Quantifizierung der mechanischen Spannungen infolge der Verkapselung von Sensorbauelementen

Die Qualität von endverpackten Sensoren hängt entschieden von der Beherrschung der mechanischen Spannungen infolge der Verkapselung ab. In dieser Arbeit wird erstmalig über die Realisierung eines Röntgendiffraktometers berichtet, welches eine Analyse des dreidimensionalen mechanischen Spannungszustandes in Einkristallen ermöglicht, deren Oberfläche optisch und mechanisch nicht frei zugänglich ist. Mehrere innovative Ansätze mussten dazu entwickelt und verfolgt werden. Nur Röntgenstrahlung höherer Energie (>15 keV), mit der es gelingt die Spritzgussverpackung der Sensoren zu durchdringen, ist als Sonde für die mechanischen Belastungen im einkristallinen Siliziumsubstrat geeignet. Die spezielle Probengeometrie erzwingt einen Übergang zu schwachen hochindizierten Braggreflexen. Ein wesentlicher Schritt der apparativen Entwicklung war daher die Optimierung des Messsignals durch die Kombination einer Molybdän-Feinfokusquelle mit einer speziell adaptierten Glaskapillaroptik. Zur reproduzierbaren Justage der unzugänglichen Chipoberfläche war die Implementierung eines Durchleuchtungssystems erforderlich. Das Diffraktometer wurde mit einem Hexapod als Probenhalter konzipiert, der durch seine kompakte Bauweise den Einbau von beliebig geformten Chipgehäusen zulässt. Die Röntgenbeugungsanalyse dient der Verifizierung eines Kraftmesschips, der den Verpackungsprozess substituierend durchläuft und die dadurch eingeprägten Spannungen über den piezoresistiven Effekt bestimmt. An verschiedenen Gehäusearten wurden sowohl röntgenographische als auch elektrische Spannungsmessungen erfolgreich durchgeführt. Beide Methoden zeigen qualitativ gut übereinstimmende Resultate.