Ziel der Entwicklung

Zur genauen Erfassung von Messgrößen müssen Sensoren oftmals direkt oder in unmittelbarer Nähe von Prozessumgebungen angeordnet werden. In diesem Zusammenhang erlangt die Verfügbarkeit von hochtemperaturfesten Sensoren zunehmende Bedeutung. Sowohl die Wandlerelemente als auch die zugehörige Aufbautechnik und Verbindungstechnik der Sensoren müssen für in diesen Umgebungen herrschende Temperaturen entsprechend ausgelegt sein. Während das Problem der Hochtemperaturbeständigkeit für das eigentliche Wandlerelement bereits für viele Anwendungen, zum Bespiel Strahlungsdetektion oder Drucksensorik, gelöst ist, versagen ab einer Temperatur von zirka 270 Grad Celsius viele Technologien der Aufbautechnik und Verbindungstechnik, wie zum Beispiel die des Drahts und Chipbondens. In diesem Falle muss die Aufbautechnik und Verbindungstechnik dann in einer aufwändigen und kostenintensiven Technologie ausgeführt werden, häufig unter Verwendung teurer, hochtemperaturbeständiger Materialien. Mit dem vorliegenden Projekt sollten diese Verfahren auch für den Bereich der bis 350 Grad Celsius beanspruchten Sensorik erschlossen werden. Der Schwerpunkt lag dabei im Bereich der Infrarot Sensorik für den Wellenlängenbereich vier bis sieben Mikrometer im Transistor Outline Gehäuse. Die grundlegende technisch technologische Zielstellung bestand in der Entwicklung einer geeigneten Chipbefestigung und einer Drahtbondverbindung mit Temperaturbeständigkeiten bis 350 Grad Celsius.

Vorteile und Lösungen

Zur Lösung der Aufgabenstellung wurde zunächst zu geeigneten Materialien recherchiert und Untersuchungen an fügerelevanten Materialeigenschaften durchgeführt. Anschließend erfolgte die Auslegung der Fügestellen mit Festlegungen von Layouts, Schichtreihenfolgen und der Materialauswahl. Es wurden Probekörper für Fügeversuche konzipiert und Fügeversuche mit verschiedenen Parametern durchgeführt. Bei den Drahtbondversuchen von Silicium Chips auf Transistor Outline Gehäusesockel wurden Schichten der Reihenfolge Titan Nickel Titan Gold sowie anstelle von Gold auch Palladium oder Platin favorisiert. Dabei fungierte Titan als Haftvermittler, Nickel war als sensorische Funktionsschicht technologiebedingt durch die waferbasierter Dünnschichtprozess, enthalten. Für das Bonden auf Keramik wurden Low Temperature Co fired Ceramics Substrate mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahn und Kontaktstrukturen beschafft. Von beiden Baugruppen wurde eine größere Anzahl drahtgebondet und die Temperaturbeständigkeit durch Temperversuche bei 350 Grad Celsius ermittelt. Hierzu wurde der ohmsche Widerstand der Verbindungen vor und nach dem Tempern gemessen und auf Veränderungen hin untersucht. Als erfolgreich und ausreichend temperaturbeständig erwiesen sich dabei Bonddrahtverbindungen in der Konstellation Golddraht auf Platin und Palladiumpads bei Bondungen zwischen Silizium Chips und Transistor Outline Gehäusesockeln sowie Golddraht auf Goldpads bei Schaltungsträgern aus Low Temperature Co fired Keramik. Bei Low Temperature Co fired Keramik konnte die Temperaturbeständigkeit der Drahtbondverbindungen sowohl mit Leiterbahnstrukturen ausschließlich auf der Vorderseite als auch mit Durchkontaktierungen und Rückseitenkontaktierungen nachgewiesen werden. An Funktionsmustern von Infrarot Sensoren mit Drahtbondverbindungen wurden Funktionstests vor und nach dem Tempern durchgeführt. Dabei konnte die Funktion auch nach dem Tempern nachgewiesen werden. Somit wurden die Projektziele erreicht und bilden eine solide Basis für Folgeaktivitäten nach dem Projektende. Neben den genannten Einsatzmöglichkeiten in der Infrarot Sensorik ergeben sich weitere potentielle Anwendungsgebiete überall dort, wo Sensoren und Mikrosysteme in Umgebungen mit hoher Temperaturbelastung eingesetzt werden sollen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Infrarot Detektoren sind in großer Produktvielfalt kommerziell erhältlich. Ein Großteil davon ist für nahe Infrarot Anwendungen im Standardtemperaturbereich ausgelegt. Für den Wellenlängenbereich vier bis sieben Mikrometer sind Detektoren im Hochtemperaturbereich bis 1.000 Grad Celsius und darüber hinaus im Hochpreissegment verfügbar. Diese arbeiten jedoch nach anderen als den im Projekt verfolgten Wirkprinzipien und sind nicht Complementary Metal Oxide Semiconductor kompatibel. Demzufolge besteht eine Marktlücke für kostengünstigen Sensoren im Wellenlängenbereich vier bis sieben Mikrometer und Temperaturbeständigkeiten bis 350 Grad Celsius im Bereich miniaturisierter, Complementary Metal Oxide Semiconductor kompatibler Infrarot Detektoren. Im mittleren Preissegment gibt es Sensoren für den Wellenlängenbereich vier bis sieben Mikrometer mit erhöhtem Temperaturbereich, allerdings nur bis 140 Grad Celsius. Ein Infrarot Sensor mit der entwickelten Aufbau und Verbindungstechnik hätte eine Temperaturbeständigkeit von 350 Grad Celsius und würde somit ein Alleinstellungsmerkmal aufweisen. Zielmärkte im Bereich Endkunden sind die Automobiltechnik, die Betriebsstoffüberwachung, Hydraulik, Schmiermittelaggregate, die Medizintechnik und die Umweltmesstechnik. Zielmärkte im Bereich der Transferunternehmen sind Sensorikhersteller und Unternehmen der Automatisierungstechnik.