Ziel der Entwicklung
Ein typisches Beispiel für korrosive und zugleich elektrisch leitfähige Medien ist Wasser. Besonders raue Messbedingungen herrschen auch in der Öl-, Gas- und Offshore-Industrie. Auch hier sind zur Überwachung und Effizienzsteigerung entsprechend angepasste Druckmessumformer erforderlich.
Ziel war daher, Wafer-Level Packaging Technologien als technologische Plattform neu beziehungsweise weiter zu entwickeln, um kostengünstige Sensorik für Harsh-Media Applikationen unter Beachtung der Prozesskompatibilität und Prozessvereinfachung zu realisieren. Ausschließlich wurde Silizium als Bulk-Material von Komponenten zur vorder- und rückseitigen Verkapselung der eigentlichen Bauelemente verwendet. Dabei wurde eine Lösung auf „Wandlerkern-Level“ angestrebt, welche auf aufwendige Messzellen-Konzepte mit Edelstahl-Trennmembran und Ölvorlage verzichtet.
Auf Basis der entwickelten Waferbondverfahren wurde ein Differenzdrucksensor als Demonstrator für den Einsatz in aggressiven, korrosiven und elektrisch leitfähigen gasförmigen oder flüssigen Medien hergestellt und die Funktionsfähigkeit getestet.
Vorteile und Lösungen
Ein Lösungsansatz war die gezielte Modifikation der Oberflächeneigenschaften von typischen MEMS Siliziumwafern mit dem primären Ziel einer Glättung im atomaren Bereich. Neben nasschemischen Verfahren sowie Oxidations- und Rückätzprozessen kristallisierte sich die Temperung unter Schutzgas- beziehungsweise Formiergas-Atmosphäre als zielführender Ansatz heraus. Weitere Teilaspekte waren die Erweiterung des Know-hows auf dem Gebiet der Charakterisierung von Silizium-Bondverbindungen hinsichtlich ihrer bruchmechanischen Kenngrößen sowie die Erprobung alternativer Aktivierungs- und Bondverfahren.
Hohe Festigkeiten wurden mittels anodischen Si-Si-Bonden mit dünner, aufgedampfter Borosilikatglasschicht sowie mit siebgedruckter Glasfrit-Schicht erzielt. Beide Verfahren sind deutlich anspruchsloser an die Oberflächenqualität der beteiligten Siliziumwafer als das herkömmliche Siliziumdirektbonden.
Damit wird jetzt sogar das Fügen über erhabene Strukturen wie beispielsweise strukturierte Metall-Leitbahnen oder (Poly)-Siliziumgebiete möglich. Durch den Einsatz von Siliziumdirektbondverfahren im Ultrahochvakuum wurden ebenfalls hohe Festigkeiten der Verbünde erzeugt. Vorteilhaft ist hier, dass die resultierenden Siliziumverbünde unanfällig für ein unterkritisches Risswachstum sind.
Für den Differenzdrucksensor-Demonstrator wurde ein Ansatz gewählt, bei dem die piezoresistive Messbrücke vollständig in dem Bulk-Silizium verkapselt ist, mit der Option einer zusätzlichen Passivierung aller medienberührenden Oberflächen. Mittels implantierter Durchkontaktierungen durch eine dünne Siliziumschicht gelang es, die Chipmetallisierung vollständig von beiden Medienräumen zu separieren. Die qualifizierten Prototypen erfüllen alle in der Zielstellung formulierten Anforderungen, insbesondere hinsichtlich Empfindlichkeit, Überlastfestigkeit und Langzeitstabilität.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der verfolgte Lösungsansatz für den medienresistenten Differenzdrucksensor wurde unter dem Titel „Halbleiterbasierter Differenzdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung“ (Aktenzeichen 10 2019 135 606.7) als Patent angemeldet. Die Endkundenmärkte liegen in der industriellen Prozessmesstechnik, in der Automationstechnik, im Automotive-Bereich sowie im Bereich Öl- und Gasindustrie.
