Ziel der Entwicklung

Zahlreiche Innovationen der Medizintechnik, Hochenergiephysik und anderer bildgebender Applikationsfelder basieren auf hochgranularen großflächigen Silizium-Pixelsensoren.
Seitens der Anwendungen werden zum Beispiel immer bessere Auflösungen gefordert. Um eine höhere Auflösung zu erreichen, müssen die einzelnen Pixel wesentlich kleiner werden. Dies gilt dann umso mehr für die Fläche, die durch die Kontaktierung jedes passiven Sensorelements auf dem Pixeldetektor mit dem Ausleseanal auf dem ASIC, notwendig ist. Je kleiner diese für die Signalerzeugung verlorene Fläche gehalten werden kann, desto besser ist der Flächennutzungsgrad als ein wesentlicher Güteparameter.
Bei hybriden Pixelmodulen bedeutet dies, die Fläche pro Pixel auf bis zu einem Zehntel zu senken und damit bei ähnlich großen Detektorflächen (Chipgrößen von mehr als 10 bis 20 Quadratzentimeter) eine wesentlich höhere Anzahl an Pixeln anzuordnen.
Gleichzeitig muss aber die Zuverlässigkeit und Stabilität der Verbindungen gewährleistet sein und höchstens 0,5 Prozent der Pixel resp. Verbindungen dürfen außerhalb der Spezifikation sein.
Bei der Verbindung der Chips muss einerseits flussmittel-frei prozessiert werden und andererseits auch eine sichere Verbindung auch bei relativ großer Verbiegung (Bow) der großflächigen Sensorchips gewährleistet werden.
Für diese hybride Integration als auch für andere 3D-Lösungen wurden innovative Verbindungstechniken basierend auf dünnen Kupfersäulen (Pillars) entwickelt und erprobt. Dabei waren verschiedene Verfahren zur Realisierung der Startmetallisierung auf den kleinen Kontaktstellen aller einzelnen Pixel, galvanische Abscheidung und Strukturierung aufeinander abzustimmen.
Das Entwicklungsziel einer Strukturauflösung für die galvanische Abscheidung der Kupfersäulen mit 10 Mikrometer Durchmesser und 25 Mikrometer Pitchabstand bei gleichzeitiger Höhenuniformität kleiner 1 Mikrometer wurde erreicht und ermöglicht eine wesentlich höhere Integrationsdichte.
Korrespondierend wurde auch die Herstellung des gegenüberliegenden Kontakts derart entwickelt, dass die Parameter für das Thermokompressionsverfahren als Flip-Chip-Prozess optimiert werden konnten.
Die entwickelte technische Lösung trägt wesentlich zur Kosteneffizienz beim hybriden Aufbau von hochgranularen Pixeldetektoren bei.

Vorteile und Lösungen

Es wurden Verfahren zur Erzeugung dünner Cu-Pillar mit verschiedenen Oberflächenveredelungen auf einer Fläche von einigen Quadratzentimetern und darauf zugeschnittene Bond-partner (Lotkugeln auf metallischen Kontaktsystem) zur Reali-sierung von Chip-to-Chip Interconnections für high-end Systemanforderungen entwickelt.
Für die hochaufgelöste strukturierte galvanische Abscheidung von Kupfersäulen wurden die Oberflächenaktivierung, die Lacksysteme und Materialien (Haftschicht / Diffusionsbarriere, Plating Base / Seedlayer, Elektrolyte), die Parameter der Pro-zessführung sowie die Pixelstrukturen aufeinander abgestimmt. Die Erzeugung von Säulen mit verschiedenen Aspektverhält-nissen (Durchmesser zu Höhe) wurde im Bereich 1:0,5 bis 2:1 realisiert. Die Abstände zwischen den Säulen wurden im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer entsprechend der Zielgrößen der Pixel variiert.
Wichtig war die Absicherung einer hohen Höhenuniformität (maximal Abweichung zehn Prozent). Diese Forderung war von Sensorflächen einiger weniger Quadratzentimeter auf Chipgrößen deutlich über zehn Quadratzentimeter zu übertragen. Auf den Testchips wurden pro Segment eine Höhenuniformität mit einer Standardabweichung von unter drei Prozent ermittelt. Für Säulen von zehn Mikrometer Durchmesser und einem Aspektverhältnis zirka eins zu eins ermöglichen die Verfahren damit eine Höhendifferenz kleiner fünf Prozent, sodass daraus keine Einschränkungen für den Flip-Chip-Prozess erwachsen.
Um die erforderlichen Prozessparameter für die Thermokompressionsbondung bezüglich der Vereinbarkeit mit den zulässigen Belastungen der Chips anzupassen, wurden durch Veredlung der Verbindungsstelle die erforderliche Temperatur von über 250 auf unter 200 Grad Celsius und der Anpressdruck wesentlich gesenkt. Als eine Methode wurde ein galvanische zirka 250 Nanometer dicke Palladiumkappe, die sehr gut verzinnbar ist, appliziert. Beim Verzinnen wurden sehr gute Ergebnisse mittels SAC-Tauchbad erreicht. Die alternative Ablagerung mit anschließendem Umschmelzen von kleinen Lotkugeln auf der Säule erreichte Homogenität war aufgrund noch zu großer Kugeldurchmesser unzureichend.
Besonders für Applikationen in der Hoch-Energie-Physik, anderen Großforschungsexperimenten, der Medizin- und Biochemie-Technik werden Lösungen ohne paramagnetische Verunreinigungen benötigt. Dies wurde bei der Materialauswahl berücksichtigt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Hochgranulare großflächige Silizium-Pixelsensoren, die kosteneffizient und platzsparend mit der angepassten Auswerteelektronik zu Chipstapeln verbunden werden, haben sehr unterschiedliche Applikationsmöglichkeiten und damit Marktchancen in vielen Branchen. Die hohe Flexibilität bei den zu verbindenden Komponenten wird durch die entwickelten Verfahren unterstützt.
Die realisiebaren Sensorsysteme können als Module für die diagnostische Bildgebung in der Medizintechnik/ Medizinphysik, besonders der Dosimetrie; X-Ray Diagnostik/ Radiographie (Tomographie CR, PET, Mammographie u.a.m.), X-Ray Spektraltomographie und Neutronentomographie / Neutronographie; bei der Spurverfolgung in der Hochenergiephysik (HEP) und Schwerionenphysik, besonders als (ultra-) strahlenharte großflächige Pixeldetektoren für die innersten Lagen (z.B. CERN HL-LHC) und bildgebenen Verfahren in der Astronomie und Kosmosforschung sowie als Beam-Monitore und ToF-Systeme eingesetzt werden.
Die neuen Verfahren können darüber hinaus auch in vielen weiteren Applikationsfeldern, respektive Branchen als hochspezialisierte Module in kleinen als auch mittleren Stückzahlen Anwendungen finden: Materialprüfung: Zum Beispiel sicherheitsrelevanter Teile in der Nuklearindustrie, Windkrafttechnik, bei Luft- und Raumfahrtkomponenten, Schienenfahrzeugtechnik / Prozessmess- und Labor-/Analysetechnik / Sicherheitstechnik / Umwelttechnik.
Darüber hinaus sind die neue Verfahren auch hervorragend geeignet, bei verschiedenen 3D-Systemen innovative Lösungen zu unterstützen, bei denen auch einzelne Strukturen verschiedene Aufgaben übernehmen können.