Verbindungstechnologien

Die Technologie am MPG HLL ist für vollständig verarmte, doppelseitig prozessierte Strahlungssensoren optimiert. Gleichzeitig haben viele unserer Sensoren (wie DEPFET oder pnCCD) auch die erste Verstärkungsstufe für die Ladung-zu-Strom- oder Ladung-zu-Spannung-Wandlung monolithisch im Sensor-Silizium integriert. Für die Steuerung und Versorgung des Sensors, die weitere Signalverarbeitung und die Datenübertragung außerhalb des Sensors wird eine elektrische Verbindung zur Hilfselektronik benötigt. Bei diesen Hilfsbausteinen handelt es sich meist um sehr anspruchsvolle anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), deren Funktionalität und Leistung speziell auf den Sensor und die Anforderungen der Anwendung abgestimmt sind. Die ASICs werden in enger Zusammenarbeit mit Chipdesignern von Partneruniversitäten entworfen und in der Mikroelektronikindustrie unter Verwendung der besten verfügbaren Fertigungstechnologie hergestellt.

Die ASICs werden entweder auf High-Density-Interconnect-Boards (keramische oder organische Substrate) oder direkt auf dem Silizium des Sensorsubstrats platziert und bilden ein komplexes Multi-Chip-Modul mit Sensorik, analoger Signalverarbeitung und digitalen Steuerblöcken auf einem einzigen Stück Silizium. Abhängig von der Anzahl der Ausleseknoten des Sensors, den Geschwindigkeitsanforderungen in der Anwendung und dem Parallelisierungsgrad des Auslesens kann es viele tausend Verbindungen zwischen dem Sensor und den ASICs geben.

Diese Verbindungen werden durch Micro-Wire-Bond-Verbindungen oder Fine-Pitch-Lötverbindungen mit Lotkugeln ("Bumps") realisiert, die vor dem Interconnect-Prozess auf der Sensor- oder ASIC-Seite aufgebracht werden. Der letztgenannte Prozess wird auch als "Flip-Chip" bezeichnet, da die Chips umgedreht und mit der Oberseite nach unten am Sensor befestigt werden müssen.

Drahtbonden ist eine Mikroschweißtechnik, bei der ein ultrafeiner Aluminium- oder Golddraht mit Ultraschall oder Thermosonic bewegt wird, um mechanisch und elektrisch mit den Bondpads auf dem Sensor und dem Auslese-ASIC verbunden zu werden. Die Mikrodrähte können einen minimalen Durchmesser von ca. 17 µm haben, was etwa fünfmal feiner ist als ein menschliches Haar.  Flip-Chip Verbindungen sind im Grunde Lötungen zwischen dem Sensor und den ASICs. Während beim Drahtbonden die Bondpads entlang des Randes der Chips platziert werden müssen, können beim Flip-Chip die Bumps über die gesamte Fläche des ASICs unter Verwendung einer so genannten Umverteilungsschicht aus zusätzlichem Metall platziert werden. Der Industriestandard für den minimalen 2D-Interconnect-Pitch liegt bei ca. 150 µm, bei HLL wurden bereits Baugruppen mit 50 µm als Interconnect-Pitch realisiert und wir verbessern ständig unsere Möglichkeiten, den Pitch zu verkleinern und damit die Dichte der Flip-Chip-Verbindungen weiter zu vergrößern.

Abbildung 1

Bepi-Columbo MIXS Focal-Plane-Anordnung. Der 64x64-Pixel-Sensor befindet sich in der Mitte, zwei CAMEX-Auslesechips und vier Switcher-Steuerchips sind auf einer keramischen Ausleseplatine befestigt und über Drahtbonds mit dem Sensor verbunden.

Abbildung 2

Belle II PXD Voll-Silizium-Modul. Die Auslese- und Steuerungs-ASICs sind auf den unempfindlichen Teil des Sensorsubstrats geflippt, SMD-Bauteile sind ebenfalls auf dem Modul platziert. Insgesamt gibt es etwa 4000 elektrische Verbindungen zwischen 
Sensorsubstrat und ASICs.

Abbildung 3

Montage eines Dummy-Moduls für das DSSC-XFEL-Projekt und das Röntgenbild des Moduls. Der sensitive Teil des Sensor-Siliziums dient als Substrat für die ASCIs und sorgt für den mechanischen Halt. Jedes Pixel hat seinen eigenen Auslesekanal und alle Pixel werden parallel ausgelesen. Es gibt 512x128 Pixel pro Modul mit etwa 66.000 Bump-Verbindungen zwischen Sensor und ASICs. Die Verschaltung außerhalb des Moduls erfolgt später mit konventionellen Drahtbonds.

Abbildung 4

Drahtbondverbindungen zwischen einer keramischen Leiterplatte und einer flexiblen Schaltung auf Kaptonband

Abbildung 5

Flip-Chip-Verbindung zwischen einem ASIC (oberer Teil) und einem Silizium-Interposer (unterer Teil)