DE102020112879A1

DE102020112879A1 - Verbundstruktur mit zumindest einer elektronischen Komponente sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundstruktur

Info

Publication number: DE102020112879A1
Application number: DE102020112879.7A
Authority: DE
Inventors: Roman Ostholt; Florian Roick; Rafael Santos
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-18
Also published as: WO2021228298A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur (1) auf einem mit elektrischen Anschlusskontakten (2) versehenen Träger (3) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Mehrere elektronische Komponenten (4) sind in einem jeweiligen Ausschnitt (5) eines ebenen Glassubstrats (6) kraft- und formschlüssig fixiert. Dadurch lassen sich die elektronischen Komponenten (4) gemeinsam und mit einer hohen Genauigkeit in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger (3) relativ zu den elektrischen Anschlusskontakten (2) anordnen. Das Glassubstrat (6) ist mit Durchgangsöffnungen (8) versehen, die innenseitig eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, und dadurch als Durchgangskontaktierung zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats (6) dienen. Nach der Positionierung werden das Glassubstrat (6) und die elektronischen Komponenten (4) durch Aufbringen einer elektrisch nichtleitenden Vergussmasse (9) von dieser eingeschlossen und auf dem Träger (3) in ihrer relativen Position fixiert. In die Vergussmasse (9) werden anschließend Durchgangsöffnungen (10) korrespondierend zu den in dem Glassubstrat (6) vorhandenen Durchgangsöffnungen (8) eingebracht. Die Vergussmasse (9) enthält Additive, die infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung aktivierbar sind, sodass diese in einem außenstromlosen Metallisierungsbad mit einer elektrisch leitfähigen Verstärkung als Leiterbahn versehen werden können. Die so in der Vergussmasse (9) erzeugte jeweilige elektrisch leitfähige Durchkontaktierung schließt somit an die Durchgangskontaktierung des Glassubstrats (6) elektrisch leitend an.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur auf einem mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen Träger mit zumindest einer mit den Anschlusskontakten verbundenen elektronischen Komponente. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundstruktur.
Die Halbleiterindustrie hat aufgrund kontinuierlicher Verbesserungen bei der Integrationsdichte verschiedener elektronischer Bauteile ein rasches Wachstum erfahren. Im Zuge der fortschreitenden Integration werden immer mehr Baugruppen, die zuvor als einzelne Halbleiter-Wafer nebeneinander auf einer Platine angebracht wurden, vereint.
DE 10 2007 022 959 A1 zeigt ein Halbleiter-Package, bei dem ein Halbleiter-Wafer in eine Vergussmasse eingebettet ist. Eine Umverdrahtungsschicht ist mit Lötkugeln für eine Oberflächenmontage des Halbleiter-Wafer-Package verbunden. Durchkontaktierungen durch das Halbleiter-Package sind mit Lötmaterial auf einer Oberfläche des Halbleiter-Package versehen, mit dem ein zweites Halbleiter-Package auf dem ersten gestapelt werden kann.
Die US 6,716,670 B1 zeigt ein Halbleiter-Wafer-Package für die Oberflächenmontage. An einer Hauptoberfläche sind Kontakte vorgesehen, an denen ein zweites Halbleiter-Wafer - Package angebracht werden kann.
Die DE 10 2006 033 175 A1 zeigt ein Elektronikmodul, das ein Logikteil und ein Leistungsteil umfasst. Logikteil und Leistungsteil sind auf übereinander angeordneten Substraten angeordnet und gemeinsam vergossen.
Außerdem beschreiben die US 2014/0091473 A1 und die US 2015/0069623 A1 die 3D-Halbleiter-Wafer-Integration von TSMC, wobei Halbleiter-Wafer in Kunststoffharz eingegossen werden und eine Durchkontaktierung als Through-Silicon-Vias erfolgt oder als Metallstege in die Vergussmasse eingebettet sind.
Bei einem als Laser-Direktstrukturierung (LDS) bekannt gewordenen Verfahren werden Trägermaterialien im Einkomponenten-Spritzguss mit speziell additiviertem Kunststoffgranulat als Formteile spritzgegossen. Mittels Laser können die Additive ortsselektiv in einer physikalisch-chemischen Reaktion zu katalytisch wirksamen Keimen umgesetzt werden, wobei sich in einem anschließenden chemischen Metallisierungsbad an den so behandelten Stellen Metall abscheidet.
In der DE 101 32 092 A1 werden Leiterbahnstrukturen auf einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial beschrieben, die aus Metallkeimen und einer nachfolgend auf diese aufgebrachten Metallisierung bestehen, wobei die Metallkeime durch Aufbrechen von feinstverteilt in dem Trägermaterial enthaltenen elektrisch nichtleitenden, anorganischen Metallverbindungen durch elektromagnetische Strahlung entstanden sind.
Das Einbringen der Vergussmasse kann zu einer relativen Verlagerung der elektronischen Komponenten untereinander sowie gegenüber einer vorbestimmten Sollposition des Trägers führen. Zudem kommt es aufgrund der erstarrungsbedingten Schrumpfung der Vergussmasse zu Spannungen, die zu einer unebenen Verformung führen können. Weiterhin kommt es zu einem Driften der Halbleiter-Wafer auf dem Substrat aufgrund der dynamischen Kräfte der einströmenden Vergussmasse. Dadurch ist in der Praxis die Kontaktierung der elektronischen Komponenten auf die der Vergussmasse abgewandte Seite des Trägers beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine verbesserte Möglichkeit zur Kontaktierung des Trägers, insbesondere auch von einer dem Träger abgewandten Seite, zu schaffen. Weiterhin soll die Positionierung der elektronischen Komponenten auf dem Träger vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also eine Verbundstruktur auf einem mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen Träger mit mehreren mit den Anschlusskontakten verbundenen elektronischen Komponenten vorgesehen, die in einem jeweiligen Ausschnitt eines insbesondere ebenen Glassubstrats umfangsseitig eingeschlossen und in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger fixiert sind, wobei das Glassubstrat eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen mit Durchgangskontaktierung zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats aufweist, die mit den Anschlusskontakten des Trägers verbunden sind, wobei das Glassubstrat und die elektronische Komponente durch Aufbringen einer diese auf dem Träger einschließenden elektrisch nicht leitenden Vergussmasse geschützt und in ihrer relativen Position fixiert sind, wobei die nichtleitende Vergussmasse ein Additiv enthält, das infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist, wobei die Vergussmasse mit den Durchgangsöffnungen in dem Glassubstrat korrespondierende Durchgangsöffnungen mit Begrenzungsflächen aufweist und das Additiv durch die Einwirkung einer Laserstrahlung und eine anschließende außenstromlose Metallisierung elektrisch leitfähig mit der Durchgangskontaktierung des Glassubstrats verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird so erstmals eine Möglichkeit geschaffen, durch die Vergussmasse hindurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zu den elektrischen Anschlusskontakten des Trägers und der darauf befindlichen Leiterbahnstruktur zu schaffen, die auch die darauf befindliche elektronische Komponente einschließt. Indem also eine elektrisch nichtleitende Vergussmasse verwendet wird, werden einerseits die eingeschlossenen elektronischen Komponenten vor äußeren Einflüssen geschützt. Dabei wird eine unerwünschte Verlagerung der elektronischen Komponenten relativ zu dem Träger dadurch verhindert, dass das Glassubstrat einen die elektronischen Komponenten fixierenden Rahmen bildet. Andererseits enthält die nichtleitende Vergussmasse ein Additiv, welches durch das an sich bekannte LDS-Verfahren durch die Einwirkung einer Laserstrahlung und eine anschließende außenstromlose Metallisierung elektrisch leitfähig wird. Es können somit Durchgangsöffnungen, beispielsweise Bohrungen, in die Vergussmasse eingebracht werden und an deren Innenwandflächen eine durchgängige elektrische Verbindung erzeugt werden. Im Bereich des Glassubstrats entsteht so eine durchgängige elektrische Verbindung zu der jeweiligen Durchgangskontaktierung des Glassubstrats und somit der Leiterbahnstruktur auf dem Träger. Somit lässt sich erstmals eine elektrische Kontaktierung der Anschlusskontakte von der dem Träger abgewandten Außenseite der Vergussmasse erreichen und dabei zugleich auch ein Glassubstrat als Halterahmen für die darin eingeschlossenen elektronischen Komponenten realisieren. Zugleich wird dadurch die Positionierung der elektronischen Komponenten wesentlich vereinfacht. Darüber hinaus eignet sich die Vergussmasse aber auch als Träger einer mit dem LDS-Verfahren problemlos herstellbaren Leiterbahnstruktur und somit als Basis für weitere elektronische Komponenten und Bauteile.
Erfindungsgemäß entstehen so vollkommen neue Möglichkeiten bei der Herstellung komplexer mehrschichtiger Strukturen.
Dabei hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Vergussmasse an einer dem Träger abgewandten Seite eine leitfähige Struktur aufweist, wobei das Additiv infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist, wobei die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung und anschließende außenstromlose Metallisierung gebildet ist. Hierdurch werden die Voraussetzungen für die Erzeugungen der gewünschten Leiterbahnstruktur auf der Oberfläche der Vergussmasse und das Einbringen der Durchgangsöffnungen in die Vergussmasse korrespondierend zu den Durchkontaktierungen in dem Glassubstrat in einem gemeinsamen Schritt zugleich mit der Aktivierung der Additive in der Vergussmasse geschaffen. Durch einen abschließenden galvanischen Schichtaufbau werden alle Durchkontaktierungen und Leiterbahnstrukturen in einem einzigen Schritt fertiggestellt.
Dabei ist es erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass das Glassubstrat Durchbrechungen aufweist, durch welche die Vergussmasse in einen direkten Kontakt mit den Anschlusskontakten des Trägers kommt, sodass eine anschließende Bohrung und Laseraktivierung der Additive eine direkte Kontaktierung einer Leiterbahnstruktur auf der Oberfläche der Vergussmasse mit den Anschlusskontakten des Trägers ermöglicht. Bevorzugt erfolgt aber die Kontaktierung der Anschlusskontakte des Trägers mittels einer in dem Glassubstrat erzeugten Durchkontaktierung.
Dabei hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Vergussmasse ein transparentes oder transmissives Polymer ist, sodass die genaue Position und Orientierung des Glassubstrats nach dem Aufbringen der Vergussmasse problemlos identifiziert und die Durchgangsöffnungen in der Vergussmasse problemlos entsprechend der Durchkontaktierungen des Glassubstrats eingebracht werden können.
Dabei weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Glassubstrat eine Vielzahl von Ausschnitten zur formschlüssigen Fixierung einer jeweiligen elektronischen Komponente auf, die jeweils auch klemmschlüssig in dem jeweiligen Ausschnitt fixierbar sind, um die Positionierung auf dem Träger zu erleichtern. Eine Durchkontaktierung benachbarter elektronischer Komponenten durch die Trennflächen des Glassubstrats hindurch ist ebenfalls realisierbar.
Vorzugsweise besteht das Glassubstrat zumindest im Wesentlichen aus einem alkalifreien Glas, insbesondere einem Alumoborosilikatglas oder Borosilikatglas.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einem Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur auf einem mit elektrischen Anschlusskontakten versehenen Träger mit einer Vielzahl mit den Anschlusskontakten verbundenen elektronischen Komponenten gelöst, die in einen jeweiligen Ausschnitt eines insbesondere ebenen Glassubstrats umfangsseitig eingeschlossen sind und in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger fixiert werden, wobei in das Glassubstrat eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen mit Durchgangskontaktierungen zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats eingebracht und mit den Anschlusskontakten des Trägers verbunden werden und anschließend auf das Glassubstrat und die elektronischen Komponente eine diese auf dem Träger einschließende elektrisch nicht leitenden Vergussmasse aufgebracht wird, wobei die nichtleitende Vergussmasse ein Additiv enthält und in die Vergussmasse mit den Durchgangskontaktierungen in dem Glassubstrat korrespondiere Durchbrechungen eingebracht werden, wobei das Additiv durch die Einwirkung einer Laserstrahlung katalytisch aktive Spezies bildet, die anschließend durch außenstromlose Metallisierung elektrisch leitfähig mit der Durchgangskontaktierung des Glassubstrats verbunden werden. Entgegen dem Vorurteil in der Fachwelt, wonach ein als Rahmen verwendetes Glassubstrat eine Durchkontaktierung der vergossenen Verbundstruktur ausschließt, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein bereits mit elektrischen Durchkontaktierungen versehenes Glassubstrats auch nach dem Vergießen mit der nichtleitenden Vergussmasse elektrisch kontaktiert werden kann, wenn in der Vergussmasse aktiviere Additive enthalten sind, die durch Laserstrahlung katalytisch aktiv werden und dann eine einfache galvanische Verstärkung ermöglichen. Somit lässt sich die gewünschte Kontaktierung durch das Glassubstrat hindurch erreichen.
Die notwendigen Durchgangsöffnungen in dem Glassubstrat können mit verschiedenen, aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren eingebracht werden. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Variante des Verfahrens, bei dem die zur Durchkontaktierung erforderlichen Durchgangsöffnungen mittels Laser Induced Deep Etching (LIDE) in das Glassubstrat eingebracht werden. Dabei werden in dem Glassubstrat mittels Laserstrahlung, bei dem der Fokus der Laserstrahlung eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse der Laserstrahlung erfährt, entlang der Strahlachse Modifikationen erzeugt, sodass anschließend die Mikrostrukturen durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums und durch sukzessives Aufätzen infolge des anisotropen Materialabtrags in dem jeweiligen Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden.
Bei einer anderen ebenfalls besonders zweckmäßigen Variante des Verfahren wird die Laserstrahlung durch eine teildurchlässige Maske auf die nichtleitende Vergussmasse abgebildet, sodass die gesamte Leiterbahnstruktur einschließlich der Durchkontaktierungen in einem einzigen Schritt erzeugt werden können.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipdarstellung einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbundstruktur 1, die auf einem mit ober- und unterseitigen elektrischen Anschlusskontakten 2 versehenen Träger 3 aufgebacht ist. Mehrere der oberseitigen Anschlusskontakte 2 dienen der elektrischen Kontaktierung von zwei hier beispielhaft dargestellten elektronischen Komponenten 4, beispielsweise Mikrochips. Diese sind in einem jeweiligen Ausschnitt 5 eines ebenen Glassubstrats 6 kraft- und formschlüssig fixiert und durch Stege 7 voneinander getrennt. Dadurch lassen sich die elektronischen Komponenten 4 gemeinsam und mit einer hohen Genauigkeit in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger 3 relativ zu den elektrischen Anschlusskontakten 2 anordnen. Das Glassubstrat 6 ist mit einer Vielzahl von hier ebenfalls lediglich beispielhaft dargestellten Durchgangsöffnungen 8 versehen, die innenseitig mit einer nicht gezeigten elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind und dadurch als Durchgangskontaktierung zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats 6 dienen. Auch diese Durchgangskontaktierungen der Durchgangsöffnungen 8 werden bei der Positionierung des Glassubstrats 6 mit den jeweiligen Anschlusskontakten 2 des Trägers 3 verbunden. Nach der Positionierung werden das Glassubstrat 6 und die elektronischen Komponenten 4 durch Aufbringen einer elektrisch nichtleitenden Vergussmasse 9 von dieser eingeschlossen und auf dem Träger 3 in ihrer relativen Position fixiert, sodass diese insbesondere vor Umwelteinflüssen geschützt sind. In die Vergussmasse 9 werden anschließend Durchgangsöffnungen 10 korrespondierend bzw. koaxial zu den in dem Glassubstrat 6 vorhandenen Durchgangsöffnungen 8 der Durchkontaktierung eingebracht. Die Vergussmasse 9 enthält Additive, die infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung aktivierbar sind, sodass diese in einem außenstromlosen Metallisierungsbad mit einer elektrisch leitfähigen Verstärkung als Leiterbahn versehen werden können. Eine jeweilige in der Vergussmasse 9 erzeugte Durchkontaktierung schließt somit an die Durchgangskontaktierung des Glassubstrats 6 elektrisch leitend an. Im Ergebnis ist dadurch eine auf der Oberfläche der Vergussmasse 9 insbesondere in einem einzigen Arbeitsschritt erzeugte Leiterbahnstruktur 11 mit den elektrischen Anschlusskontakten 2 des Trägers 3 verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Verbundstruktur
2: Anschlusskontakt
3: Träger
4: Komponente
5: Ausschnitt
6: Glassubstrat
7: Steg
8: Durchgangsöffnung
9: Vergussmasse
10: Durchgangsöffnung
11: Leiterbahnstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007022959 A1 [0003]
US 6716670 B1 [0004]
DE 102006033175 A1 [0005]
US 2014/0091473 A1 [0006]
US 2015/0069623 A1 [0006]
DE 10132092 A1 [0008]

Claims

Verbundstruktur (1) mit einem Träger (3), der elektrische Anschlusskontakte (2) für ein oder mehrere elektronische Komponenten (4) aufweist, die in einem jeweiligen Ausschnitt (5) eines insbesondere ebenen Glassubstrats (6) umfangsseitig eingeschlossen und in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger (3) fixiert sind, wobei das Glassubstrat (6) mehrere Durchgangsöffnungen (8) mit Durchgangskontaktierung zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats (6) aufweist, die mit den Anschlusskontakten (2) des Trägers (3) verbunden sind, wobei das Glassubstrat (6) und zumindest eine elektronische Komponente (4) auf dem Träger (3) von einer elektrisch nicht leitenden Vergussmasse (9) eingeschlossen und in ihrer relativen Position fixiert sind, wobei die nichtleitende Vergussmasse (9) aktivierbare Additive enthält und mit den Durchgangsöffnungen (8) in dem Glassubstrat (6) korrespondierende Durchgangsöffnungen (10) aufweist, wobei die im Bereich der Durchgangsöffnungen (10) der Vergussmasse (9) mittels Laserstrahlung aktivierten Additive durch eine Metallisierung elektrisch leitfähig mit der Durchgangskontaktierung des Glassubstrats (6) verbunden sind.
Verbundstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9) an einer dem Träger (3) abgewandten Seite eine Leiterbahnstruktur (11) aufweist, wobei das Additiv infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist, wobei die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung und anschließende außenstromlose Metallisierung gebildet ist.
Verbundstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergussmasse (9) die Durchgangsöffnungen (10) und die Aktivierung der Additive in der Durchgangsöffnung (10) durch Laserstrahlung hergestellt sind.
Verbundstruktur (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9) ein transparentes oder transmissives Polymer ist.
Verbundstruktur (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glassubstrat (6) eine Vielzahl von Ausschnitten (5) zur formschlüssigen Fixierung einer jeweiligen elektronischen Komponente (4) aufweist.
Verbundstruktur (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glassubstrat (6) zumindest im Wesentlichen aus einem alkalifreien Glas, insbesondere einem Alumoborosilikatglas oder Borosilikatglas besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur (1) auf einem Träger für eine oder mehrere elektronische Komponenten (4), die in einem jeweiligen Ausschnitt (5) eines insbesondere ebenen Glassubstrats (6) umfangsseitig eingeschlossen und in einer vorbestimmten Sollposition auf dem Träger (3) fixiert werden, wobei in das Glassubstrat (6) eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (8) mit Durchgangskontaktierung zwischen den beiden Außenseiten des Glassubstrats (6) eingebracht und mit Anschlusskontakten (2) des Trägers (3) verbunden werden und anschließend auf das Glassubstrat (6) und die zumindest eine elektronische Komponente (4) eine diese auf dem Träger (3) einschließende elektrisch nicht leitenden Vergussmasse (9) aufgebracht wird, wobei mit den Durchgangskontaktierungen des Glassubstrats (6) korrespondiere Durchgangsöffnungen (10) in die Vergussmasse (9) eingebracht werden und anschließend ein in der nichtleitenden Vergussmasse (9) enthaltenes Additiv durch die Einwirkung einer Laserstrahlung katalytisch aktive Spezies bildet, die anschließend metallisiert und dadurch elektrisch leitfähig mit der Durchgangskontaktierung des Glassubstrats (6) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (10) mittels eines Lasers in die Vergussmasse (9) eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9) in einem Metallisierungsbad außenstromlos metallisiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Glassubstrat (6) die zur Durchkontaktierung erforderlichen Durchgangsöffnungen (8) mittels Laser Induced Deep Etching (LIDE) hergestellt werden.