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Die Erfindung betrifft ein Modul mit einem Abschirm- und/oder Wärmeableitungselement. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Moduls.
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Bauelemente, die empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind, können durch geeignete Abschirmelemente vor elektromagnetischer Strahlung geschützt werden. Dabei kann entweder das zu schützende Bauelement abgeschirmt werden oder es kann durch eine Abschirmung des oder der Bauelemente, welche elektromagnetische Strahlung erzeugen, verhindert werden, dass die elektromagnetische Strahlung in die Umgebung abgestrahlt wird.
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Viele moderne Bauelemente erwärmen sich während ihres Betriebs. Damit durch die erzeugte Wärme nicht die Funktionsfähigkeit der Bauelemente beeinträchtigt wird, wird die während des Betriebs entstehende Wärme mittels geeigneter Wärmeableitungselemente abgeleitet.
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Die Druckschrift
US 2004/0 051 170 A1 offenbart eine Anordnung mit zwei übereinander gestapelten Bauelementen, die über einem Träger angeordnet sind und durch eine leitende Platte voneinander getrennt sind. Die leitende Platte wirkt sowohl als Abschirmelement zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung als auch als Wärmeableitungselement zur Ableitung der von den Bauelementen erzeugten Wärme.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Modul mit mindestens einem Bauelement sowie einem Abschirmelement und/oder einem Wärmeableitungselement bzw. einem leitfähigen Element anzugeben, das verbesserte Abschirm- und/oder Wärmeableitungseigenschaften aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Moduls anzugeben.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Modul gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 11 und 15 sowie ein Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 16 und 17 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Träger, ein auf dem Träger angeordnetes erstes Bauelement und ein zweites Bauelement, welche übereinander gestapelt sind. Ferner umfasst das Modul ein Wärmeableitungselement, welches zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement angeordnet ist und welches mindestens eine frei liegende Oberfläche aufweist, wobei das erste Bauelement und das zweite Bauelement zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial umhüllt sind und die mindestens eine frei liegende Oberfläche des Wärmeableitungselements dazu vorgesehen ist, an eine Wärmesenke gekoppelt zu werden und wobei das Wärmeableitungselement von dem Träger thermisch entkoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Träger, mindestens ein Bauelement, mindestens eine Verbindungsleitung, welche mit dem Träger und dem mindestens einen Bauelement verbunden ist sowie ein leitfähiges Element, welches mindestens einen Durchlass aufweist, durch welchen die mindestens eine Verbindungsleitung geführt ist, wobei das leitfähige Element zumindest in dem Bereich, in dem der mindestens eine Durchlass ausgebildet ist, kammartig ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst ein Modul einen Träger, ein auf dem Träger angeordnetes erstes Bauelement und ein zweites Bauelement, welche übereinander gestapelt sind. Ferner umfasst das Modul ein Wärmeableitungselement, welches zumindest teilweise zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement angeordnet ist, mindestens eine frei liegende Oberfläche aufweist und dazu ausgelegt ist, Wärme zu einer dem Träger gegenüberliegenden Seite des Moduls zu führen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird bei einem Verfahren ein Träger bereitgestellt, ein erstes Bauelement auf dem Träger angeordnet und ein zweites Bauelement über dem ersten Bauelement angeordnet. Ferner wird ein Wärmeableitungselement, welches mindestens eine frei liegende Oberfläche aufweist, welche dazu vorgesehen ist, an eine Wärmesenke gekoppelt zu werden, zumindest teiweise zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement angeordnet, wobei das Wärmeableitungselement von dem Träger thermisch entkoppelt ist. Darüber hinaus wird das erste Bauelement und das zweite Bauelement zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial umhüllt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird bei einem verfahren ein Träger bereitgestellt, ein Bauelement auf dem Träger angeordnet und mindestens eine Verbindungsleitung mit dem Bauelement verbunden. Ferner wird ein leitfähiges Element, welches zumindest einen Durchlass aufweist und zumindest in dem Bereich, in dem der mindestens eine Durchlass ausgebildet ist, kammartig ausgebildet ist, über dem Bauelement angeordnet, wobei die mindestens eine Verbindungsleitung durch den mindestens einen Durchlass geführt ist. Darüber hinaus wird die Verbindungsleitung mit dem Träger verbunden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Moduls 100;
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2 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Moduls 200;
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3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Module 300;
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4 eine schematische Darstellung eines bei hinzugefügtem Träger erfindungsgemäßen Moduls 400;
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5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 500;
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6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 600;
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7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 700;
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8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 800;
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9A und 9B eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Moduls 900;
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10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 1000;
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11 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Moduls 1100;
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12 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Moduls 1200; und
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13 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Module 1300.
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Im Folgenden werden Module, die Bauelemente umfassen, sowie Verfahren zur Herstellung der Module beschrieben. Die Erfindung ist unabhängig von der Art des Bauelements. Bauelemente können jede Art von Elementen sein. Insbesondere können die Bauelemente elektrische, elektromechanische und/oder elektrooptische Bauelemente sein, z. B. integrierte Schaltungen, Sensoren, mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS) oder Laserdioden. Die Bauelemente können auf Halbleiterbasis hergestellt sein oder auf einem sonstigen Substrat, z. B. einem Keramiksubstrat, Glassubstrat, Polymer oder PCB, aufgebaut sein. Die Bauelemente können gehäust oder ungehäust sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfassen die Module Abschirmelemente. Ein Abschirmelement kann z. B. dazu dienen, elektromagnetische Strahlung bzw. elektromagnetische Felder und/oder deren Ausbreitung zu unterdrücken oder zu verringern. Die Unterdrückung bzw. Verringerung der elektromagnetischen Störungen kann bestimmte Raumrichtungen betreffen oder auf bestimmte Frequenzen bezogen sein. Ein Abschirmelement kann z. B. aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung oder einem leitfähigen Polymer, hergestellt sein. Es kann sich auch um eine elektrisch leitfähige Beschichtung eines ansonsten nicht elektrisch leitfähigen Körpers handeln. Das Abschirmelement kann z. B. in der Nähe eines Bauelements angeordnet sein, das gegenüber elektromagnetischen Störungen geschützt werden soll. Das Abschirmelement kann das Bauelement beispielsweise umhüllen. Unter Umständen ist eine vollständige Umhüllung des Bauelements durch das Abschirmelement nicht notwendig, da bereits eine Abschirmung entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen ausreichend ist. Das Abschirmelement kann auch in der Nähe eines Bauelements angeordnet sein, welches eine elektromagnetische Störstrahlung erzeugt. Dadurch kann die Abstrahlung der Störstrahlung an die Umgebung unterdrückt oder verringert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Abschirmelement einen Schweißkontakt auf. Der Schweißkontakt kann auf verschiedene Arten hergestellt werden, beispielsweise mittels eines Reib-, Laserstrahl- oder Ultraschallschweißverfahrens. Bei einem Reibschweifverfahren wird die für das Schweißen benötigte Wärme durch mechanische Reibung generiert, beim Laserstrahl- und Ultraschallschweißverfahren erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl bzw. eine von einem Generator erzeugte Ultraschallschwingung. Mit Hilfe des Schweißkontakts kann beispielsweise eine Verbindungsleitung, insbesondere ein Banddraht, mit dem Abschirmelement verbunden werden.
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Ein oder mehrere Elemente des Moduls, wie beispielsweise ein oder mehrere Bauelemente, Abschirmelemente, Verbindungsleitungen oder Wärmeableitungselemente, können auf einem Träger aufgebaut sein. Der Träger kann z. B. auf Halbleiterbasis hergestellt sein oder aus einem sonstigen Material, z. B. einem Keramiksubstrat, Glassubstrat, Polymer oder PCB, gefertigt sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird das Bauelement mittels mindestens einer Verbindungsleitung kontaktiert. Die Verbindungsleitung ermöglicht eine elektronische Verbindung zwischen dem Bauelement und beispielsweise einem weiteren Bauelement oder einem Träger. Die Verbindungsleitung kann aus jedwedem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. einem Metall oder einem elektrisch leitfähigen Polymer, hergestellt sein. Bei der Verbindungsleitung kann es sich um eine Leiterbahn handeln. Die Verbindungsleitung kann ferner beispielsweise mittels einer Drahtbond-Technik oder einer Flip-Chip-Technik hergestellt sein.
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Eine Ausgestaltung sieht ein Wärmeableitungselement vor. Das Wärmeableitungselement kann jedwedes Element sein, das in der Lage ist, Wärme zu leiten und demnach abzuführen. Als Material für das Wärmeableitungselement kann ein Material, beispielsweise ein Metall, eine Legierung, ein Glas oder ein kristallines Nicht-Metall, eingesetzt werden, das eine genügend hohe Wärmeleitzahl aufweist. Das Wärmeableitungselement ist beispielsweise dazu ausgelegt, Wärme abzutransportieren, die von einem oder mehreren Bauelementen des Moduls erzeugt wird. Das Wärmeableitungselement kann aber auch Wärme abführen, die von Elementen außerhalb des Moduls erzeugt wird, um die Erwärmung eines oder mehrerer Bauelemente des Moduls zu verhindern oder zu reduzieren.
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In 1 ist ein nicht erfindungsgemäßes Modul 100 im Querschnitt dargestellt. Das Modul 100 umfasst ein Bauelement 10 und ein Abschirmelement 11. Das Abschirmelement 11 ist auf eine Hauptoberfläche 12 des Bauelements 10 aufgebracht worden. Das Abschirmelement 11 weist einen Schweißkontakt 13 auf.
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Das Abschirmelement 11 dient dazu, elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise abzuschirmen. Dabei kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise von dem Bauelement 10 erzeugt werden. In diesem Fall verhindert das Abschirmelement 11 die Störung weiterer Bauelemente durch die von dem Bauelement 10 emittierte Strahlung. Ferner kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass das Bauelement 10 durch das Abschirmelement 11 vor einer elektromagnetischen Störstrahlung geschützt wird, welche von einer Strahlungsquelle erzeugt wird, die sich innerhalb oder außerhalb des Moduls 100 befindet.
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Als Materialien für das Abschirmelement 11 kommen beispielsweise Metalle, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Eisen oder Gold, oder Legierungen oder elektrisch leitfähige Polymere oder Graphit infrage. Das Abschirmelement 11 muss nicht notwendigerweise vollständig aus diesen Materialien gefertigt sein. Beispielsweise kann das Abschirmelement 11 mit einem oder mehreren dieser Materialien zumindest teilweise beschichtet sein.
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Der Schweißkontakt 13 kann beispielsweise als elektrische Kontaktierungsmöglichkeit dienen, um eine Beaufschlagung des Abschirmelements 11 mit einem vorgegebenen elektrischen Potential, z. B. Masse, zu ermöglichen. Der Schweißkontakt 13 ist beispielsweise ein Reibschweißkontakt oder ein Laserstrahlschweißkontakt oder ein Ultraschallschweißkontakt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Bauelement 10 ein Halbleiterchip. Die Hauptoberfläche 12 ist beispielsweise die aktive Hauptoberfläche des Halbleiterchips.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden das Bauelement 10 und das Abschirmelement 11 miteinander verklebt. Ferner kann eine Folie zwischen das Bauelement 10 und das Abschirmelement 11 eingebracht werden, die anschließend erhitzt wird, wodurch sich eine feste Verbindung zwischen dem Bauelement 10 und dem Abschirmelement 11 ergibt. Es können auch andere Die-Attach-Verfahren zum Verbinden des Abschirmelements 11 mit dem Bauelement 10 eingesetzt werden.
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In 2 ist ein nicht erfindungsgemäßes Modul 200 dargestellt, bei welchem im Unterschied zum Modul 100 das Bauelement 10 auf einen Träger 14 montiert ist und zwischen der Hauptoberfläche 12 des Bauelements 10 und dem Abschirmelement 11 ein elektrisch isolierender Abstandshalter 15 angeordnet ist. Ferner ist das Abschirmelement 11 über einen Bonddraht 16 elektrisch mit dem Träger 14 verbunden. Der Bonddraht 16 ist mittels des Schweißkontakts 13 an dem Abschirmelement 11 befestigt.
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Der Träger 14 kann z. B. aus einem Halbleitermaterial, Keramikmaterial, Glas, Polymer oder PCB gefertigt sein.
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Der Abstandshalter 15 isoliert das Abschirmelement 11 elektrisch von dem Bauelement 10. Ferner ermöglicht der Abstandshalter 15, der den Randbereich der Hauptoberfläche 12 des Bauelements 10 frei lässt, einen Zugriff auf den Randbereich der Hauptoberfläche 12 des Bauelements 10. Sofern das Bauelement 10 beispielsweise ein Halbleiterchip ist, können in einfacher Weise elektrisch leitfähige Verbindungen zu Kontaktelementen des Halbleiterchips, die sich auf der Hauptoberfläche 12 befinden, hergestellt werden.
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Der Bonddraht 16 ermöglicht es, das elektrische Potential des Abschirmelements 11 auf ein vorgegebenes Potential, beispielsweise Masse, zu legen.
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Gemäß einer Ausgestaltung besteht das Abschirmelement 11 aus einer Basisplatte, die auf dem Abstandshalter 15 befestigt ist und Seitenteilen, die sich von der Basisplatte in Richtung des Trägers 14 erstrecken. Wie in 2 dargestellt ist, können die Seitenteile des Abschirmelements 11 derart ausgestaltet sein, dass sie den Träger 14 nicht berühren. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise unterhalb der Seitenteile des Abschirmelements 11 Leiterbahnen auf dem Träger 14 verlaufen können. Bei der Erstellung des Layouts des Trägers 14 muss demnach die Position der Seitenteile des Abschirmelements 11 nicht berücksichtigt werden.
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Als weitere Ausgestaltungen können weitere Bauelemente zusammen mit dem Bauelement 10 auf dem Träger 14 angeordnet sein. Dabei können die weiteren Bauelemente beispielsweise auf das Bauelement 10 und das Abschirmelement 11 gestapelt werden und/oder zwischen dem Bauelement 10 und dem Träger 14 angeordnet sein. Ferner können beispielsweise auch mehrere Bauelemente von dem Abschirmelement 11 abgeschirmt werden. Die Befestigung der einzelnen Bauelemente untereinander und mit dem Träger 14 und dem Abstandshalter 15 erfolgt beispielsweise mittels Klebeverfahren oder sonstiger Die-Attach-Verfahren.
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In 3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 300 dargestellt, bei welchem die Seitenwände des Abschirmelements 11 kammartig ausgebildet sind. Darüber hinaus ist auf das Abschirmelement 11 ein Bauelement 17 gestapelt und Kontaktelemente der Bauelemente 10 und 17 sind über Verbindungsleitungen 18 elektrisch mit dem Träger 14 verbunden. Die Herstellung der Verbindungsleitungen 18 erfolgte vorliegend mittels einer Drahtbond-Technik. Alternativ können die Verbindungsleitungen 18 auch mittels anderer Techniken hergestellt werden, beispielsweise kann zumindest das Bauelement 10 mittels einer Flip-Chip-Technik mit dem Träger 14 verbunden werden.
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Die auf dem Träger 14 angeordneten Elemente werden gemäß einer Ausgestaltung durch Umspritzen mit einer Vergussmasse 19 umhüllt. Als Vergussmasse 19 kann beispielsweise eine Kunststoffmasse, Glob-Top oder Turboplast verwendet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das Abschirmelement 11 eine vorgefertigte Struktur auf, d. h. das Abschirmelement 11 ist beispielsweise nicht aus einem weichen Netz oder einer elektrisch leitfähigen Vergussmasse gefertigt. Oben wurde bereits erläutert, dass das Abschirmelement 11 beispielsweise aus einer Basisplatte und Seitenteilen bestehen kann. Z. B. kann das Abschirmelement 11 ein rechteckiges planares Kupferblech sein, dessen vier Ränder jeweils um etwa 90° abgebogen sind, um auch eine seitliche Abschirmung des Bauelements 10 zu gewährleisten. Durch die vorgefertigte Struktur kann das Abschirmelement 11, z. B. mittels eines isolierenden Klebers, auf einfache Weise auf eine Hauptoberfläche des Bauelements 10 aufgeklebt werden.
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Wie in 3 gezeigt ist, können die Seitenwände kammartig ausgeformt sein. Ferner kann das Abschirmelement 11 in jedweder geometrischen Form ausgebildet sein. Es ist beispielsweise denkbar, lediglich eine elektrisch leitfähige Platte zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung zu verwenden.
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Des Weiteren kann das Abschirmelement 11 beispielsweise als Wärmeableitungselement ausgebildet sein. Neben der Abschirmung elektromagnetischer Strahlung kommt dem Abschirmelement 11 bei dieser Ausgestaltung die Aufgabe zu, Wärme abzuführen, die beispielsweise von dem Bauelement 10 und/oder dem Bauelement 17 erzeugt wird. In diesem Fall ist das Abschirmelement 11 aus einem Material mit einer ausreichend hohen Wärmeleitfähigkeit, z. B. einem Metall, gefertigt. Die abzuführende wärme kann beispielsweise einer Wärmesenke zugeführt werden. Alternativ ist es auch denkbar, die bei dem Betrieb des Moduls 300 entstehende Wärme über das Abschirmelement 11 in dem Modul 300 zu verteilen. Diese Maßnahme kann für die Kühlung der Bauelemente 10 und/oder 17 bereits ausreichend sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das Bauelement 10 als Hochfrequenz-Chip und das Bauelement 17 als Basisband-Chip eines Funksenders und/oder -empfängers ausgestaltet. Während des Sendebetriebs werden in dem Basisband-Chip 17 zu übertragende Basisband-Signale generiert und über eine Schnittstelle an den Hochfrequenz-Chip 10 übergeben. Der Hochfrequenz-Chip 10 mischt die Basisband-Signale auf eine Sendefrequenz. Die daraus hervorgehenden Hochfrequenz-Signale werden über eine Antenne ausgestrahlt. Während des Empfangsbetriebs werden die von der Antenne empfangenen Hochfrequenz-Signale von dem Hochfrequenz-Chip 10 entgegengenommen und in das Basisband gemischt. Danach werden sie dem Basisband-Chip 17 zur weiteren Verarbeitung übergeben.
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Der Hochfrequenz-Chip 10 erzeugt eine elektromagnetische Störstrahlung, die sich nachteilig auf die Funktionsweise des Basisband-Chips 17 auswirken kann. Die Einwirkung der von dem Hochfrequenz-Chip 10 erzeugten Störstrahlung auf den Basisband-Chip 17 wird durch das Abschirmelement 11 zumindest verringert.
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4 zeigt ein bei hinzugefügtem Träger erfindungsgemäßes Modul 400 im Querschnitt. Das Modul 400 umfasst Bauelemente 20 und 21, die übereinander gestapelt sind. Das Modul 400 umfasst ferner ein Wärmeableitungselement 22, welches zum Teil zwischen den beiden Bauelementen 20 und 21 angeordnet ist. Das Wärmeableitungselement 22 weist zwei Oberflächen 23 auf, die frei liegend sind und demnach von außerhalb des Moduls 400 zugänglich sind.
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Das Wärmeableitungselement 22 dient beispielsweise zum Ableiten von Wärme, die von dem Bauelement 20 und/oder dem Bauelement 21 während des Betriebs erzeugt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass Wärme abgeführt werden soll, die von einem weiteren Bauelement, das innerhalb oder außerhalb des Moduls 400 angeordnet ist, erzeugt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Bauelemente 20 und/oder 21 jeweils ein Halbleiterchip. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Bauelemente 20 und 21 sowie das Wärmeableitungselement 22 in ein Gehäuse integriert. Beispielsweise sind die Bauelemente 20 und 21 sowie das Wärmeableitungselement 22 durch Umspritzen mit einer Vergussmasse 24 derart umhüllt, dass nur die Oberflächen 23 frei liegen. Als Vergussmasse 24 kann beispielsweise eine Kunststoffmasse verwendet werden.
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Das Wärmeableitungselement 22 kann in verschiedenen geometrischen Formen ausgebildet sein. Beispielsweise kann es im Wesentlichen als planare Platte ausgebildet sein. In diesem Fall kann zumindest eine der Seitenflächen der Platte frei liegend sein. Beispielsweise ist es auch denkbar, dass das Wärmeableitungselement 22 eine Basisplatte aufweist und dass von dieser Basisplatte ein oder mehrere Wärmeleiter zu der Oberfläche des Moduls 400 führen. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Basisplatte im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und auf den vier Ecken der Basisplatte steht im Wesentlichen senkrecht jeweils ein Wärmeleiter, der zu der Oberfläche des Moduls 400 führt.
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Für den Fall, dass von den Bauelementen 20 und/oder 21 Wärme abgeführt werden soll, sieht eine Ausgestaltung vor, dass zwischen den Bauelementen 20 und/oder 21 sowie dem Wärmeableitungselement 22 eine gute thermische Kopplung besteht, um ein effektives Ableiten der Wärme zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Wärmeableitungselement 22 ein oder zwei zumindest teilweise planare Oberfläche aufweisen, welche mit ebenfalls planaren Oberflächen der Bauelemente 20 und/oder 21 verbunden sind. Eine große Kontaktfläche zwischen den Bauelementen 20 und/oder 21 sowie dem Wärmeableitungselement 22 verbessert die thermische Kopplung.
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Eine gute thermische Anbindung der Bauelemente 20 und/oder 21 an das Wärmableitungselement 22 lässt sich auch durch eine Lötverbindung erzielen, welche die Oberflächen des jeweiligen Bauelements 20 und/oder 21 mit der Oberfläche des Wärmeableitungselements 22 verbindet, z. B. durch Diffusionslöten.
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Die Anordnung der 4 kann einen Träger aufweisen, wobei das Wärmeableitungselement 22 von dem Träger thermisch entkoppelt ist. Dies bedeutet vorzugsweise, dass kein Wärmeleiter von dem Wärmeableitungselement 22 zu dem Träger führt.
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Als Materialien für das Wärmeableitungselement 22 eignen sich insbesondere Metalle, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Eisen oder Gold, oder Legierungen oder kristalline Nicht-Metalle, die eine ausreichend hohe Wärmeleitzahl aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das Wärmeableitungselement 22 neben seiner Wärmeableitungsfunktion als Abschirmelement zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung genutzt. In diesem Fall kann für das Wärmeableitungselement 22 ein Material, beispielsweise ein Metall, gewählt werden, welches sich auch zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung eignet. Falls das Wärmeableitungselement 22 nicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist, kann es mit einem elektrisch leitfähigen Material beschicht werden. Darüber hinaus kann das Wärmeableitungselement 22, beispielsweise über einen Schweißkontakt (z. B. einen Bonddrahtkontakt), mit einem vorgegebenen elektrischen Potential, z. B. Masse, beaufschlagt werden.
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In 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 500 dargestellt, bei welchem auf einem Träger 25 das Bauelement 20 und darüber ein Abstandshalter 26 angeordnet sind. Über den Abstandshalter 26 ist das Wärmeableitungselement 22 mit dem Bauelement 21 gestapelt.
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Der Träger 25 kann z. B. aus einem Halbleitermaterial, einem Keramikmaterial, Glas, Polymer oder PCB gefertigt sein. Der Träger 25 kann auch ein Leiterbahnrahmen, z. B. aus Kupfer, („lead frame”) sein.
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Der Abstandshalter 26 kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Z. B. kann der Abstandshalter 26 eine beidseitig klebende Folie sein.
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Für manche Anwendungen ist es wünschenswert, dass das Material des Abstandshalters 26 auch thermisch isolierend ist. Wenn z. B. das Bauelement 20 und der Träger 25 thermisch von einem Hochleistungsbauelement 21 entkoppelt werden sollen, so trägt das thermisch isolierende Material des Abstandshalters 26 dazu bei, dass der Wärmefluss vom Bauelement 21 zum Bauelement 20 geschwächt und die Wärmeableitung über das Wärmeableitungselement 22 erhöht wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Wärmeableitungselement 22 von dem Träger 25 thermisch entkoppelt. Dies bedeutet vorzugsweise, dass kein Wärmeleiter von dem Wärmeableitungselement 22 zu dem Träger 25 führt.
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Gemäß einer Ausgestaltung können die Bauelemente 20 und 21 Halbleiterchips sein, die über Verbindungsleitungen 27 mit dem Träger 25 elektrisch verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung kann beispielsweise, wie es in 5 dargestellt ist, mittels einer Drahtbond-Technik erfolgen. Alternativ kann zumindest das Bauelement 20 mittels einer Flip-Chip-Technik mit dem Träger 25 verbunden werden.
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Als weitere Ausgestaltungen können weitere Bauelemente zusammen mit den Bauelementen 20 und 21 auf dem Träger 25 angeordnet sein. Dabei können die weiteren Bauelemente beispielsweise auf das Bauelement 21 gestapelt werden und/oder zwischen dem Wärmeableitungselement 22 und dem Träger 25 angeordnet werden. Die Befestigung der einzelnen Bauelemente untereinander und mit dem Träger 25 erfolgt beispielsweise mittels Klebe- oder Lötverfahren oder sonstiger Die-Attach-Verfahren.
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Bei dem in 5 gezeigten Modul 500 wird die abzuführende wärme über die frei liegenden Oberflächen 23 in die Umgebung abgestrahlt. Als alternative Ausgestaltung ist in 6 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 600 dargestellt, bei welchem eine Wärmesenke 28 auf dem durch die Vergussmasse 24 gebildeten Gehäuse angeordnet ist und thermisch an die Oberflächen 23 des Wärmeableitungselements 22 gekoppelt ist. Die Wärmesenke 28 weist eine große Oberfläche auf und kann demnach vergleichsweise viel Wärme pro Zeiteinheit an die Umgebung abführen.
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Als Materialien für die Wärmesenke 28 kommen die gleichen Materialien wie für das Wärmeableitungselement 22 infrage.
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Die Wärmesenke 28 kann entweder bei der Herstellung des Moduls 600 auf dem durch die Vergussmasse 24 gebildeten Gehäuse befestigt werden oder sie kann in einem späteren Arbeitsschritt auf dem Gehäuse angebracht werden.
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In 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 700 dargestellt, das in weiten Teilen dem Modul 600 entspricht. Im Unterschied zum Modul 600 weist das Wärmeableitungselement 22 des Moduls 700 im Wesentlichen kammartige Seitenteile auf, die von der Basisplatte des Wärmeableitungselements 22 zu den Oberflächen 23 bzw. der Wärmesenke 28 führen. Die Vielzahl der Wärmeleiter gewährleistet eine gute Ableitung der Wärme aus dem Modul 700.
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In 8 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 800 dargestellt, das in weiten Teilen dem Modul 600 entspricht. Im Unterschied zum Modul 600 umfasst das Modul 800 ein weiteres Wärmeableitungselement 29, das auf dem Bauelement 21 angeordnet ist und Oberflächen 30 aufweist, die entweder frei liegend sind oder mit der Wärmesenke 28 verbunden sind. Durch das zusätzliche Wärmeableitungselement 29 wird eine verbesserte Kühlung des Bauelements 21 bewirkt.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind das Bauelement 21 als Hochfrequenz-Chip und das Bauelement 20 als Basisband-Chip eines Funksenders und/oder -empfängers ausgestaltet. Während des Betriebs erwärmt sich der Hochfrequenz-Chip 21 in der Regel. Die entstehende Wärme wird über das Wärmeableitungselement 22 und gegebenenfalls das Wärmeableitungselement 29 abgeführt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die Wärmeableitungselemente 22 und/oder 29 zusätzlich als Abschirmelemente zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung genutzt. Um in diesem Fall die Wärmeableitungselemente 22 und/oder 29 mit einem vorgegebenen elektrischen Potential, insbesondere Masse, beaufschlagen zu können, sind die Wärmeableitungselemente 22 und/oder 29 mit dem Träger 25 und/oder den Bauelementen 20 und/oder 21 elektrisch verbunden. Beispielsweise kann das Wärmeableitungselement 22 mit der Unterseite des Bauelements 21 durch einen elektrisch leitfähigen Klebstoff oder durch Diffusionsbonden elektrisch verbunden sein. Das Wärmeableitungselement 29 kann mit der aktiven Oberseite des Bauelements 21 elektrisch verbunden sein. Eine elektrische Verbindung des Wärmeableitungselements 22 mit dem Träger 25 ist in 8 beispielhaft durch einen Bonddraht 31 dargestellt.
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In 9A und 9B ist ein nicht erfindungsgemäßes Modul 900 im Querschnitt bzw. perspektivisch dargestellt. Das Modul 900 umfasst ein Bauelement 40, ein leitfähiges Element 41 und eine Verbindungsleitung 42, welche mit dem Bauelement 40 verbunden ist. Das leitfähige Element 41 weist jedoch einen Durchlass auf, durch welchen die Verbindungsleitung 42 geführt ist.
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Das Bauelement 40 ist beispielsweise ein Halbleiterchip, welcher mittels der als Banddraht ausgestalteten Verbindungsleitung 42 kontaktiert ist. Das leitfähige Element 41 kann als Abschirmelement und/oder Wärmeableitungselement ausgeführt sein. Im ersten Fall sind zumindest Teile des Elements 41 elektrisch leitfähig, während im zweiten Fall eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit des Elements 41 gegeben sein muss.
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In 9A und 9B ist das leitfähige Element 41 im Wesentlichen kastenförmig ausgebildet. Es kann wie das in 1 bereits gezeigte Abschirmelement 11 eine vorgefertigte Struktur sein, z. B. eine Basisplatte aus Kupfer mit vier an der Basisplatte befestigten Seitenwänden. Eine Seitenwand weist eine Aussparung als Durchlass für die Verbindungsleitung 42 auf. Das leitfähige Element 41 ist so auf dem Bauelement 40 angeordnet, dass die Oberseite des Bauelements 40 vollständig von der Basisplatte des leitfähigen Elements 41 abgedeckt ist und die Seitenwände des Bauelements 40 zumindest zum Teil von den Seitenwänden des leitfähigen Elements 41 bedeckt sind. Als Alternative ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Basisplatte des leitfähigen Elements 41 die Unterseite des Bauelements 40 abdeckt.
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10 bzw. 11 zeigen ein erfindungsgemäßes Modul 1000 bzw. ein nicht erfindungsgemäßes Modul 1100 in perspektivischen Darstellungen. Bei den Modulen 1000 und 1100 ist das leitfähige Element 41 in unterschiedlicher Weise ausgestaltet.
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Das in 10 gezeigte leitfähige Element 41 besteht aus einer durchgehenden Basisplatte und kammartigen Seitenwänden. Durch die Durchlässe, welche sich aufgrund der kammartigen Struktur der Seitenwände ergeben, können jeweils eine oder mehrere Verbindungsleitungen 42 geführt werden.
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Das in 11 gezeigte leitfähige Element 41 besteht aus einer netzartige Struktur. Die Verbindungsleitungen 42 werden durch die Netzlaschen geführt. Bei der Herstellung des in 11 gezeigten Moduls 1100 muss das leitfähige Element 41 zunächst auf das Bauelement 40 aufgebracht werden und anschließend können die Verbindungsleitungen 42 an dem Bauelement 40 befestigt werden und durch die Netzlaschen des leitfähigen Elements 41 geführt werden. Bei den Ausgestaltungen des leitfähigen Elements 41 gemäß den 9B und 10 können die Verbindungsleitungen 42 alternativ auch mit dem Bauelement 40 verbunden werden, bevor das leitfähige Element 41 auf das Bauelement 40 montiert wird.
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In 12 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul 1200 dargestellt, das in weiten Teilen dem in 3 gezeigten Modul 300 entspricht. Das Bauelement 40 ist auf einen Träger 43 montiert und zwischen dem Bauelement 40 und dem leitfähigen Element 41 ist ein isolierender Abstandshalter 44 angeordnet. Auf das leitfähige Element 41 ist ein Bauelement 45 aufgebracht. Das leitfähige Element 41 ist zur Beaufschlagung mit einem vorgegebenen elektrischen Potential über einen Bonddraht 46 mit dem Träger 43 verbunden.
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Bei dem Modul 1200 sind die Seitenwände des leitfähigen Elements 41 kammartig ausgestaltet. Die Verbindungsleitungen 42, die das Bauelement 40 mit dem Träger 43 elektrisch verbinden, sind durch Durchlässe geführt, die sich aufgrund der kammartigen Struktur der Seitenwände des leitfähigen Elements 41 ergeben. Diese Ausgestaltung ermöglicht zum einen eine platzsparende und kostengünstige Bauweise, da die Ausdehnung des leitfähigen Elements 41 im Vergleich zu dem in 3 gezeigten Abschirmelement 11 verringert werden kann. Zum anderen kann aufgrund der in 12 gezeigten Ausgestaltung das leitfähige Element 41 mit einem geringeren Seitenabstand um das Bauelement 40 herumgeführt werden, wodurch eine bessere Abschirmung des Bauelements 40 erzielt werden kann. Ferner ist es auch möglich, dass leitfähige Element 41 zusätzlich zum Abführen oder zum Verteilen von Wärme zu nutzen.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen Verbindungsleitungen durch Durchlässe von leitfähigen Elementen geführt sind, sind durch die in den 5 bis 8 dargestellten Module 500 bis 800 gegeben. Auch hier weisen die Wärmeableitungselemente 22 jeweils Durchlässe auf, durch welche Verbindungsleitungen 27 geführt werden. Bei den Modulen 500 bis 800 sind die Durchlässe durch die Zwischenräume gegeben, die sich zwischen den zu den Oberflächen 23 führenden Wärmeleitern des Wärmeableitungselements 22 ergeben.
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In 13 ist schematisch ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Moduls 1300 dargestellt. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Bauelement 50 mit einem Abschirm- und/oder Wärmeableitungselement 51 verbunden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Bauelement 50 zusammen mit dem Abschirm- und/oder Wärmeableitungselement 51 auf einen Träger 52 aufgebracht.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass zur Herstellung des Moduls 1300 das Bauelement 50 und das Abschirm- und/oder Wärmeableitungselement 51 vorab miteinander werden können und dass dieses vorgefertigte Modul in einem späteren Verfahrensschritt auf den Träger 52 aufgebracht wird. Es ist nicht erforderlich, erst das Bauelement 50 auf den Träger 52 zu montieren und anschließend das Abschirmelement 51 ausgehend von der Oberfläche des Trägers 52 um das Bauelement 50 herumzubauen.
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In entsprechender Weise kann beispielsweise auch das in 3 dargestellte Modul 300 gefertigt werden. Auch hier können das Bauelement 10, der Abstandshalter 15 und das Abschirmelement 11 vorab zusammengefügt werden. In einem späteren Verfahrensschritt wird dieses vorgefertigte Modul auf den Träger 14 montiert.
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Ähnliches kann beispielsweise auch für das in 5 dargestellte Modul 500 gelten. Das Bauelement 21 und das Wärmeableitungselement 22 können vorab miteinander verbunden werden und in einem späteren Verfahrensschritt auf den Abstandshalter 26 montiert werden.
