markt kommen.

*Koen Snoeckx ist wissenschaftlicher Redakteur bei IMEC in Belgien, Kris Baert Ist stellvertretender Direktor des Integrated Systems Departments bei IMEC, Chris Van Hoof steht der Abteilung Integrated Systems von IMEC vor, während Eric Beyne als Programmdirektor bei IMEC für Packaging verantwortlich ist.

 

MEMS: Miko-Elektro Mechanische Systeme

 

System in Package

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 208174 / Mikro-/Nanotechnologie)