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Einblick in Hybride

Aufbau und Herstellung von Multichip-Dünnschicht-Modulen
Einblick in Hybride

In der Hybridtechnik haben sich zwei Verfahren zum Herstellen von Schaltungen bewährt: die Dick- und die Dünnschicht-Technik. Wie solche Schaltungen in Dünnschicht-Technik aufgebaut werden, welche Arbeitsschritte notwendig sind und welche Eigenschaften sie aufweisen, beschreibt der vorliegende Artikel.

Peter Schneider, Quintenz, Neuried

Die Basis einer Hybridschaltung ist das Trägersubstrat, auf das die Leiterbahnen und die Bauelemente aufgebracht werden. Bei der Dünnschicht-Technik werden Leiterbahnen und Ohmsche Widerstände aus je einer im Sputter-Verfahren aufgebrachten Metallschicht herausgearbeitet, weitere passive und aktive Bauelemente und andere Verbindungen werden in den nächsten Fertigungsschritten aufgebracht. Die Qualität der zukünftigen Schaltung hängt weitgehend von der Qualität des Basismaterials ab, deshalb muss der Auswahl des geeigneten Substratmaterials entsprechende Beachtung geschenkt werden.
Basismaterial
Für Dünnschicht-Schaltungen verwendet man als Basismaterial je nach Verwendungszweck der Schaltung Glas, Keramik, polierte Keramik, Quarz oder in seltenen Fällen auch Saphir. Die weitaus größte Anwendung findet das Keramik-Material 996, bei der es sich um Aluminiumoxid Al2O3 mit einer Reinheit von 99,6 % handelt. Handelsüblich sind Substratgrößen von 2 x 2, 3 x 3 und 4 x 4 Zoll² bei einer Dicke von 0,25 und 0,64 mm. Die Materialdichte beträgt 3,9 g/cm³, die Dielektrizitätskonstante liegt bei 10,4 für 1 MHz, der spezifische Widerstand bei 1015 W/cm. Die elektrische Belastbarkeit wird mit 0,5 W/cm² angegeben, der Ausdehnungskoeffizient beträgt 6,4 x 10-6/K. Für den Beschichtungsprozess und die Haftfähigkeit der aufgebrachten Metallschichten ist eine Oberflächenrauheit des Materials von 3 mm, eine Oberflächenhärte von 81 N (Rockwell) und eine Korngröße von 1,5 mm von entscheidender Wichtigkeit.
Diese Angaben geben Aufschluss über die Qualität des in Dünnschicht-Technik verwendeten Basismaterials, wobei auch die geringe Absorptionsfähigkeit für flüssige Stoffe, die zur Langzeitstabilität des Materials und somit der gesamten Schaltung beiträgt, eine Rolle spielt. Die Anforderungen an die Widerstandsschicht sind unter anderem eine gute Haftfähigkeit und ein definierter Flächenwiderstand, bei der leitenden Schicht kommt es auf die Haftfähigkeit, die Leitfähigkeit, eine glatte Oberfläche, gute Löt- und/oder Bondbarkeit an. Korrosionsbeständigkeit sowie gute selektive Ätzbarkeit werden ebenfalls erwartet.
Sputter-Verfahren
Das Sputter-Verfahren wird in einer glockenförmigen Prozesskammer unter einem Hochvakuum (10-7 bis 10-5 mbar) durchgeführt, wobei das zu beschichtende Substrat in einigem Abstand über dem verdampfenden Material, dem sogenannten Target, positioniert ist. Nach dem Erreichen des Hochvakuums findet der Sputter-Prozess in einer inerten Gasatmosphäre, meist Argon, unter niedrigem Druck statt. Durch das Anlegen einer Gleichspannung von 1000 bis 5000 V zwischen Anode und Kathode wird eine Glimmentladung zwischen beiden Polen hervorgerufen. Das Substrat ist auf der Anode oder in der Region der Glimmentladung angeordnet, das verdampfende Material bildet die Kathode. Sobald die Ionisation eintritt, werden die positiv geladenen Argon-Ionen zur negativ geladenen Kathode hin beschleunigt. Die Ionen bombardieren das Kathodenmaterial mit hoher Energie, wodurch Moleküle aus der Kathode herausgeschlagen werden. Dieser Vorgang wird sputtern genannt. Einige der herausgeschlagenen Moleküle werden von dem Substrat aufgefangen und bilden eine homogene und uniforme Schicht auf dessen Oberfläche.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber anderen Methoden ist die hohe Haftfähigkeit der aufgetragenen Schicht. Der Aufbau des Schichtsystems erfolgt ganzflächig in Sandwich-Bauweise und beginnt mit dem Aufbringen der Widerstandsschicht. Je nach gefordertem Flächenwiderstand und anderen Eigenschaften, handelt es sich um eine NiCr- oder eine Ta2N-Schicht.
Die Widerstandsschicht sorgt auch für eine gute Adhäsion, wobei sich deren Dicke nach dem gewünschten Flächenwiderstand in W/Quadrat richtet und etwa 0,02 mm beträgt. Auf die folgende Diffusionssperre schließt sich eine Goldschicht an, aus der die künftigen Leiterbahnenstrukturen erzeugt werden.
Beidseitige Beschichtung
Ein Substrat kann auch beidseitig beschichtet und strukturiert werden, wobei die Beschichtung der Rückseite vor allem den elektrischen Schaltungseigenschaften bei HF-Anwendungen dient. Durchkontaktierungen sind ebenfalls möglich. Das Mehrlagen-Verfahren ist zwar auch für die Dünnschicht-Technik geeignet, wird aber nur in Ausnahmefällen angewendet. Mit einer NiCr-Legierung lassen sich Flächenwiderstände von etwa 80 bis 600 W/Quadrat realisieren, der Temperaturkoeffizient (TK) ist dabei 20 ppm/°C im Temperaturbereich von -50 bis +125 °C.
NiCr-Schichten sollten nicht ungeschützt verwendet werden. Bei Ta2N-Schichten sind 30 bis 120 W/Quadrat üblich. Der TK liegt hier bei etwa 1 bis 70 ppm/°C. Die Schicht ist selbstpassivierend und daher, im Gegensatz zu NiCr-Lagen, unempfindlich gegen äußere Einflüsse.
In der Regel werden NiCr-Schichten etwa 2 h und Ta2N-Schichten etwa 20 h bei 300 °C vorgealtert. Die Diffusionssperre besteht aus einer wenige Ångström dicken TiPd-Schicht und verhindert die Migration zwischen Gold- und Widerstandsschicht.
Als Alternative zu TiPd ist auch der Einsatz von TiW möglich. Die leitenden Schicht wird durch gesputtertes Gold mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 mm gebildet, wobei eine Dicke von 0,2 mm für Lötverbindungen ausreicht, für zuverlässige Wirebond-Anschlüsse sind 0,5 mm zu empfehlen. Falls höhere Ströme in der Schaltung zu erwarten sind, oder wenn HF-Eigenschaften es erfordern, wird die Gold-Schicht selektiv galvanisch auf bis zu 10 mm verstärkt.
Widerstände und Leiterbahnen
Die Strukturen der Widerstands- und Leiterbahnen auf dem Substrat erhält man auf fotolithographischem Weg. Ausgang des Prozesses ist ein Fotomaskensatz mit den gewünschten geometrischen Mustern, die durch das Erstellen eines entspechenden Layouts gefertigt werden. Dieser Satz besteht in der Regel aus zwei einzelnen Masken, wobei die K-Maske für das substraktive Verfahren die künftigen Leiterbahnen und die R+K-Maske sowohl die Widerstands- als auch die Leiterbahnen aufzeigt. Die immer enger werdenden Linienbreiten in der Dünnschicht-Technik und auch die geometrische Genauigkeit für beispielsweise HF-Strukturen, erfordern teilweise ein Verwenden von Chrom-Masken, wie sie auch in der Halbleiterfertigung üblich sind. Der Ätzprozess kann so genau gesteuert werden, dass die Toleranz der Linienbreite und der Kantenschärfe von Schaltung zu Schaltung sehr gering gehalten werden kann. Das ist einer der Gründe, weswegen die Dünnschicht-Technik besonders für HF-Anwendun-gen einen hohen Stellenwert erreicht hat. Gleiche Eigenschaften aller Widerstände einer Schaltung hinsichtlich des Temperatur-Koeffizienten und der Langzeitstabilität ergeben sich aus deren Entstehung aus derselben Metallschicht. Für benachbarte Widerstände liegt das Tracking bei 2 ppm/°C über den Temperaturbereich von -55 bis +125 °C. Die Langzeitstablität aller monolithischen Widerstände ist 0,15 % bei 125 °C über 10 000 h. Absolute und relative Widerstandswerte lassen sich durch Laser-Trimmen statisch oder dynamisch abgleichen, wodurch Funktionsparameter dauerhaft eingestellt werden können. Widerstandswerte von einigen 10 W bis zu einigen 100 kW, auch außerhalb der Normreihe, sind hierbei möglich. Bei höheren Widerstandswerten ist der Einsatz von Dünnschicht-Chipwiderständen zu empfehlen, die ein Eigenrauschen -35 db aufweisen. Die Kantenlänge dieser Bauteile beträgt 0,5 bis 1 mm für Werte bis zu 1,5 MW.
Die Schwierigkeiten bei Kondensatoren liegen in deren Baugröße, wobei ein günstiges Verhältnis von Volumen und Form zur Kapazität sowie enge Toleranzen und gute thermische Eigenschaften verlangt werden. Kondensatoren werden mit Silber-Leitkleber an den Kontaktstellen befestigt und leitend verbunden. In einigen Fällen in der HF-Technik werden auch Kapazitäten als integrierte Bauelemente in Dünnschicht realisiert, ebenso kann man auch Induktivitäten monolithisch aus der leitenden Schicht herausarbeiten.
Halbleiter
Die aktiven Halbleiter-Bauelemente wie Dioden, Transistoren, ICs, ASICs und ähnliche, werden als ungehäuste Bauelemente (Dies) verarbeitet, die das Miniaturisieren der Schaltung ermöglichen. Die offenen Bauelemente werden auf Wafer geklebt (Chip-on-Foil) oder in Chip-Trays angeliefert und mit leitendem Epoxy auf dem Substrat befestigt. Dann schließt sich das Herstellen der Drahtbond-Verbindungen zwischen den Chips und dem Rest der Schaltung an.
Bei dieser Chip-and-Wire-Technik handelt es sich um ein Mikro-Schweißverfahren, bei dem durch Einbringen von Druck und Wärme ein enger Kontakt zwischen den Bonddrähten und den Anschlußflächen der Bauelemente hergestellt wird. Atomare Bindungskräfte sorgen für eine homogene und unlösbare Verbindung. Dabei unterscheidet man je nach der Art der Energiezufuhr und der Verformung der Drahtenden während des Schweißvorgangs zwischen verschiedenen Bond-Verfahren.
Ultraschall-Drahtbonder
So verbindet das Ultraschall-Drahtbonden die Kontaktflächen unter Einwirken von mechanischen Schwingungen unter Druck. Beim Ball-Wedge-Bonden werden je ein Ende des Bonddrahtes kugelförmig und keilförmig verformt. Beim Bonden darf auf keinen Fall der Schmelzpunkt des Materials erreicht werden. Beim Feindraht-Bonden erfordert der Umgang mit den 10 bis 25 mm dünnen Gold- oder Aluminium-Drähten einige Erfahrung, um die zu verbindenden Bauelemente nicht zu beschädigen, weil rein rechnerisch bei einer Fehlerquote von 1 % und 100 Bonds pro Schaltung nicht eine Schaltung funktionsfähig wäre. Deshalb werden automatische Bonder mit automatischer Positionserkennung eingesetzt, die die Fehlerquote relativ klein halten. Je nach Testvorschrift und Wünschen des Anwenders erfolgt der Test des noch nicht verschlossenen Hybrids, wobei die visuelle Inspektion gleichzeitig mit dem Prüfen der mechanischen Festigkeit der Bondverbindungen durchgeführt werden kann. Auf diesen Arbeitsschritt folgt das Prüfen der Funktion und ein eventuell nötiger dynamischer Laser-Abgleich.
Mechanischer Schutz
Um die Schaltung vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen zu schützen, muss sie abgedeckt oder in einem Gehäuse untergebracht werden. Dabei dürfen die Schutzmaßnahmen die elektrischen Eigenschaften und das Langzeitverhalten der Schaltung nicht negativ beeinflussen. Den einfachsten Schutz bieten Epoxid- oder Polyurethan-Gießharze sowie Silikone; Tauchumhüllungen und Abdecklacke werden für Konsumer-Produkte in Dickschicht-Technik verwendet. Jedoch bietet ein unter Schutzgas hermetisch verschlossenes Metallgehäuse den besten Schutz. Dabei verwendet man Stickstoff mit 5 % Helium, mit dem die Lecksuche bei der Endprüfung des Hybrids ermöglicht wird. Je nach Form des Gehäuses geschieht das Verschließen durch das Rollnaht- oder das Buckelschweißen. Metallgehäuse schützen die Schaltung nicht nur vor mechanischen und atmosphärischen Beeinflussungen, sondern auch weitgehend gegen elektromagnetische Ein- und Abstrahlungen.
Hybrid contra ASIC
ASICs und Standard-ICs lassen sich auf demselben Substrat zu komplexen Hybriden zusammenfassen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um digitale oder analoge Bausteine handelt. Jede denkbare Kombination, wie auch mehrere ASICs in einem Hybrid, ist möglich. Auch einfache Dioden und Transistoren sowie Spannungsregler und dergleichen lassen sich in einem Modul zusammenfassen.
Weil man bei einseitiger Beschaltung von 200 Bauteilen pro Quadratzoll ausgehen kann, erlauben die schmalen Strukturen, die sich mit der Dünnschichttechnik realisieren lassen, einen Schaltungsaufbau mit hoher Packungs- und Funktionsdichte. Die daraus resultierenden kurzen Leitungsführungen und Bond-Verbindungen ergeben geringe Streukapazitäten und -induktivitäten. Wegen der elektrischen Eigenschaften der monolithischen Dünnschicht-Widerstände lassen sich analoge Schaltungen auch für hohe Ansprüche realisieren, auch die geringen mechanischen Toleranzen der Strukturen kommt der HF-Technik entgegen. Korrekturen des Layouts bei Änderungen oder Erweiterungen der Schaltung, Umstellung in der Produktion oder beim Einsatz anderer Bauelemente, sind kurzfristig möglich.
EMV-Anforderungen
Ein verschlossenes Metallgehäuse kommt den EMV-Forderungen entgegen und bietet weitgehenden Kopierschutz. Bei kleinen und mittleren Stückzahlen bewegt sich auch der Preis der einzelnen Schaltung in vergleichbaren Größen. Die Gründe für die Zuverlässigkeit von Dünnschicht-Hybriden sind vielfältig. Beispielsweise werden alle internen Verbindungen zwischen Leiterbahnen und Widerständen im Vakuum hergestellt, durch den Verzicht auf Lötstellen ist der Hybrid bleifrei. Die integrierten Widerstände und die Leiterbahnen befinden sich im Gegensatz zur Mehrlagen-Technik auf einer Ebene, sodass sich die Schaltung optisch leicht prüfen lässt und eventuelle Fehler rechtzeitig erkannt und behoben werden können. Die Mikro-Schweißverbindungen können im Gegensatz zu Lötstellen einzeln durch senkrechte und parallele Pull-Tests auf ihre mechanische Festigkeit geprüft werden, wobei mögliche Schwachstellen, die im späteren Betrieb zu Fehlern führen können, erkannt werden. Das Verwenden von offenen Halbleitern erübrigt die Verbindung vom Die zum Leadframe und erhöht somit die Betriebssicherheit der Schaltung. Durch die genannten Tests liegt die im Betrieb auftretende Fehlerrate jenseits der Grenze bei 10-5 bis 10-4. Aus der Telekommunikation liegen Erfahrungen vor, wonach bei 10000000 Hybriden nicht einer wegen defekter Bondverbindungen ausgefallen ist.
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