Der Aufbau, mit dem die Leistungsdaten des neuen Detektors ermittelt wurden, ist schematisch in Abbildung 12 dargestellt: Ein Elektron aus der radioaktiven Quelle gelangte in den Halbleiter der Detektordiode. Hier baute es seine Energie durch die Erzeugung einer Anzahl Ladungsträgerpaare ab. Die Paare wurden durch das anliegende elektrische Feld getrennt und erzeugten einen Ladungspuls. Der Ladungsverstärker integrierte diesen und wandelte ihn in eine Spannung um. Nach dem Leitungstreiber wurde dieses Spannungssignal nun einmal normal und einmal invertiert vom Ort des Detektors zum Ort der Auswertelektronik geführt (symmetrische Übertragung). Hierzu diente ein Kabel mit abgeschirmtem verdrillten Aderpaar (STP). Die Strecke betrug bei den Versuchen 1,8 m.

In dem 19"-Rahmen, der die Auswertelektronik enthielt, befanden sich vier Einschübe: Neben der Hochspannungsquelle für die Vorspannung der Diode war dies ein Symmetrieverstärker, der das symmetrische Signal der STP-Leitung in ein asymmetrisches auf koaxialen Medien wandelt. Ein weiterer Einschub war der Hauptverstärker. Hier konnte das Signal um einen Faktor zwischen 5fach und 1250fach verstärkt werden. Zusätzlich wurde es hier durch einen Bandpaß gefiltert und pulsgeformt. Als letztes befand sich ein Peak-Sensing Analog-Digital-Wandler im Rahmen. Die von diesem gemessenen Peaks wurden digital an einen Histogramm-Analysator übergeben. Die Histogramme wurden dann über eine V24-Schnittstelle ausgelesen und in einem Computer weiterverarbeitet. Diese Daten wurden durch ein vom Autor entwickeltes Programm dekodiert und konnten dann mit einer beliebigen Software dargestellt werden.

Die Spannungsversorgung des Detektors erfolgt über ein Labornetzgerät der Firma Rhode & Schwarz. Das Vakuum wurde mit einer Turbomolekularpumpe (TMP) erzeugt. Für die Kühlung stand ein Helium-Kompressor/Dekompressor-System zur Verfügung. Zusätzlich konnte die Temperatur durch eine geregelte Heizung beeinflußt werden.

Um quantitative Messungen mit dem neu zu entwickelnden Detektorsystem durchführen zu können, mußte eine geeignete Testapparatur entwickelt werden. Sie sollte ein 4er-Element des FHL-Detektors zur Vermessung aufnehmen.

Im wesentlichen hat die Apparatur folgende Kriterien zu erfüllen, um die Erprobung von verschiedenen Detektorversionen unter realitätsnahen Bedingungen zu ermöglichen.

Die entwickelte Apparatur ist in Abbildung 13 zu sehen. Rechts unten befindet sich der Rezipient, in den von vorne die Kühlwasserzu- und Ableitungen sowie die elektrischen Versorgungen führen. Die radioaktive Quelle befindet sich im Flansch gegenüber. Links ist das Kühlaggregat angekoppelt. Die beiden Geräte oben am Rohrturm sind die Druckmeßröhren. Der Wellschlauch führt zum Pumpstand.

Der verwendete Pumpstand der Firma Pfeiffer Vacuum beinhaltet eine Turbomolekularpumpe nebst Steuergerät und eine trockenlaufende Membranvorpumpe. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß kein Vorpumpenöl im ausgeschalteten Zustand durch die TMP in den Rezipienten gelangen kann, da die Vorpumpe gar kein Öl beinhaltet. Normale Öl-Drehschieber-Vorpumpen erzeugen stets kontaminierte Vakua. Außerdem sind bei dieser Lösung keine Abgasschläuche notwendig. In Tabelle 1 ist ein typischer Druckverlauf beim Pumpen angegeben.

Zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus zeigt Abbildung 14 einen Schnitt durch den Rezipienten. In der rechten Hälfte ist der grobe Aufbau des zweigeteilten Detektorhalters zu sehen.

Im folgenden sind die wesentlichen Komponenten näher beschrieben.

Als Rezipient wurde ein Vakuum-Kreuzrohrstück mit sechs CF100 Hochvakuum-Flanschen verwendet. Die Nennweite von 100 mm läßt genug Raum für den Detektorhalter. Jeder Flansch weist in eine der Raumrichtungen x, y, z, -x, -y, -z. Dazu wurden bereits vorhandene Adapter für die Einführung des Kühlaggregates in den Rezipienten und zum Anschluß an KF25 Vakuumkleinflansche verwendet. Über die Kleinflansche wurde ein Druckmeßgerät und ein Pumpstand angeschlossen. Da nur Drücke im Bereich über 10-5 mbar erreicht werden sollen, wurden statt der üblichen Kupfer-Flachdichtringe wiederverwendbare aus Viton eingesetzt. Diese ermöglichen ein Öffnen und Schließen der Flansche, ohne jedesmal die Dichtungen ersetzen zu müssen; es fällt kein Kupferabfall an.

Für die Kühlung der Photodioden wurde ein 'Closed-Cycle' Helium-Kühlaggregat eingesetzt. Der Hersteller APD Cryogenics Inc. gibt an [APD], daß hiermit Temperaturen von 4 K erreicht werden können. Temperaturen von 10 K werden typischerweise mit diesem Gerät ohne Schwierigkeiten erreicht [Clo97].

Das Kühlaggregat besteht aus zwei Teilen: einem Helium-Kompressor und einem Dekompressor, die über Hochdruckleitungen miteinander verbunden sind. Im Kompressor wird Helium verdichtet und mit Kühlwasser die dabei entstehende Wärme entzogen. Verschmutzungen, wie der Schmierstoff des Kompressors, werden herausgefiltert, da diese im Dekompressionskopf ausfrieren und so die Funktion beeinträchtigen oder verhindern können. Über eine Hochdruckleitung gelangt das Helium in den Dekompressor. In diesem befindet sich eine Sterling-Maschine. Der linksläufige Sterling-Prozeß pumpt mit der durch einen Elektromotor zugeführten mechanischen Energie Wärme von der kalten zur warmen Seite. Diese wird mit dem expandierenden Helium abgeführt. Das Helium gelangt nun wieder über die Hochdruckleitungen in den Kompressor. Hier wird es gesammelt, gekühlt und erneut komprimiert.

Um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, wird nicht die Kühlleistung verändert. Die Kühlung läuft statt dessen ununterbrochen, und mittels einer Heizung nahe der Probe wird die Temperatur geregelt. Hierzu dient ein Temperatur Controller der Firma LakeShore. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß die Temperatur wesentlich genauer gehalten werden kann, da die Trägheit der Regelung klein ist. Ein Nachteil des Kühlaggregates sind die leichten Erschütterungen, die von der arbeitenden Sterling-Maschine über den Probenhalter direkt an die Probe - die Photodioden und den kalten Teil des Vorverstärkers - abgegeben werden. Hier sind Mikrophonie-Effekte zu befürchten. Alternativ kann die Temperatur weniger genau, aber erschütterungsfrei, erzeugt werden, indem der Temperaturregler deaktiviert und die Kühlung manuell durch Ein- und Ausschalten des Kompressors geregelt wird. Messungen werden dann nur in den Betriebspausen durchgeführt.

In Tabelle 2 ist der Temperaturabfall über die Zeit dargestellt. Eine halbe Stunde nach Erreichen der Solltemperatur wurden die Messungen gestartet.

Der Detektorhalter sollte die Photodioden auf ihrem Diodenträger und die zweigeteilten Vorverstärker in der Konfiguration aufnehmen können, die später im Detektorarray herrschen würden. Er mußte also Platz für vier Kanäle besitzen. Desweiteren sollte er eine leichte Montage und Demontage des Detektorsystems ermöglichen. Der 'kalte' und der 'warme' Teil des Detektors dürfen im Betrieb bis auf die Signalleitungen keine Wärmebrücken besitzen. Der wassergekühlte 'warme' Teil sollte zudem in der Position verstellbar sein, um notwendigenfalls thermische Beeinflussungen der beiden Teile nachträglich verminden zu können.

Beide Teile des Detektors sollten auf getrennten Kupferplattformen ruhen. Die 'warme' Plattform wird über Kupferrohre mit Kühlwasser versorgt. Die Kühlschleife wurde aus einem einzelnen Rohr gefertigt, um keine Undichtigkeiten durch Verbindungen zu riskieren. Die Kupferplattformen wurden auf das gebogene Rohr aufgelötet. Flußmittelreste des Lötvorgangs wurden durch Ätzen mit Salzsäure entfernt. Die Reste würden im Vakuum desorbieren und somit ein virtuelles Leck darstellen. Die Rohre konnten gleichzeitig als Befestigung des Detektorhalters mit dem Flanschdeckel dienen. Ein vakuumdichtes Einlöten der Rohre in Bohrungen im Deckel hätte die Position dieses Teils fixiert. Da der Abstand der Teile variierbar sein sollte und die Position des 'kalten' Teils durch das Kühlaggregat vorgegeben wurde, mußte der 'warme' Teil aber bewegleich sein. Es mußte also eine Lösung gefunden werden, die Kühlwasserrohre vakuumdicht aber beweglich durch den Flanschdeckel zu führen.

Als Lösung fanden sich Einschraub-Verschraubungen der Firma Swagelok. Diese dienen im Normalfall dazu, Rohre an Behälter anzuschließen. Die Verschraubung selbst wird durch ein selbstdichtendes Gasgewinde an den Behälter geschraubt. Auf das Rohr wird dann ein Messing-Dichtring aufgeschoben, und mit einer Überwurfmutter an der Verschraubung befestigt (siehe Abb. 16 links). Durch das Anziehen der Überwurfmutter wird der Dichtring in das Rohr gepreßt und kann nicht mehr entfernt werden. Die Dichtung zwischen Dichtring und Verschraubung ist kegelig ausgelegt und immer wieder lösbar.

Die Verschraubung mußte durchbohrt werden, da das Rohr nicht nur an den Behälter (den Rezipienten) angeschlossen, sondern hineingeführt werden sollte. Der nach der ersten Verschraubung nicht mehr verschiebbare Messing-Dichtring wurde durch einen aus Teflon ersetzt (Abb. 16 rechts). Dieser ist mehrmals wiederverwendbar und erreicht laut Hersteller annähernd die Dichtigkeit der Messingvariante.

Um die thermischen Verbindungen zwischen dem 'kalten' und 'warmen' Block des Detektorhalters zu minimieren, wurde das in Abbildung 17 visualisierte Verfahren erdacht: Im ausgebauten Zustand sind beide Teile mit einer Transportbrücke verbunden um leichte Handhabbarkeit zu erreichen. Diese kann entfernt werden, wenn der Flanschdeckel am Rezipienten und der 'kalte' Block am Kühlaggregat festgeschraubt wurden. Der 'kalte' Teil wird dann also vom Kühlgerät getragen.

Für die elektrischen Signale wurden zwei Lemo-Vakuumdurchführungen mit je 10 Kontakten vorgesehen. Diese lassen sich einfach in normale Bohrungen einbauen und sollen über einen O-Ring zwischen dem Gehäuse der Durchführung und dem Rezipienten vakuumdicht sein. Dies bestätigte sich nicht; der Kragen der Durchführungen saß auf, bevor der nötige Druck auf den O-Ring ausgeübt wurde. Aus diesem Grund mußten die Kragen um 0,3 mm abgedreht werden.

Die Hochspannung wurde über eine SHV-Durchführung ins Vakuum gebracht. Kragen und Dichtring sind bei diesem Produkt richtig bemessen gewesen, so daß keine Undichtigkeit entstand. Im Rezipienten wird die Spannung über eine geschirmte Leitung zu dem Block mit den Photodioden geführt. Die letzten 1,5 cm zu jedem Hochspannungsfilter überbrückt jeweils ein dünner Draht von 0,2 mm Durchmesser, um auch hier den Wärmetransport zu minimieren.

Die Verbindungen zwischen den beiden Blöcken wurden aus demselben Draht hergestellt. Er wurde in leichten Bögen verlegt und festgelötet.

Abbildung 18 zeigt das komplett montierte Detektorsystem, welches nun in den Rezipienten eingebaut werden kann. Man erkennt ganz rechts den 'kalten' Block mit den vier Photodioden und dem 'kalten' Teil des Ladungsverstärkers. Dieser ist mit der silberfarbenen Transportbrücke mit der 'warmen' Plattform verbunden. Nach links sind die beiden Kühlrohrenden zu sehen, die den Flanschdeckel durchdringen. Auf gleicher Höhe weiter hinten ist die Hochspannungsdurchführung.

Oben und unten am Flanschdeckel befinden sind die eingesteckten Lemo-Verbinder für die Betriebsspannungen und Signalleitungen. Letztere sind mit einem Metallgeflecht geschirmt. Die obere Lemo-Durchführung versorgt die zwei auf der Oberseite der Plattform angebrachten Vorverstärker, die andere die unteren beiden.

Für die Druckmessung im Rezipienten kam ein Kombiinstrument der Firma Leybold zum Einsatz. Es war mit einer Thermo-Meßröhre für den Druckbereich bis 10-3 mbar und einer Penningröhre für niedrigere Drücke ausgestattet. Zu beachten ist, daß eine sich in Betrieb befindende Penningröhre Elektronen und Photonen aussendet; eine Glimmentladung findet statt. Diese Emissionen können vom Detektor aufgefangen werden und zu einem erhöhten Rauschuntergrund führen. Aus diesem Grund wurde das Druckmeßsystem hinter mehreren Winkelstücken angebracht, so daß keine geradlinige Verbindung zum Detektor bestand.

Wie in Abbildung 19 ersichtlich, trat trotz dieser Maßname ein erhöhtes Rauschen bei niedrigen Energien auf. Aus diesem Grund wurden alle Messungen ohne eingeschaltetes Vakuumeter durchgeführt. Es wird vermutet, daß die Strahlung durch Reflexionen an der Metalloberfläche der Rohre in geringem aber meßbarem Maße zum Detektor gelangt.

Beim Desy-Detektor wurden alle Dioden zusammen mittels Klebetechnologie auf eine Trägerplatine aufgebracht. Das Bestücken und Bonden der Dioden erfolgte bei Hamamatsu, dem Hersteller der Dioden, in Japan. Dies verursachte jedoch längere Wartezeiten, wenn eine der Dioden im Fehlerfall ausgetauscht werden mußte. So sollte nun ein leichter wartbares System der Diodenbefestigung entwickelt werden.

Hamamatsu liefert die Photodioden nur gehäust oder fertig montiert aus, da sie nur dann für die korrekte Montage und Funktion garantieren können. Möglicherweise geschieht dies aus Marketing-Gründen um eine hohe Funktionssicherheit gewährleisten zu können. Für die hier angestrebte Entwicklungsarbeit ist diese Vorgehensweise jedoch zu unflexibel, so daß ein anderer Hersteller gefunden werden.

Folgende Anforderungen sind an die Dioden zu stellen:

Gute Erfahrungen wurden von anderen Forschungsinstituten mit Produkten der Firma Siemens gemacht, speziell mit dem Typ SHF 870/F170 [Sie97]. Diese Chips haben bei einer aktiven Fläche von 5 x 5 mm² eine äußere Kantenlänge von 6 mm und sind somit kleiner als die Hamamatsu-Typen. Durch die kleinere Dimension ist die Kapazität des Detektors geringer als bei den bislang verwendeten, so daß hierdurch eine Verbesserung im Rauschverhalten erwartet werden kann.

Erstreckt sich die Raumladungszone durch den gesamten Halbleiter, so läßt sich die Kapazität der Diode rechnerisch wie folgt ermitteln

Hierbei sind Cj die Sperrschichtkapazität, A die Fläche der Diode, dRLZ die Dicke der Raumladungszone. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 3:

Desweiteren sollten nun nicht mehr alle Dioden zusammen auf einen Träger aufgebracht, sondern leicht auswechselbare Viererblöcke entworfen werden. Diese sollten im Fehlerfall relativ einfach tauschbar sein. Die Kosten für einen Ersatzblock sind durch die geringe Diodenzahl auch nicht so groß, wie sie bei einem Ersatzdiodenträger der herkömmlichen Bauart wären. Eine Vorratshaltung von einem oder einigen wenigen Ersatzblöcken sollte somit realistisch werden und die Fehlerbehebung stark beschleunigen.

Es wurden nun zwei Varianten der Diodenträger erprobt. Bei der ersten wurden die Photodioden großflächig mit Leitkleber auf dem Träger fixiert. Die andere Methode sieht eine schwimmende Lagerung (siehe Kap. 4.2.3.) der Dioden vor. Beide Arten müssen die erwünschte Kühlung ermöglichen.

Um die Qualitätskonstanz der Dioden zu überprüfen, wurden 20 Dioden des Types SHF 870/F170 bestellt und der Sperrstrom mit einem Halbleitermeßgerät HP 4155A an einem Spitzenmeßplatz vermessen. Die Sperrstromkurven weisen bei einigen Dioden untypische Verläufe auf. In Abbildung 20 sind diese beispielsweise bei Diode 13 und 6 zu sehen.

Für die zwei Träger wurden jeweils vier Dioden mit ähnlichen Kurven ausgewählt. Für den Träger mit geklebten Dioden kamen die Exemplare Nummer 3, 4, 5 und 14, bei dem anderen Träger die Dioden 8, 10, 12 und 18 zum Einsatz. Tabelle 4 zeigt die gemessenen Werte als Übersicht; in Abbildung 20 sind die entsprechenden Diodenkennlinien markiert.

Die übliche Methode, um Photodioden auf einen Träger aufzubringen, ist das Kleben mit einem leitfähigen Epoxidharzkleber. Auf diese Art ist die Kathode bereits mit dem Rückseitenkontakt angeschlossen. Die Kontaktierung der Anode erfolgt durch Bonden. Die Bonddrähte werden von manchen Firmen mit einem sehr elastischen Kunststoff vergossen, um unerwünschte Umwelteinflüsse fernzuhalten. Für diesen Anwendungsfall müßte jedoch das Vergußmaterial über den relativ großen Temperaturbereich von 75 k bis 290 k elastisch genug sein, um keine Scherkräfte auf die Kontakte auszuüben. Außerdem wurde befürchtet, daß der niedrigere Widerstand und die höhere Elektrizitätskonstante des Kunststoffes jeweils im Vergleich mit Vakuum negative Einflüsse haben könnten. So wurde auf ein Vergießen der Bonddrähte verzichtet.

Die Bondpads sind nur über einen dünnen Metallsteg mit den Lötpads verbunden. Dies soll einerseits das Löten erleichtern, da dann nur eine begrenzte Fläche erwärmt zu werden braucht. Zusätzlich wurde die Wärmebelastung der Bondungen verringert, da nur eine kleinere Wärmemenge beim Löten vom Lötpad zum Bondpad gelangen kann.

Der Kleber muß bei der erwünschten Kühlung in der Lage sein, die aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien auftretenden mechanischen Spannungen in sich aufzunehmen.

Um die tatsächlichen auftretenden Spannungen sR errechnen zu können, muß zunächst der theoretische relative Längenunterschied Dl/l durch die Temperaturveränderung DT (-220 K) mit Hilfe der Wärmeausdehnungskoeffizienten an,m der benachbarten Materialien n und m bestimmt werden

Die Werkstoffe sind jedoch miteinander verbunden, so daß keine Längendifferenz auftreten kann. Die Schicht mit dem höheren a wird somit gedehnt, die andere gestaucht. Die durch Dehnung und Stauchung auftretenden Kräfte Fn,m sind dabei im Gleichgewicht. Mit den Elastizitätsmoduln E, den Querschnittsflächen A und den realen relativen Längenunterschieden Dln/ln erhalten wir

Da sich die Längen ln und lm der Werkstoffschichten nur um wenige Promill unterscheiden, setzen wir sie gleich. Die Breiten der Querschnittsflächen sind identisch, so daß nur die Dicken hn,m der Schichten zu berücksichtigt werden brauchen

Die Summe der durch Stauchung bzw. Streckung überwundenen Länge Dln+Dlm muß dem durch die Temperatureinwirkung theoretisch entstandenen Längenunterschied Dl entsprechen. Wieviel Prozent der Distanz also durch die Verformung eines Materials überbrückt wird, läßt sich wie folgt berechnen und ist für die verwendeten Materialkombinationen in Tabelle 5 eingetragen:

Nun können die tatsächlichen Spannungen, die auch in Tabelle 5 zu finden sind, errechnet werden

Neben den Materialkonstanten a und E kann man in Tabelle 5 auch die maximal zulässige Zugspannung sB, die ungefähre Schichtdicke h sowie die bei 75 K vorhandene Zugspannung sR ablesen. Dargestellt sind die auf der Diode vorhandene Aluminiumschicht, die Diode selbst aus Silizium, der Leitkleber, das Trägerplatinenmaterial und die Kupferkaschierung derselben. In der Spalte Dl[%] ist für jeweils zwei untereinanderstehende Materialien abzulesen, wieviel Prozent des durch thermische Ausdehnung entstandenen Längenunterschieds das jeweilige Material aufzunehmen hat. Daneben findet man die dadurch in der Schicht entstehende Spannung. Positive Werte stellen Zugspannungen dar, negative stehen für Druckspannungen. Es ist abzulesen, daß die Spannung im Aluminium den Grenzwert um mehr als das Doppelte übersteigt. Im Epoxidharzkleber herrscht im Bereich zur Diode eine Spannung nahe dem Grenzwert.

Werkstoff	a [10-6k-1]	E [kN/mm2]	sB [kN/mm2]	h [mm]	Dl [%]	sR [kN/mm2]
Aluminium-	24	71	0,13	0,0001
schutzschicht					100	0,31
Silizium-	4	450	1	0,3	0	0
Pindiode					0,1	-0,005
Epoxidharz-	50	2	0,02	0,05	99,9	0,020
kleber					99,7	0,011
Trägerplatine	24	45	0,1	1,3	0,3	-0,001
faserverstärkt					9	0,006
Kupfer-	17	112	0,45	0,05	91	-0,16
leiterbahnen

Tabelle 5: Kenndaten der verwendeten Materialien [Stö93, Han, Fhl95] und bei Kühlung auf 75 K im jeweiligen Material vorhandene Zugspannung sR.

Die errechneten Werte können jedoch nur als Anhaltspunkte dienen, da die Verwendung eines linearen Zusammenhangs zwischen Wärmedehnung a und Temperatur T über diesen großen Bereich von 220 K kritisch ist. Es sollte zumindest b=¶a/¶T berücksichtigt werden - a nimmt mit der Temperatur ab. Allerdings konnten keine Daten für b gefunden werden. Als Beispiel der Problematik kann hier das a von Aluminium dienen: Ein für den Bereich von 0°C bis 100°C gültiges a beträgt 23,6 10-6k-1; für den Bereich von 0°C bis 500°C ist jedoch 27,4 10-6k-1 zu verwenden [Her92]. Dies könnte erklären, wieso die Überschreitung des Grenzwertes in der Aluminiumschicht in den praktischen Versuchen keinerlei Auswirkung zeigte. Ein niedrigeres a resultiert in einer geringeren Spannung, was auch den Kleber aus dem Grenzbereich bringen würde. Desweiteren ist E möglicherweise von der Temperatur und sB stark von der Vorgeschichte des Materials abhängig. Das Rechenmodell ist eventuell auch nicht genau genug, da keine Oberflächeneffekte berücksichtigt werden.

Die Anforderungen an den Epoxidharz-Leitkleber sind also recht hoch; zur Pindiode hin wird die maximale Zugfestigkeit voll ausgenutzt. Aufgrund seiner speziellen Eignung für Tieftemperaturanwendungen und der Temperaturstabilität fiel die Wahl auf den Kleber H20E der Firma EpoTek.

Die kupferkaschierte Epoxidharzplatine, die als Träger dient, wurde zuerst gereinigt. Nun wurde der Kleber gründlich vermischt und für eine Stunde in ein Vakuum mit einem Druck kleiner als 1 mbar gebracht. Durch diese Behandlung wurden alle durch das Rühren in den Kleber eingebrachten Luftbläschen entfernt. Dies ist notwendig, da sonst die eingeschlossenen Gasvolumina Kräfte im Vakuum erzeugen würden, die die Stabilität der Verbindung im Betrieb gefährden.

Nun wurden die Dioden mit einer sehr geringen Menge Klebers, ein 'Tropfen' mit etwa 0,5 mm Durchmesser, auf die Träger geklebt und die Verbindung bei 120°C für 20 Minuten ausgehärtet. Das Aushärten erfolgte mit dem Substrathalter des Wedgebonders, der eine regelbare Heizung beinhaltet.

Um die Dioden im Fehlerfall einzeln leicht tauschen zu können, wurde ein Konzept mit schwimmender Lagerung der Dioden realisiert. Defekte geklebte Dioden von einem dichtgepackten Array zu entfernen ist mit der Gefahr der Beschädigung noch intakter Dioden verbunden. Bei der schwimmenden Lagerung handelt es sich um ein völlig neues Konzept zur Befestigung der Dioden auf dem Träger. Die Inspiration zu diesem Konzept erfolgte während eines Treffens der an der Entwicklung Beteiligten von FH-Lübeck und Hasylab und wurde nun erstmals umgesetzt. Die Photodioden befinden sich hierbei in mit Wärmeleitpaste gefüllten 'Wannen'. Die Adhäsion der Paste hält die Dioden im Normalfall in den Vertiefungen. Wird die Paste jedoch auf ca. 100°C erwärmt, so nimmt die Adhäsion der Paste stark ab, und die Dioden können mit einem Vakuumheber herausgenommen werden. Auf diese Art sind einzelne Dioden leicht und schnell tauschbar.

Da die Paste außerdem auch bei tiefen Temperaturen nicht hart wird, können keine mechanischen Spannungen zwischen Diode und Trägerplatine entstehen. Bei der Wahl der Paste galt es, eine vakuumgeeignete, tieftemperaturfeste und elektrisch nichtleitende zu finden. Das Produkt Apiezon N der Firma LakeShore befriedigt diese hohen Anforderungen.

Die Adhäsion der Wärmeleitpaste verhindert ein Abheben der Dioden senkrecht zur Oberfläche; Verschiebungen parallel zur Oberfläche kann die Paste nicht verhindern. Da die Dioden jedoch in 0,3 mm tiefen eingefrästen Mulden liegen, deren innere Abmaße denen der Dioden entsprechen, ist auch seitliche Verschiebung nicht möglich. In Abbildung 22 zeigt die Detailvergrößerung, daß die Wände der Vertiefungen unter 45° geneigt sind. Dies ist durch die Kontur des Fräsers bedingt und ermöglicht ein leichtes Einlegen der Dioden. Beim Fräsen war darauf zu achten, daß das Werkzeug diese Tiefe in einem Arbeitsgang erreichen kann.

Der Kathodenanschluß kann nun nicht mehr über den Rückseitenkontakt erfolgen. Statt dessen wird der auf der Oberfläche vorhandene Kontakt des Guard-Rings benutzt. Dieser ist äquivalent zum Rückseitenkontakt [Blu98]. Bei diesen Diodenträger-Platinen ist also ein zweites Bondpad erforderlich. Beim Bonden selbst war darauf zu achten, daß der erste Bond nicht auf die Diode gesetzt wird, da die Zugkraft des Bonders beim Hochfahren die Adhäsion der Paste überwinden könnte und so die Diode aus der Vertiefung reißt. Außerdem bestand die Gefahr, daß zuviel in die Vertiefung eingefüllte Paste auf die Diode läuft und diese somit verunreinigt.

Die Befürchtung, daß in die Paste eingeschlossene Luftbläschen die Dioden während des Betriebs im Vakuum aus den Vertiefungen drücken können, bestätigte sich nicht. Da das Bonden bei erhöhter Temperatur stattfand, wobei die Viskosität der Paste annähernd auf die von Wasser fiel, wurden die Gasblasen dabei schon abgebaut.

Die Kontaktierungen auf der Oberseite der Dioden wurden durch Bonden hergestellt. Hierzu wurde ein Wedge-Wedge-Bonder der Firma Kulicke & Soffa verwendet. Er ermöglicht sowohl Ultraschall- als auch Thermokompressionsbonds. Zusätzlich wurde der Bonder mit einem Spezial-Wedge versehen, der in der Mitte seiner Fläche eine Vertiefung aufweist. Durch diese Modifizierung sollen haltbarere Verbindungen hergestellt werden können. Nachdem der Wedge eingebaut war, mußte die Tail-Length nachjustiert werden. Dieser Parameter bestimmt die Abreißlänge des Drahtes und hat großen Einfluß auf die Festigkeit.

Zunächst wurden nun einige Testbondungen durchgeführt, um die besten Bondparameter zu ermitteln. Es wurde 50 mil Golddraht verwendet. Die Platine war lediglich kupferkaschiert, womit schwierig herzustellende Gold-Kupfer-Bonds erforderlich waren. Die Kupferoberfläche wurde zunächst entfettet und dann mit einem Glasfaserradierer gereinigt. Hierbei war darauf zu achten, daß kein Kupferabrieb in die gefrästen Isolationskanäle geriet.

Sodann wurden Testreihen bei Raumtemperatur und bei 150 °C durchgeführt. Die besten Ergebnisse wurden mit folgender Einstellung erreicht:

Temperatur: 150 °C Search: 2,8 Loop: 4,4

Force 7,5 Time: 9,4 Power: 8,5

Die Kupferoberfläche oxidiert bei dieser Temperatur recht schnell, allerdings schien die Haftung durch das Oxid weniger stark beeinträchtigt zu werden, als sie durch die Erweichung des Goldes zunahm. Zu über 80% rissen die Testbonds beim Rip-Off-Test mit Kräften jenseits des Meßbereichs, also bei >16 g. Die besten erzielten Werte bei Raumtemperatur lagen bei 13 g. Zur Verbesserung sollte in der Serienproduktion die Kupferoberfläche mit einer Sperrschicht bedampft und vergoldet werden.

Die Bondverbindungen zu den geklebten Dioden wurden jeweils doppelt durchgeführt um eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen. Rechnerisch sollten nun 96% der Verbindungen den Maximalwert erreichen. Da die Belastungen bei den schwimmend gelagerten Dioden größer sind - kleine Bewegungen der Dioden in den Vertiefungen sind nicht auszuschließen - wurden hier jeweils drei Bonds pro Kontakt hergestellt.

Durch die hohe Temperatur wird die Wärmeleitpaste beim Bonden sehr flüssig. Dies hatte den Vorteil, daß man die Dioden leicht in dieses 'Bad' einlegen konnte ohne Lufteinschlüsse zu produzieren. Die Chips sollten mit einer Pinzette an den Ecken fest in die Vertiefungen gedrückt werden; sie liegen dann unten direkt auf dem Trägermaterial auf und können die Kräfte beim Bonden gut aufnehmen. Wurde zuviel Paste verwendet, kann diese auf ein Bondpad fließen, was dieses unbrauchbar macht. Vorsicht ist auch beim Bonden selbst geboten. Knickt ein Bonddraht um, besteht die Gefahr, daß er in die flüssige Paste taucht und diese kriecht sofort am warmen Draht entlang zum Bondpad und eventuell zum Wedge des Bonders, der dann penibel gereinigt werden muß.

Abschließend kann gesagt werden, daß die Herstellung der Bonds der schwimmenden Photodioden nur von Personen durchgeführt werden sollten, die sehr gut mit der Technik des Bondens vertraut sind. Es ist empfehlenswert, mit Ausschußdioden eine Anzahl von Bondversuchen durchzuführen, bevor ein Diodenträger hergestellt wird.

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