DE102010054781B4 - Modul zur Reduzierung von thermomechanischem Stress und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Modul mit Reduzierung von thermomechanischem Stress,
aufweisend:
– ein Trägersubstrat (10),
– mehrere elektronische Bauelemente (20), die auf dem Trägersubstrat (10) angeordnet sind und zur Realisierung einer Funktion des Moduls miteinander verschaltet sind,
– eine Verkapselungsmasse (30), die die mehreren elektronischen Bauelemente (20) umgibt,
– wobei innerhalb der Verkapselungsmasse (30) mindestens eine Materialaussparung (40) angeordnet ist, die sich ausgehend von einer dem Trägersubstrat (10) abgewandten Oberfläche der Verkapselungsmasse (30) in die Verkapselungsmasse erstreckt und in einem Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen (20) angeordnet ist,
– wobei in der Materialaussparung (40) ein Füllmaterial (60) aus einem mit Hohlkugeln gefüllten, flexiblen Polymer enthalten ist, wobei die Hohlkugeln einen Durchmesser von 10 μm bis 50 μm aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Modul mit reduziertem thermomechanischem Stress auf Bauelemente, die von einer Verkapselungsmasse umgeben sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit Reduzierung von thermomechanischem Stress auf Bauelemente, die von einer Verkapselungsmasse umgeben sind.
  • Ein Modul umfasst eine Vielzahl von miteinander verschalteten Bauelementen zur Realisierung verschiedenster Funktionen. Durch den Einsatz derartiger Module ist es nicht mehr erforderlich, für sämtliche Funktionen einer Anwendung ein eigenes Schaltungsdesign zu entwerfen. Das Modul lässt sich vielmehr als fertige Baugruppe in eine komplexe Schaltung integrieren.
  • 1A zeigt eine Draufsicht auf ein Modul 1. Das Modul weist ein Trägersubstrat 10 auf, auf dem verschiedenen Bauelemente 20 angeordnet sind. Auf dem Trägersubstrat können oberflächensensitive Bauelemente 21, beispielsweise Oberflächenwellen-Filter (SAW-Filter), Volumenwellen-Filter (BAW-Filter), Schalter 22 auf Basis von Silizium, Saphir oder Galliumarsenid oder sonstige SMD(surface mounted devices)- oder Flip-Chip-montierte-Bauteile 23 angeordnet sein. In einem mehrlagigen Trägersubstrat können weitere aktive oder passive Chips eingebettet sein. Zum Schutz der Bauelemente kann auf dem Trägersubstrat eine Verkapselungsmasse 30 aufgebracht sein, die die Bauelemente 20 umgibt.
  • 1B zeigt das Modul 1, das das Trägersubstrat 10, die Bauelemente 20 und die Verkapselungsmasse 30 aufweist, in einem Querschnitt. Die Bauelemente 20 können auf dem Trägersubstrat 10 durch Diebond-, SMD- oder Flip-Chip-Technik aufgebracht werden. Anschließend werden die Bauelemente verkapselt, indem die Verkapselungsmasse 30 auf das Trägersubstrat 10 und um die Bauelemente 20 aufgetragen wird. Die Verkapselungsmasse kann z. B. durch Dispensen, Moulden, „Compression Moulding”, Jetten oder Laminieren aufgebracht werden. Beim Aufbringen durch Laminieren und/oder Jetten kann die Verkapselungsmasse abhängig vom Abstand zum Substrat eine verschiedene Zusammensetzung zum Beispiel einen unterschiedlichen Füllgrad des dotierten Polymermaterials und/oder ein unterschiedliches Dotiermaterial aufweisen.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Materialien weisen das Trägersubstrat 10, die Bauelemente 20 sowie die Verkapselungsmasse 30 unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei einer Temperaturänderung dehnen sich die Materialien des Trägersubstrats 10, der Bauelemente 20 und der Verkapselungsmasse 30 daher verschiedenartig aus. Das unterschiedliche thermomechanische Verhalten der Bauelemente untereinander, zum Trägersubstrat oder zur Verkapselungsmasse, bewirkt, dass bei Temperaturbeanspruchung während des Fertigungsprozesses und nach Fertigstellung des Moduls durch thermomechanische Verspannungen infolge mechanischer Verkopplung der Bauelemente durch die Verkapselungsmasse das Thermozyklenverhalten einzelner verkapselter Bauelemente von dem Thermozyklenverhalten von frei auf dem Trägersubstrat stehenden Bauelementen abweicht. Bei einer Temperaturänderung tritt daher eine thermomechanische Stressbelastung auf, die beispielsweise zum Abreißen von Kontakten zwischen den Bauelementen oder zum Ablösen von Bauelementen von dem Trägersubstrat führen kann.
  • Bei verkapselten Modulen zeigt sich ein starker Einfluss auf das Thermozyklenverhalten in Abhängigkeit von der Umgebung des Bauelementes. Beispielsweise zeigen Bauelemente, die auf dem Trägersubstrat in einer Randlage aufgebracht sind, ein anderes Thermozyklenverhalten als identische Bauelemente, die in der Mitte des Trägersubstrats angeordnet sind. Bauelemente am Rande des Trägersubstrats sind in einer thermomechanisch aniostropen Umgebung angeordnet, während sich die in der Mitte der Trägersubstrats angeordneten Bauelemente in einer thermomechanisch eher isotropen Umgebung befinden.
  • Die Druckschrift US 2008/0067650 A1 betrifft eine Bauelementanordnung, bei der eine auf einem Substrat angeordnete elektronische Komponente von einem Verkapselungsmaterial umgeben ist und in einem Abstand zu dem Verkapselungsmaterial ein leitendes Gehäuse, das das Verkapselungsmaterial und die elektronische Komponente umgibt, angeordnet ist. Benachbart zu dem Gehäuse ist auf dem Substrat eine weitere elektronische Komponente, die ebenfalls von einem Verkapselungsmaterial umgeben ist, angeordnet.
  • Die Druckschrift US 4 961 886 A betrifft ein Verfahren, bei dem der Fluss eines Materials begrenzt wird, indem ein Abschnitt des Materials in Form eines Dammes ausgehärtet wird.
  • Die Druckschrift US 6 710 446 B2 betrifft eine Halbleiter-Vorrichtung, bei der auf einem Substrat Halbleiterbauelemente mit Stress reduzierenden Schichten angeordnet sind, wobei in die Stress reduzierenden Schichten Gräben eingebracht sind.
  • Die Druckschrift US 2009/0194851 A1 betrifft Halbleiterbauelemente, die jeweils mittels eines Gehäuses vor elektromagnetischer Strahlung geschirmt sind. Die einzelnen Bauelemente sind auf einem Substrat angeordnet und von einer Verkapselungsmasse umgeben. Das Substrat ist auf einem Klebeband aufgebracht. Zum Vereinzeln der Bauelemente werden mittels einer Säge Schnitte eingebracht, die die Verkapselungsmasse und das Substrat bis teilweise in das Klebeband hinein durchtrennen beziehungsweise in die Verkapselungsmasse und das Trägersubstrat nur teilweise hinein reichen.
  • In den Druckschriften US 2003/0189213 A1 und US 2010/0181578 A1 ist jeweils ein optisches Modul mit einem zur Lichtaussendung ausgebildeten Chip und einem zum Empfangen von Lichtsignalen geeigneten Chip gezeigt. Um eine Störung des Lichtsignale empfangenden Chips durch die von dem sendenden Chip abgestrahlten Lichtsignale zu vermeiden, ist in einem Verkapselungsmaterial, das die beiden Chips bedeckt, ein Graben eingebracht.
  • Es ist wünschenswert, ein Modul anzugeben, bei dem eine thermomechanische Stresseinwirkung auf die auf dem Trägersubstrat des Moduls angeordneten Bauelemente reduziert ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Herstellen eines Moduls angegeben werden, bei dem eine thermomechanische Stresseinwirkung auf die Bauelemente, die auf dem Trägersubstrat angeordnet sind, reduziert ist.
  • Ein Modul mit Reduzierung von thermomechanischem Stress umfasst ein Trägersubstrat, mehrere elektronische Bauelemente, die auf dem Trägersubstrat angeordnet sind und zur Realisierung einer Funktion des Moduls miteinander verschaltet sind, und eine Verkapselungsmasse, die die mehreren elektronischen Bauelemente umgibt, wobei innerhalb der Verkapselungsmasse mindestens eine Materialaussparung angeordnet ist, die sich ausgehend von einer dem Trägersubstrat abgewandten Oberfläche der Verkapselungsmasse in die Verkapselungsmasse erstreckt und in einem Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen angeordnet ist. In der Materialaussparung ist ein Füllmaterial aus einem mit Hohlkugeln gefüllten, flexiblen Polymer enthalten, wobei die Hohlkugeln einen Durchmesser von 10 μm bis 50 μm aufweisen.
  • An den Stellen der Verkapselungsmasse, an denen die Aussparungen vorgesehen sind, entstehen Bereiche mit niedrigem effektivem E-Modul. Durch die Ausnehmungen in dem Material der Verkapselungsmasse wird somit eine thermomechanische Entkopplung der Bauelemente im Modul erzielt.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit Reduzierung von thermomechanischem Stress angegeben. Das Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit Reduzierung von thermomechanischem Stress sieht das Bereitstellen eines Trägersubstrats vor. Das Trägersubstrat wird mit elektronischen Bauelementen derart bestückt, dass die elektronischen Bauelemente zur Realisierung einer Funktion des Moduls miteinander verschaltet sind. Auf dem Trägersubstrat wird eine Verkapselungsmasse derart aufgebracht, dass die elektronischen Bauelemente von der Verkapselungsmasse umgeben sind. Mindestens eine Materialaussparung wird in die Verkapselungsmasse derart eingebracht, dass sich die mindestens eine Materialaussparung ausgehend von einer dem Trägersubstrat abgewandten Oberfläche der Verkapselungsmasse in die Verkapselungsmasse erstreckt und die Materialaussparung in einem Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen angeordnet ist. Die Materialaussparung wird mit einem Füllmaterial aus einem mit Hohlkugeln gefüllten, flexiblen Polymer aufgefüllt, wobei die Hohlkugeln einen Durchmesser von 10 μm bis 50 μm aufweisen. Das Füllmaterial wird ausgehärtet.
  • Weitere Ausführungsformen des Moduls und des Verfahrens zur Herstellung des Moduls sich den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
  • 1A eine Draufsicht auf ein Modul mit verkapselten Bauelementen,
  • 1B einen Querschnitt durch ein Modul mit verkapselten Bauelementen,
  • 2 eine Draufsicht auf ein Modul mit verkapselten Bauelementen,
  • 3 eine Draufsicht auf ein weiteres Modul mit verkapselten Bauelementen,
  • 4 eine Draufsicht auf eine weiteres Modul mit verkapselten Bauelementen,
  • 5A einen Querschnitt durch eine nicht erfindungsgemäße Variante eines Moduls mit verkapselten Bauelementen,
  • 5B einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Moduls mit verkapselten Bauelementen,
  • 5C einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Moduls mit verkapselten Bauelementen,
  • 5D einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Moduls mit verkapselten Bauelementen,
  • 5E einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Moduls mit verkapselten Bauelementen.
  • Die 2, 3 und 4 zeigen jeweils Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen eines Moduls 100 mit verkapselten Bauelementen 20. Die Bauelemente sind auf einem Trägersubstrat 10 angeordnet und können von einer Verkapselungsmasse 30 vollständig oder teilweise umgeben sein. Die Bauelemente können oberflächensensitive Bauelemente 21, beispielsweise Oberflächenwellen-Filter oder Volumenwellen-Filter, sein. Derartige Bauelemente weisen beispielsweise ein Substrat aus Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Silizium auf. Neben den oberflächensensitiven Bauelementen 21 können Schalter 22 auf dem Trägersubstrat angeordnet sein. Die Schalter können beispielsweise ein Substrat aus Silizium, Galliumarsenid oder Saphir aufweisen. Darüber hinaus können auf dem Trägersubstrat 10 weitere Bauelemente sowohl als Bare Dies als auch gekapselt, beispielsweise SMD(surface mounted devices)-Bauteile, zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren oder Spulen, angeordnet sein.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Bauelemente, des Trägersubstrats und der Verkapselungsmasse treten bei einer Temperaturänderung verschiedene mechanische Beanspruchungen der Bauelemente untereinander, zum Trägersubstrat oder zur Verkapselungsmasse auf. Zur Reduzierung der thermomechanischen Belastung auf die Bauelemente aufgrund der Temperaturänderung sind in der Verkapselungsmasse 30 Materialaussparungen 40 vorgesehen. Die Materialaussparungen 40 können beispielsweise mindestens eines der Bauelemente teilweise umgeben. Die Materialaussparungen 40 können die Bauelemente aber auch voll umfänglich umgeben. Des Weiteren können Materialaussparungen 40 zwischen Bauelementen vorhanden sein.
  • Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Aussparungen 40 in dem Material der Verkapselungsmasse als Spalte 41 ausgebildet. Die Spalte können beispielsweise durch Laserschneiden in das Material der Verkapselungsmasse eingebracht sein. Durch Einwirkung eines Lasers lassen sich in dem Material der Verkapselungsmasse Spalte mit unterschiedlicher Tiefe, Breite und Form erzeugen. Die Spalte können um ein Bauelement teilweise oder um den gesamten Umfang eines Bauelements angeordnet sein. Des Weiteren können die Spalten in dem Material der Verkapselungsmasse derart eingebracht werden, dass mehrere Bauelemente von einem Spaltverlauf umschlossen werden. Es können mittels des Lasers auch Spalte in dem Material der Verkapselungsmasse zwischen Bauelementen vorgesehen werden. Durch Einsatz des Lasers lässt sich eine beliebige gerade oder gekrümmte beziehungsweise gebogene Schnittführung der Aussparungen erzielen. Des Weiteren kann das Einschneiden in die Verkapselungsmasse an einer beliebigen Stelle auf dem Modul erfolgen. Ein Einschneiden vom Rand des Moduls aus ist nicht erforderlich.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Moduls 100, bei dem die Materialaussparungen 40 wieder als Spalten 41 ausgebildet sind. Die Spalten sind durch ein Einsägen des Materials der Verkapselungsmasse in die Verkapselungsmasse eingebracht worden. Durch den Sägeprozess lassen sich gradlinige Spalten beziehungsweise Einkerbungen in dem Material der Verkapselungsmasse einfügen.
  • Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform des Moduls 100 sind die Materialaussparungen 40 beispielsweise als eine Vielzahl von Löchern 42 in der Verkapselungsmasse ausgebildet. Die Löcher können um den gesamten Umfang des Bauelements angeordnet sein oder, wie bei dem in 4 gezeigten Bauelement 21, das Bauelement teilweise umgeben.
  • Neben den Löchern als Materialaussparungen können beispielsweise auch Ausnehmungen 40, die spaltförmig ausgebildet sind, in die Verkapselungsmasse 30 eingefräst oder eingebohrt werden. Durch den Fräsprozess entstehen in dem Material der Verkapselungsmasse Einfräsungen 43. Im Beispiel der 4 ist beispielsweise zwischen den Bauelementen 22 eine Einfräsung 43 vorgesehen. Weitere Einfräsungen in das Material der Verkapselungsmasse sind beispielsweise zwischen den Bauelementen 21 und den Bauelementen 22 beziehungsweise angeordnet.
  • Zur Ermittlung der erforderlichen Materialausnehmungen und von deren optimaler Position und Form wird in einer thermomechanischen Simulation die Belastung der Verbindungen der einzelnen Bauelemente zum Substrat bei thermomechanischer Beanspruchung ermittelt. Die Simulation zeigt Bauelement-Substratverbindungen auf, die aufgrund besonders starker thermomechanischer Beanspruchung als Erste degradieren. Die Schnittführung im Material der Verkapselungsmasse, die Lage, Form, Art und die Tiefe der Schnitte werden zuerst empirisch so festgelegt, dass die Belastung der Bauelement-Substratverbindungen soweit reduziert wird, dass die erforderliche Anzahl von Thermozyklen (z. B. > 1000x – 55°C...125°C) realisiert ist. Das wird für vorgegebene Schnitte in einer weiteren Simulation verifiziert. Gegebenenfalls muss in einem Iterationsverfahren die Lage, Form, Art und Tiefe der Schnitte weiter optimiert werden.
  • Zur Simulation lässt sich beispielsweise die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwenden. Die Schnittführung in dem Material der Verkapselungsmasse sowie die Form der Schnitte, die Art der Schnitte und die Tiefe der Schnitte werden in Abhängigkeit von dem Simulationsergebnis geeignet gewählt. An denjenigen Stellen der Verkapselungsmasse, wo hohe Spannungen infolge einer Temperaturänderung gemäß dem Simulationsergebnis zu erwarten sind, werden die Aussparungen in dem Material der Verkapselungsmasse vorgenommen. Dies kann in unmittelbarer Nähe der Bauelemente oder in einem Abstand von den Bauelementen sein. An Stellen, an denen beispielsweise wenig Platz zur Verfügung steht oder an denen Leiterbahnen in oder auf dem Trägersubstrat verlaufen, werden Löcher oder Bohrungen angebracht, die die Bauelemente oder Leiterbahnen nicht verletzen. An solchen Stellen kann auch mit dem Laserschneiden eine gekrümmte Schnittführung erfolgen, so dass die Bauelemente und Leiterbahnen nicht beschädigt werden.
  • 5A zeigt einen Querschnitt durch eine nicht erfindungsgemäße Variante eines Moduls 100 zur Reduzierung einer thermomechanischen Stressbelastung auf Bauelemente des Moduls. Auf dem Trägersubstrat 10 sind die mehrere Bauelemente 20 angeordnet. Die Bauelemente 20 sind von der Verkapselungsmasse 30 derart umgeben, dass die Bauteile vollständig von dem Material der Verkapselungsmasse 30 umgeben sind. Die Bauelemente sind somit hermetisch abgedichtet und vor dem Eindringen von Feuchtigkeit als auch vor mechanischen Einwirkungen geschützt.
  • Zur Reduzierung einer thermomechanischen Stressbelastung aufgrund einer Temperaturänderung sind in dem Material der Verkapselungsmasse 30 die Materialaussparungen 40 vorgesehen, die als Löcher oder Spalte ausgebildet sein können. In dem Material der Verkapselungsmasse können Materialausnehmungen 44 vorgesehen sein, die sich durch die gesamte Dicke des Materials der Verkapselungsmasse bis zu dem Trägersubstrat 10 erstrecken. Somit wird das Material der Verkapselungsmasse komplett durchdrungen.
  • Des Weiteren können Aussparungen als Vertiefungen 45 in dem Material/den Materialien der Verkapselungsmasse enthalten sein, die eine Tiefe aufweisen, die geringer ist als die Dicke der Verkapselungsmasse. Die Vertiefungen 45 reichen vorzugsweise bis zu einer Tiefe in das Material der Verkapselungsmasse, die der Unterkante des Chips auf einem Substrat entspricht. Die Vertiefungen 45 reichen vorzugsweise bis zu einer Tiefe in das Material der Verkapselungsmasse, welche der Unterkante des nicht bebumpten Chips beziehungsweise derjenigen des Bauelements entspricht. Somit reichen die Materialausnehmungen bis zu dem Trägersubstrat und mindestens bis zur Unterkante des Chips auf dem Substrat. Die Materialaussparungen können auch in das Trägersubstrat reichen, bis zu einer Massefläche im Trägersubstrat, wenn eine Abschirmung des Bauelements beziehungsweise von einer Reihe von Bauelementen erforderlich ist.
  • Zum Erzielen einer glatten Moduloberfläche, die beispielsweise zur Beschriftung der Module geeignet ist, kann ein Abdeckelement 50 über der Verkapselungsmasse 30 angeordnet sein. Durch das Abdeckelement werden die Materialausnehmungen nach außen hin geschlossen. Dadurch weist das Modul eine ebene, glatte Moduloberfläche auf, die zur Beschriftung geeignet ist. Des Weiteren ermöglicht die ebene Oberfläche des Abdeckelements, dass die Module von einem Bestückungsautomaten über Vakuumpipetten angesaugt und an einem bestimmungsgemäßen Ort auf einer Leiterplatine platziert werden können.
  • Als Abdeckelemente können beispielsweise Laminatfolien verwendet werden, welche über die Verkapselungsmasse und insbesondere über die Ausnehmungen in der Verkapselungsmasse laminiert sind. Als Abdeckelemente kommen dabei sowohl organische als auch anorganische, elektrisch leitende als auch elektrisch nicht leitende Folien in Frage. Bei organischen Folien ist die Auswahl auf Folien beschränkt, welche hinreichend temperaturstabil sind und beispielsweise stabil sind bei Reflowprozessen z. B. Polyimid, bekannt unter dem Handelsnamen ”Kapton”, LCP (Liquid Crystal Polymer). Die organischen Folien können auch mit anorganischen Füllstoffen dotiert sein. Elektrisch leitende anorganische Folien sind Metallfolien zum Beispiel aus Cu oder Ni oder Mo. Isolierende anorganische Folien sind vorzugsweise Glasfolien.
  • 5B zeigt eine Ausführungsform des Moduls 100. Im Unterschied zu der in 5A gezeigten nicht erfindungsgemäßen Variante sind die Materialausnehmungen 40 mit einem Füllmaterial 60 gefüllt. Als Füllmaterial kann beispielsweise ein Polymer verwendet werden. Bevorzugt kommen Polymere mit niedrigem Elastizitätsmodul, beispielsweise einem Elastizitätsmodul von kleiner als 1 GPa, vorzugsweise kleiner als 0,1 GPa, einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise einem Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 16 ppm/K im spezifizierten Arbeitstemperaturbereich des Bauelements, beispielsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis +125°C, zum Einsatz. Als vorteilhaft haben sich Polymere mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als –40°C erwiesen.
  • Wenn das Modul in einem Arbeitsbereich zwischen –40°C bis +125°C spezifiziert ist, bleiben die Polymermaterialien gelartig, so dass in Bereich der Materialausnehmungen bei Temperaturänderungen im spezifizierten Arbeitstemperaturbereich nur geringe Spannungen auftreten.
  • Die Aussparungen in dem Material der Verkapselungsmasse können beispielsweise auch mit dotierten Polymeren, welche in die Ausnehmungen eingerakelt sind, und anschließend mit UV-Licht und/oder thermisch gehärtet sind, gefüllt werden. Erfindungsgemäß werden mit Hohlkugeln gefüllte, flexible Polymere verwendet. Die Hohlkugeln weisen einen Durchmesser von ungefähr 10 µm bis 50 µm auf. Als Polymere können Epoxidharze mit einer Glasübergangstemperatur von –40°C oder weniger als –40°C verwendet werden. Derart gefüllte Polymere zeigen eine zusätzliche Kompressibilität.
  • Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Moduls können die Materialausnehmungen 40 mit anorganischen und/oder organischen Partikeln und/oder mit hohlkugelförmigen Elementen gefüllt werden. Derartige Partikel beziehungsweise hohlkugelförmige Elemente können lose in den Vertiefungen der Verkapselungsmasse angeordnet werden. Der Ausdehnungskoeffizient der Füllung und der effektive Elastizitätsmodul kann wesentlich niedriger als jener von eingerakelten Polymeren sein. Der Ausdehnungskoeffizient der Füllungen mit losen Partikeln kann sogar negativ sein, beispielsweise wenn Kohlestoff-Fasern als Füllmaterialien verwendet werden. Die Füllung kann derart ausgebildet sein, dass sie sinterbar ist. Somit kann durch die thermische Einwirkung von Wärme, beispielsweise infolge von Laserstrahlung, selektiv eine geschlossene, ebene Oberfläche auf dem Füllmaterial beziehungsweise auf der Oberseite der Verkapselungsmasse erzeugt werden.
  • 5C zeigt eine Ausführungsform des Moduls, bei dem über der Verkapselungsmasse und den gefüllten Materialaussparungen 40 ein Abdeckelement 50 angeordnet ist. Das Abdeckelement 50 kann beispielsweise eine Folie aus einem Kunststoffmaterial sein, die auf die Verkapselungsmasse auflaminiert ist.
  • Die Füllmaterialien lassen sich derart kombinieren, dass in verschiedene Aussparungen der Verkapselungsmasse diejenigen Füllungen eingebracht werden, die am geeignetsten sind, damit die thermomechanischen Spannungen reduziert werden können. So kann ein anisotropes thermomechanisches Verhalten der Bauelemente oder eine anisotrope Umgebung optimal kompensiert werden.
  • Es sind auch Füllungen möglich, welche zusätzlich zu einer elektromagnetischen Abschirmfunktion beitragen. Dazu können wie bei der in 5D gezeigten Ausführungsform des Moduls 100, in Ausnehmungen 40 der Verkapselungsmasse 30, die sich durch die gesamte Dicke derselben erstrecken und in einer leitfähigen Massefläche auf dem Substrat 10 oder im Substrat 10 enden, elektrisch leitfähige Materialien oder Schichten 60 angeordnet sein. Die als elektrisch leitfähige Füllmaterialien in den Ausnehmungen 40 vorgesehenen Polymere können, um elektrisch leitfähig zu sein, beispielsweise mit C, Ag oder Cu dotiert sein. Alternativ können auch Nano-Metalle, zum Beispiel Nano-Ag über das mit Verkapselungsmasse bedeckte und mit Aussparungen in der Verkapselungsmasse versehene Modul gesprüht werden oder in einem so genannten M3D-Verfahren oder Plasmadust-Verfahren abgeschieden werden. Nach Tempern der Nano-Metalle bzw. der im Plasmadustverfahren abgeschiedenen Schichten entsteht dann eine zusammenhängende elektrisch leitende, mit den Masseflächen verbundene Schicht, welche bei geeigneter Dimensionierung die störende elektromagnetische Strahlung abschirmt. Alternativ kann auch über das mit Verkapselungsmasse bedeckte Modul und in die Aussparungen in der Verkapselungsmasse des Moduls, die bis zu Masseflächen auf dem/im Substrat reichen, stromlos Metall abgeschieden werden oder aber Metall, beispielsweise TiCu gesputtert werden, das anschließend galvanisch verstärkt wird. Über der Verkapselungsmasse kann eine elektrisch leitende Schicht 50 angeordnet sein. Es kann zum Beispiel eine Metall- oder Glasfolie 50 oder aber auch keine Folie auf der Verkapselungsmasse angeordnet sein.
  • Zur weiteren Reduzierung einer thermomechanischen Stressbelastung auf die Bauelemente ist es vorteilhaft, die Höhe der Verkapselungsmasse über den Bauelementen möglichst gering zu halten. Die maximale Höhe der Verkapselungsmasse über dem höchsten Bauelement ist vorzugsweise kleiner als 150 μm. Durch eine derart geringe Höhe der Verkapselungsmasse kann ein negativer Einfluss der Verkapselungsmasse auf das thermomechanische Verhalten der Bauelemente im Modul weiter reduziert werden.
  • Neben Modulen, bei denen die Bauelemente auf dem Trägersubstrat aufgebracht sind, können Materialausnehmungen auch auf Module angebracht werden, die eingebettete Bauelemente enthalten beziehungsweise zusätzlich zu den auf dem Trägersubstrat angeordneten Bauelementen im Trägersubstrat eingebettete Bauelemente aufweisen. In speziellen Fällen können auch Bauelemente bzw. Chips nach dem Bestücken ganz oder teilweise mit einer nach dem Vergießen stressmindernden Abdeckung versehen werden; beispielsweise durch Jetten von mit Hohlkugeln dotierten Polymeren. 5E zeigt eine weitere Möglichkeit für die Minderung der mechanischen Beanspruchung von Bauelementen 20 im Modul 100 durch das Spritzen beziehungsweise Jetten eines Materials in Form von Strukturen 70 auf das Trägersubstrat 10. Vor dem Aufbringen der Verkapselungsmasse 30 wird ein Material beispielsweise in Form einer linien- beziehungsweise wandförmigen Struktur 71 oder in Form eines von einer wandförmigen Struktur 72 umgebenen Hohlraums 80 auf das Trägersubstrat gejettet. Hierzu werden vorzugsweise Jeteinheiten eingesetzt, welche ähnlich wie Tintenstrahldrucker mit Mehrfachköpfen arbeiten; aber im Gegensatz zu Tintenstrahldruckern UV-härtendes Polymermaterial jetten können. Schon direkt nach dem Austritt aus den Jetköpfen oder beim Auftreffen auf dem Substrat wird dieses Material belichtet, so dass es unmittelbar danach aushärtet. 3D-Strukturen lassen sich somit durch einen mehrfachen Jetdurchgang erzeugen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Trägersubstrat
    20
    Bauelement
    30
    Verkapselungsmasse
    40
    Materialaussparung
    50
    Abdeckelement
    60
    Füllmaterial
    70
    gejettete Materialstruktur
    80
    Hohlraum
    100
    Modul

Claims (11)

  1. Modul mit Reduzierung von thermomechanischem Stress, aufweisend: – ein Trägersubstrat (10), – mehrere elektronische Bauelemente (20), die auf dem Trägersubstrat (10) angeordnet sind und zur Realisierung einer Funktion des Moduls miteinander verschaltet sind, – eine Verkapselungsmasse (30), die die mehreren elektronischen Bauelemente (20) umgibt, – wobei innerhalb der Verkapselungsmasse (30) mindestens eine Materialaussparung (40) angeordnet ist, die sich ausgehend von einer dem Trägersubstrat (10) abgewandten Oberfläche der Verkapselungsmasse (30) in die Verkapselungsmasse erstreckt und in einem Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen (20) angeordnet ist, – wobei in der Materialaussparung (40) ein Füllmaterial (60) aus einem mit Hohlkugeln gefüllten, flexiblen Polymer enthalten ist, wobei die Hohlkugeln einen Durchmesser von 10 μm bis 50 μm aufweisen.
  2. Modul nach Anspruch 1, wobei die Materialaussparung (40) mindestens eines der mehreren elektronischen Bauelemente (21) zumindest teilweise umgibt.
  3. Modul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Materialaussparung (40) in der Verkapselungsmasse (30) bis auf das Trägersubstrat erstreckt.
  4. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich eine Materialaussparung (40) in der Verkapselungsmasse (30) bis zu einer Tiefe erstreckt, die kleiner als die Dicke der Verkapselungsmasse ist.
  5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Materialaussparung (40) in der Verkapselungsmasse als ein Spalt (41) oder als ein Loch (42) oder als ein Hohlraum (80) ausgebildet ist.
  6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: – ein Abdeckelement (50) aus einem Material aus Metall oder Kunststoff, – wobei das Abdeckelement über der Verkapselungsmasse (30) angeordnet ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit Reduzierung von thermomechanischem Stress, umfassend: – Bereitstellen eines Trägersubstrats (10), – Bestücken des Trägersubstrats (10) mit elektronischen Bauelementen (20) derart, dass die elektronischen Bauelemente zur Realisierung einer Funktion des Moduls miteinander verschaltet sind, – Aufbringen einer Verkapselungsmasse (30) auf dem Trägersubstrat (10) derart, dass die elektronischen Bauelemente (20) von der Verkapselungsmasse (30) umgeben sind, – Einbringen mindestens einer Materialaussparung (40) in die Verkapselungsmasse (30) derart, dass sich die mindestens eine Materialaussparung (40) ausgehend von einer dem Trägersubstrat (10) abgewandten Oberfläche der Verkapselungsmasse (30) in die Verkapselungsmasse erstreckt und die Materialaussparung in einem Abstand zwischen den elektronischen Bauelementen angeordnet ist, – Auffüllen der Materialaussparung (40) mit einem Füllmaterial (60) aus einem mit Hohlkugeln gefüllten, flexiblen Polymer, wobei die Hohlkugeln einen Durchmesser von 10 μm bis 50 μm aufweisen, – Aushärten des Füllmaterials (60).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei vor dem Schritt des Aufbringens der Verkapselungsmasse (30) eine linienförmige Struktur (70) oder ein von einer wandförmigen Struktur (70) umgebener Hohlraum (80) aus einem UV-aushärtbaren Material durch Jetten des Materials auf das Trägersubstrat (10) aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Schritt des Einbringens der Materialaussparung (40) in die Verkapselungsmasse (30) derart erfolgt, dass die Materialaussparung (40) mindestens eines der elektronischen Bauelemente zumindest teilweise umgibt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend: Einbringen eines Spaltes (41) durch Sägen, Fräsen oder Laserschneiden des Materials der Verkapselungsmasse und/oder Einbringen eines Loches (42) in die Verkapselungsmasse durch Bohren des Materials der Verkapselungsmasse.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, umfassend: Anordnen eines Abdeckelements (50) aus einem Material aus Kunststoff oder Metall über der Verkapselungsmasse (30).
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