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Mikrosensorik in XXS-Dimensionen

Mikromechanische Sensoren und ASIC in einem Minigehäuse integriert
Mikrosensorik in XXS-Dimensionen

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Noch kleinere Gehäuse, kleinere Chips, kleinere Strukturen – es ist kein Ende in Sicht. Denn immer mehr Funktionalitäten sollen in Mikrosystemen integriert werden, jedoch ist vor allem in mobilen Anwendungen ihre Baugröße begrenzt. Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie entwickelt derzeit eine revolutionäre Aufbautechnik zur Integration von mikromechanischen Sensoren und einer integrierten Ansteuerungsschaltung (ASIC) für weniger als 1 mm Bauteilhöhe.

Wolfgang Reinert und Norman Marenco, Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT, Itzehoe

Die Entwicklung von Mikrosystemen mit einer extrem hohen Packaging-Dichte steht im Mittelpunkt des von der EU über eine Laufzeit von drei Jahren geförderten Projekts DAVID (Downscaled Assembly of Vertically Interconnected Devices). Das Ziel ist die hybride Integration von mikromechanischen Komponenten und ASICs in einem kleinen Gehäuse. Erreicht werden soll dies einmal durch das Shrinken (Verkleinern) der lithografisch hergestellten MEMS-Strukturen und vor allem mit Hilfe einer kompakten Aufbau- und Verbindungstechnologie. Die damit einhergehenden kurzen Signalverbindungen sorgen dafür, dass sich parasitäre Effekte reduzieren lassen und die Produktqualität signifikant verbessern lässt. Die DAVID-Technologie ist deshalb für kapazitive Mikrosensoren oder Hochfrequenzanwendungen besonders interessant.
Das EU-Projekt soll die Machbarkeit einzelner Schlüsseltechnologien und die Integration in einem Testchip (Demonstrator) beweisen. Es umfasst folgende Aufgaben:
  • Vertikale Verbindungstechnik mittels nachträglicher CMOS-Durchkontaktierungen
  • Handling, Bestücken und Bonden der mikromechanischen Komponenten auf CMOS-Waferebene
  • Versiegelung der Komponenten unter Vakuum; Aufbringen von feinstrukturierten Getterschichten, um den Gasdruck in der Kavität einzustellen
  • Molding und Belotung auf Waferebene zur Fertigung eines Chipscale MEMS-SiP (System-in-Package)
  • Überwachung der Designphase und ständige Überprüfung der Materialauswahl. Beispielsweise lassen sich durch die Messung der mechanischen Spannungen im Gehäuse und deren Vergleich mit FEM-Simulationen kritische Aspekte wie Drift und Signalverschiebungen untersuchen.
Zum Projektkonsortium zählt das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe neben STMicroelectronics aus Italien, Datacon Technology (Österreich), FICO BV (Niederlande), SAES Getters (Italien) und der Technischen Universität Breslau (Polen).
Das Forscher-Team „Advanced Packaging“ am Fraunhofer-Institut will den Platzbedarf herkömmlicher Mikrosensorsysteme auf rund ein Viertel gegenüber heutigen Komponenten reduzieren. Ein solches System besteht aus einem ASIC, der die komplette Messwertauswertung übernimmt, und beispielsweise zwei mikromechanischen Sensoren – einem Drehraten- und einem Beschleunigungssensor (Bild 1). Der Drehratensensor wird in Resonanz betrieben und arbeitet nur in einer definierten Vakuumatmosphäre. Da in den meisten Applikationen die Bewegung im Raum verfolgt werden soll, müssen alle drei Dimensionen des Drehratensensors integriert werden. Das lässt sich nur durch eine hohe Packungsdichte erreichen. Das bislang realisierte einachsige Sensorsystem mit Sensor und Auswerteelektronik in einem Keramik- oder Plastikgehäuse mit Deckel, separat oder bereits in einem Package vergossen (Bild 2), muss dreimal verbaut werden um alle Richtungen abzudecken. Die Verwendung von mehreren diskreten Modulen erfordert ein höheres Bauvolumen und aufwendige Kalibrier- und Justageschritte, die in hochvolumigen Anwendungen wirtschaftlich nicht akzeptabel sind. Ein Aspekt des DAVID-Projekts ist die kostengünstige Herstellung des Mikrosystems, um so die Voraussetzungen für eine spätere Serienfertigung zu schaffen. Deshalb geschieht der Aufbau und die Verbindung von mehreren Komponenten gleichzeitig auf Waferebene (Wafer Level Packaging). Es bieten sich die beiden Bonding-Verfahren Wafer-to-Wafer und Chip-to-Wafer an. Als Substrat dient der ASIC-Wafer, auf den die Sensoren entweder in Form eines kompletten Wafers oder als einzelne Bauteile gestapelt werden (Bild 3). Bei der Chip-to-Wafer-Methode lassen sich beispielsweise die ASICs kostenoptimiert auf 300 mm großen Scheiben und die MEMS auf 6- oder 8-Zoll-Wafern herstellen. Wichtig ist nur, dass die Kontaktierungsrahmen der bereits vorgetesteten ASICs und der Sensoren gleich groß sind.
Die Verbindung zwischen ASIC und MEMS erfolgt in zwei Schritten: Alle MEMS werden mit einem Hochleistungs-Flip-Chip-Bestücker auf den ASIC-Wafer gebracht und vorfixiert. Anschließend wird unter mechanischem Anpressdruck in einer Vakuumkammer die endgültige hermetische Versiegelung geschaffen (Bild 4). Zwischen den Kontaktflächen entsteht eine Kavität (Hohlraum), in der das mikromechanische Bauteil frei schwingen kann.
Um die Mikrosensoren mit der Leiterplatte zu verbinden, muss das elektrische Signal von der Vorderseite zur Rückseite der Siliziumscheibe geleitet werden. Dazu sind Kontaktierungen durch den ASIC-Chip notwendig. Auf der Rückseite erfolgt eine Umverdrahtung, so dass alle, normalerweise am Außenrand angeordneten Kontakte flächig zur Verfügung stehen. Die Durchkontaktierungen werden durch den immerhin noch 300 µm dicken Wafer geätzt. In diesen winzigen Löchern erfolgt dann die Abscheidung einer Isolierschicht und einer Metallschicht. Da der ASIC-Wafer mit den CMOS-Schaltungen bereits komplett prozessiert ist, dürfen die Verfahrenstemperaturen nicht über 400 °C liegen. Weil der Drehratensensor eine exakt definierte Vakuumatmosphäre innerhalb des Mikrosensorgehäuses benötigt, muss die 8 bis 15 µm hohe Kavität so eingestellt werden, dass sie homogen und leckdicht ist. Zum Messen der geringen Leckrate, die im Bereich von 10–16 mbar x l/s liegt, wurde vom Fraunhofer-Institut ein spezieller Neon-Ultra-Fein-Lecktest entwickelt. Die Leckrate bestimmt im Wesentlichen die Lebensdauer der Komponente. Bei nachlassender Vakuumqualität funktionieren zwar ASIC und Sensor im Prinzip noch, aber der Resonator wird zu stark gedämpft. Im DAVID-Projekt sollen die Anforderungen des Consumermarktes erfüllt werden. Die Forscher haben sich als langfristiges Ziel eine Bauteillebensdauer von mindestens 15 Jahren gesetzt, womit dann auch Automotive-Spezifikationen erfüllt werden.
Für eine zusätzliche Stabilisierung der Vakuumatmosphäre sorgt ein physikalisch in die Kavität aufgebrachter Dünnschicht-Getter, der zur Erhöhung seiner Effektivität kolumnar strukturiert ist. Der breitbandig arbeitende Getter bindet neben Wasser auch aktive Luftbestandteile wie Wasserstoff und Sauerstoff. Er besteht aus einer elektrisch leitfähigen Zirkonium-basierten Legierung. Es können daher Wechselwirkungen zwischen der aktiven ASIC-Oberfläche und der strukturierten Getterschicht auftreten.
Der am Fraunhofer-Institut gefertigte Demonstrator, bestehend aus ASIC und sub-mikrometer strukturierten MEMS, wird inklusive Lotkugeln eine Höhe von nur 1 mm aufweisen (Bild 5). Mit diesen Abmessungen eröffnet sich für die mikromechanischen Sensoren eine schier unvorstellbare Bandbreite an neuen Anwendungen, bei denen es vor allem auf die Platzeinsparung ankommt. Im Vordergrund stehen mobile Geräte, beispielsweise bewegungsempfindliche Mobiltelefone, Sprachaufnahmegeräte und Uhren. Ein weiterer Einsatzbereich sind Fußgänger-Navigationssysteme oder Rollstuhl-Stabilisatoren mit einer dreidimensionalen Messwerterfassung. Auch Monitoring-Systeme für Patienten können dank des Sensorsystems mit zusätzlicher Intelligenz ausgestattet werden. Es lässt sich sogar unterscheiden, ob die tragende Person sich schlafen gelegt hat oder z. B. nach einem Schwächeanfall gestürzt ist. Ein Beispiel für eine Automotive-Applikation ist das Nachführen eines Antennen-Arrays im Fahrzeug für die sichere Satellitenkommunikation. Damit ist die Richtcharakteristik des Phasen-Arrays elektronisch und nicht mechanisch veränderbar. Konsumenten-Anwendungen sind unter anderem die Bildstabilisierung und -ausrichtung in einem Fotoapparat oder Spiele mit einer erweiterten Mensch-Maschine-Schnittstelle.
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