Perfekt verpackt

SCHOTT solutions Nr. 1/2010 > Electronic Packaging

HermeS™ Wafer sind in den Durchmessern vier Zoll
(100 Millimeter) und sechs Zoll (150 Millimeter) erhältlich, noch in diesem Jahr plant SCHOTT auch 8-Zoll-Wafer anzubieten. Foto: SCHOTT/B. Lammel

Für MEMS hat NEC SCHOTT Components Corporation Glassubstrate mit hermetisch versiegelten Durchführungen entwickelt.

Bernd Müller

Viele moderne Technologien wären ohne mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) nicht denkbar. Diese werden eingesetzt als Beschleunigungs-, Druck- und Drehsensoren in Fahrzeugen, schalten mit kleinen Spiegeln Licht in Telekommunikationsnetzwerken oder spritzen Tinte aus Druckköpfen. Viele weitere Anwendungen könnten von MEMS profitieren, doch die schwierige Verpackung der kleinen Helfer hat bisher den Einsatz in Massenmärkten verhindert. So muss die empfindliche Elektronik einerseits absolut hermetisch versiegelt und gegen Umwelteinflüsse geschützt sein, andererseits müssen elektrische Signale und Stromversorgungsanschlüsse in das Gehäuse hinein und hinaus gelangen. Ein neues Gehäusekonzept namens HermeS™ (abgeleitet von “Hermetic Substrate”)verbindet beide Anforderungen. Es wurde von der NEC SCHOTT Components Corporation (NSC), einem Joint Venture des japanischen Elektronikkonzerns NEC und dem SCHOTT Geschäftsbereich Electronic Packaging entwickelt. Herkömmliche Gehäuse arbeiten mit Metallkappen und zum Teil mehreren Dichtlagen, durch die die elektrischen Leitungen aus dem MEMS herausführen. Dies birgt jedoch die Gefahr von Lecks und kann die Lebensdauer verkürzen. Bei HermeS™ werden die Leiterdurchführungen dagegen in einen Glaswafer eingeschmolzen und durch Löten oder Bonden mit den Kontakten des MEMS auf dem Siliziumwafer verbunden. Auf diese Weise lassen sich zahlreiche Glas-Metall-Durchführungen in einem Prozessschritt herstellen und in einem zweiten Schritt mit hunderten MEMS verbinden – eine sehr gute Voraussetzung für effektive Massenfertigung. Die Durchführungen bei HermeS™ werden direkt ins Glas eingeschmolzen und laufen nicht durch Dichtlagen. Dadurch sind MEMS mit HermeS™ hermetisch dichter verpackt als mit jeder anderen Technik. Das zeigen die Erfahrungen mit anderen Glas-Metall-Durchführungen, die SCHOTT seit 1941 herstellt und beispielsweise zum Verpacken von Optoelektronik oder Airbagzündern verwendet. Bei Tests mit Helium beträgt die Leckrate mit HermeS™ weniger als 10-9 mbar · m3/sec. HermeS™ erreicht außerdem Bestwerte bei der elektrischen Isolation sowie mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante.

Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) müssen vor Umwelteinflüssen geschützt werden und trotzdem elektrische Signale austauschen können – Anforderungen, die HermeS™ erfüllt. Dabei handelt es sich um Glaswafer mit integrierten Leiterdurchführungen, die in einfachen Prozessen hergestellt und mit tausenden mems verbunden werden und diese für Jahrzehnte dicht verschließen. Entwickelt wurde HermeS™ von der NEC SCHOTT Components Corporation. Fotos: SCHOTT/schleicherDESIGN

Als Glassorte für das Substrat dient Borofloat® 33, das von Zimmertemperatur bis über 300 Grad Celsius dieselbe thermische Ausdehnung hat wie Silizium. Dadurch kann es zwischen Glassubstrat und MEMS nicht zu Rissen kommen, selbst wenn sie großer Hitze – etwa bei Reflow – ausgesetzt sind. Beim Metall für die Durchführungen ist Wolfram erste Wahl, weil es besonders hart ist und sich mit exakten Abmessungen und zu guter Qualität sehr dünn herstellen lässt. Außerdem passt es optimal zur Wärmeausdehnung von Borofloat® 33 und verhält sich im Einschmelzprozess neutral.

Wichtiges Qualitätskriterium für den Glaswafer ist die Positionsgenauigkeit der Durchführungen. Sie beträgt bei HermeS™ etwa 20 Mikrometer und wird optisch gemessen. Auf diese Weise lassen sich Glassubstrate mit einigen 10.000 Metalldurchführungen herstellen.
HermeS™ Wafer gibt es mit 4 Zoll (100 Millimeter) und 6 Zoll (150 Millimeter) Durchmesser. 2010 plant SCHOTT auch 8-Zoll-Wafer anzubieten. Mit den geringen Durchmessern und Abständen der Durchführungen sind diese Wafer besonders geeignet für hohe Stückzahlen, insbesondere für Sensoren und optische Bauteile. Der Kunde kann damit eine hohe Integration und Miniaturisierung des MEMS-Bauteils mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften und Dichtigkeit kombinieren.

Ein weiterer Vorteil des Verpackens mit Glas: Im Gegensatz zu Metall ist es durchsichtig und erlaubt auch nach dem Verpacken Sichtkontrollen oder eine Justierung des MEMS mit Laserlicht.

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