DE102010033284A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung sowie mittels des Verfahrens hergestellte Bauelementanordnung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung sowie mittels des Verfahrens hergestellte Bauelementanordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung, mit den Schritten: Bereitstellen eines Gehäuseteils (10), das Kontaktflächen (14) aufweist, Aufbringen von Stützelementen (18) auf die Kontaktflächen (14), und Herstellen einer festen Kopplung der Stützelemente (18) mit den Kontaktflächen (14) des Gehäuseteils (10), Ausbilden einer gemeinsamen Höhe (H_S) der Stützelemente (18) in Bezug auf eine Referenzfläche, Aufbringen mindestens eines Klebeelements (20) auf das Gehäuseteil (10) und/oder die Kontaktflächen (14) und/oder die Stützelemente (18), wobei das Klebeelement (20) eine Höhe (H_K) in Bezug auf die Referenzfläche aufweist, die größer is(18), Aufbringen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements (22) auf das Klebeelement (20), und Herstellen einer Kopplung des Bauelements (22) mit dem Klebeelement (20) unter Ausbildung eines Kontakts zwischen dem Bauelement (22) und den Stützelementen (18), Herstellen von elektrischen Verbindungen an dem Bauelement (22), und mindestens teilweises Entfernen der Stützelemente (18), derart, dass die Stützelemente (18) außer Kontakt mit dem Bauelement (22) gelangen. Die Erfindung betrifft weiter eine mittels des Verfahrens hergestellte Bauelementanordnung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung sowie eine mittels des Verfahrens hergestellte Bauelementanordnung.
  • Bauelemente, die in ein Gehäuse eingebaut werden, können mechanisch empfindlich sein, sowohl gegenüber statischen mechanischen Belastungen als auch gegenüber Schock- und Vibrationsbelastungen, die von außen auf das Bauelement einwirken. Die Bauelemente können auf derartige mechanische Einwirkungen mit einer Veränderung ihrer Bauelementeigenschaften reagieren. Für solche Bauelemente werden vorzugsweise Gehäuse eingesetzt, in die die Bauelemente derart eingebracht und kontaktiert werden, dass sie nur geringen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind.
  • Derartige mechanisch empfindliche Bauelemente können beispielsweise mechanisch bewegliche Teile aufweisen, wie dies beispielsweise bei MEMS-Bauelementen (MEMS = mikroelektromechanisches System) der Fall ist. Insbesondere können derartige Bauelemente Inertialsensoren wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren sein. Diese Bauelemente haben häufig die Anforderung, mit einer sehr hohen Präzision bezüglich ihrer Orientierung eingebaut zu werden. Die zulässigen Toleranzen bezüglich einer Verdrehung oder Verkippung sind dabei häufig sehr klein.
  • Die Ziele eines Schutzes des Bauelements gegenüber mechanischen Belastungen, insbesondere Schock- und Vibrationsbelastungen, durch eine dämpfende Lagerung sowie einer hohen Präzision bezüglich der Orientierung des Bauelements können schwer vereinbar sein. So kann eine elastische Lagerung des Bauelements zum Dämpfen von Vibrationen, beispielsweise mittels eines Klebers, eine nicht ausreichend genaue Positionierung des Bauelements bedingen. Klein dimensionierte Flächen der Lagerung beziehungsweise der Klebung können die Genauigkeit der Positionierung des Bauelements ebenfalls beeinträchtigen.
  • Darüber hinaus kann eine elastische Lagerung des Bauelements zum Dämpfen von Vibrationen auch mit dem Erfordernis einer guten elektrischen Kontaktierung des Bauelements mit Drähten mittels Bonden, insbesondere durch Ultraschallbonden, konkurrieren. Ein elastisch gelagertes Bauelement kann in einem solchen Fall möglicherweise die Ultraschallschwingungen ganz oder teilweise absorbieren. Damit kann eine zuverlässige Verbindung des Drahts mit dem Bauelement erschwert sein.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum präzisen und spannungsarmen Herstellen einer Bauelementanordnung zu schaffen, welche einfach zu realisieren sind und dabei eine zuverlässige elektrische Kontaktierung eines mechanisch empfindlichen Bauelements ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementanordnung zu schaffen, die präzise und spannungsarm ausgebildet ist.
  • Die Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Gemäß einem ersten und zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung. Ein Gehäuseteil, das Kontaktflächen aufweist, wird bereitgestellt. Stützelemente werden auf die Kontaktflächen aufgebracht, und eine feste Kopplung der Stützelemente mit den Kontaktflächen des Gehäuseteils wird hergestellt. Eine gemeinsame Höhe der Stützelemente in Bezug auf eine Referenzfläche wird ausgebildet. Mindestens ein Klebeelement wird auf das Gehäuseteil und/oder die Kontaktflächen und/oder die Stützelemente aufgebracht, wobei das Klebeelement eine Höhe in Bezug auf die Referenzfläche aufweist, die größer ist als die gemeinsame Höhe der Stützelemente. Ein elektrisches oder elektronisches Bauelement wird auf das Klebeelement aufgebracht. Eine Kopplung des Bauelements mit dem Klebeelement unter Ausbildung eines Kontakts zwischen dem Bauelement und den Stützelementen wird hergestellt. Elektrische Verbindungen an dem Bauelement werden hergestellt. Die Stützelemente werden mindestens teilweise entfernt, derart, dass die Stützelemente außer Kontakt mit dem Bauelement gelangen.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine elastische Lagerung des Bauelements auf dem Kleberelement bei sehr genauer Orientierung des Bauelements unter Vermeiden eines Verdrehens oder Verkippens des Bauelements möglich ist. Damit können auch mechanisch empfindliche Bauteile, die sehr präzise ausgerichtet sein müssen, in das Gehäuse eingebaut werden. Des Weiteren ist durch das temporäre Stützen des Bauelements mittels der Stützelemente ein reproduzierbares und sicheres Herstellen der elektrischen Verbindungen an dem Bauelement möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stützelemente als Lotkugeln ausgebildet, die mittels einer kurzzeitigen Erwärmung fest mit den Kontaktflächen des Gehäuseteils gekoppelt werden. Lotkugeln mit gut geeignetem Durchmesser sind in der Regel leicht verfügbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein einfaches, reproduzierbares Aufbringen der Lotkugeln durch eine automatisierte Positionierung möglich ist. Die Stützelemente können in einfacher Weise fest mit den Kontaktflächen des Gehäuseteils gekoppelt werden. Darüber hinaus ist ein Ausbilden einer gemeinsamen Höhe der Lotkugeln durch Planarisieren einfach möglich, ohne dass eine elastische Rückstellung der Lotkugeln erfolgt. Zudem ist eine hohe Festigkeit bei den für das Herstellen der elektrischen Verbindungen üblichen Temperaturen gegeben, und gleichwohl ein teilweises Entfernen der Lotkugeln bei moderaten Temperaturen gut möglich. Ein weiterer Vorteil sind die niedrigen Kosten der Lotkugeln.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stützelemente wenigstens teilweise aus einem Material gebildet, das mittels eines Lösungsmittels, thermischer Verdampfung, Sublimation oder Zersetzung, Schmelzen, oder einer Kombination dieser Verfahren mindestens teilweise entfernt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stützelemente aus einem Material gebildet, die ein Polymer aufweisen, und die Stützelemente werden mittels eines photolithographischen Verfahrens auf die Kontaktflächen aufgebracht. Damit können die Stützelemente in einfacher Weise fest mit den Kontaktflächen des Gehäuseteils gekoppelt werden. Die Stützelemente aus Polymer können als Maske zum Aufbringen des Klebeelements, zum Beispiel durch Rakeln, eingesetzt werden. Des Weiteren können niedrige Kosten erreicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die gemeinsame Höhe der Stützelemente durch Ausüben eines Drucks auf die Stützelemente mittels einer Pressvorrichtung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass in einfacher Weise eine plane, durch die Stützelemente bestimmte Fläche hergestellt werden kann, die präzise gegenüber einer Referenzebene, vorzugsweise einer Ebene von SMT-Anschlüssen (SMT = Surface Mounted Technology), ausgerichtet ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Klebeelement mittels eines Stempels, einer Dosiervorrichtung oder mittels Jet-Printing auf die Kontaktflächen aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Klebeelement einfach und zuverlässig auf die Kontaktflächen aufgebracht werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Klebeelement derart auf die Kontaktflächen aufgebracht, dass unmittelbar an die Stützelemente angrenzende Bereiche der Kontaktflächen des Gehäuseteils frei von dem Klebeelement bleiben. Dies hat den Vorteil, dass für das mindestens teilweise Entfernen der Stützelemente ausreichend Raum zur Verfügung steht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Klebeelement nach dem Aufbringen auf die Kontaktflächen thermisch gehärtet. Dies hat den Vorteil, dass das Klebeelement bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von beispielsweise 150°C gut aushärten kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Stützelemente mindestens teilweise entfernt, indem die Temperatur wenigstens eines Teils der Kontaktflächen erhöht wird, derart, dass die Stützelemente schmelzen und ihren Kontakt mit dem Bauelement verlieren. Dies stellt eine einfache Möglichkeit zum teilweisen Entfernen der Stützelemente dar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kontaktflächen eine größere Benetzbarkeit bezüglich des Materials der schmelzenden Stützelemente auf als das Bauelement. Dies hat den Vorteil, dass ein Benetzen des Bauelements durch die Schmelze der Stützelemente vermieden werden kann, während die Kontaktflächen durch die Schmelze der Stützelemente gut benetzt werden können. Dies kann insbesondere erreicht werden, wenn das Bauelement Silizium aufweist, die Kontaktflächen ganz oder teilweise Gold, Kupfer oder Nickel aufweisen und die Stützelemente aus einem Lot bestehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Kontaktflächen mittels einer durch Druck oder photolithografisch aufgebrachten Maskenanordnung begrenzt, und die Maskenanordnung wird vor oder während dem mindestens teilweisen Entfernen der Stützelemente entfernt. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Begrenzung der Kontaktflächen möglich wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich oder zusammen mit dem elektrischen oder elektronischen Bauelement ein Masseelement auf das Klebeelement aufgebracht wird. Das Masseelement ist oder wird fest mit dem elektrischen oder elektronischen Bauelement gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass mittels des Masseelements in geeigneter Weise eine niedrige Resonanzfrequenz des Bauelements eingestellt werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuseteil eine Ausnehmung auf, und nach dem mindestens teilweisen Entfernen der Stützelemente wird ein Fluid in die Ausnehmung eingebracht, wobei das Fluid insbesondere ein Öl oder ein Gel ist. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders elastische und schwingungsgedämpfte Lagerung des Bauelements in dem Gehäuse sowie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen oder Schlägen möglich sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Bauelementanordnung mit einem Gehäuseteil und einem Bauelement. Die Bauelementanordnung ist hergestellt mittels des Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der Erfindung.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung besteht das Klebeelement mindestens teilweise aus einem Material, das einen Silikonkautschuk oder einen Epoxidkleber aufweist. Dies hat den Vorteil, dass sich Silikonkautschuk oder Epoxidkleber leicht auf die Kontaktflächen aufbringen lassen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung besteht das Klebeelement mindestens teilweise aus einem Material, das einen Elastizitätsmodul von maximal 3 GPa hat. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr gute elastische Lagerung des Bauelements auf dem Kleberelement möglich ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung besteht das Klebeelement mindestens teilweise aus einem Material, das ein bei Raumtemperatur vernetzendes Silikon oder ein mittels Strahlung aushärtendes Polymer aufweist, oder das lösungsmittelbasiert ist. Dies hat den Vorteil, dass das Klebeelement in einfacher Weise gut ausgehärtet werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung besteht das Masseelement mindestens teilweise aus einem Metall. Dies hat den Vorteil, dass für einen Verbund aus dem Bauelement und dem Masseelement in einfacher Weise eine hohe Masse und damit eine niedrige Resonanzfrequenz des Bauelements erreicht werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung besteht das Masseelement mindestens teilweise aus einem Material, das aus der Gruppe von Nickel, Eisen, Kupfer, Molybdän, Tantal oder Wolfram ausgewählt ist. Aufgrund der hohen Dichten dieser Metalle kann für einen Verbund aus dem Bauelement und dem Masseelement eine hohe Masse bei kleinem Volumen erreicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung weist das elektrische oder elektronische Bauelement einen Basischip und einen Ansteuer- und/oder Auswertechip auf, wobei der Ansteuer- und/oder Auswertechip als Masseelement ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass für das Bauelement in einfacher Weise eine hohe Masse erreicht werden kann, und dabei auf bereits zur Verfügung stehende Elemente zurückgegriffen werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bauelementanordnung weist das Bauelement einen MEMS-Chip auf. Ein MEMS-Chip stellt ein mechanisch hochempfindliches Bauteil dar, für das eine präzise Orientierung, ein spannungsarmer Einbau in das Gehäuse und eine zuverlässige elektrische Kontaktierung vorteilhaft sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer Bauelementanordnung in einem ersten Verfahrensschritt,
  • 2 bis 6 Schnittansichten der Bauelementanordnung in weiteren Verfahrensschritten, und
  • 7 Teile der Bauelementanordnung in einer perspektivischen Ansicht.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren zeigen eine Bauelementanordnung mit einem Gehäuseteil 10. Das Gehäuseteil 10 weist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Ausnehmung 12 auf, und ist damit als Hohlraumgehäuse ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist das Gehäuseteil 10 ohne Ausnehmung ausgebildet. Das Gehäuseteil 10 weist vorzugsweise Materialien auf, die Keramiken oder organische Laminate sind. Besonders bevorzugt weist das Gehäuseteil 10 Materialien auf, die ganz oder teilweise als High Temperature Cofired Ceramics (HTCC), Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder aus Epoxidharz und Glasfasergewebe ausgebildet sind. Im Inneren des Gehäuseteils 10 sind Kontaktflächen 14 und weitere Kontaktflächen 16 angeordnet. Die Kontaktflächen 14 weisen Metallisierungsbereiche auf, deren Oberflächen mit Lot benetzbar sein können, jedoch elektrisch funktionslos sind. Die weiteren Kontaktflächen 16 sind zur elektrischen Kontaktierung ausgebildet, und können mit äußeren Anschlusselementen, zum Beispiel Lötflächen oder Anschlussbeinchen und/oder untereinander verbunden sein.
  • Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen der Bauelementanordnung im Detail dargestellt:
    Zunächst wird das Gehäuseteil 10 bereitgestellt (1). Anschließend werden Stützelemente 18 auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht. Die Stützelemente 18 sind vorzugsweise als Lotkugeln ausgebildet. Die als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 werden vorzugsweise mittels einer kurzzeitigen Erwärmung fest mit den inneren Kontaktflächen 14 des Gehäuseteils 10 gekoppelt. Bevorzugt werden einzelne vorgefertigte Lotkugeln einzeln an der jeweiligen Sollposition, das heißt der Kontaktfläche 14, angeheftet. Dies wird vorzugsweise durch eine pulsartige Erwärmung der als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 ausgeführt. Die Lotkugeln weisen vorzugsweise ein Material auf, das aus der Gruppe von bleifreien SnAg-, SnCu- oder SnAgCu-Legierungen ausgewählt ist. Die Durchmesser der Lotkugeln betragen vorzugsweise zwischen etwa 50 μm und 1000 μm. Besonders bevorzugt sind Lotkugeln mit einem Kugeldurchmesser von 200 μm bis 500 μm.
  • Als Lotkugeln ausgebildete Stützelemente 18 weisen besondere Vorteile auf. So sind die Kosten für die als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 sehr gering. Des Weiteren sind die Lotkugeln gut verfügbar, insbesondere in dem für den vorliegenden Fall optimal geeigneten Durchmesserbereich von zirka 50 bis 1000 μm. Darüber hinaus können die Lotkugeln sehr geringe Streuungen des Durchmessers aufweisen. Die Lotkugeln können durch eine rechnergestützte, reproduzierbare Positionierung sehr einfach auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht werden. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Kontaktflächen 14 Vertiefungen in dem Gehäuseteil 10 sind. Des Weiteren können die Lotkugeln durch eine plastische Verformung ohne nennenswerte elastische Rückstellung einfach planarisiert werden.
  • In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Stützelemente 18 wenigstens teilweise aus einem Material gebildet, das mittels eines Lösungsmittels, einer thermischen Behandlung oder chemisch zersetzbar oder schrumpfbar ist.
  • Die Stützelemente 18 können auch aus einem Material gebildet sein, das ein Polymer aufweist. In diesem Fall können die Stützelemente mittels eines fotolithografischen Verfahrens in einfacher Weise auf die inneren Kontaktflächen 14 aufgebracht werden.
  • In einem weiteren Schritt (2) wird eine gemeinsame Höhe H_S der Stützelemente 18 in Bezug auf eine Referenzfläche ausgebildet. Als gemeinsame Referenzfläche können insbesondere die Kontaktflächen 14 dienen. In weiteren Ausführungsformen können jedoch auch eine Bodenaußenseite des Gehäuseteils 10 beziehungsweise auf dieser angeordnete Lötanschlüsse die Referenzfläche sein. Besonders bevorzugt wird die gemeinsame Höhe H_S der Stützelemente 18 durch ein Ausüben eines Drucks in einer Richtung R auf die Stützelemente 18 mittels einer Pressvorrichtung 28 hergestellt. Die als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 werden also gemeinsam geringfügig abgeplattet.
  • In einem weiteren Schritt (3) wird mindestens ein Klebeelement 20 auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht. Das Klebeelement 20 hat dabei eine Höhe H_K, die größer ist als die gemeinsame Höhe H_S der Stützelemente. Das Klebeelement 20 ist vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem weichen Silikonkautschuk oder einem flexibilisierten Epoxidkleber gebildet. Das Elastizitätsmodul des Klebeelements 20 ist vorzugsweise kleiner als 3 GPa. Weiter bevorzugt ist, wenn das Elastizitätsmodul des Klebeelements 20 kleiner als 1 GPa ist, und besonders vorteilhaft ist, wenn das Elastizitätsmodul des Klebeelements 20 kleiner als 0,1 GPa ist. Das Klebeelement 20 kann vorzugsweise mittels eines Stempels, einer Dosiervorrichtung oder mittels Jetprinting auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht werden. Eine Dosiervorrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn die Kugeldurchmesser der Lotkugeln zwischen 200 und 1000 μm liegen. Die Anordnung der Stützelemente 18 und die Anordnung der Klebeelemente 20 können weitgehend frei und unabhängig voneinander gestaltet werden. Bevorzugt ist jedoch, wenn das Klebeelement 20 derart auf die Kontaktflächen 14 aufgebracht wird, dass unmittelbar an die Stützelemente 18 angrenzende Bereiche 30 der Kontaktflächen 14 des Gehäuseteils 10 von dem Klebeelement 20 frei bleiben. Damit werden die Stützelemente 18 nicht vollständig von dem Klebeelement 20 eingebettet.
  • In einem weiteren Schritt (4) wird ein elektrisches oder elektronisches Bauelement 22 in die Ausnehmung 12 eingebracht. Das elektrische oder elektronische Bauelement 22 ist insbesondere ein Chip, vorzugsweise ein MEMS-Chip. Durch Ausüben eines Drucks auf das elektrische oder elektronische Bauelements 22 in Richtung auf die Kontaktflächen 14 wird die Höhe des Klebeelements 20 auf die Höhe der Stützelemente 18 komprimiert. Des Weiteren wird eine Kopplung des Bauelements 22 mit dem Klebeelement 20 und ein mechanischer Kontakt zwischen dem Bauelement 22 und den Stützelementen 18 hergestellt (siehe auch 7). Dies stellt insbesondere eine Möglichkeit dar, eine teilflächige Verklebung definiert herzustellen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Klebeelement 20 nach dem Aufbringen des Bauelements 22 auf die Stützelemente 18 thermisch gehärtet, beispielsweise in einem Umluftofen bei 150°C. Alternativ kann für das Klebeelement 20 jedoch auch ein Material eingesetzt werden, das bei Raumtemperatur aushärtet, insbesondere ein bei Raumtemperatur vernetzendes Silikon. In weiteren Ausführungsformen kann das Klebeelement ein Material aufweisen, das mittels Strahlung aushärtbar ist, wie zum Beispiel ein Polymer. In weiteren Ausführungsformen kann das Klebeelement ein Material aufweisen, das lösungsmittelbasiert ist.
  • Zusammen mit oder separat von dem elektrischen oder elektronischen Bauelement 22 kann ein Masseelement 32 in die Ausnehmung 12 eingebracht werden. Das Masseelement 32 ist vorzugsweise fest mit dem elektrischen oder elektronischen Bauelement 22 gekoppelt oder wird mit dem Bauelement 22 gekoppelt. Damit kann für das Bauelement 22 in Verbindung mit dem Masseelement 32 eine niedrige mechanische Resonanzfrequenz erreicht werden. Vorzugsweise ist das Masseelement 32 ein Metallplättchen, das auf das elektrische oder elektronische Bauelement 22 aufgebracht und fest mit diesem gekoppelt wird, beispielsweise durch Kleben. Als Metall wird vorzugsweise Nickel, Eisen oder Kupfer mit Dichten von zirka 8.000 kg/m3 oder Molybdän, Tantal oder Wolfram mit Dichten von über 10.000 kg/m3 eingesetzt.
  • In weiteren Ausführungsformen kann das elektrische oder elektronische Bauelement 22 einen Basischip und einen Ansteuer- und/oder Auswertechip aufweisen. Der Ansteuer- und/oder Auswertechip kann in diesem Fall als Masseelement 32 dienen. In diesem Fall ist der Ansteuer- und/oder Auswertechip in einfacher Weise mit dem Basischip gekoppelt, so dass der Ansteuer- und/oder Auswertechip auf dem Basischip aufsitzt. In einer weiteren Ausführungsform kann auch der Basischip auf dem Ansteuer- und/oder Auswertechip angeordnet sein, insbesondere dann, wenn der Ansteuer- und/oder Auswertechip größere geometrische Abmessungen aufweist als der Basischip.
  • In einem weiteren Schritt (5) werden elektrische Verbindungen an dem beziehungsweise zu dem Bauelement 22 hergestellt. Dies kann vorzugsweise durch Drahtbonden mit Bonddrähten an Anschlussflächen 26 des Bauelements 22 und am Gehäuseteil 10 und/oder an anderen Bauteilen erfolgen. Das Bonden kann insbesondere als Ultraschallbonden erfolgen. Das zwischen dem Gehäuseteil 10 und dem Bauelement 22 angeordnete Stützelement 18 verhindert, dass das Klebeelement 20 zusammengedrückt wird, und so die für das Bonden eingebrachte Ultraschallenergie von dem Klebeelement 20 weitgehend absorbiert wird. Durch den Einsatz der Stützelemente 18 kann das elektrische oder elektronische Bauelement 22 des Weiteren seine Lage nicht verändern oder wegkippen und die Ultraschallschwingungen des Ultraschallbondens werden nicht unverhältnismäßig gedämpft.
  • Wie in 5 dargestellt, können auch weitere Bauelemente 24 (zum Beispiel Ansteuer- und/oder Auswertechips) in dem Gehäuseteil 10 befestigt und kontaktiert werden. Dies kann insbesondere mittels Lotkugeln, die insbesondere mindestens teilweise aus Gold bestehen, realisiert werden. Die Kopplung der weiteren Bauelemente 24 mit dem Gehäuseteil 10 kann jedoch auch mittels anderer, dem zuständigen Fachmann geläufigen Verbindungstechniken erfolgen.
  • In einem weiteren Schritt (6) werden die Stützelemente 18 mindestens teilweise entfernt, derart, dass die Stützelemente 18 außer Kontakt mit dem Bauelement 22 gelangen. Dazu wird vorzugsweise das Gehäuseteil 10 im Bereich der Bodenplatte großräumig auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Nach einer für ein Erweichen der als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 ausreichenden Zeit sinken die Stützelemente 18 zusammen, wobei sie die Rückseite des Bauelements 22 freigeben. Die als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 haben den Vorteil, dass sie in einem Temperaturbereich von zirka 250°C schmelzen können, während sie bei den für das Drahtbonden üblichen Temperaturen von ungefähr 150°C eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass sie dabei das Bauelement 22 gut stützen können.
  • In der Folge ist das Bauelement 22 nunmehr nur noch auf dem Klebeelement 20 gelagert. Damit kann eine besonders gute elastische Lagerung des Bauelements 22 mittels des Klebeelements 20 ermöglicht sein. Das Bauelement 22 ist gleichwohl sehr präzise montiert und zuverlässig mit elektrischen Verbindungen versehen. Das Herstellen der Bauelementanordnung kann abhängig von der Wahl des Materials der Lotkugeln, der Dauer des Schmelzens der als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 und gegebenenfalls durch Maskierungen sehr gut gesteuert werden.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn die inneren Kontaktflächen 14 mittels einer durch Druck oder fotolithografisch aufgebrachten Maskenanordnung begrenzt werden, und die Maskenanordnung vor oder während des mindestens teilweisen Entfernens der Stützelemente 18 entfernt wird. In diesem Fall ist es sehr einfach möglich, Klebeelemente 20 in die durch die Maskenanordnung hervorgerufenen Lücken insbesondere durch Rakeln aufzutragen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem Schritt entsprechend der 3 kann das Klebeelement 20 auch auf die Stützelemente 18 aufgebracht werden, sodass es nach dem Herstellen der Kopplung des Bauelements 22 mit dem Klebeelement 20 auch zwischen den Stützelementen 18 und dem Bauelement 22 appliziert ist. In diesem Fall kann ein sehr dünner Film des Klebeelements 20 auch zwischen dem Stützelement 18 und der Unterseite des Bauelements 22 verbleiben, der für eine sehr gute Fixierung des Bauelements 22 während des Herstellens der elektrischen Verbindungen an dem Bauelement 22 sorgen kann.
  • Wird das Klebeelement 20 ausschließlich auf die Stützelemente 18 aufgebracht, so dass es ausschließlich zwischen dem Stützelement 18 und der Unterseite des Bauelements 22 angeordnet ist, so kann insbesondere ein dünner, harter Kleber verwendet werden. In diesem Fall würde das Bauelement 22 mittels der elektrischen Verbindungen, also beispielsweise der Bonddrähte, stabil in dem Gehäuseteil 10 aufgehängt sein, nachdem die Stützelemente 18 mindestens teilweise entfernt wurden.
  • Insbesondere im Hinblick auf die zuletzt beschriebene Ausführungsform wird vorzugsweise nach der mindestens teilweisen Entfernung der Stützelemente 18 ein Fluid in die Ausnehmung 12 eingebracht. Bevorzugt ist das Fluid ein Öl oder ein Gel. Durch das Auffüllen des Gehäuseteils 10 mit einem viskosen Medium kann die Bauelementanordnung sehr widerstandsfähig gegenüber einem Schock oder einer Vibration ausgebildet sein.
  • Das Bauelement 22 kann auch mittels Ultraschallbonden mit den Stützelementen 18 und/oder den Klebeelementen 20 gekoppelt werden. Durch Druck und Ultraschallenergie kann dabei eine Haftung zwischen dem Bauelement 22 und den Stützelementen 18 erreicht werden. Insbesondere ist es damit auch möglich, die als Lotkugeln ausgebildeten Stützelemente 18 abzuplatten.
  • Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert, ist aber nicht auf diese beschränkt. Es sind insbesondere Verfahrensvarianten möglich, die in einzelnen Schritten von den dargestellten Schritten abweichen können.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gehäuseteil
    12
    Ausnehmung
    14
    Kontaktflächen
    16
    weitere Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung
    18
    Stützelemente
    20
    Klebeelement
    22
    elektrisches oder elektronisches Bauelement
    24
    weiteres Bauelement
    26
    Anschlussflächen auf dem Bauelement
    28
    Pressvorrichtung
    30
    Bereiche der Kontaktflächen
    32
    Masseelement
    H_S
    Höhe des Stützelemente
    H_K
    Höhe des Klebeelements
    R
    Richtung des Drucks von 28

Claims (22)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Bauelementanordnung, mit den Schritten: – Bereitstellen eines Gehäuseteils (10), das Kontaktflächen (14) aufweist, – Aufbringen von Stützelementen (18) auf die Kontaktflächen (14), und Herstellen einer festen Kopplung der Stützelemente (18) mit den Kontaktflächen (14) des Gehäuseteils (10), – Ausbilden einer gemeinsamen Höhe (H_S) der Stützelemente (18) in Bezug auf eine Referenzfläche, – Aufbringen mindestens eines Klebeelements (20) auf das Gehäuseteil (10) und/oder die Kontaktflächen (14) und/oder die Stützelemente (18), wobei das Klebeelement (20) eine Höhe (H_K) in Bezug auf die Referenzfläche aufweist, die größer ist als die gemeinsame Höhe (H_S) der Stützelemente (18), – Aufbringen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements (22) auf das Klebeelement (20), und Herstellen einer Kopplung des Bauelements (22) mit dem Klebeelement (20) unter Ausbildung eines Kontakts zwischen dem Bauelement (22) und den Stützelementen (18), – Herstellen von elektrischen Verbindungen an dem Bauelement (22), und – mindestens teilweises Entfernen der Stützelemente (18), derart, dass die Stützelemente (18) außer Kontakt mit dem Bauelement (22) gelangen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stützelemente (18) als Lotkugeln ausgebildet sind, die mittels einer kurzzeitigen Erwärmung fest mit den Kontaktflächen (14) des Gehäuseteils (10) gekoppelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stützelemente (18) wenigstens teilweise aus einem Material gebildet sind, das mittels eines Lösungsmittels, thermischer Verdampfung, Sublimation oder Zersetzung, Schmelzen, oder einer Kombination dieser Verfahren mindestens teilweise entfernt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stützelemente (18) aus einem Material gebildet sind, die ein Polymer aufweisen, und die Stützelemente (18) mittels eines photolithographischen Verfahrens auf die Kontaktflächen (14) aufgebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gemeinsamen Höhe (H_S) der Stützelemente (18) durch Ausüben eines Drucks auf die Stützelemente (18) mittels einer Pressvorrichtung (28) ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Klebeelement (20) mittels eines Stempels, einer Dosiervorrichtung oder mittels Jet-Printing auf die Kontaktflächen (14) aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Klebeelement (20) derart auf die Kontaktflächen (14) aufgebracht wird, dass unmittelbar an die Stützelemente (18) angrenzende Bereiche (30) der Kontaktflächen (14) des Gehäuseteils (10) frei von dem Klebeelement (20) bleiben.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Klebeelement (20) nach dem Aufbringen des Bauelements (22) thermisch gehärtet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stützelemente (18) mindestens teilweise entfernt werden, indem die Temperatur wenigstens eines Teils der Kontaktflächen (14) erhöht wird, derart, dass die Stützelemente (18) schmelzen und ihren Kontakt mit dem Bauelement (22) verlieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kontaktflächen (14) eine größere Benetzbarkeit bezüglich des Materials der schmelzenden Stützelemente (18) aufweisen als das Bauelement (22).
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Kontaktflächen (14) mittels einer durch Druck oder photolithografisch aufgebrachten Maskenanordnung begrenzt werden, und – die Maskenanordnung vor oder während dem mindestens teilweisen Entfernen der Stützelemente (18) entfernt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich oder zusammen mit dem elektrischen oder elektronischen Bauelement (22) ein Masseelement (32) auf das Klebeelement (20) aufgebracht wird, wobei das Masseelement (32) fest mit dem elektrischen oder elektronischen Bauelement (22) gekoppelt ist oder gekoppelt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuseteil (10) eine Ausnehmung (12) aufweist, und nach dem mindestens teilweises Entfernen der Stützelemente (18) ein Fluid in die Ausnehmung (12) eingebracht wird, wobei das Fluid insbesondere ein Öl oder ein Gel ist.
  14. Bauelementanordnung mit einem Gehäuseteil (10) und einem Bauelement (22), wobei die Bauelementanordnung hergestellt ist mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Bauelementanordnung nach Anspruch 14, bei dem das Klebeelement (20) mindestens teilweise aus einem Material besteht, das einen Silikonkautschuk oder einen Epoxidkleber aufweist.
  16. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 und 15, bei dem das Klebeelement (20) mindestens teilweise aus einem Material besteht, das einen Elastizitätsmodul von maximal 3 GPa hat.
  17. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Klebeelement (20) mindestens teilweise aus einem Material besteht, das ein bei Raumtemperatur vernetzendes Silikon oder ein mittels Strahlung aushärtendes Polymer aufweist, oder das lösungsmittelbasiert ist.
  18. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das Masseelement (32) mindestens teilweise aus einem Metall besteht.
  19. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem das Masseelement (32) mindestens teilweise aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von Nickel, Eisen, Kupfer, Molybdän, Tantal oder Wolfram ausgewählt ist.
  20. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem das elektrische oder elektronische Bauelement (22) einen Basischip und einen Ansteuer- und/oder Auswertechip aufweist, wobei der Ansteuer- und/oder Auswertechip als Masseelement (32) ausgebildet ist.
  21. Bauelementanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei dem das Bauelement (22) einen MEMS-Chip aufweist.
  22. Vorrichtung zum Herstellen einer Bauelementanordnung, das ausgebildet ist zum – Bereitstellen eines Gehäuseteils (10), das Kontaktflächen (14) aufweist, – Aufbringen von Stützelementen (18) auf die Kontaktflächen (14), und Herstellen einer festen Kopplung der Stützelemente (18) mit den Kontaktflächen (14) des Gehäuseteils (10), – Ausbilden einer gemeinsamen Höhe (H_S) der Stützelemente (18) in Bezug auf eine Referenzfläche, – Aufbringen mindestens eines Klebeelements (20) auf das Gehäuseteil (10) und/oder die Kontaktflächen (14) und/oder die Stützelemente (18), wobei das Klebeelement (20) eine Höhe (H_K) in Bezug auf die Referenzfläche aufweist, die größer ist als die gemeinsame Höhe (H_S) der Stützelemente (18), – Aufbringen eines elektrischen oder elektronischen Bauelements (22) auf das Klebeelement (20), und Herstellen einer Kopplung des Bauelements (22) mit dem Klebeelement (20) unter Ausbildung eines Kontakts zwischen dem Bauelement (22) und den Stützelementen (18), – Herstellen von elektrischen Verbindungen an dem Bauelement (22), und – mindestens teilweisen Entfernen der Stützelemente (18), derart, dass die Stützelemente (18) außer Kontakt mit dem Bauelement (22) gelangen.
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