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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein elektronisches Bauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines elektronischen Bauteils, das eine gute Vibrationsentkopplung eines elektronischen Bauelements von Vibrationen des Bauteils bietet.
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Stand der Technik
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Üblicherweise werden elektrische Bauelemente, wie etwa mikromechanische Sensoren, in Gehäusen verpackt Dabei unterscheidet man zwischen Gehäusen mit Kontaktfüßen, so genannten leaded Gehäusen, und Gehäusen mit Kontaktflächen, sogenannten leadless Gehäusen. Insbesondere kann ein mikromechanischer Sensor in ein vorgefertigtes, spritzgegossenes Grundgehäuse, ein so genanntes Premold-Gehäuse, eingesetzt werden, welches anschließend mit einem Deckel verschlossen wird.
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In Abhängigkeit vom Einbauort können mikromechanische Sensoren unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sein. Insbesondere können mikromechanische Sensoren, beispielsweise ESP-Sensoren im Steuergerät, Vibrationsbelastungen ausgesetzt sein.
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Eine Möglichkeit, einen Sensor vor diesen Vibrationen zu schützen, besteht darin, den Sensor auf einer Metallplatte anzubringen, welche auf einer Gelschicht gelagert ist. Eine andere Möglichkeit wird in der Druckschrift
DE 10 2005 041 577 A1 beschrieben, in der ungewollte externe Vibrationen durch ein Verdrahtungselement abgeschwächt werden.
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Aus der
US 2004/0012079 A1 ist eine Halbleiterverpackung bekannt, bei der ein oder zwei integrierte Schaltkreise in einem Gehäuse angeordnet sind. Mit den außenliegenden Kontakten können die integrierten Schaltkreise beispielsweise über eine Tape-Automatic-Bonding-Verbindung (TAB) verbunden sein.
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Aus der
US 5,757,080 A ist eine in Harz eingeschlossene Halbleitereinrichtung bekannt, die über mehrere, nach außen geführte elektrische Verbindungen verfügt.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2010 030 960 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines schwingungsgedämpften Bauteils bekannt, bei dem ein flexibler Zwischenbereich zwischen starren Substratbereichen durch eine Dämpfungsmasse, die einen zwischenliegenden Halbleiter umgibt, erzeugt wird.
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Aus der
DE 10 2006 011 753 A1 ist ein Halbleitersensorbauteil mit Sensorgehäuse und Sensorchip bekannt. Zwischen dem Sensorchip und dem Substrat ist ein gummielastischer Bereich angeordnet.
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Aus der
DE 103 51 761 A1 ist ein Sensor für eine dynamische Größe bekannt, welche einen beweglichen Abschnitt an einer Oberflächenseite und eine Siliziumschicht an einer anderen Oberflächenseite aufweist. In einer Anordnung können die Sensorleiterplatte, die Bonddrähte und die Schaltungsleiterplatte von einem Weichstoffmaterial ummantelt sein, dass wiederum von einem Gussmaterial umgeben ist.
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Aus der
DE 42 38 113 A1 ist eine Anordnung zur spannungsfreien Chipmontage bekannt, bei der ein Halbleiterchip zusätzlich allseitig mit einem elastischen Material (Silikonkautschuk) umgeben wird, das gleichzeitig zur Chipbefestigung und- Umhüllung dient.
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Aus der
DE 10 2007 057 441 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements mit einem volumenelastischen Medium und mikromechanischem Bauelement bekannt. Das Medium besitzt einstellbare und veränderbare volumenelastische Eigenschaften und umschließt ein Sensormodul im Wesentlichen vollständig.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, insbesondere ein elektronisches Bauteil, umfassend ein Substrat mit wenigstens einem flexiblen Substratbereich, der wenigstens einen durch Bildung eines Masseverbundes versteiften Bereich aufweist, wobei der Masseverbund wenigstens umfasst einen Teil des flexiblen Substratbereichs, ein erstes mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement und ein Verbindungsmittel zum Befestigen des ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements an dem flexiblen Substratbereich, und wobei eine Dämpfungsmasse vorgesehen ist, die wenigstens das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement und einen lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats bedeckt.
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Unter einer Dämpfungsmasse kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Masse verstanden werden, welche eine mechanische Energie, insbesondere Vibrationsenergie, aufnehmen und in innere Energie, beispielsweise Reibung, umwandeln kann.
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Unter einem mikro- oder nanostrukturierten Bauelement im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein Bauelement mit internen Strukturabmessungen in einem Bereich von ≥ 1 nm bis ≥ 100 µm verstanden werden. Unter den internen Strukturabmessungen sind hierbei die Abmessungen von Strukturen innerhalb des Bauelements wie zum Beispiel Gräben, Stegen oder Leiterbahnen gemeint Solche Bauelemente werden in der Mikrosystemtechnik oder in mikroelektromechanischen Systemen verwendet.
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Unter einem versteiften Bereich im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Bereich verstanden, der eine vergrößerte Steifigkeit beziehungsweise Härte und damit einen vergrößerten Widerstand gegenüber Verformungen aufweist, insbesondere bezogen auf den flexiblen Substratbereich als Solches.
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Unter einem flexiblen Substratbereich kann dabei insbesondere verstanden werden ein Bereich des Substrats, der unter geringer Krafteinwirkung elastisch und/oder dehnbar und/oder verformbar ist. Insbesondere ist der flexible Substratbereich als solcher unter gleicher Krafteinwirkung elastischer und/oder dehnbarer und/oder verformbarer als der versteifte Bereich. Beispielsweise kann der flexible Substratbereich als solcher unter gleicher Krafteinwirkung um den Faktor fünf, insbesondere zehn, elastischer und/oder dehnbarer und/oder verformbarer als der „versteifte Bereich“. Dabei kann das Substrat einen oder eine Vielzahl flexibler Bereiche umfassen, oder der flexible Substratbereich ist über das gesamte Substrat ausgedehnt, was bedeutet, dass das gesamte Substrat flexibel ist.
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Besonders bevorzugt ist der flexible Substratbereich dabei angeordnet mindestens in einer lateralen Ausdehnung des Substrats, die vorgesehen ist zur Bestückung des Substrats mit einem Bauelement, wie etwa einem elektronischen Bauelement, oder aber darüber hinausgehend in seiner gesamten Ausdehnung.
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Erfindungsgemäß wird eine derartige Flexibilität vereint mit dem starren beziehungsweise versteiften Bereich, der ausgebildet wird durch Bildung eines Masseverbundes. Dieser versteifte Bereich kann somit eine DiePad-Funktion aufweisen, also das Bauteil sicher aufnehmen, um so zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit beziehungsweise zur sicheren Befestigung des Bauelements zu dienen.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist daher in der Lage, einerseits ein elektronisches Bauelement sicher auf einem Substrat befestigen zu können, und dabei andererseits eine gute Vibrationsdämpfung zur Verringerung der Gefahr von Beschädigungen sicherzustellen.
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Der Masseverbund umfasst dabei wenigstens ein erstes mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement und ein Verbindungsmittel zum Befestigen des ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements an dem flexiblen Substratbereich. Dieser Teil des flexiblen Substratbereichs, an dem das erste mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement befestigt ist, ist weiterhin ein Teil des Masseverbunds. In diesem einfachsten Fall kann das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement beispielsweise mit einem härtbaren Klebstoff als Verbindungsmittel durch einen Klebstoff-Bauelement-Verbund an dem Substrat beziehungsweise an dem flexiblen Substratbereich befestigt werden, wobei der Klebstoff beispielsweise auf dem Substrat aushärtet Eine Härtung des Klebstoffs ist hier wichtig, da die Versteifung insbesondere durch die Härte des Bauelements herrührt Bei einer Verformung des Substrats beziehungsweise des flexiblen Bereichs als Solchem wirken daher auf den Klebstoff-Bauelement-Verbund Kräfte, denen der Klebstoff widerstehen muss. Dabei kann der Klebstoff, etwa durch Sieb- oder Schablonendruck, beziehungsweise durch Dispensen, auf das Substrat aufgebracht werden. Alternativ kann eine Klebstoffschicht auch beispielsweise bereits auf Waferlevel auf das Bauelement, etwa durch Belacken oder bei einem Sägeprozess über ein Transfertape, aufgebracht werden. Der Klebstoff kann dabei ein Duroplast sein, welcher gemeinsam im Chipverbund aushärtet oder auch ein Thermoplast, der bei einem Auftragen aufgeschmolzen wird und anschließend wieder aushärtet. Auch eine Bondschicht kann das Substrat und das Bauelement verbinden und anschließend aushärten, so dass auch durch eine Bondschicht das Verbindungsmittel gebildet werden kann.
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Außerhalb des versteiften Bereichs, der einen Aufnahmebereich für das elektronische Bauelement bildet, dient der flexible Substratbereich insbesondere zur Vibrationsdämpfung. Dazu ist ferner eine Dämpfungsmasse vorgesehen, die wenigstens das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement und einen lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats bedeckt Folglich ist das Bauelement vorzugsweise vollständig von der Dämpfungsmasse umgeben, wobei der lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats beziehungsweise des flexiblen Substratbereichs durch eine seitliche Bedeckung des Bauelements herrühren kann. Ferner kann auch das gesamte Substrat bedeckt sein.
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Durch den Einsatz der Dämpfungsmasse kann vorteilhafterweise die Dämpfung - verglichen mit einer Luft- oder Federdämpfung - deutlich verbessert werden. Zudem kann vorteilhafterweise durch Auswahl des Materials der Dämpfungsmasse die Dämpfung individuell angepasst werden. Ein besonderer Vorteil besteht zudem darin, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau eine Dämpfungswirkung in alle Raumrichtungen erzielt werden kann. Dies wiederum erlaubt den Einsatz von derartigen Bauteilen an praktisch jedem Einsatzort Darüber hinaus können derartige Bauteile eine geringere Größe als herkömmliche Bauteile mit Gel-gelagerten Metallplatten aufweisen.
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Dabei ist das Dämpfungsverhalten insbesondere anhängig von der Masse des Masseverbundes und den Eigenschaften der Dämpfungsmasse.
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Das erfindungsgemäße Bauteil bietet daher gute Dämpfungseigenschaften bei gleichzeitig zuverlässiger Befestigung des Bauelements an dem Substrat Die etwa durch eine Vibration auf das Bauelement übertragenen mechanischen Einwirkungen können daher sehr gering gehalten werden, was die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Bauteils erhöht.
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Das erfindungsgemäße Bauteil wie auch seine Komponenten können unter Einsatz geringer Kosten und unter Verwendung einer bekannten Technologie im Rahmen bekannter Aufbau- und Verbindungstechnik hergestellt werden. Der Applikationsaufwand auf einem herkömmlich verwendbaren Grundsubstrat ist dabei gering, was ebenfalls den Herstellungsaufwand sowie die Kosten senkt.
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Dabei ist das Substrat mit seinem flexiblen Bereich oder seinen flexiblen Bereichen in seiner Geometrie als auch Größe in minimalen Ausmaßen entkoppelt von einer Werkzeuggröße beziehungsweise Werkzeuggeometrie und dabei mit einer minimalen Anzahl an Verbundpartnern herstellbar, was eine Große Freiheit in der Herstellung bietet Dies bietet weiterhin den Vorteil einer möglichen Verringerung der Bauteilgröße, da sowohl die laterale Baugröße des Bauteils, als auch seine Höhe deutlich verringert werden kann.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Bauteil auch in Großserien problemlos herstellbar, was die Herstellungskosten ebenfalls senkt. Weitere Kosten können dabei gespart werden, da das flexible Substrat des erfindungsgemäßen Bauteils nur dort versteift werden muss, wo auch ein Bauteil befestigt werden soll, was eine Materialersparnis erlaubt.
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Vorzugsweise umfasst das Substrat ein Material, das einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von ≤ 30 GPa aufweist, und zwar insbesondere in seinem flexiblen Bereich oder seinen flexiblen Bereichen. Besonders bevorzugt besteht das Substrat aus diesem Material. Durch das Vorsehen eines derartigen Materials kann eine besonders vorteilhafte Flexibilität erreicht werden, wodurch die Dämpfungseigenschaften des Masseverbunds kaum durch das Substrat beschränkt werden, sondern im Wesentlichen durch die Masse des Masseverbunds und das Dämpfungsmaterial beeinflusst werden. Dadurch sind die Dämpfungseigenschaften besonders einfach und verlässlich auf die jeweilige Anwendung einstellbar. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Substrat, insbesondere an seinem flexiblen Bereich oder seinen flexiblen Bereichen, aus einem flexiblen Kunststoff, wie insbesondere Polyimid geformt ist Polyimid hat ein Elastizitätsmodul von 2-7GPa, was es neben seinen guten elektrischen Isolationseigenschaften besonders geeignet macht.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils weist das Substrat eine Dicke in einem Bereich von ≥ 10µm bis ≤ 2000µm, insbesondere ≥ 20µm bis ≤ 500µm, besonders bevorzugt ≥ 50µm bis ≤ 200µm auf, und zwar insbesondere in seinem flexiblen Bereich oder seinen flexiblen Bereichen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Reihe von flexiblen Materialien zur Ausbildung des Substrats zu verwenden. Dabei ist es zweckmäßig, dass die Dicke an das verwendete Material angepasst wird. So ist bei flexibleren Materialien mit beispielsweise einem geringeren Elastizitätsmodul eine größere Dicke möglich, wohingegen bei weniger flexiblen Materialien mit einem entsprechend hohen Elastizitätsmodul geringere Dicken besonders geeignet sind. Entsprechend ist eine Anpassung des Elastizitätsmoduls, also des verwendeten Materials, an eine geeignete Substratdicke möglich.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils umfasst der Masseverbund ferner einen Massekörper. Der Massekörper dient dabei insbesondere dazu, die Masse des Masseverbundes anzupassen, wodurch das Dämpfungsverhalten des Massesystems besonders einfach einstellbar ist Dazu ist es besonders zweckmäßig, wenn der Massekörper eine Dichte in einem Bereich von ≥ 2kg/dm3 aufweist Ferner kann durch den Massekörper in geeigneter Weise der Grad der Versteifung eingestellt werden, indem beispielsweise unflexible Materialien verwendet werden. Dieser Massekörper kann dann an dem Substrat beziehungsweise an einem flexiblen Substratbereich befestigt werden. Beispielsweise kann der Massekörper ein Platte sein, die ausgebildet ist aus Kupfer, V2A-Stahl, Aluminium, Silber, Gold, anderen Metallen, oder auch Keramik, FR4 oder Silizium. Beispielsweise weist der Massekörper, wie auch der versteifte Bereich als Solcher, ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von > 30GPa auf. In diesem Fall kann insbesondere das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement mit einem einfachen Klebstoff an dem Substrat befestigt sein, da hier aufgrund des Massekörpers keine großen Spannungen auftreten. Insgesamt kann dabei die Einstellung der Masse oder der Versteifung oder beides im Mittelpunkt stehen.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Massekörper ein weiteres mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement ist Dadurch kann auf einen nur zwecks einer Versteifung des Substrats aufgebrachten Massekörper verzichtet werden, wobei eine Mehrzahl an derartigen Bauelementen ohnehin vorteilhaft sind, da sie eine große Anwendungsbreite des Bauteils ermöglichen.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils ist die Dämpfungsmasse ein Gel, ein Schaumstoff, ein Granulat, ein Elastomer oder eine Kombination davon, insbesondere ein Gel.
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Beispielsweise kann die Dämpfungsmasse ein Schaumstoff sein, welcher auf einem Kunststoff basiert, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polyurethan und Kombinationen davon. Insbesondere kann der Schaumstoff (in situ) beim Auftragen und/oder nach dem Auftragen ausgebildet werden. So kann vorteilhafterweise eine formschlüssige Verbindung erzielt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Schaumstoff vor dem Aufbringen auf das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement ausgebildet wird.
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Die Dämpfungsmasse kann jedoch auch ein Granulat sein. Beispielsweise kann die Dämpfungsmasse Sand oder pulverförmiges Material sein. Da Granulate meist eine hohe Dichte aufweisen, kann beim Einsatz eines Granulats als Dämpfungsmasse vorteilhafterweise das Granulat zusätzlich als Masse dienen und das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten verbessern.
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Darüber hinaus kann die Dämpfungsmasse auch ein Elastomer, beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer, sein. Elastomere können das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten ebenfalls verbessern. Insbesondere kann das Elastomer (in situ) beim Auftragen und nach dem Auftragen ausgebildet werden oder im Fall eines thermoplastischen Elastomers im plastischen beziehungsweise erhitzten Zustand aufgetragen werden. So kann vorteilhafterweise ebenfalls eine formschlüssige Verbindung erzielt werden.
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Ferner kann die Dämpfungsmasse ein Gel sein. Die Verwendung eines Gels bietet den Vorteil, dass diese meist transparent sind. Somit kann nach dem Aufbringen eine Qualitätskontrolle durchgeführt werden, um das Vorliegen einer formschlüssigen Verbindung sicher zu stellen. Des Weiteren können Gele eine ausgeprägte Eigenklebrigkeit aufweisen und somit ohne Haftvermittler haften. Darüber hinaus sind Gele bei Raumtemperatur plastisch verformbar und können daher vorteilhafterweise auch auf hitzeempfindliche Bauteile formschlüssig aufgetragen werden. Insbesondere kann die Dämpfungsmasse ein Silikongel sein.
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Die Dämpfungsmasse kann zum Beispiel eine Viskosität in einem Bereich von ≥ 5000 mPa·s bis ≤ 10000 mPa·s, insbesondere von ≥ 2000 mPa·s bis ≤ 8000 mPa·s, beispielsweise von ≥ 3000 mPa·s bis ≤ 4500 mPa·s, insbesondere bestimmt mittels DIN EN ISO 3219, und/oder eine Konsistenzkennzahl in einem Bereich von ≥ 20 mm/10 bis ≤ 100 mm/10, insbesondere von ≥ 40 mm/10 bis ≤ 80 mm/10, beispielsweise von ≥ 60 mm/10 bis ≤ 80 mm/10, insbesondere bestimmt mittels DIN ISO 2137 (Penetration 9,38 g hollow cone) und/oder eine dielektrische Konstante in einem in einem Bereich von ≥ 2 bis ≤ 6,5, insbesondere von ≥ 2,5 bis ≤ 3, beispielsweise von ≥ 2,6 bis ≤ 2,8, insbesondere bestimmt mittels DIN VDE 0303 T4, 50 Hz, aufweisen. Durch die Viskosität der Dämpfungsmasse kann vorteilhafterweise die Dämpfung entsprechend den Anforderungen des ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements angepasst werden.
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Im Rahmen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Bauteils sind der Bereich des Masseverbundes, der auf der zur Dämpfungsmasse orientierten Substratseite aufgebracht ist, und die Dämpfungsmasse durch einen Überzug aus einer Umhüllmasse eingehaust. Folglich ist insbesondere die Oberseite mit dem ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelement zusammen mit der Dämpfungsmasse durch die Umhüllmasse eingehaust. Dies dient einem mechanischen Schutz, beispielsweise der Dämpfungsmasse, und verhindert einen Verlust derselben.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der flexible Substratbereich flexibler ist, als die Umhüllmasse. Insbesondere ist der flexible Substratbereich als Solcher unter gleicher Krafteinwirkung elastischer und/oder dehnbarer und/oder verformbarer als die Umhüllmasse. Beispielsweise kann der flexible Substratbereich als solcher unter gleicher Krafteinwirkung um den Faktor fünf, insbesondere zehn, elastischer und/oder dehnbarer und/oder verformbarer als die Umhüllmasse. Dadurch verleiht die Umhüllmasse dem Bauteil Stabilität, wohingegen der flexible Substratbereich in geeigneter Weise der Vibrationsentkopplung des elektronischen Bauelements dienen kann.
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Im Rahmen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Bauteils weist das Substrat einen mechanisch verstärkten Lötbereich auf. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das gesamte Substrat flexibel ist, der flexible Substratbereich also eine Ausdehnung über das gesamte Substrat aufweist. Auf diese Weise kann an dem oder den Lötbereichen, die insbesondere für eine Befestigung des Substrats an einem Grundsubstrat durch Lötungen dienen, eine Verstärkung erzielt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das erste und/oder weitere mikro- oder nanostrukturierte Bauelement, insbesondere das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement, ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus mikro- oder nano-elektromechanischen Systemen, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen, Sensorelementen und Kombinationen davon.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils angegeben, insbesondere eines elektronischen Bauteils, umfassend die Schritte:
- - Befestigen wenigstens eines ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements und insbesondere eines Massekörpers an einem flexiblen Substratbereich eines Substrats mit einem Verbindungsmittel, wobei ein Masseverbund erzeugt wird, der den flexiblen Substratbereich zumindest teilweise versteift;
- - Elektrisches Kontaktieren des wenigstens einen ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements; und
- - Aufbringen einer Dämpfungsmasse wenigstens auf das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement sowie auf wenigstens einen lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats.
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Unter elektrischem Kontaktieren kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl direktes als auch indirektes Kontaktieren verstanden werden. Beispielsweise kann eine direkte elektrische Kontaktierung eines Bauelements mit einem Substrat mittels eines an dem Bauelement befindlichen elektrischen Kontaktes und eines an dem Substrat befindlichen elektrischen Kontakts erfolgen, wobei der elektrische Kontakt des Bauelements den elektrischen Kontakt des Substrats kontaktiert beziehungsweise berührt. Eine indirekte elektrische Kontaktierung eines Bauelements mit einem Substrat kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein elektrischer Kontakt des Bauelements über mindestens ein weiteres Element, beispielsweise ein weiteres Bauelement, einen elektrischen Leiter, zum Beispiel eine Leiterbahn oder einen Draht, oder ein elektrisch leitendes Material, zum Beispiel einen elektrisch-leitenden Kleber, mit einem elektrischen Kontakt des Substrats verbunden ist.
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Dieses Verfahren ist besonders geeignet, um ein erfindungsgemäßes Bauteil zu erzeugen. Bezüglich der erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile auch des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Bauteil verwiesen.
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Beispielsweise wird der Herstellungsprozess des Substrats vereinfacht, von Werkzeugabmessungen entkoppelt, die Bauteilabmessungen somit lateral verringerbar und die Kosten reduziert Die Dämpfungseigenschaften werden vom Substrat weitestgehend entkoppelt und dominiert durch die speziell anpassbare Dämpfungsmasse.
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Ferner können zum Drahtbonden geeignete Drahtbondpads auf dem versteiften Bereich angeordnet werden, was die Zuverlässigkeit der Drahtbondverbindung beziehungsweise der Kontaktierung verbessert.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
- 3 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils; und
- 4 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils.
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In den 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 gezeigt. Dabei sind gleiche oder vergleichbare Komponenten mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet Das Bauteil 10 ist insbesondere ein elektronisches Bauteil, wie etwa ein Sensor, und kann auf einem Grundsubstrat 12 angeordnet sein.
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Gemäß 1 umfasst das Bauteil 10 ein Substrat 14 mit wenigstens einem flexiblen Substratbereich15. Der flexible Substratbereich 15 kann dabei eine begrenzte Ausdehnung aufweisen, oder aber über das gesamte Substrat 14 verlaufen, wodurch das gesamte Substrat 14 flexibel ist Dabei weist das Substrat 14, vorzugsweise an seinem flexiblen Substratbereich 15, insbesondere ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von ≤ 30 GPa und eine Dicke in einem Bereich von ≥ 10µm bis s 2000µm, insbesondere ≥ 20µm bis ≤ 500µm auf. Weiterhin weist der flexible Substratbereich 15 wenigstens einen durch Bildung eines Masseverbundes versteiften Bereich auf. In der Ausführungsform gemäß 1 umfasst der Masseverbund einen Teil des flexiblen Substratbereichs 15, ein erstes mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement 16 und ein Verbindungsmittel 18 zum Befestigen des ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements 16 an dem flexiblen Substratbereich 15. Das Verbindungsmittel 18 kann beispielsweise ein insbesondere gehärteter Klebstoff oder eine Bondverbindung sein. Als Materialien für das Substrat 14 können unter Anderem flexible Standardmaterialien, wie insbesondere Polyimid oder FR4 Anwendung finden.
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Durch die Ausbildung des Masseverbunds ist das Substrat 14 beziehungsweise der flexible Substratbereich 15 in dem Bereich des Masseverbunds versteift, weist also gegenüber dem flexiblen Substratbereich 15 als Solchem eine gesteigerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Verformungen auf. Die Versteifung wird dabei gebildet durch die Wechselwirkung der Verbundpartner in dem Masseverbund, also in dieser Ausführungsform dem Substrat 14 beziehungsweise dem Teil des flexiblen Substratbereichs 15, dem Verbindungsmittel 18 und dem Bauelement 16. Insbesondere wird der Grad der Versteifung erreicht durch die Härte beziehungsweise Steifigkeit des Bauelements 16. Das Verbindungsmittel 18 sollte dabei ebenfalls geeignet sein, bei einer Vibration, also einer Verformung des flexiblen Substratbereichs 15, die Verbindung von flexiblem Substratbereich 15 und Bauelement 16 beizubehalten, weshalb ein harter Klebstoff, wie etwa ein Epoxidklebstoff, besonders geeignet ist. Dadurch ist eine Verformbarkeit in dem versteiften Bereich nicht möglich.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Dämpfungsmasse 20 vorgesehen, die wenigstens das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement 16 und einen lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats 14 bedeckt Die Dämpfungsmasse 20 kann dabei ein Gel, ein Schaumstoff, ein Granulat, ein Elastomer oder eine Kombination davon, insbesondere ein Gel, sein.
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Vorzugsweise sind der Bereich des Masseverbundes, der auf der zur Dämpfungsmasse 20 orientierten Substratseite aufgebracht ist und die Dämpfungsmasse 20 durch einen Überzug aus einer Umhüllmasse 22 eingehaust Die Umhüllmasse 22 kann etwa durch Spritzgießen oder Spritzpressen geformte Pressmassen aufweisen, wie etwa Epoxidmassen mit Siliziumfüllstoffen. Erfindungsgemäß bildet die Umhüllmasse 22 daher insbesondere ein Gehäuse des erfindungsgemäßen Bauteils 10.
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Für eine elektrische Kontaktierung ist das Bauelement 16 über eine oder eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen 24 elektrisch beispielsweise mit dem Substrat 14 verbunden. Die elektrischen Verbindung 24 können durch Drahtbonden oder in Flipchip-Technik erfolgen. Das Substrat 14 enthält ferner nicht gezeigte elektrische Leiterbahnen zur Weiterführung der elektrischen Verbindungen 24 des Bauelements 16.
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Das Substrat 14 oder gegebenenfalls die Umhüllmasse 22 kann weiterhin wenigstens einen Lötbereich 26 aufweisen, an dem das Substrat 14 an dem Grundsubstrat 12 befestigt ist Dies kann insbesondere durch eine Lötung 28, beispielsweise durch Lötballs oder Lötpads realisiert werden.
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Bei auftretenden Vibrationen an dem Einbauort des erfindungsgemäßen Bauteils 10 werden diese zwar über die Lötung 28 an die Umhüllmasse 22 weitergegeben, durch den flexiblen Substratbereich 15 und die Dämpfungsmasse 20 jedoch von den Bauelementen 16 und der vorzugsweise enthaltenen Mikromechanik entkoppelt. Die Dämpfung der an den Bauelementen 16 wirkenden Vibrationen wird im Wesentlichen durch die Dämpfungsmasse 20, das Substrat 14 beziehungsweise den flexiblen Substratbereich 15 und die Masse des Bauelements16 bestimmt.
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Der Masseverbund bildet dabei einen formstabilen Verbund und somit eine zusammenhängende schwingende Masse in einem Dämpfersystem. Diese kann in einem herkömmlichen Prozess der Aufbau- und Verbindungstechnik erzeugt werden.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass auf der Oberfläche des Substrats 14 eine geeignete Strukturierung beispielsweise eines härtenden Klebstoffs oder einer härtenden Bondverbindung ausgestaltet wird, um elektrische Leitungen und/oder elektrische Anschlüsse auf dem Substrat 14 zu verstärken beziehungsweise zu versteifen, wodurch eine sichere und zuverlässige Drahtbond-Substratverbindung ermöglicht wird.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann folglich durch ein Verfahren hergestellt werden, umfassend die Schritte:
- - Befestigen wenigstens eines ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements und insbesondere eines Massekörpers an einem flexiblen Substratbereich eines Substrats mit einem Verbindungsmittel, wobei ein Masseverbund erzeugt wird, der den flexiblen Substratbereich zumindest teilweise versteift;
- - Elektrisches Kontaktieren des wenigstens einen ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelements; und
- - Aufbringen einer Dämpfungsmasse wenigstens auf das erste mikro- oder nanostrukturierte Bauelement sowie auf wenigstens einen lateral über den Masseverbund herausragenden Teil des Substrats.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gezeigt. Gemäß Figur weist das Substrat 14 einen mechanisch verstärkten Lötbereich 26 auf. Dazu kann an dem Lötbereich 26 eine mechanische Verstärkung 30 vorgesehen sein. Die mechanische Verstärkung 30 kann dabei als ein Glasfaserwerkstoff, beispielsweise mit Epoxidharz, wie etwa FR4, ausgebildet sein. Die mechanische Verstärkung 30 kann beispielsweise im Fertigungsprozess des Substrats 14 als zusammenhängende Rahmenstruktur aufgebracht werden, etwa aufgepresst werden, und weitere elektrische Kontaktflächen und elektrische Durchkontakte enthalten. Diese Ausgestaltung dient der Erhöhung der Zuverlässigkeit der Lötung 28.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsförm des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gezeigt Gemäß 3 umfasst der Masseverbund, etwa auf der dem ersten mikro- oder nanostrukturierten Bauelement 16 entgegengesetzten Seite des Substrats 14 ferner einen Massekörper 32. Der Massekörper 32 kann beispielsweise eine Metallplatte und ferner an dem Substrat 14 verklebt sein. Beispielsweise ist der Massekörper 32 ein elektronisches IC-Bauelement, wobei die Kontaktfläche dann zweckmäßigerweise zu dem Substrat 14 orientiert ist. Der elektrische Kontakt zwischen den Bauelementen kann beispielsweise über Drahtbonds und Durchlöcher in dem Substrat 14 hergestellt werden. Alternativ kann auch die Flip Chip Technik zum Einsatz kommen. Die elektrischen Verbindungen können über Leiterbahnen im Substrat 14 zu den Lötflächen 26 und zu dem Grundsubstrat 12 geführt werden. Vorzugsweise ist der Massekörper 32 ein weiteres mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement.
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Weiterhin kann der Massekörper 32 lateral das erste Bauelement 16 und auch eventuell mehrere Bauteile überspannen, jedoch nicht bis zu der vorzugsweise starren Umhüllmasse 22 reichen. Beispielsweise kann der Massekörper 32 Drahtbondpads überspannen, die zum Drahtbonden verwendet werden. Der Massekörper 32 kann dabei wesentlich zu der Versteifung des flexiblen Substratbereichs 15 beitragen, so dass die auf das Bauelement 16 und das Verbindungsmittel 18 wirkenden Kräfte gering gehalten werden können. Ferner kann er eine genau einstellbare Masse aufweisen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Systems und kann zur Optimierung des Dämpfungsverhaltens im Feder-Dämpfer-Massesystem beitragen. Durch diese Anordnung wird zudem die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Bauteils 10 verringert In Kombination von Substrat 14, Dämpfungsmasse 20, insbesondere mit Bezug auf die Shore-Härte und die Viskosität, sowie der Masse von Substrat 14, sowie Bauteil 18 kann die Dämpfung des Systems eingestellt werden.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 10 gezeigt Gemäß 4 ist eine weitere Komponente 34 zwischen dem ersten Bauelement 16 und dem Substrat 14 angeordnet Die Komponente 34 kann wiederum ein Massekörper sein und das erste Bauelement 16 lateral überragen. Vorzugsweise ist die zweite Komponente 34, etwa durch Klebeschichten 36, 38, an dem ersten Bauelement 16 sowie dem Substrat 14 befestigt In diesem Fall kann die zweite Komponente 34 eine mechanische Verstärkung darstellen, so dass der Klebstoff nicht zwingend aushärten muss.
