GlaRA – Glasinterposer-Technologie zur Realisierung hochkompakter Elektroniksysteme für Hochfrequenzanwendungen (160 GHz)

Abstract:
In dieser Arbeit wird eine innovative, vielseitig nutzbare Glaspackaging-Plattform vorgestellt. Diese wurde im Zuge des Projektes GlaRA (Glasinterposer-Technologie zur Realisierung hochkompakter Elektroniksysteme für Hochfrequenzanwendungen) entwickelt. Die Plattform liefert ein flexibel einsetzbares hermetisch dichtes Package auf Basis von Glasinterposern mit elektrischen Durchführungen. Das hermetisch dichte Package kann passive und verschiedene aktive Bausteine (Radar-, Druck-, Infrarotsensoren usw.) enthalten. Glas bietet sich als idealer Werkstoff auf Grund seiner ausgezeichneten chemischen Beständigkeit, seiner verlustarmen Übertragung von hochfrequenten Signalen, seiner mechanischen Eigenschaften und niedrigen Kosten an. Das Package ist für einen breiten Anwendungsbereich konzipiert und kann unter anderem in den Bereichen Industriemetrologie, MEMS, Photonik, Biowissenschaften und Prozessautomatisierung genutzt werden. Die Fähigkeiten der Glaspackagingtechnologie wurden an einem Radarfüllstandsensor mit einer Arbeitsfrequenz von 160GHz demonstriert. Der Füllstandsensor nutzt das hier entwickelte Glaspackage mit einem integriertem SiGe-ASIC und Hochfrequenz-Wellenleitern. Aufgrund der hermetischen Abdichtung des ASIC im Inneren, ist es möglich, das Package unter härtesten Einsatzbedingungen in verschiedensten Umgebungen zu verwenden. In der adressierten Anwendung werden entsprechende Systeme in Mikroreaktoren zur Füllstandsüberwachung eingesetzt. Das fertige aus mehreren Glasinterposern aufgebaute Glaspackage misst nur 5,9 x 4,4 x 0,8 mm3 und verwendet TGVs (Through-Glass Vias) als vertikale DC- und HF-Verbindungen für die elektrische Signalführung. Die Verwendung von TGVs als elektrischer Leiter wurde bereits zuvor untersucht und zeigt überlegene Eigenschaften bei geringerem Herstellungsaufwand gegenüber konventionellem Drahtbonding. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Aspekte des fertigen Packages, das mit einem voll funktionsfähigen Radar-ASIC bestückt ist. Dargestellt wird die Verarbeitungskette zur Erstellung des Glaspackage, basierend auf Prozessen auf Wafer-Ebene, Design und Simulation, die Analyse des realisierten Radarsensor-Demonstrators, sowie die Charakterisierung und Bewertung des endgültigen Pakets hinsichtlich Zuverlässigkeit und der hermetischen Verkapselung. Im Detail wird die Herstellung von Löchern und Kavitäten im Glas, die Metallisierung der Glasdurchführungen mit hohen Aspektverhältnissen, die Realisierung der Umverdrahtung auf Glassubstraten mit TGVs und Kavitäten, sowie die hermetische Abdichtung der gestapelten Interposer mit dem ASIC im Inneren näher betrachtet. Die Charakterisierung und Bewertung des neuartigen Demonstrators erfolgte im Bezug auf die HF-Leistung, die Radareigenschaften, die Zuverlässigkeit und die hermetische Abdichtung der Glasverpackung.