Integració 3D de detectors de píxels híbrids

Abstract

La miniaturització de la industria microelectrònica és un fet del tot inqüestionables i la tecnologia CMOS no n'és una excepció. En conseqüència la comunitat científica s'ha plantejat dos grans reptes: En primer lloc portar la tecnologia CMOS el més lluny possible ('Beyond CMOS') tot desenvolupant sistemes d'altes prestacions com microprocessadors, micro - nanosistemes o bé sistemes de píxels. I en segon lloc encetar una nova generació electrònica basada en tecnologies totalment diferents dins l'àmbit de les Nanotecnologies. Tots aquests avanços exigeixen una recerca i innovació constant en la resta d'àrees complementaries com són les d'encapsulat. L'encapsulat ha de satisfer bàsicament tres funcions: Interfície elèctrica del sistema amb l'exterior, Proporcionar un suport mecànic al sistema i Proporcionar un camí de dissipació de calor. Per tant, si tenim en compte que la majoria d'aquests dispositius d'altes prestacions demanden un alt nombre d'entrades i sortides, els mòduls multixip (MCMs) i la tecnologia flip chip es presenten com una solució molt interessant per aquests tipus de dispositiu. L'objectiu d'aquesta tesi és la de desenvolupar una tecnologia de mòduls multixip basada en interconnexions flip chip per a la integració de detectors de píxels híbrids, que inclou: 1) El desenvolupament d'una tecnologia de bumping basada en bumps de soldadura Sn/Ag eutèctics dipositats per electrodeposició amb un pitch de 50µm, i 2) El desenvolupament d'una tecnologia de vies d'or en silici que permet interconnectar i apilar xips verticalment (3D packaging) amb un pitch de 100µm. Finalment aquesta alta capacitat d'interconnexió dels encapsulats flip chip ha permès que sistemes de píxels tradicionalment monolítics puguin evolucionar cap a sistemes híbrids més compactes i complexes, i que en aquesta tesi s'ha vist reflectit transferint la tecnologia desenvolupada al camp de la física d'altes energies, en concret implantant el sistema de bump bonding d'un mamògraf digital. Addicionalment s'ha implantat també un dispositiu detector híbrid modular per a la reconstrucció d'imatges 3D en temps real, que ha donat lloc a una patent.

The scaling down of microelectronic's industry is a fact completely unquestionable and the technology CMOS is not an exception. Consequently, the scientific community has considered two great challenges: In first place to bring the technology CMOS the most far away possible ('Beyond CMOS') while developing advanced systems such as microprocessors, micro - nanosystems or pixel systems. On the other hand to begin a new electronic generation based on technologies totally different inside the Nanotechnologies area. All these advances require a research and constant innovation in the rest of complementary areas such as Packaging. Any packaging system has to satisfy three functions in a basic way: Electrical interface of the system with the exterior, to provide a mechanical support to the system and to provide a way of heat dissipation. In order to satisfy the requirements of advanced systems with high number of I/Os, the multichip modules (MCMs) and the flip chip technology are presented as a very interesting solution. The goal of this thesis consist of developing a multichip module technology based on flip chip interconnections for the integration of hybrid pixel detectors, which includes: 1) The development of a bumping technology based on electrodeposited Sn/Ag eutectic solder bumps with a pitch of 50µm, and 2) The development of a technology of gold vias in silicon that allows to interconnect and to stack chips vertically (3D packaging) with a pitch of 100µm. Finally this high capacity of flip chip interconnection has allowed that traditional monolithic pixel systems can evolve towards hybrid systems more compact and complex, and that in this thesis has been reflected transferring the technology developed in the field of the high energies physics, implanting the bump bonding system of a digital mammography system in particular. Additionally also a modular hybrid detecting device (CMOS Image Sensor) has been implanted for the reconstruction of 3D images in real time, which has caused a patent.