DE102005041640A1

DE102005041640A1 - Modulares mikroelektronisches Bauteil

Info

Publication number: DE102005041640A1
Application number: DE200510041640
Authority: DE
Inventors: Michael Niedermayer; Andreas Ostmann; Stephan Guttowski; Stefan Grundmann; Rolf Thomasius; Dmitry-David Polityko
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15
Also published as: WO2007025753A3; WO2007025753A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares mikroelektronisches Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemäß enthält das Verfahren die Schritte: DOLLAR A a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschichten (12), wobei jede einzelne Funktionsschicht (12) einen flächigen Träger (10), auf dem Träger (10) angeordnete elektronische Komponenten (1-5, 8, 9), eine Leiterstruktur und sich am Rand (6) des Trägers (10) befindende elektrische erste Kontaktstellen (11) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen (11) am Rand (6) des Trägers (10) verbunden ist; DOLLAR A b) schichtweises Aufeinanderlegen der Funktionsschichten (12); DOLLAR A c) elektrisches Verbinden der Funktionsschichten (12) über die ersten Kontaktstellen (11). DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht es, ein äußerst kompaktes und robustes mikroelektronisches Bauteil herzustellen. Dabei kann der Abstimmungsaufwand beim Entwurf der einzelnen Funktionsschichten gegenüber anderen modularen Ansätzen sehr gering gehalten werden. Sehr unterschiedliche Aspektverhältnisse der einzelnen Funktionsschichten gestalten sich bei der Systemintegration recht problemlos, was einen geringeren Enwicklungsaufwand erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares mikroelektronisches Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines Bauteils.

Aufgrund der Weiterentwicklung in der Mikrosystemtechnik können selbst komplexe eingebettete Systeme immer kleiner und kostengünstiger realisiert werden. Damit erschließen sich vielfältige Anwendungen, insbesondere mit integrierter Sensorik und Funkkommunikation, beispielsweise Aufzeichnung von Umweltbedingungen, Verfolgung der Bewegung bei beweglichen Objekten, Warnung vor Materialermüdung bei rotierenden Teilen, Bestandverwaltung und -kontrolle, Realisierung von virtuellen Tastaturen, Bestimmung der Produktqualität und Unterstützung von Behinderten. Eingebettete Systemarchitekturen besitzen die Fähigkeit, einfach anpassbar zu sein.

Modulare eingebettete Systeme enthalten üblicherweise einen Mikroprozessor zur Datenverarbeitung bzw. zur Steuerung, sowie weitere Teilsysteme, welche je nach Anwendungszweck gewählt sind. Beispiele für solche Teilsysteme sind Sensoren und Schaltungen zur Messdatenverarbeitung, Aktuatoren mit Ansteuerung zur Positionierung der Sensorik, Antenne und Elektronik zur Hochfrequenzerzeugung/-auswertung sowie zur Steuerung der Kommunikation und Energieversorgung und Bauelemente zum Management der Leistungsaufnahme. Das Gesamtsystem besteht in diesem Falle aus einem bzw. mehreren integrierten Schaltkreisen, Quarz(en) zur Trägerfrequenz- bzw. Takterzeugung, passiven Komponenten zur Filterung, Anpassung und Schaltungsentkopplung, ggf. Sensoren, Aktoren, Antenne(n), Batterie. Diese Komponenten sind recht verschieden in ihren räumlichen Abläufen.

Eine Vielzahl von elektronischen Komponenten mit einer hohen Leiterdichte in einem Bauteil zu verwirklichen stellt insbesondere dann eine Herausforderung dar, wenn sehr kompakte Abmaße und Robustheit gefordert sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung eines äußerst kompakten sowie stabilen modularen mikroelektronischen Bauteils ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, ein mikroelektronisches Bauteil zu schaffen, welches sich durch Kompaktheit und Stabilität auszeichnet.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und durch eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Erfindungsgemäß weist das Verfahren zur Herstellung eines modularen mikroelektronischen Bauteils folgende Schritte auf:

a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschichten, wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger, auf dem Träger angeordnete elektronische Komponenten, eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers befindende elektrische erste Kontaktstellen aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen am Rand des Trägers verbunden ist;
b) Schichtweises Übereinanderlegen der Funktionsschichten;
c) Elektrisches Verbinden der Funktionsschichten über die ersten Kontaktstellen.

Erfindungsgemäß ist, die für die elektronischen Komponenten wesentliche Anschlüsse mit ersten Kontaktstellen zu verbinden, welche sich am Rand des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht befinden. Dies können insbesondere Anschlüsse sein, mit denen die elektrischen Komponenten der einen Funktionsschicht mit den elektronischen Komponenten der anderen Funktionsschicht verbunden werden.

Durch die Verlagerung der Kontaktstellen auf den Rand werden aufwendige Kontaktierungen, die durch die einzelnen Funktionsschichten hindurchtreten müssen, weitestgehend, vorzugsweise sogar völlig, vermieden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verbinden der am Rand liegenden ersten Kontaktstellen aufgrund deren exponierter Lage sehr unproblematisch ist. Dies ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt zu sehen, dass man solch ein mikroelektronisches Bauteil vorzugsweise mit möglichst kleinen Abmaßen herstellen möchte, aber kleine Abmaße insbesondere das elektrische Verbinden zunehmend erschweren.

Erfindungsgemäß werden die Funktionsschichten schichtweise übereinander gelegt bzw. gestapelt. Vorzugsweise befinden sich nach dem Stapeln zwischen den einzelnen Funktionsschichten höchstens nur noch kleine Lücken oder Hohlräume.

Durch das Stapeln der Funktionsschichten wird eine sehr kompakte Struktur des Bauteils erreicht. Durch das direkte Aufeinanderliegen der Funktionsschichten ist das Bauteil auch entsprechend robust.

Die Leiterstruktur, welche elektronische Komponenten und erste Kontaktstellen verbindet, kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden, beispielsweise durch Aufdampfen einer Metallstruktur oder durch einen Ätzprozess einer schon vorhandenen Metalllage. Je nach Bedarf kann die Leiterstruktur auch mehrschichtig sein. Je nach Verbindungstechnik können die ersten Kontaktstellen verstärkt sein oder eine gewisse Struktur aufweisen, beispielsweise die Form von Metall-/Löthöckern (sog. „Bumps").

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in Schritt a) des Verfahrens die Träger der jeweiligen Funktionsschichten zumindest eine Kontaktkante mit einer einheitlichen Form aufweisen und entlang dieser Kontaktkante die ersten Kontaktstellen angeordnet sind, und dass in Schritt b) des Verfahrens die Funktionsschichten an ihren Kontaktkanten übereinander gestapelt werden.

Auf diese Weise sind die ersten Kontaktstellen in einem räumlich begrenzten Bereich angeordnet. Dies erniedrigt den Aufwand und auch den Platzbedarf, welcher für die elektrischen Verbindung der Funktionsschichten notwendig ist. Diese Einheitlichkeit ermöglicht es insbesondere, eine hohe Anzahl von Funktionsschichten zu einem modularen mikroelektronischen Bauteil zusammenzufügen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktkante des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht gerade ist. Die übereinander gestapelten Kontaktkanten der Funktionsschichten bilden in diesem Falle eine ebene Fläche. Eine solch ebene Fläche ist für das elektrische Verbinden der ersten Kontaktstellen vorteilhafter als gekrümmte Flächen. Letzteres wäre aber prinzipiell auch möglich.

Insbesondere können pro Funktionsschicht auch mehrere Kontaktkanten vorgesehen sein. Dies richtet sich u. a. nach der Leiterdichte. Insbesondere könnten die Träger der einzelnen Funktionsschichten rechteckförmig sein, wobei die ersten Kontaktstellen an einer, an zwei, an drei oder an allen vier Kanten angeordnet sind. Haben die rechteckförmigen Träger unterschiedliche Größe, so bietet es sich an, die ersten Kontaktstellen an zwei benachbarten Kanten anzuordnen. Stapelt man die einzelnen Funktionsschichten gemeinsam über der Ecke, welche zwischen den beiden Kon taktkanten liegt, so bilden die Kontaktkanten zwei ebene Flächen, die senkrecht aufeinanderstehen. Dies ermöglicht ein einfaches elektrisches Verbinden der Funktionsschichten sowie gleichzeitig auch einen robusten Aufbau.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in einem weiteren Schritt die hergestellten Funktionsschichten mit einer Vergussmasse eingegossen werden.

Durch das Eingießen kann die einzelne Funktionsschicht mechanisch stabilisiert werden. Gleichzeitig bietet die Vergussmasse auch einen Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse.

Insbesondere kann über das Eingießen der Funktionsschichten die Form der Funktionsschichten beeinflusst werden.

Es ist davon auszugehen, dass auf einem Träger einer Funktionsschicht Komponenten mit unterschiedlicher Höhe und an unterschiedlichen Orten angeordnet sind. Dies kann das Stapeln der Funktionsschichten erschweren. Durch eine Vergussmasse können allerdings solche Höhenunterschiede ausgeglichen werden. Es können Funktionsschichten erzeugt werden, welche eine planparallele Ober- und Unterfläche aufweisen. Aufgrund der ebenen Ober- und Unterflächen können die einzelnen Funktionsschichten problemlos übereinander gestapelt werden.

Die einzelnen Funktionsschichten können beispielsweise nach Bestückung des Trägers mit den elektronischen Komponenten und nach deren elektrischer Kontaktierung eingegossen werden. Alternativ ist es auch möglich, die einzelnen Funktionsschichten erst zu stapeln, und dann einzugießen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten in ihrer Höhe gedünnt werden.

Viele elektronische Bauteile, insbesondere SMD- oder MCM-Bauteile, besitzen eine dicke Schutzhülle, die die eigentliche Elektronik vor äußeren Einflüssen schützt. Dies heißt aber auch, dass ein Teil der Schutzhülle entfernt werden kann, ohne dass die Funktion des Bauteils beeinträchtigt wird. Wird nun ein Teil der Schutzhülle der Bauteile entfernt, so verringern sich die Abmaße der elektronischen Komponenten.

Durch dieses "Dünnen" lässt sich insbesondere die Höhe einer Funktionsschicht erniedrigen. Für das gesamte Bauteil heißt dies, dass sich die Abmaße und das Gewicht verringern.

Ein Dünnen bietet sich insbesondere für den Fall an, dass die Funktionsschicht mit einer Vergussmasse eingegossen worden ist. Vergussmasse und/oder Schutzhülle der elektronischen Komponenten können in diesem Falle beispielsweise durch mechanisches Abschleifen gemeinsam gedünnt werden, wobei die Vergussmassen gleichzeitig die mechanische Stabilität der Funktionsschicht während des Schleifprozesses gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Funktionsschichten während des Stapelns oder nach dem Stapeln miteinander ver bunden werden, vorzugsweise durch Kleben oder Verguss.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten mittels einer strukturierten Metallisierung und/oder mittels einer leitfähigen Paste und/oder Verdrahtung miteinander elektrisch verbunden werden.

Eine strukturierte Metallisierung lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass auf die Fläche, die durch die Kontaktkanten der einzelnen Funktionsschichten gebildet wird, an denen die ersten Kontaktstellen liegen, eine Metallschicht aufgebracht wird, beispielsweise durch Verdampfen, und diese dann an den gewünschten Stellen entfernt wird, beispielsweise durch Ätzen oder Verdampfen, insbesondere mit einem Laser. Als leitfähige Paste kann beispielsweise Silberleitkleber verwendet werden. Die einzelnen Kontaktstellen können auch durch eine Bondstruktur miteinander verbunden werden. Drähte oder ähnliches können grundsätzlich ebenfalls eingesetzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach Stapeln der Funktionsschichten die Funktionsschichten zumindest im Bereich der Kontaktkanten mit einer Verbindungsstruktur verbunden werden, wobei die Verbindungsstruktur einen Träger und eine auf die Oberfläche des Träger aufgebrachte Leiterstruktur aufweist, so dass nach Verbinden der Verbindungsstruktur mit dem Stapel der Funktionsschichten der ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten über die Leiterstruktur miteinander elektrisch verbunden sind.

Beispielsweise können die ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten Löt-Bumps aufweisen, durch die durch Erhitzen eine stabile Verbindung mit der Leiterstruktur der Verbindungsstruktur hergestellt werden kann. Alternativ sind auch andere Verbindungstechniken, beispielsweise Verwendung leitfähiger Pasten, möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Träger ein starres Material ist, beispielsweise Keramik oder ein Epoxydharz. In diesem Falle trägt die mit den Funktionsschichten verbundene Verbindungsstruktur aufgrund des starren Trägers auch zur Stabilität des gesamten Bauteils bei. Möglich sind allerdings auch andere Arten von Trägern, beispielsweise Polymerfolien.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Verbindungsstruktur vor und/oder nach Verbinden mit dem Stapel der Funktionsschichten mit weiteren elektrischen Komponenten bestückt wird.

Aufgrund dessen, dass die einzelnen Funktionsschichten horizontal übereinander gestapelt werden, ist die Anordnung von Komponenten mit hohen vertikalen Abmaßen sehr ungünstig. Insbesondere solche Komponenten können vorteilhaft auf der Verbindungsstruktur angeordnet werden. Die Funktionsschichten lassen sich auf diese Weise wesentlich kompakter anordnen, die Komponente selber kann ohne wesentlich zu stören zumindest die gesamte Höhe des Stapels der Verbindungsschichten ausnutzen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht, dass die Funktion der Funktionsschichten vor dem Stapeln zumindest teilweise überprüft wird.

Zur Sicherung einer hohen Ausbeute sollten die Funktionsschichten getestet und ggf. Abstimmungs- und Entkopplungsmaßnahmen durchgeführt werden. Alle Anschlüsse zum Test sind vorteilhafterweise auf den Rand des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht herausgeführt, um eine einfache und zuverlässige Ankontaktierung zu gewährleisten.

Die Funktionsschichten können entweder einzeln oder zusammen mit anderen Funktionssichten getestet werden. Auf diese Weise können Wechselwirkungen zwischen einzelnen Funktionsschichten festgestellt werden und möglicherweise durch eine Umordnung der Funktionsschichten behoben werden. Da bei stark miniaturisierten Systemen die Bauelemente auf verschiedenen Funktionsschichten verteilt sein können, ist ein Test einzelner Funktionsschichten in Kombination mit bereits getesteten Funktionsschichten sinnvoll.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht angeordnet sind.

Diese Art der Anordnung der elektronischen Komponenten ist im Hinblick auf Kompaktheit und Robustheit des modularen Bauteils optimiert.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht angeordnet sind.

Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt auf Modularisierung und einfache Erweiterung gelegt wird. Die Komponenten für die gleiche Systemfunktion (z.B. Funkschnittstellen, Sensorik, Datenverarbeitung) werden kopiert und jeweils als Funktionsschicht(en) angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten einer Funktionsschicht einseitig oder beidseitig angeordnet sind.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten auf dem Träger angeordnet und/oder in dem Träger eingebettet sind.

Insbesondere durch die beidseitige Anordnung steht zum einen mehr Platz für die Leiterstruktur zur Verfügung, des Weiteren können räumliche Lücken zwischen benachbarten Funktionsschichten ausgenutzt werden. Durch die Einbettung der Komponenten in dem Träger kann die mechanische Stabilität der Funktionsschicht erhöht werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Funktionsschichten zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers angeordnete Kontaktstellen aufweisen, und durch Stapeln der Funktionsschichten zumindest teilweise die Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten elektrisch in Kontakt gebracht und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.

Beispielsweise können die inneren elektrischen Verbindungen der einzelnen Funktionsschichten über Lötkugeln erfolgen. Alternativ können auch Verbindungsleisten oder -rahmen vorgesehen sein, beispielsweise Durchkontaktierungen, Leiterplatten, Steckleisten o der ähnliches. Eine weitere Möglichkeit ist es, die inneren elektrischen Verbindungen über Substrate bzw. Schaltungsträger umzusetzen. Auch über Druckkontakte können solche elektrischen Verbindungen hergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Träger starre Träger, vorzugsweise aus Keramik oder aus Epoxydharz, oder flexible Träger, vorzugsweise eine Polymerfolie, verwendet werden.

Die Wahl des Trägers ist im Wesentlichen durch den Einsatzzweck vorgegeben. Wird das Bauteil bei hohen Temperaturen eingesetzt, so bieten sich Keramikträger an. Ist ein kompakter Aufbau notwendig, welcher in den jeweiligen Funktionsschichten eine dichte Leiterstruktur erfordert, so bietet sich der Einsatz von Dünnfilm- oder Mikrofeinstleitertechnologien an. Als Standardmaterial lassen sich Träger aus Epoxydharz verwenden, die glasfaserverstärkt sein können. Für gewisse Anwendungen können auch Polymerfolien geeignet sein.

Insbesondere ist es möglich, für ein modulares Bauteil unterschiedlichen Arten von Trägern für die einzelnen Funktionsschichten zu verwenden. Beispielsweise könnte eine Funktionsschicht eines Bauteils aus drei Funktionsschichten einen Träger aus Silizium aufweisen, um für eine auf diesem Träger angeordnete große Anzahl von Komponenten eine dichte Leiterstruktur zu ermöglichen. Der Träger der beiden anderen Funktionsschichten könnte aus Epoxydharz bestehen, weil eine hohe Dichte der Leiterstruktur aufgrund der auf diesen Trägern angeordneten Komponenten nicht notwendig ist. In diesem Sinne lassen sich je nach Anwendungszweck verschiedene Materialien mit verschiedenen Vorteilen kombinieren.

Des Weiteren schafft die Erfindung ein modulares mikroelektronisches Bauteil mit zumindest zwei gestapelten Funktionsschichten und einer die Funktionsschichten zumindest teilweise elektrisch verbindenden Verbindungsstruktur, wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger, auf dem Träger angeordnete elektronische Komponenten, eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers befindende elektrische erste Kontaktstellen aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen am Rand des Trägers verbindet, und die Träger der jeweiligen Funktionsschichten zumindest eine Kontaktkante mit einer einheitlichen Form aufweisen, an der sie übereinanderliegend gestapelt sind, und entlang derer die ersten Kontaktstellen angeordnet sind, und die Verbindungsstruktur an einer durch die Kontaktkanten gebildeten zweiten Fläche des Stapels der Funktionsschichten angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Funktionsschichten an ihrer Oberseite und/oder an ihrer Unterseite eine ebene, zueinander parallele Fläche aufweisen, und die jeweilige Oberseite und Unterseite benachbarter Funktionsschichten flächig aufeinander liegen. Auf diese Weise sind die einzelnen Funktionsschichten stabil übereinander gestapelt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit mehreren Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 die in diesem Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße mikroelektronische Bauteil verwendeten elektronischen Komponenten,
2 das Bauteil nach Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 das Bauteil in der Testphase des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 das Bauteil nach Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens und
5 das Bauteil nach Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt die in diesem Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen modularen mikroelektronischen Bauteils, hier ein Temperatursensor mit Funkübertragung, verwendeten elektronischen Komponenten.
Herzstück des Bauteils ist die Microcontrollerunit 1. Sie übernimmt die Steuerung und die Datenverarbeitung. Ein RF-Baustein 2 dient zur Kommunikation mittels Funk. Ein ID-Bauteil 3 dient zur Identifizierung des Bauteils. Zwei Quarze 4 sind zur Erzeugung einer Trägerfrequenz bzw. zur Erzeugung eines Taktes vorhanden. Zwei Temperatursensoren 5 sowie passive Elemente 8 (Widerstände, kapazitive und induktive Elemente) sind weitere elektronische Komponenten. Für die Versorgung der elektronischen Komponenten wird eine Batterie 9 eingesetzt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die elektronischen Komponenten zur Bildung von Funktionsschichten 12 auf Trägern 10 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die elektronischen Komponenten drei Funktionsschichten 12a bis 12c zugeordnet (siehe hierzu schon 2).
Jede der drei Funktionsschichten 12a bis 12c weist einen flächigen, rechteckförmigen Träger 10a bis 10c auf. Entsprechend den Komponenten, die auf dem jeweiligen Träger angeordnet werden sollen, befindet sich auf der Oberfläche sowie im Inneren des Trägers eine Leiterstruktur (nicht dargestellt). Des Weiteren weist jeder Träger der drei Funktionsschichten 12 erste Kontaktstellen 11 auf. Diese Kontaktstellen liegen am Rand des Trägers entlang zweier benachbarter Kanten/Ränder 6a und 6b. Die einzelnen elektronischen Komponenten werden auf die vorhergesehenen Plätze des jeweiligen Trägers 10 gesetzt und mit der Leiterstruktur mittels eines Lötvorganges verbunden. Die fertigen Funktionsschichten 12a bis 12c sind in 2 dargestellt.
Aufgrund der Größe der Batterie 9 lohnt es sich nicht, für diese Komponente einen Träger mit einer Leiterstruktur und ersten Kontaktstellen vorzusehen. Die Batterie 9 bildet in diesem Falle für sich alleine eine Funktionsschicht 12d.
Grundsätzlich ist es nicht notwendig, dass alle Funktionsschichten einen Aufbau Träger – elektronische Komponenten – Leiterstruktur – erste Kontaktstellen haben. Auch Schichten mit einem anderen Aufbau, wie beispielsweise obige Batterie 9, lassen sich integrieren, mit der Möglichkeit, als Unter-, Ober- oder Zwischenschicht in dem modularen Bauteil angeordnet zu sein.
Die Funktionsschichten 12a bis 12c werden mit einer Vergussmasse 15 eingegossen. Dabei werden die elektronischen Komponenten der Funktionsschichten 12a und 12b vollständig mit der Vergussmasse 15 überdeckt, so dass diese Funktionsschichten die Form eines Quaders aufweisen.
Die Funktionsschicht 12b hingegen wird nur teilweise mit Vergussmasse 15 eingegossen.
Auch die Batterie 9 bzw. die Funktionsschicht 12d könnte eingegossen werden. Dies erübrigt sich aber schon durch die Größe und der quaderförmigen Form der Batterie 9.
Durch die Vergussmasse 15 werden Funktionsschichten 12a und 12c mit planparallelen Unter- und Oberflächen erzeugt. Neben der mechanischen Stabilität, die durch das Eingießen erreicht wird, können nun in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten 12a bis 12d stabil übereinander gestapelt werden. Bei der Funktionsschicht 12b ist ein völliger Einguss nicht notwendig, weil diese Schicht die Deckschicht des Stapels bildet.
Insbesondere sind beim Eingießen der Funktionsschichten die sich am Rand befindenden ersten Kontaktstellen 11 von der Vergussmasse 15 freigehalten worden. Prinzipiell können diese Kontaktstellen durch die Vergussmasse auch überdeckt werden, müssen aber dann nachträglich wieder freigelegt werden, wodurch ein unnötiger, zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig ist.
Als Vergussmasse 15 wurde in diesem Falle ein Epoxydharz eingesetzt.
Nach dem Eingießen werden die Funktionsschichten 12a und 12c in ihrer Höhe gedünnt. Dazu wird die Oberfläche planparallel zur Unterfläche mechanisch abgeschliffen. Ein Teil der Schutzhülle der elektronischen Komponenten, welche sich auf diesen beiden Funktionsschichten befinden, wird durch das mechanische Schleifen entfernt.
Die Funktionsschichten werden vor dem Stapeln auf ihre Funktion überprüft. Diese Situation zeigt 3.
Die für das Testen notwendigen Kontakte der jeweiligen elektronischen Komponenten sind ebenfalls an den Rand als erste Kontaktstellen 11 herausgeführt. Um die Funktionsschichten 12 zu prüfen, wird eine flexible Testplatine 13 eingesetzt. Solch eine Testplatine kann beispielsweise ein flexibles Flachbandkabel mit entsprechenden Steckern sein. Mit dieser Testplatine können über Testzuführungen 7 die ersten Kontaktstellen 11 der jeweiligen Funktionsschicht 12 kontaktiert werden.
Aufgrund der flexiblen Testplatine 13 und der Unterteilung der elektronischen Komponenten in einzelne Funktionsschichten 12 können die jeweiligen Funktionsschichten 12 in verschiedenen Kombinationen sowie in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen gleichzeitig oder nacheinander getestet werden.
3 zeigt die Situation, in der die drei Funktionsschichten 12a, 12b und 12c in der räumlichen Anordnung getestet werden, in der sie zu einem späteren Zeitpunkt gestapelt werden sollen.
Nach dem Testen, welches grundsätzlich auch entfallen kann oder auf andere Art und Weise durchgeführt werden kann, werden die Funktionsschichten 12a bis 12d gestapelt. Diese Situation zeigt 4.
Sämtliche Funktionsschichten werden an einer Bezugskante 16 übereinander gestapelt. An den Kanten bzw. Rändern 6a und 6b beidseitig dieser Bezugskante 16 der jeweiligen Funktionsschicht sind die ersten Kontaktstellen 11 angeordnet. Die Kontaktkanten 6a und 6b der Funktionsschichten 12 liegen somit direkt übereinander.
Zwischen den einzelnen Funktionsschichten ist ein Klebstoff aufgebracht, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Epoxydharz, um die Funktionsschichten miteinander zu fixieren.
Alternativ könnten die Funktionsschichten auch kraftschlüssig, beispielsweise mittels kleiner Schrauben, oder aber auch formschlüssig verbunden werden.
Es ist ebenfalls möglich, auf ein direktes Verkleben der einzelnen Funktionsschichten zu diesem Zeitpunkt zu verzichten. Auch nach dem Stapeln können die Funktionsschichten, beispielsweise mittels Eingießens, noch verbunden werden. Auch im Rahmen des elektrischen Verbindens der ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten mit den Kontaktstellen der anderen Funktionsschichten lässt sich ein stabiler Verbund der Funktionsschichten erzeugen.
Nach dem Stapeln der Funktionsschichten werden die Funktionsschichten 12a bis 12d über die ersten Kontaktstellen 11 miteinander elektrisch verbunden. Diese Situation zeigt 5.
Aufgrund der (teilweisen) Quaderform der Funktionsschichten und der Anordnung der Funktionsschichten liegen die Kontaktkanten 6a und 6b und somit die ersten Kontaktstellen 11 in zwei ebenen Flächen, welche aufeinander senkrecht stehen. Die Funktionsschichten 12a bis 12d werden in diesen Bereichen der Kontaktkanten 6 mit jeweils einer flächigen, ebenen Verbindungsstruktur 14 verbunden. Die Verbindungsstruktur 14 weist einen Träger und eine sich auf der Oberfläche des Trägers befindende Leiterstruktur auf. Dabei ist die Leiterstruktur an die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den ersten Kontaktstellen 11 der jeweiligen Funktionsschicht 12 angepasst.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die ersten Kontaktstellen kleine Metallhöcker auf. An diese Metallhöcker wird die Leiterstruktur der Verbindungsstruktur 14 gepresst. Durch Erhitzen verbinden sich die Löthöcker mit der Leiterstruktur der Verbindungsstruktur 14. Damit ist die elektrische Verbindung der Funktionsschichten hergestellt.
Alternativ können auch andere Verbindungstechniken, beispielsweise Verwendung leitfähiger Paste, eingesetzt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Träger der Verbindungsstruktur 14 aus einem starren Material, hier ein glasfaserverstärktes Epoxydharz. Dadurch ist zum einen die mechanische Stabilität des Stapels der Funktionsschichten 12 verbessert. Andererseits können auf diesem Träger der Verbindungsstruktur 14 insbesondere rückseitig, d.h., auf der dem Stapel der Funktionsschichten 12 abgewandten Seite der Verbindungsstruktur 14, weitere elektrische Komponenten an gebracht werden, welche insbesondere auch mit den Funktionsschichten 12 verbunden werden können. Aufgrund der Anordnung der Verbindungsstruktur 14 relativ zu den Funktionsschichten 12 lassen sich insbesondere elektronische Komponenten in zu den elektronischen Komponenten der Funktionsschichten 12 senkrechter Ausrichtung anordnen. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Anordnung eines Beschleunigungssensors, kann dies äußerst vorteilhaft sein, weil auf diese Weise der Stapel der Funktionsschichten 12 kompakt gehalten werden kann.
Wie 5 zeigt, ist es nicht notwendig, dass die einzelnen Funktionsschichten 12 die gleichen Abmaße haben. Ausreichend ist das Vorhandensein zumindest einer einheitlichen Kontaktkante 6. Erfindungsgemäß können somit auch Funktionsschichten mit stark abweichenden Abmaßen als Bestandteil eines modularen Bauteils verwendet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wurden die elektronischen Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe auf jeweils einer Funktionsschicht angeordnet. Dies ist an den Funktionsschichten 12a und 12b in 2 gut erkennbar. Alternativ wäre es auch möglich, im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht anzuordnen. Dies ist insbesondere für den Fall interessant, dass gleiche Funktionsschichten mit jeweils anderen Funktionsschichten kombiniert werden, um verschieden modular aufgebaute mikroelektronische Bauteile herzustellen. Es wäre nicht mehr notwendig, für jedes neue Bauteil einen gesamten Satz an neuen Funktionsschichten herzustellen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die elektronischen Komponenten einseitig auf den Träger 10 angeordnet. Prinzipiell ist es auch möglich, die elektronischen Komponenten beidseitig anzuordnen. Die Unterseite des Trägers kann vorteilhaft für die Aufbringung einer Leiterstruktur ausgenutzt werden.
Ebenfalls ist es möglich, die elektronischen Komponenten, anstatt diese auf der Oberfläche des Trägers anzuordnen, in diesen zumindest teilweise einzubetten. Dies kann für die Erhöhung der mechanischen Stabilität sinnvoll sein.
Neben den ersten Kontaktstellen können die Funktionsschichten zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers angeordnete Kontaktstellen aufweisen.
Durch Stapeln der Funktionsschichten könnten vorteilhaft zumindest teilweise diese zweiten Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten elektrisch in Kontakt gebracht werden und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.
Beispiele für solche zweiten Kontaktstellen wären Durchkontaktierungen, Druckkontaktierungen oder Steckleisten.
Die Träger der Funktionsschichten 12a bis 12c bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus glasfaserverstärktem Epoxydharz, welches unter der Bezeichnung "FR4" bekannt ist.
Die Leiterstruktur, welche sich auf den Trägern 10 befindet, ist aus Kupfer und wurde mittels eines Ätzprozesses hergestellt.
Grundsätzlich sind auch andere Trägermaterialien bzw. andere Leiterstrukturen möglich. Beispiele für andere Träger wären Keramik, Polymerfolien oder Silizium. Durch das Material der Träger ist insbesondere die Feinheit der Leiterstruktur und somit die Leiterdichte begrenzt. Dies beschränkt folglich auch die Anzahl der elektronischen Komponenten, die auf einem Träger angeordnet werden können. Je nach Einsatzzweck und preislichem Spielraum bieten sich in der Regel verschiedene Träger, verschiedene Leiterstrukturen und verschiedene elektronische Komponenten an. Vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese in beliebiger Kombination miteinander zu verwenden.
Das fertige modulare Bauteil hat in diesem Ausführungsbeispiel eine grob quaderförmige Struktur mit den Abmessungen von etwa 7 mm × 7 mm × 7 mm. Durch die Anordnung der Komponenten und den schichtweisen Aufbau ist das Bauteil äußerst kompakt und, insbesondere durch den Einguss, sehr robust.
Erfindungsgemäß erfolgt die laterale Verbindung, d.h. innerhalb der Funktionsschichten, und die vertikale Verbindung, d.h. senkrecht zu den gestapelten Funktionsschichten, in einem sehr kleinen Volumen, was bei Verwendung von sehr geringen Trägerdicken und Dünnfilmtechnologie mit ultradünnen Kontaktierungsverfahren selbst bei größerem Verdrahtungsbedarf auf wenige Kubikmillimeter beschränkt werden kann. Bei den bekannten Verfahren nimmt bei Systemen unterhalb von 10 mm Kantenlänge das Volumen zur Verdrahtung einen nicht unerheblichen Anteil ein und ist stark von den Höhenunterschieden einzelner Funktionsschichten abhängig aufgrund realer Biegeradien, Platz innerhalb der Funktionsschichten für Durchkontaktierungen, Verbindungsleisten oder -rahmen.
Des Weiteren kann durch den relativ geringen Gewichtsanteil der Aufbau- und Verbindungstechnik erfindungsgemäß eine deutlich höhere Robustheit erreicht werden, die selbst einen sicheren Betrieb in rauen Umgebungen mit beispielsweise hohen Beschleunigungen, beispielsweise in einem Autoreifen, erlaubt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines modularen mikroelektronischen Bauteils mit den Schritten: a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschichten (12), wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger (10), auf dem Träger (10) angeordnete elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers (10) befindende elektrische erste Kontaktstellen (11) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen (11) am Rand des Trägers (10) verbunden ist; b) Schichtweises Übereinanderlegen der Funktionsschichten (12); c) Elektrisches Verbinden der Funktionsschichten (12) über die ersten Kontaktstellen (11).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) des Verfahrens die Träger (10) der jeweiligen Funktionsschichten (12) zumindest eine Kontaktkante (6) mit einer einheitlichen Form aufweisen und entlang dieser Kontaktkante (6) die ersten Kontaktstellen (11) angeordnet sind, und dass in Schritt b) des Verfahrens die Funktionsschichten (12) an ihren Kontaktkanten (6) übereinander gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) des Verfahrens die Kon taktkante (6) des Trägers (10) einer Funktionsschicht (12) gerade ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die hergestellten Funktionsschichten (12) mit einer Vergussmasse (15) eingegossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten (12) in ihrer Höhe gedünnt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Funktionsschichten (12) während des Stapelns oder nach dem Stapeln miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch Kleben oder Verguss.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kontaktstellen (11) der Funktionsschichten (12) mittels einer strukturierten Metallisierung und/oder mittels einer leitfähigen Paste und/oder Verdrahtung miteinander elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Stapeln der Funktionsschichten (12) die Funktionsschichten (12) zumindest im Bereich der Kontaktkanten (6) mit einer Verbindungsstruktur (14) verbunden werden, wobei die Verbindungsstruktur (14) einen Träger und eine auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachte Leiterstruktur aufweist, so dass nach Verbinden der Verbindungsstruktur (14) mit dem Stapel der Funktionsschichten (12) die ersten Kontaktstellen (11) der Funktionsschichten (12) über die Leiterstruktur miteinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (14) vor und/oder nach Verbinden mit dem Stapel der Funktionsschichten (12) mit weiteren elektronischen Komponenten bestückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Funktionsschichten (12) vor dem Stapeln zumindest teilweise überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht (12) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise in jeweils einer Funktionsschicht (12) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) einer Funktionsschicht (12) einseitig oder beidseitig angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) auf dem Träger (10) angeordnet und/oder in dem Träger (10) eingebettet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12) zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers (10) angeordnete Kontaktstellen aufweisen, und durch Stapeln der Funktionsschichten (12) zumindest teilweise die Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten (12) elektrisch verbunden werden und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten (12) die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (10) starre Träger, vorzugsweise aus Keramik, Silizium oder aus Epoxidharz, oder flexible Träger, vorzugsweise eine Polymerfolie, verwendet werden.
Modulares mikroelektronisches Bauteil mit zumindest zwei schichtweise übereinanderliegenden Funktionsschichten (12) und einer die Funktionsschichten (12) zumindest teilweise elektrisch verbindenden Verbindungsstruktur (14), wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger (10), auf dem Träger (10) angeordnete elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers (10) befindende elektrische erste Kontaktstellen (11) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen (11) am Rand des Trägers (10) verbindet, und die Träger (10) der jeweiligen Funktionsschichten (12) zumindest eine Kontaktkante (6) mit einer einheitlichen Form aufweisen, an der sie übereinander liegend gestapelt sind, und entlang derer die ersten Kontaktstellen (11) angeordnet sind, und die Verbindungsstruktur (14) an einer durch die Kontaktkanten gebildeten Seitenfläche des Stapels der Funktionsschichten (12) angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12) an ihrer Oberseite und/oder an ihrer Unterseite ebene, zueinander parallele Flächen aufweisen, und die jeweilige Oberseite und Unterseite benachbarter Funktionsschichten (12) flächig aufeinander liegen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Funktionsschichten (12) zumindest bereichsweise mit einer Vergussmasse (15) eingegossen sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12) eine rechteckige Grundfläche aufweisen, vorzugsweise quaderförmig sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (14) eine strukturierte Metallisierung und/oder eine leitfähigen Paste und/oder eine Verdrahtung aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (14) einen Träger (10) und eine auf die Oberfläche des Trägers (10) aufgebrachte Leiterstruktur aufweist, wobei die Leiterstruktur zumindest teilweise die Funktionsschichten (12) über die ersten Kontaktstellen (11) miteinander elektrisch verbindet.
Bauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (10) der Verbindungsstruktur (14) weitere Komponenten, insbesondere elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), angeordnet sind, vorzugsweise auf der dem Stapel der Funktionsschichten (12) abgewandten Seite.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12) zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers (10) angeordnete Kontaktstellen aufweisen, mittels derer die Funktionsschichten (12) im Innenbereich miteinander elektrisch verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kontaktstellen Durchkontaktierungen, Druckkontakte und/oder Steckleisten sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12) miteinander verklebt und/oder miteinander vergossen sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) einer Funktionsschicht (12) einseitig oder beidseitig angeordnet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) auf dem Träger (10) angeordnet und/oder in dem Träger (10) eingebettet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht (12) angeordnet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass im funktionellem Zusammenhang stehende Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht (12) angeordnet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) ein starrer Träger ist, vorzugsweise aus Keramik, Silizium oder aus Epoxidharz, oder ein flexibler Träger ist, vorzugsweise eine Polymerfolie.