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DE102018010352B4 - Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, Elektronikmodul und Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats - Google Patents

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, Elektronikmodul und Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats Download PDF

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DE102018010352B4
DE102018010352B4 DE102018010352.9A DE102018010352A DE102018010352B4 DE 102018010352 B4 DE102018010352 B4 DE 102018010352B4 DE 102018010352 A DE102018010352 A DE 102018010352A DE 102018010352 B4 DE102018010352 B4 DE 102018010352B4
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Stefan Britting
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Rogers Germany GmbH
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Abstract

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats (10), insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement (5) bestückten Trägersubstrats (10), umfassend- Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats (10), insbesondere in Form eines Metall-Keramik-Substrats, zwischen einer ersten Werkzeughälfte (11) und einer zweiten Werkzeughälfte (12)- Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der ersten Werkzeughälfte (11) und der zweiten Werkzeughälfte (12), wobei der Hohlraum (7) das mindestens eine Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt,- Einbringen mindestens eines Stempelelements (13), das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte (11) und/oder zweiten Werkzeughälfte (12) verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7), und- jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements (13) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung (8) des mindestens einen Trägersubstrats (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (13) gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) des Trägersubstrats (1) verlaufenden Richtung schräg verschiebbar gelagert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, ein Elektronikmodul und ein Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats.
  • Elektronikmodule sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise als Leistungselektronikmodule, hinlänglich bekannt. Solche Elektronikmodule nutzen typischerweise schaltbare bzw. steuerbare Elektronikbauteile, die auf einem gemeinsamen Metall-Keramik Substrat über Leiterbahnen miteinander verschaltet sind. Wesentliche Bestandteile des Trägersubstrats sind dabei eine Isolationsschicht, die im Falle des Trägersubstrats aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt ist, und eine Metallisierungsschicht, die zur Bildung von Leiterbahnen vorzugsweise strukturiert und an einer Bauteilseite des Trägersubstrats ausgebildet ist.
  • Statt der üblichen Gehäuse für solche Elektronikmodule hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Trägersubstrat in eine Verkapslung einzubetten. Dazu wird das Trägersubstrat zunächst mit Elektronikbauteilen bestückt und anschließend wird eine Verkapselung des bestückten Trägersubstrats derart realisiert, dass eine massive, d. h. eine im Wesentlichen hohlraumfreie, Verkapselung realisiert wird, die an dem bestückten Trägersubstrat unmittelbar anliegt und diese zumindest teilweise umgibt. Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn an der Außenseite der gebildeten Verkapselung eine Metallisierung vorgesehen ist, mit der die Elektronikbauteile auf dem Trägersubstrat angesteuert bzw. mit einer erforderlichen Betriebsspannung versorgt werden können. Zum Ansteuern der Elektronikbauteile ist es dabei vorgesehen, dass das verkapselte Elektronikbauteil mit der Metallisierung an der Außenseite der Verkapselung elektrisch leitend in Verbindung steht. Hierzu ist typischerweise eine Durchkontaktierung vorgesehen, die in der Regel nach dem Verkapseln in die Verkapselung bspw. durch Bohrungen eingelassen wird.
  • Die Durchkontaktierung entsteht dabei bevorzugt durch eine Laserbohrung in der Verkapselung mit einem anschließenden Verfüllen der gebildeten Laserbohrung mit einem leitfähigen Material. Allerdings hat sich das Ausbilden der Laserbohrung insofern als herausfordernd herausgestellt, als dass sich eine definierte Länge der Laserbohrung nur schwer bzw. nur sehr aufwendig kontrolliert lässt. Zudem lassen sich fertigungstoleranzbedingte Höhenunebenheiten an der Oberseite der Verkapselung und/oder des bestückten Trägersubstrats nur unzureichend berücksichtigen. Infolgedessen besteht in der Fertigung der verkapselten Trägersubstrate die Gefahr, dass zu viel Material bei der Laserbohrung abgetragen wird. Dies kann mitunter die Funktionalität des freizulegenden Anschlusses gefährden.
  • Aus dem Stand der Technik ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit einem Halbleiter bestücktes Trägerelement in einem aus einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte gebildeten Gussgehäuse verspannt wird, so dass sich in einem geschlossenen Zustand des Gussgehäuses ein Hohlraum um das bestückte Trägerelement ausbildet. Dabei ist ferner ein Stempelelement vorgesehen, das beispielsweise verschiebbar in der ersten Werkzeughälfte gelagert ist. Dieses Stempelelement lässt sich vor dem Verfüllen des Hohlraums derart in den Hohlraum hineinversetzten, dass das Stempelelement an dem Elektronikbauteil in Anlage gerät bzw. an das Elektronikbauteil anschlägt. Bei einem anschließenden Verfüllen des Hohlraums bleibt der Bereich, in dem das Stempelelement während des Verfüllens platziert war, frei von Material. Dieses Verfahren wird beispielsweise in der EP 2 954 550 B1 beschrieben.
  • Ferner ist die JP H01 - 91 444 A bekannt, die ein Verfahren zum Spritzgießen von mehrlagigen Leiterplatten betrifft. Aus der DE 11 2015 007 004 T5 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Verkapslung mittels Spritzgießen bekannt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verkapseln eines Trägersubstrats bereitzustellen, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Elektronikmodul gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren, angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement bestückten Trägersubstrats, vorgesehen, umfassend
    • • Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats zwischen einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte,
    • • Ausbilden eines insbesondere geschlossenen Hohlraums mittels der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte, wobei der Hohlraum das mindestens eine Trägersubstrat zumindest teilweise umgibt,
    • • Einbringen mindestens eines Stempelelements, das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte und/oder zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gelagert ist, insbesondere verschwenk- und/oder verschiebbar und/oder drehbar und/oder entfaltbar und/oder aufblasbar gelagert ist, in den Hohlraum und
    • • jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindestens einen Stempelelements reduzierten Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung des mindestens einen Trägersubstrats.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Bereich, der zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung vorgesehen ist, mittels des Stempelelements freigehalten bzw. freigestellt, so dass nach dem Verfüllen des Hohlraums und der sich daraus ergebenden Ausbildung der Verkapselung ein Kanal bereitgestellt wird, der in vorteilhafter Weise derart verfüllt werden kann, dass eine elektrisch leitende Verbindung zur Außenseite der Verkapselung hergestellt werden kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf eine aufwendige Laserbohrung verzichtet werden, mit der der andernfalls für die Durchkontaktierung erforderliche Freiraum realisiert werden müsste. Stattdessen kann der freigestellte Bereich zur Ausbildung einer Durchkontaktierung nach dem Aushärten der Verkapselung mit einem elektrisch leitenden Material verfüllt werden. Insbesondere hat es sich in überraschender Weise herausgestellt, dass diese Art der Verkapselung für ein Trägersubstrat nutzbar ist und dass sich so Durchkontaktierungen bilden lassen.
  • Insbesondere ist das mindestens eine Trägersubstrat mit dem mindestens einen Elektronikelement in der Verkapselung eingebettet. Unter einem „Einbetten“ bzw. „eingebettet sein“ ist insbesondere ein unmittelbares Angrenzen der Verkapselung bzw. des Materials der Verkapselung, das bevorzugt aus einem Kunststoff besteht, an einer Außenseite des mindestens einen Trägersubstrats zu verstehen, d. h. die Verkapselung liegt zumindest bereichsweise unmittelbar flächig am Trägersubstrat an und es wird kein lichter Bereich bzw. Hohlraum zwischen dem mit den Elektronikelementen bestückten Trägersubstrat und der Verkapselung ausgebildet. Dabei muss das mindestens eine Trägersubstrat nicht an allen Seiten von der Verkapselung ummantelt bzw. umgeben sein. Ferner ist es vorgesehen, dass die Verkapselung massiv ist, d.h. frei von Hohlräumen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mit der hergestellten elektrisch leitenden Verbindung von der Außenseite der Verkapselung die Anschlüsse (wie z. B. ein Source-, ein Gate- und/oder ein Drain-Anschluss) des Elektronikelements an dessen Oberseite kontaktiert werden.
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Trägersubstrat um ein Metall-Keramik-Substrat, dessen Isolationsschicht aus einer Keramik gefertigt ist und an dessen Außenseite eine Metallisierung, insbesondere durch ein AMB- oder DCB-Verfahren hergestellt, ausgebildet ist. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Isolationsschicht aus einem organischen Material gefertigt ist, wobei dem organischen Material beispielsweise ein Füllstoff zugesetzt ist.
    Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Stempelelement oberhalb eines Elektronikelements und/oder einer Oberseite des Trägersubstrats angeordnet ist. So lassen sich elektrisch leitende Verbindung von der Außenseite der Verkapselung zu den Anschlüssen an der Oberseite des Trägersubstrats bzw. des Elektronikelements realisieren. Besonders bevorzugt liegt das Stempelelement hierzu während des Verfüllens an einer Oberseite des Elektronikelements und/oder der Oberseite des Trägersubstrats an.
  • Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats bemessener Abstand zwischen einer an der Außenseite der Verkapselung ausgebildeten weiteren Metallisierungsschicht und der Metallisierungsschicht am Trägersubstrat kleiner als 5 mm, bevorzugt geringer als 2,5 mm, und besonders bevorzugt geringer als 1 mm bis hin zu weniger als 400 µm, beispielsweise etwa 300µm, beträgt, also möglichst gering ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Abstand kleiner als 200 µm oder 100 µm ist. Es ist besonders bevorzugt vorstellbar, dass sich der Abstand auf einen Wert zwischen 100 und 200 µm bemisst. Entsprechend stellt sich in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung ein sehr kurzer Abstand zwischen dem Elektronikelement am Trägersubstrat bzw. dessen Kontaktflächen oder -punkten und dem verkapselten Trägersubstrat an der Außenseite ein. Weiterhin sind beispielsweise im gefertigten Elektronikmodul Durchkontaktierungen in die Verkapselung eingelassen. Dabei können die Durchkontaktierungen nasschemisch, durch eine Paste, eine Gasphasenabscheidung, ein Siebdruckverfahren, ein 3D-Druckverfahren mechanisch und/oder galvanisch realisiert werden.
  • Als Elektronikelemente sind vorzugsweise schaltbare Bauteile bzw. aktive Bauteile zu verstehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Elektronikelement um eines mit einem WBG-Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, oder Siliziumhalbleiterelement. Beispiele für ein elektronisches Bauteil sind MOSFETs („metal-oxide-semiconductor field-effect transistor“) oder IGBTs („insulated-gate bipolar transistor“). Die Elektronikelemente können auch als Vorverbund bzw. „Prepackaging“ zusammengefasst sein. In einem solchen Vorverbund sind ein oder mehrere Elektronikelemente beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet und in einer Matrix eingebettet. Ein Beispiel für einen Vorverbund findet sich in der Druckschrift DE 10 2014 117 086 A1 als Umverteilungsstruktur, bei der ein Elektronikelement in eine dielektrische Matrix integriert ist. Auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2014 117 086 A1 bezüglich des Vorverbunds bzw. der Umverteilungsstruktur wird hiermit explizit Bezug genommen. Weitere Beispiele für einen Vorverbund, auf die explizit Bezug genommen wird, sind in den Artikeln „Development ofEmbedded Power Electronics Modules für Automotive Applications“ von L. Boettcher et al. und „Embedding of Power Semiconductors for Innovative Packages and Modules“ von L. Boettcher et al. zu finden.
  • Als Materialien für die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Verkapselung bzw. der Metallisierungsschicht des Trägersubstrats sind vorstellbar Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfer-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite und/oder die Metallisierungsschicht des Trägersubstrats oberflächenmodifiziert sind. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.
  • Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Verkapselung strukturiert und/oder am gefertigten Elektromodul sind die Elektronikelemente am Trägersubstrat über die Durchkontaktierungen durch weitere Elektronikelemente an der Außenseite der Verkapselung ansteuerbar.
  • Insbesondere ist das zumindest eine Trägersubstrat drei- oder fünflagig ausgestaltet. Durch die mehrlagige Ausgestaltung ist es in vorteilhafter Weise möglich, vergleichsweise dicke metallische Zwischenschichten einzusetzen, während zur Stabilisierung mehrere Keramikschichten dienen. Infolgedessen lässt sich der Wärmewiderstand reduzieren und gezielt eine Wärmespreizung einstellen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Schichtdicke der aus Keramik gefertigten Isolationsschicht an die geforderte Isolationsfestigkeit angepasst ist.
  • Weiter ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das zumindest eine Trägersubstrat an seiner, der Bauteilseite gegenüberliegenden Seite eine Kühlstruktur aufweist, wobei das Elektronikmodul vorzugsweise ein Dichtelement und/oder Dichtmaterial, z. B. ein Silikon, für ein fluiddichtes Anbinden an eine Fluidkühlungsvorrichtung aufweist. Insbesondere ist die Kühlstruktur in vorteilhafter Weise in das Trägersubstrat integriert und wird von der Verkapselung nicht umschlossen, d. h. es liegt frei. Die Integration gestattet einen geringen Aufwand beim Verbauen des Elektronikmoduls, da in vorteilhafter Weise auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt, in dem eine Bodenplatte und/oder ein Kühler an das Trägersubstrat angebunden wird, beispielsweise gelötet, gesintert und/oder verklemmt wird, verzichtet werden kann. Die Fluidkühlvorrichtung dient insbesondere dem Heran- und Abführen eines Kühlfluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit. Vorzugsweise umfasst die Kühlstruktur Finnen, die in einen Kanal hineinragen, der von der Kühlstruktur und der Fluidkühlungsvorrichtung ausgebildet wird. Zum Abdichten des Kanals, der zwischen Trägersubstratseitiger Kühlstruktur und Fluidkühlungsvorrichtung ausgebildet wird, ist vorzugsweise ein Dichtelement vorgesehen, das in das Elektronikmodul integriert ist, und welches im Wesentlichen vorzugsweise in Stapelrichtung gesehen auf Höhe der Kühlstruktur angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Dichtelement ringartig oder als Wulst ausgebildet und umläuft vorzugsweise die Kühlstruktur, insbesondere die Finnen der Kühlstruktur. Vorzugsweise ist das Dichtelement an der Verkapselung angeordnet, beispielsweise in einer hierfür vorgesehenen Nut.
  • Vorzugsweise weist die Keramikschicht Al2O3, Si3N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochgradig wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmwiderstand verwendet.
  • Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat eine Primärschicht, eine Sekundärschicht und eine, zwischen der Primärschicht und der Sekundärschicht angeordnete, metallische Zwischenschicht, insbesondere als elektronischer Rückleiter, aufweist, wobei die Zwischenschicht vorzugsweise
    • - dicker als die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht ist und/oder
    • - dicker als 1 mm, bevorzugt dicker als 1,5 und besonders bevorzugt dicker als 2,5 mm ist.
  • Derartig dicke metallische Zwischenschichten wirken in vorteilhafter Weise als temporärer Speicher und verbessern so die thermische Impedanz Zth. Dabei unterstützt die Dicke insbesondere die Wärmespreizung beim Wärmeabtransport, bei dem die Wärme von der Bauteilseite über das Trägersubstrat auf eine der Bauteilseite gegenüberliegende Seite des Trägersubstrats geleitet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Zwischenschicht einlagig bzw. einstückig ausgestaltet ist. Die Zwischenschicht kann vorzugsweise als elektrischer Rückleiter dienen, indem eine zusätzliche Durchkontaktierung in der Primärschicht eingelassen ist, sodass nicht nur die erste Metallisierungsschicht zur Stromführung genutzt werden kann, sondern auch die metallische Zwischenschicht. Dabei sind die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht aus Keramik.
  • Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Trägersubstrat mit der Primärschicht, der Sekundärschicht und der metallischen Zwischenschicht als Aufbau aus fünf oder mehr Lagen zusammengesetzt ist. Insbesondere ist für den fünflagigen Aufbau vorgesehen, dass zwei metallische Zwischenschichten zwischen der Primärschicht und der Sekundärschicht vorhanden sind, wobei zwischen den zwei metallischen Zwischenschichten eine Tertiärschicht angeordnet ist. Vorzugsweise weisen mindestens zwei Schichten ein vergleichsweise hohes E-Modul auf. Dadurch wird die Verwindungsneigung bei betriebs- und umgebungsbedingten Temperaturwechseln weiter reduziert. Vorzugsweise sind die Primärschicht, die Sekundärschicht und/oder die Tertiärschicht aus einem Keramik umfassenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem der weiter oben genannten Keramiken. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise die gewünschten Anforderungen an die Isolationsfestigkeit realisieren. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Sekundärschicht und/oder Tertiärschicht nicht aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt sind, da diese im Wesentlichen zur Versteifung des Trägersubstrats dienen und nicht zur Isolation beitragen. Denkbar wäre hier beispielsweise die Verwendung von Molybdän und/oder Wolfram statt einer Keramik.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte und/oder das zumindest eine Stempelelement derart ausgestaltet sind, dass sie Ausformungsschrägen aufweisen, die es gestatten, nach dem Verfüllen und Aushärten des Materials für die Verkapselung das verkapselte Trägersubstrat einfach herauszunehmen. Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine Innenseite der ersten Werkzeughälfte, eine Innenseite der zweiten Werkzeugseite und/oder des in den Hohlraum hineinragenden Teils des mindestens einen Stempelelements mit einer Folie bzw. einem Film bedeckt sind, die bzw. der verhindert, dass die gefertigte Verkapselung an der ersten Werkzeughälfte, der zweiten Werkzeughälfte und/oder dem mindestens einen Stempelelement beim Entformen haften bleibt. Eine solche Folie bzw. solch ein Film stellt ein Verschleißgegenstand dar, mit dem die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte für jede Verkapselung vorzugsweise neu verkleidet wird.
  • Weiterhin ist es für das Verfahren zweckmäßig, das Trägersubstrat vor dem Verfüllen des Hohlraums in diesem zu fixieren, beispielsweise zu verklemmen. Dabei ist es vorstellbar, dass das Trägersubstrat zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte und/oder zwischen dem mindestens einen Stempelelement und der ersten bzw. der zweiten Werkzeughälfte verklemmt ist. Es ist ferner vorstellbar, dass die erste Werkzeughälfte und/oder eine zweite Werkzeughälfte an ihrer Innenseite eine Aufnahme aufweisen, in der das Trägersubstrat eingesetzt werden kann und in der das Trägersubstrat beispielsweise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung formschlüssig mit der ersten und/oder zweiten Werkzeughälfte zusammenwirkt. Hinsichtlich der Grundlagen für die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte und das Stempelelement sowie das Verfüllen wird explizit und sinngemäß auf den Offenbarungsgehalt der EP 2 954 550 B1 Bezug genommen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das mindestens eine Stempelelement an seiner der Trägersubstrat zugewandten Seite strukturiert ist, insbesondere mit mindestens einer Ausnehmung oder Erhebung, wobei beim Verfüllen des Hohlraums ein Kontaktelement am Elektronikelement und/oder das Elektronikelement zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Kontaktelemente und/oder das Elektronikelement beim Verfüllen des Hohlraums in vorteilhafter Weise vor dem Füllmaterial, insbesondere einem Kunststoff, schützen, das beim Verfüllen in den Hohlraum geleitet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Kontaktelement und/oder das Elektronikelement derart in der Ausnehmung oder Erhebung angeordnet sind, dass auf sie kein vom Stempelelement ausgehender Druck wirkt, sodass in vorteilhafter Weise nicht damit zu rechnen ist, dass eine Beschädigung des Elektronikelements während des Verfüllens erfolgt.
  • Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Ausnehmung derart dimensioniert und angeordnet wird, dass das aufgenommene Kontaktelement und/oder das aufgenommene Elektronikelement kontaktfrei zum Stempelelement innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Es ist auch vorstellbar, dass das Stempelelement an seine Unterseite mit einem verformbaren Material, wie einem Gummimaterial, ausgestattet ist, das sich bei der Anlage an das Kontaktelement bzw. das Elektronikelement entsprechend verformt und beispielsweise formschlüssig um das Kontaktelement bzw. das Elektronikelement legt. Ferner ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass an der Oberseite des Trägersubstrats bereits die Kontaktelemente angebunden sind, bevor der Hohlraum verfüllt wird. Dadurch lässt sich vermeiden, dass im Anschluss an die Ausbildung der Verkapselung aufwändig eine Anbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Elektronikelement hergestellt werden muss, insbesondere wenn der eigentliche Kontakt bzw. Anschluss des Elektronikelements tief innerhalb der Verkapselung angeordnet ist. Insbesondere lässt sich dadurch das Kontaktelement dort anordnen bzw. dessen Ende anordnen, wo ein einfacher bzw. zweckdienlicher Zugriff für die elektrische, leitende Verbindung mit der Außenseite der Verkapselung realisierbar ist.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Stempelelements insbesondere als Kontaktelement zumindest teilweise in der gefertigten Verkapselung belassen wird. Beispielsweise wird das komplette Stempelelement in der Verkapselung gelassen und bildet später die Durchkontaktierung oder einen Teil der Durchkontaktierung. Es ist aber auch vorstellbar, dass das Stempelelement beispielsweise in seinem Inneren die spätere Durchkontaktierung umfasst und diese nach dem Aushärten bzw. der Ausbildung der Verkapselung innerhalb der Verkapselung belässt. Das Stempelelement bzw. ein Teil des Stempelelements wird somit zu einem Opferteil, das bei dem Fertigungsprozess innerhalb des verkapselten Trägersubstrats mitverbaut wird. Zum Anschluss des Opferteils am Kontakt des Elektronikmoduls kann dieses beispielsweise mittels Ultraschall- oder Reibschweißen oder Löten am Kontakt elektrisch leitend befestigt werden. Dieser Schweiß- oder auch Lötvorgang kann durch bzw. über das Stempelelement erfolgen.
    In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass beim Verfüllen ein Sockelelement im Hohlraum angeordnet wird, wobei auf dem Sockelelement ein weiteres Trägersubstrat und/oder ein weiteres Elektronikelement und/oder eine Zwischenmetallisierung, vorzugsweise eine zentrale Zwischenmetallisierung, angeordnet wird. Dadurch lassen sich Trägersubstrate, Zwischenmetallisierung und/oder Elektronikelemente dreidimensional innerhalb der Verkapslung optimal anordnen und ausrichten. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass auf dem Sockelelement ein Kontaktelement ausgebildet ist, z. B. in Form eines Metallblocks oder Metallblechs, von dem ausgehend mehrere Elektronikelemente auf dem Trägersubstrat, insbesondere mit einer Versorgungsspannung, versorgt werden können, sodass es in vorteilhafter Weise möglich ist, zunächst vor der Verkapselung die elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen Elektronikelementen auf dem Trägersubstrat zu der zentralen Zwischenmetallisierung zu realisieren, beispielsweise durch ein Drahtbonden. Nach der Verkapselung bedarf es dann ausschließlich der Kontaktierung der zentralen Zwischenmetallisierung mit der Außenseite der Verkapselung. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess ebenfalls auf signifikante Weise, da nach dem Ausbilden der Verkapselung ausschließlich zu der zentralen Zwischenmetallisierung eine elektrisch leitende Verbindung von der Außenseite der Verkapselung her geschaffen werden muss, nicht aber zu allen Kontaktstellen der Elektronikelemente.
  • Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Stempelelement gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats verlaufenden Richtung schräg verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist. Dadurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, schräg verlaufende Durchkontaktierungen herzustellen. Diese schräg verlaufenden Durchkontaktierungen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn vorgesehen ist, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite der Verkapselung lateral versetzt zu der Metallisierungsschicht an dem verkapselten Trägersubstrat und/oder dem Elektronikelement sein soll. Dabei ist es vorgesehen, dass das Stempelelement nach dem Aushärten der Verkapselung und vor dem Öffnen des Hohlraums wieder zurückverlagert wird aus dem Hohlraum.
    Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Neigungsrichtung des schräg verschiebbar gelagerten Stempelelements gegenüber der senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung um einen Winkel geneigt ist, der einen Wert zwischen 5° und 65°, bevorzugt zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt. Dadurch lassen sich besonders zweckmäßig schräg verlaufende Durchkontaktierungen realisieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren weiter umfasst:
    • • Ausbildung einer Metallisierung an einer Außenseite der Verkapselung;
    • • Positionieren des verkapselten Trägersubstrats zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werkzeughälfte;
    • • Ausbilden eines insbesondere geschlossenen Hohlraums mittels der weiteren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder der weiteren zweiten Werkzeughälfte, wobei der Hohlraum das verkapselte Trägersubstrat zumindest teilweise umgibt;
    • • Einbringen des Stempelelements oder mindestens eines weiteren Stempelelements, das vorzugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte oder zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum;
    • • jedenfalls teilweises Verfüllen des Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung für das verkapselte Trägersubstrat.
  • Durch dieses sequenzielle bzw. nacheinander realisierte Durchführen der Verkapselung ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur in der Verkapselung zu realisieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte derart gestaltet sind, dass in der gefertigten Verkapselung in der Außenseite eine Strukturierung und/oder zumindest ein Rücksprung realisiert wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, beispielsweise die Außenseite der Verkapselung derart zu strukturieren, dass sich darin die weitere Metallisierungen anordnen lassen. Mit anderen Worten: die Strukturierung an der Außenseite der Verkapselung räumt den Platz für die Leiterbahnen und die weitere Metallisierung an der Außenseite der Verkapselung ein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die weitere Metallisierung an der Außenseite der Verkapselung und die Verkapselung an der Außenseite miteinander nach außen hin bündig abschließen. Ferner ist es vorstellbar, dass der Rücksprung derart dimensioniert ist, dass in diesem Rücksprung ein Widerstand und/oder ein Kondensator, beispielsweise ein RC-Glied integriert werden kann, sodass eine derartige Gestaltung der Außenseite der Verkapselung einen flachen Abschluss an der Außenseite der Verkapselung ermöglicht. Das heißt, die Außenseite der Verkapselung bietet keine Vorsprünge o.ä. aus, sondern alle elektronischen Bauelemente, insbesondere inklusive der in die Außenseite integrierte weitere Metallisierungsschicht, sind tiefer gelegt, sodass sich eine glatte Außenfläche an der Verkapselung ausbildet. Es ist auch vorstellbar, dass die Außenseite der Verkapselung gegenüber der tiefergelegten weiteren Metallisierungsschicht an der Außenseite vorsteht.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt vorgesehen, dass mittels des Stempelelements eine Aussparung bzw. ein Rücksprung realisiert wird, in die ein RC-Glied integriert wird, sodass das RC-Glied nicht mehr zwangsläufig an der Außenseite der Verkapselung, insbesondere abstehend von der Außenseite der Verkapselung, realisiert werden muss.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikmodul, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten analog für das Elektronikmodul und vice versa.
  • Ein weiterer Gegenstand ist ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte, einer zweiten Werkzeughälfte und einem Stempelelement für ein Verfahren gemäß der Erfindung. Alle für das Elektronikmodul und das Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten in analoger Weise für das Werkzeug.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
  • Es zeigen (schematisch):
    • 1a/1b: ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 2a-2d: ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 3: ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4: ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 5: ein Verfahren gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In den 1a und 1b ist ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere dient das Verfahren der Ausbildung eines Elektromoduls 100, insbesondere eines Leistungsmoduls. Wesentliche Bestandteile eines solchen Elektronikmoduls 100 sind ein Trägersubstrat 10 und eine Verkapselung 8, wobei das Trägersubstrat 10 zumindest teilweise in die Verkapselung 8 eingebettet ist, d. h. das Trägersubstrat 10 ist zumindest teilweise in der Verkapselung 8 eingekapselt. Das Trägersubstrat 10 weist eine Bauteilseite 25 mit einer bauteilseitigen Metallisierungsschicht auf, wobei diese Metallisierungsschicht zur Bildung von Leiterbahnen oder Anschlusspads z. B. strukturiert ist (nicht gezeigt).
  • An der Bauteilseite 25 sind Elektronikelemente 5 angebunden, die zur Ausbildung zumindest eines Teils eines elektronischen Schaltkreises vorzugsweise untereinander verbunden sind. Beispielsweise umfassen die Elektronikelemente 5 Halbleiter, insbesondere WBG -Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, deren Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband zwischen 2 eV und 4 eV oder darüber liegt. Insbesondere ist das Elektronikmodul 100 ein Leistungselektronikmodul und dient beispielsweise der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden Elektronikelementen 5. Denkbar wäre z. B. dass das Elektronikmodul 100 als Gleichspannungswandler, Umrichter und/oder Frequenzumrichter im Bereich der elektronischen Antriebstechnik, insbesondere im Bereich der E-mobilität, als Solarwechselrichter und/oder Umrichter für Windkraftanlagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder als Schaltnetzteil bzw. DC-DC-Wandler eingesetzt wird.
  • Zur Steuerung der Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 ist an der Außenseite A der Verkapselung 8 eine insbesondere als Anschluss dienende weitere Metallisierungsschicht (nicht gezeigt) für mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil und/oder Kontaktstellen (nicht gezeigt) vorgesehen. Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht ebenfalls strukturiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem weiteren Elektronikelement 5 um ein Steuerungselement, wie z. B. einen Gate-Treiber, ein Zwischenkondensator, ein Lastanschluss, ein Anschluss zur Energieversorgung und/oder Vergleichbares.
  • Um die Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 durch die weiteren Elektronikelemente (nicht dargestellt) an der Außenseite A der Verkapselung 8 anzusteuern, ist insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen, welche bevorzugt durch die Verkapselung 8 hindurchgreift bzw. innerhalb der Verkapselung 8 verläuft. Bevorzugt ist eine solche elektrisch leitende Verbindung als Durchkontaktierung 16 realisiert. Um für die spätere Durchkontaktierung 16 einen ausreichend großen Freiraum bereitzustellen, der insbesondere oberhalb des Elektronikelements 5 ausgebildet ist, ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine entsprechende Aussparung bei der Verkapselung 8, d.h. während des Verkapselungsvorgangs, realisiert wird. Dabei ist es besondere bevorzugt vorgesehen, dass zur Bildung der Verkapselung 8 zumindest ein Trägersubstrat 10 zwischen einer ersten Werkzeughälfte 11 und einer zweiten Werkzeughälfte 12 positioniert wird. Dabei ist das zumindest eine Trägersubstrat 10 in der ersten Werkzeughälfte 11 bzw. in der zweiten Werkzeughälfte 12 verklemmt bzw. durch die erste Werkzeughälfte 11 und/oder die zweite Werkzeughälfte 12 fixiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorstellbar, dass das Trägersubstrat 10 in einer Aufnahme an der Innenseite der zweiten Werkzeughälfte 12 positioniert wird, so dass das Trägersubstrat 10 beim Verfüllen bzw. Bilden der Verkapselung 8 nicht verrutscht. Dabei wirkt die zweite Werkzeughälfte 12 mit dem Trägersubstrat 10 vorzugsweise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung formschlüssig zusammen.
  • In einem geschlossenen Zustand formen die erste Werkzeughälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 einen Hohlraum 7, der zumindest teilweise das Trägersubstrat 10 umgibt. Durch ein Verfüllen des Hohlraums 7 mit einem Material, insbesondere einem gussfähigen Kunststoff, und einem anschließenden Aushärten des Materials kann man dann eine entsprechende Verkapselung 8 in Form des Hohlraums 7 um das Trägersubstrat 10 herum ausbilden. Zur gezielten Ausbildung einer Aussparung, insbesondere oberhalb eines Anschlusses auf einer Oberseite des Elektronikelements 5, in der Verkapselung 8, die später dann zur Bildung der Durchkontaktierung 16 genutzt werden kann, ist es bevorzugt vorgesehen, dass in die erste Werkzeughälfte 11 und/oder zweite Werkzeughälfte 12 zumindest ein Stempelelement 13 eingelassen ist.
  • Dieses Stempelelement 13 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass es verschiebbar in der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zweiten Werkzeughälfte 12 gelagert ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Stempelelement 13 in den Hohlraum 7 einzuführen, so dass beim Verfüllen ausschließlich der um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements 13 reduzierte Hohlraum 7 verfüllt wird. Mit anderen Worten: der Teil des Hohlraums 7, in dem sich das Stempelelement 13 während des Verfüllens des Hohlraums 7 anordnet ist, bleibt frei von dem Material der Verkapselung 8 und bildet die Aussparung, die später zur Bildung der Durchkontaktierung 16 genutzt wird. Die Nutzung eines solchen Stempelelements 13 erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil sie es gestattet, fertigungsbedingte Höhenunterschiede bzw. Toleranzen in der Höhe des mit dem Elektronikelement 5 bestückten Trägersubstrats 10 auszugleichen.
  • Bevorzugt wird das Stempelelement 13 dabei derart weit in den Hohlraum 7 eingeführt, bis es in Anschlag gerät mit der Oberseite des Elektronikelements 5 und/oder mit einer Metallisierung auf einer Bauteilseite 25 des Trägersubstrats 10. In der in 1a dargestellten Ausführungsform ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Stempelelement 13 in der ersten Werkzeughälfte 11 derart verschiebbar gelagert ist, dass das Stempelelement 13 gegenüber einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung schräg verläuft bzw. ausgerichtet ist. Mit anderen Worten: beim Verfüllen des um den eingebrachten Teil des Stempelelements 13 reduzierten Hohlraums 7 verläuft der in den Hohlraum 7 eingebrachte Teil des Stempelelements 13 schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich ein Winkel W zwischen einer Längserstreckung des Stempelelements 13 und der senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ausbildet, wobei der Winkel W einen Wert zwischen 5° und 65°, bevorzugt zwischen 10° und 45°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt.
  • Ferner ist es dabei vorgesehen, dass nach dem Aushärten des Materials, aus dem die Verkapselung 8 gebildet wird, zunächst das Stempelelement 13 herausgefahren wird, bevor das ausgeformte oder ausgebildete Elektronikmodul 100 mit dem verkapselten Trägersubstrat 100 aus der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zweiten Werkzeughälfte 12 ausgeformt wird, nachdem wiederum die erste Werkzeughälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand überführt werden. Nach einem Verfüllen der während der Verkapselung 8 durch das Stempelelement 13 verursachten Aussparung mit einem elektrisch leitenden Material bildet sich eine Durchkontaktierung 16 aus, wie sie beispielsweise in 1b dargestellt ist, die insbesondere schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ausgebildet ist. Dabei kontaktiert das eine Ende der Durchkontaktierung 16 eine Oberseite des Elektronikelements 5, und die andere Seite der Durchkontaktierung 16 steht in einem elektrisch leitenden Kontakt mit der weiteren Metallisierungsschicht an der Außenseite A der Verkapselung 8. Insbesondere reicht die Durchkontaktierung 16 bis zur Außenseite A der Verkapselung 8. Unter Oberseite eines Elektronikelements 5 versteht der Fachmann insbesondere die Seite, die dem Trägersubstrat 10 im Elektronikmodul 100 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die Ausbildung einer schräg verlaufenden Durchkontaktierung 16 ist es in vorteilhafter Weise möglich, die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite A der Verkapselung 8 lateral gegenüber den Anschlüssen an der Oberseite des Elektronikelements 5 zu versetzen.
  • Ferner ist es in der Ausführungsform gemäß den 1a und 1b vorgesehen, dass bei der Verkapselung 8 eine Unterseite des Trägersubstrats 10 frei bleibt, an der besonders bevorzugt eine Kühlstruktur ausgebildet ist, beispielsweise in Form von Finnen, die im Betrieb des Elektronikmoduls 100 beispielsweise von einer Kühlflüssigkeit umspült werden können.
  • In den 2a bis 2c ist eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der insbesondere vorgesehen ist, sukzessive hintereinander das Verfahren zum Verkapseln und Ausbilden von Durchkontaktierungen mittels eines Stempelelements 13 durchzuführen, um eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur zu realisieren. Insbesondere ist dabei in einem ersten Schritt vorgesehen, dass mit einem Stempelelement 13 beim Verfüllen des Hohlraums 7 eine Aussparung freigehalten wird, die später als Durchkontaktierung 16 zu dem Elektronikelement 5 auf dem Trägersubstrat 10 dient. Nach dem Entformen des verkapselten Trägersubstrats 10 ist sodann vorgesehen, dass eine weitere Metallisierung 18 an die Außenseite A der Verkapselung 8 angeformt wird bzw. daran ausgebildet wird. In einem anschließend erneuten Verkapselungsprozess ist es vorgesehen, dass eine weitere erste Werkzeughälfte 11' und eine weitere zweite Werkzeughälfte 12' derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie das verkapselte Trägersubstrat 10 mit seiner Verkapselung 8 zumindest teilweise umschließt und einen Hohlraum 7 zwischen der weiteren ersten Werkzeughälfte 11' und der weiteren zweiten Werkzeughälfte 12' ausbildet. Mittels eines weiteren Stempelelements 13' lässt sich dann eine weitere Durchkontaktierung 16' in der weiteren Verkapselung 8' realisieren. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das weitere Stempelelement 13' gegenüber dem Stempelelement 13 seitlich versetzt angeordnet wird, d.h. in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. In der 2c ist eine entsprechende Wiederholung des Verfahrens demonstriert und in 2d ist ein Elektronikmodul 100 beispielhaft dargestellt, in dem durch die realisierten Durchkontaktierungen 16 bzw. weiteren Durchkontaktierungen 16' und Metallisierungsschichten an den jeweiligen Verkapselungen 8 bzw. weiteren Verkapselungen 8' eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur gebildet ist.
  • In 3 ist eine dritte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass in dem zwischen der ersten Werkzeughälfte 11 und der zweiten Werkzeughälfte 12 ausgebildeten Hohlraum 7 ein Sockelelement 19 angeordnet ist, wobei auf dem Sockelelement 19 eine Zwischenmetallisierung 32, ein Trägersubstrat 10 und/oder ein Elektronikelement 5 angeordnet ist. Mittels des Sockelelements 19, das beispielsweise aus dem Material gefertigt ist, das später zur Verkapselung bzw. zum Verfüllen des Hohlraums 7 genutzt wird, ist es in vorteilhafter Weise möglich, ein weiteres Substrat bzw. ein weiteres Bauteil innerhalb der Verkapselung 8 in einer anderen Höhe, d. h. in einem anderen Abstand zum Trägersubstrat 10, anzuordnen. Insbesondere die Ausbildung als Zwischenmetallisierung 32 kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn dadurch mehrere Elektronikelemente 5 durch diese Zwischenmetallisierung 32 gleichzeitig versorgt werden können. Als Zwischenmetallisierung 32 ist beispielsweise ein Metallblock und/oder ein Metallblech denkbar. Insbesondere ist das Sockelelement 19 derart gestaltet, dass das Elektronikelement 5 und/oder Zwischenmetallisierung 32 näher an der Außenseite A der Verkapselung 8 angebracht ist als die Oberseite des unmittelbar an dem Trägersubstrat 10 angebrachten Elektronikelements 5, wodurch die Kontaktierung des auf dem Sockelelement 19 angeordneten Elektronikelements 5 signifikant vereinfacht werden kann.
  • In 4 ist eine vierte, beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel kennzeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Stempelelement 13 derart gestaltet ist, dass es Kontaktelemente 24, insbesondere stiftartige von der Oberseite des Elektronikelements 5 abstehenden Kontaktelemente 24, die an der Oberseite des Elektronikelements 5 ausgebildet sind, während des Verfüllens aufnimmt und schützt, insbesondere innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung 23. Dies erlaubt, dass bereits vor dem Verfüllen die Kontakte bzw. Anschlüsse an der Oberseite des Elektronikelements 5 angebunden werden können und nicht anschließend nach dem Verfüllen realisiert werden müssen. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess, insbesondere die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Außenseite A der Verkapselung 8 mit den Anschlüssen an der Oberseite des Elektronikelements 5. In der in der 4 dargestellten Ausführungsform sind die Kontaktelemente 24 als stiftartige Elemente dargestellt, die im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE des späteren Elektronikmoduls 100 verlaufen. Insbesondere kann sich dadurch auch der Abstand zu der Kontaktelemente 24 zu der Außenseite A der Verkapselung 8 deutlich reduzieren lassen, wenn die Kontaktelemente 24 entsprechend groß dimensioniert werden.
  • In 5 ist eine fünfte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gegenüber den Ausführungsformen aus den anderen Figuren ist dabei vorgesehen, dass das Stempelelement 13 an seiner Unterseite eine Ausnehmung 23 aufweist. Diese ist dabei derart gestaltet, dass sie beim Verfüllen des Hohlraums 7 das Elektronikelement 5 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, umgibt. Mit anderen Worten: das Stempelelement 13 wird über das Elektronikelement 5 übergestülpt, ohne dass das Stempelelement 13 dabei auf das Elektronikelement 5 gedrückt wird oder an dem Elektronikelement 5 anschlägt bzw. sogar anliegt. Diese Ausführungsform ist insbesondere für sensible Elektronikelemente 5 von Vorteil, bei denen ggfs. der vom Stempelelement 13 ausgeübte Druck andernfalls zu Schäden führen könnte.
  • Bezugszeichenliste
    • 5
    Elektronikelement
    7
    Hohlraum
    8
    Verkapselung
    8'
    weitere Verkapselung
    9
    Drahtbond
    10
    Trägersubstrat
    11
    erste Werkzeughälfte
    11'
    weitere erste Werkzeughälfte
    12
    zweite Werkzeughälfte
    12'
    weitere Werkzeughälfte
    13
    Stempelelement
    13'
    weiteres Stempelelement
    16
    Durchkontaktierung
    16'
    weitere Durchkontaktierung
    18
    weitere Metallisierung
    19
    Sockelelement
    23
    Ausnehmung
    24
    Kontaktelement
    25
    Bauteilseite
    32
    Zwischenmetallisierung
    100
    Elektronikmodul
    A
    Außenseite
    W
    Winkel
    HSE
    Haupterstreckungsebene

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats (10), insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement (5) bestückten Trägersubstrats (10), umfassend - Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats (10), insbesondere in Form eines Metall-Keramik-Substrats, zwischen einer ersten Werkzeughälfte (11) und einer zweiten Werkzeughälfte (12) - Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der ersten Werkzeughälfte (11) und der zweiten Werkzeughälfte (12), wobei der Hohlraum (7) das mindestens eine Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt, - Einbringen mindestens eines Stempelelements (13), das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte (11) und/oder zweiten Werkzeughälfte (12) verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7), und - jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements (13) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung (8) des mindestens einen Trägersubstrats (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (13) gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) des Trägersubstrats (1) verlaufenden Richtung schräg verschiebbar gelagert ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Stempelelement (13) an seiner dem Trägersubstrat (10) zugewandten Seite mit mindestens einer Ausnehmung (23) strukturiert ist, wobei beim Verfüllen des Hohlraums (7) ein Kontaktelement (24) am Elektronikelement (5) und/oder das Elektronikelement (5) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb mindestens einer Ausnehmung (23) angeordnet ist.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempelelement (13) als Kontaktelement zumindest teilweise in der gefertigten Verkapselung (8) belassen wird.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Verfüllen ein Sockelelement (19) im Hohlraum (7) angeordnet wird, wobei auf dem Sockelelement (19) ein weiteres Trägersubstrat (10) und/oder ein weiteres Elektronikelement (5) und/oder eine Zwischenmetallisierung (32), vorzugsweise eine zentrale Zwischenmetallisierung (32), angeordnet wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Neigungsrichtung des schräg verschiebbar gelagerten Stempelelements (13) gegenüber der senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung um einen Winkel (W) geneigt ist, der einen Wert zwischen 5° und 60°, bevorzugt zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: - Ausbilden einer weiteren Metallisierung (18) an einer Außenseite (A) der Verkapselung (8) - Positionieren des verkapselten Trägersubstrats (10) zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') - Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12'), wobei der Hohlraum (7) das verkapselte Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt, - Einbringen mindestens eines weiteren Stempelelements (13'), das vorzugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und/oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7) - jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindestens einen weiteren Stempelelements (13') reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung (8') für das verkapselte Trägersubstrat (10).
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Werkzeughälfte (11) und/oder die zweite Werkzeughälfte (12) derart gestaltet sind, dass in der gefertigten Verkapselung (8) in der Außenseite (A) eine Strukturierung und/oder zumindest ein Rücksprung realisiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempelelement (13) und/oder das weitere Stempelelement (13') in der ersten oder weiteren ersten Werkzeughälfte (11, 11') und/oder der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') verschiebbar, drehbar, entfaltbar, verschwenkbar oder aufblasbar gelagert ist.
  9. Elektronikmodul (100) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte (11), einer zweiten Werkzeughälfte (12) und einem Stempelelement (13) für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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