AVOS

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 Aufbau- und Verbindungstechnik der Sensoren (AVT) müssen für in diesen Umgebungen herrschende Temperaturen entsprechend ausgelegt sein. Während das Problem der Hochtemperaturbeständigkeit für das eigentliche Wandlerelement bereits für viele Anwendungen (z.B. Strahlungsdetektion oder Drucksensorik) gelöst ist, versagen ab einer Temperatur von ca. 270 °C viele Technologien der AVT, wie zum Beispiel die des Draht- und Chipbondens. In diesem Falle muss die AVT 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 °C beanspruchten Sensorik erschlossen werden. Der Schwerpunkt lag dabei im Bereich der IR-Sensorik für den Wellenlängenbereich 4 bis 7 µm im TO-Gehäuse. Die grundlegende technisch-technologische Zielstellung bestand in der Entwicklung einer geeigneten Chipbefestigung und einer Drahtbondverbindung mit Temperaturbeständigkeiten bis 350 °C.

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 Si-Chips auf TO-Gehäusesockel wurden Schichten der Reihenfolge Ti-Ni-Ti-Au sowie anstelle von Au auch Pd oder Pt favorisiert. Dabei fungierte Ti als Haftvermittler, Ni war als sensorische Funktionsschicht technologiebedingt (waferbasierter Dünnschichtprozess) enthalten. Für das Bonden auf Keramik wurden LTCC-Substrate mit in Dickschichttechnik aufgebrachten Leiterbahn- und Kontaktstrukturen beschafft. Von beiden Baugruppen wurde eine größere Anzahl drahtgebondet und die Temperaturbeständigkeit durch Temperversuche bei 350 °C 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 Si-Chips und TO-Gehäusesockeln sowie Golddraht auf Goldpads bei Schaltungsträgern aus LTCC-Keramik. Bei LTCC-Keramik konnte die Temperaturbeständigkeit der Drahtbondverbindungen mit sowohl mit Leiterbahnstrukturen ausschließlich auf der Vorderseite als auch mit Durchkontaktierungen (VIA’s) und Rückseitenkontaktierungen nachgewiesen werden. An Funktionsmustern von IR-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 IR-Sensorik ergeben sich weitere potentielle Anwendungsgebiete überall dort, wo Sensoren und Mikrosysteme in Umgebungen mit hoher Temperaturbelastung eingesetzt werden sollen.

Zielmarkt

IR-Detektoren sind in großer Produktvielfalt kommerziell erhältlich. Ein Großteil davon ist für NIR-Anwendungen im Standardtemperaturbereich ausgelegt. Für den Wellenlängenbereich 4 bis 7 µm sind Detektoren im Hochtemperaturbereich bis 1.000 °C und darüber hinaus im Hochpreissegment verfügbar. Diese arbeiten jedoch nach anderen als den im Projekt verfolgten Wirkprinzipien und sind nicht CMOS-kompatibel. Demzufolge besteht eine Marktlücke für kostengünstigen Sensoren im Wellenlängenbereich 4 bis 7 µm und Temperaturbeständigkeiten bis 350 °C im Bereich miniaturisierter, CMOS-kompatibler IR-Detektoren. Im mittleren Preissegment (80 € bis 130 €) gibt es Sensoren für den Wellenlängenbereich 4 bis 7 µm mit erhöhtem Temperaturbereich, allerdings nur bis 140 °C. Ein IR-Sensor mit der entwickelten AVT hätte eine Temperaturbeständigkeit von 350 °C 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.