Ziel der Entwicklung

Der Markt der Drucksensoren wird bestimmt durch keramische, kapazitive und piezoresistive Drucksensoren. Die piezoresistiven Drucksensoren sind hierbei gegenüber den anderen Drucksensorarten besonders empfindlich und signalstabil, weshalb sie besonders dort Einsatz finden, wo höchste Anforderungen an die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Druckmessung bestehen. Um auf Basis der piezoresistiven Sensoren Druckmessumformer aufzubauen, sind allerdings auf mehreren Ebenen Fügeprozesse nötig, was dazu führt, dass sie einen Teil ihrer sehr guten Performance verlieren. Im Vorhaben EFAH wurden deshalb für die besonders kritische Verbindung zwischen Wandlerkern und elektrisch-mechanischem Prozessanschluss neue innovative Fügetechnologien entwickelt. Hierbei wurden, basierend auf aktuellen Forschungsergebnissen aus den Bereichen Waferbonden mit Zwischenschichten sowie temperaturstabilen Montageverfahren für MEMS-Bauteile, folgende Fügetechnologien untersucht:
• Eutektisches Au-Si-Bonden,
• Glasfritte-Bonden,
• Lotfügung unter Nutzung von Reaktiv- und Diffusionsmaterialien
Parallel dazu wurde auch der Prozessanschluss so optimiert,
• dass die Montagespannungen minimiert werden,
• dass, das Messelement von Quereinflüssen entkoppelt wird und
• eine prozesssichere effiziente Montage erfolgen kann.
Hierzu wurden FEM-Simulationen bezüglich Materialkombinationen und Bauteilgeometrie durchgeführt. Ziel war es, die Signalstabilität gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen sowie Feuchtigkeit nicht nur auf Wandlerkernebene sondern auch im Gesamtsystem (Druckmessumformer) sicherzustellen. Weiterhin werden die Druckfestigkeit sowie die Dichtigkeit auch unter höheren Temperaturen garantiert und anhand entsprechender Mess- und Prüfanordnungen nachgewiesen. Dadurch wird es möglich, piezoresistive Drucksensoren in neuen Anwendungsfeldern zu etablieren oder bei gleichen Zielparametern miniaturisierte, kostengünstigere Systeme anzubieten. Zusätzlich wird eine weitere Wertschöpfungsstufe über die Entwicklung und Fertigung von Wandlerkernen hinaus für das CiS Forschungsinstitut erschlossen, was wiederum insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen hilft, hochstabile Druckmessumformer zu entwickeln.

Vorteile und Lösungen

Die standardisierten Fügeverfahren der Halbleiterindustrie, basierend auf Silikonen und Epoxidklebstoffen, bringen zahlreiche Einschränkungen wie Materialverspannungen sowie das Fehlen von Druck-, Temperatur-, Medien- und Feuchtestabilität mit sich.
Nach Projektbeginn wurde eine umfangreiche Analyse der zu simulierenden Materialien vorgenommen und anschließend ein Modell des Montageaufbaus erstellt. Die Simulationsergebnisse zeigten den vermuteten Trend, dass Glaslote deutliche Vorteile bei der Medien-, Temperatur- und Feuchtestabilität aufzeigen. Basierend auf den erzeugten Ergebnissen erfolgte die Auswahl geeigneter Fügematerialien. Auch ein Metalllot erreichte bessere Werte als das Referenzmaterial Epoxidklebstoff, allerdings waren hier die Simulationsergebnisse aufgrund fehlender Materialkennwerte ungenau. Die Simulationsergebnisse zu den Zwischenlagenkeramiken zeigten eine deutliche elektrisch-mechanische Entkopplung von Wandlerkern und Sockel. Auf Basis der Simulationsergebnisse wurden daher für den Projektzeitraum zahlreiche Fügematerialien angeschafft und Fügeversuche mit Fügematerialien aus allen wesentlichen Materialrichtungen durchgeführt. Im Bereich der Hochleistungsfügeverbindungen wiesen sowohl die Verbindung mittels Glaslot, als auch die eutektische Verbindung deutlich niedrigere Signaldriftwerte auf, als die Standardverbindungen mit Epoxidharz. Im Bereich der Metalllote wurden nach Auswertung aller Messdaten geeignete Fügeverfahren mit AuSn (20)-Lot etabliert. Positiven Einfluss auf die Messergebnisse brachte die Verwendung preformbasierter Lote. Hier konnten deutliche Verbesserungen in den Messwerten festgestellt werden. Auch der Einfluss der Preform-Dicke konnte aufgezeigt werden. Bei den Sockelaufnahmen wurden verschiedene Designs ausgewählt, prozessiert und anschließend aufgebaut. Die Messergebnisse zeigten hier keinen eindeutigen Trend.
Im Bereich der Zwischenlagen-Aufbauten wurde anhand des CTE Mismatch von Wandlerkern und Sockel eine CTE-angepasste und vielversprechende Keramik ausgewählt, prozessiert und aufgebaut. Im Ergebnis konnte eine leichte Entkopplung des Wandlerkerns vom Sockel aufgezeigt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Ziel des vorliegenden Projekts war die Entwicklung eines innovativen Fügeverfahrens zum Aufbau eines hochstabilen Druckmessumformers. Druckmessumformer können sowohl hohe Druckwerte als auch hohe Temperaturen aushalten, und damit aktuell gängige Drucksensoren bei gegebener Genauigkeit weit übertreffen. Dieses Projekt fügt sich in den Entwicklungstrend ein, nicht mehr die Entwicklung der Einzelkomponenten separat für sich zu betrachten, sondern die Eigenschaften des Chips hinsichtlich seiner optimalen Integrierbarkeit in das Messsystem zu wählen. Dies bedingt die Berücksichtigung solche Fragestellungen wie Minimierung der Montagespannungen, hohe Überlastfestigkeiten und leichte Kalibierbarkeiten neben den eher „klassischen“ Entwicklungszielen wie Genauigkeit, Langzeitstabilität u.a.m.
Eine Überführung der kundenspezifischen Entwicklung in eine nachfolgende Fertigung ist möglich.
Im vorliegenden Fall kommen als potentielle Kunden Hersteller von Druckmesstechnik für die u.g. Anwendungsgebiete in Frage, deren Produkt-Roadmaps genau die Innovationspotentiale erfordern, die durch die Projektziele gehoben werden. Die Anwendungsgebiete dieser Messsysteme liegen zum Beispiel in der Prozessmesstechnik, im Medizinproduktebereich sowie im Bereich Umwelt- und Klimatechnik.
Es können folgende Kriterien identifiziert werden, die für den Erfolg eines MEMS Device entscheidend sind:
• Potential für Größenreduktion, ist gegeben,
• Potential für Kostenreduktion, ist bei Si-basierten MEMS-Prozessen grundsätzlich gegeben, sowie
• höhere Zuverlässigkeit.
Prinzipiell wird bei heutigen Sensoren Wert daraufgelegt, dass sie vielseitig und robust sind. Moderne Produktionsverfahren sorgen für eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Auch der Messbereich hat sich erweitert. Technisch geht der Trend zu kleineren, intelligenteren und kostengünstigeren Messinstrumenten.