Fine-pitch Bumping für Pixeldetektoren

Hybride Pixeldetektoren erfahren eine breite Anwendung in der Teilchen- und Strahlungsdiagnostik. Sie bestehen aus einem an die Detektion physikalisch optimal angepassten Sensor und einem oder mehreren elektronischen Auslesechips, die in Flip Chip-Technologie miteinander verbunden werden. Jeder Sensorpixel wird über einem Mikrobump direkt mit einer Zelle der Ausleseelektronik verbunden. Die minimale Verbindungslänge ermöglicht kurze Signalwege und damit höchste Auslesetaktraten. Eine hohe örtliche Auflösung der Detektoren erfordert Mikrobumps in einem sehr engen Anschlussraster.

Viele Experimente in der Teilchenphysik auf der ganzen Welt arbeiten mit Pixeldetektoren, die am Fraunhofer IZM gefertigt wurden, wie zum Beispiel die großen Detektoren ATLAS und CMS des LHC Teilchenbeschleunigers am CERN in Genf. Mehr als 1100 hybride Pixeldetektor-Module wurden dabei für den innersten Teil des ATLAS Detektors aufgebaut. Weitere Detektormodule für die Röntgendiagnostik besitzen eine Pixelgröße von nur 55x55 µm². Der elektronische Auslesechip, auf dem die SnAg-Mikrobumps galvanisch abgeschieden werden, besitzt 256x256 dieser nur 25 µm kleinen elektrischen Verbindungselemente zwischen Sensor und Ausleseelektronik. Das sind genau 65.536 Bumps auf einem Chip und mehr als 6 Millionen Bumps auf einem 200 mm Chipwafer. Auf dem Sensor wird wiederum eine von den Lotbumps benetzbare Metallisierung im gleichen Raster galvanisch abgeschieden. Diese geringen Abstände zwischen den benachbarten Pixeln erfordern eine ebenso hohe Genauigkeit beim Flip Chip Assembly des Auslesechips auf den Sensor.

Am Fraunhofer IZM werden Einzel- und Multichipmodule für verschiedenste Anwendungen gefertigt. Die Stückzahlen reichen von Multichip-Prototypen mit mehreren Auslesechips auf einem Sensorsubstrat für wissenschaftliche Anwendungen bis zur Kleinserienfertigung von Einzelchipmodulen für den industriellen Einsatz in Materialanalysegeräten.