DE102013217301A1 - Bauteil - Google Patents

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DE102013217301A1
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird ein Verpackungskonzept für Bauteile mit mindestens zwei ASIC- und/oder MEMS-Bauelementen vorgeschlagen, das sich mit Standardprozessen und insbesondere auch mit Standardkomponenten sehr einfach und kostengünstig umsetzen lässt. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verpackungskonzept die Realisierung von Packages mit vergleichsweise kleinem „footprint“, deren Bauelemente im Bauteilaufbau weitgehend stressentkoppelt sind. Erfindungsgemäß wird mindestens ein erstes Bauelement (1) auf einem ersten flächigen Träger (10) montiert und mit diesem ersten Träger (10) elektrisch verbunden. Mindestens ein zweites Bauelement (2) wird auf einem zweiten flächigen Träger (20) montiert und mit diesem zweiten Träger (20) elektrisch verbunden. Die beiden Träger (10, 20) werden dann so übereinander angeordnet und über eine Seitenwandung miteinander verbunden, dass das erste und das zweite Bauelement (1, 2) in einem Hohlraum (7) zwischen den beiden Trägern (10, 20) angeordnet sind. Die Seitenwandung wird zumindest teilweise aus einer Aneinanderreihung von Lotkugeln (5) gebildete, über die die beiden Träger (10, 20) auch elektrisch verbunden werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens zwei MEMS- und/oder ASIC-Bauelementen, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
  • Für Consumer-Anwendungen und in der Automobiltechnik werden häufig unterschiedliche Bauelemente, wie beispielsweise MEMS- und ASIC-Bauelemente, die sich in ihrer Funktionalität ergänzen, in einem Package zusammengefasst. Dazu werden diese Bauelemente auf einem gemeinsamen Träger, wie z.B. einem Leadframe (QFN) oder einem Laminatsubstrat (LGA), nebeneinander oder auch übereinander angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden, beispielsweise mit Hilfe von Drahtbonds. Auf diese Weise werden die Bauelemente miteinander verschaltet und können über den Träger auch extern elektrisch kontaktiert werden. Im Rahmen der 1st-Level-Montage werden die Bauelemente auf dem Träger außerdem noch verkapselt. Dies vereinfacht die 2nd-Level-Montage des Packages und schützt die Bauelemente gegen Beschädigungen bei der 2nd-Level-Montage und gegen äußere Störeinflüsse am Einsatzort. Bei vielen Anwendungen werden die Bauelemente dazu mit Moldmasse umspritzt. Gemäß einem anderen Verpackungskonzept wird ein Deckelteil über den Bauelementen positioniert und mit dem Träger verbunden. Trägerbasierte Packages werden im Rahmen der 2nd-Level-Montage üblicherweise mit dem Träger auf eine Leiterplatte aufgesetzt, um dann in einem Reflow-Lötverfahren mechanisch fixiert und elektrisch kontaktiert zu werden. In jedem Fall ist die Funktion der Bauelemente bei der Realisierung des Package-Gehäuses zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für Sensoranwendungen, die einen Medienzugang erfordern, wie z.B. Drucksensoren und Mikrofonbauelemente.
  • Sowohl Moldgehäuse als auch Gehäuse mit einem Deckelteil müssen in einem Sonderprozess gefertigt werden, d.h. in einem Prozess, der an die individuellen Abmessungen und Funktionserfordernisse der einzelnen Bauteilkomponenten angepasst ist, was vergleichsweise kostenintensiv ist. Mechanische Spannungen im Bauteilaufbau oder auch bedingt durch die 2nd-Level-Montage des Bauteils führen insbesondere bei Sensorbauteilen zu einer Beeinträchtigung der Performance. Das bekannte Bauteilkonzept ist hierfür besonders anfällig, da die ASIC- und MEMS-Bauelemente hier auf dem Montageträger für die 2nd-Level-Montage fixiert werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verpackungskonzept für Bauteile mit mindestens zwei -Bauelementen vorgeschlagen, das sich mit Standardprozessen und insbesondere auch mit Standardkomponenten sehr einfach und kostengünstig umsetzen lässt. Die beiden Bauelemente können dabei sowohl MEMS- als auch ASIC-Bauelemente darstellen als auch jeweils ein MEMS- und ein ASIC-Bauelement. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verpackungskonzept die Realisierung von Packages mit vergleichsweise kleinem „footprint“, deren Bauelemente im Bauteilaufbau weitgehend stressentkoppelt sind.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mindestens ein erstes Bauelement auf einem ersten flächigen Träger montiert und mit diesem ersten Träger elektrisch verbunden wird, dass mindestens ein zweites Bauelement auf einem zweiten flächigen Träger montiert und mit diesem zweiten Träger elektrisch verbunden wird, dass die beiden Träger so übereinander angeordnet und über eine Seitenwandung miteinander verbunden werden, dass das erste und das zweite Bauelement in einem Hohlraum zwischen den beiden Trägern angeordnet sind und dass die Seitenwandung zumindest teilweise aus einer Aneinanderreihung von Lotkugeln gebildete ist, über die die beiden Träger auch elektrisch verbunden sind.
  • Demnach sieht das erfindungsgemäße Verpackungskonzept vor, das Bauteil sandwichartig aufzubauen. Das Bauteilgehäuse besteht im Wesentlichen aus zwei flächigen Trägern, die unabhängig voneinander mit den Bauelementen des Bauteils und auch mit Lotkugeln bzw. Lotballs bestückt werden. Über diese Lotballs werden die beiden Träger dann seitlich mehr oder weniger umlaufend miteinander verbunden, so dass die bestückten Seiten der Träger einander zugewandt sind. Dabei wird auch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Trägern hergestellt, so dass das Bauteil im Rahmen der 2nd-Level-Montage insgesamt über einen der beiden Träger elektrisch kontaktiert werden kann. Als Träger können herkömmliche Leadframes oder Laminatsubstrate verwendet werden. Die Bestückung der Träger sowie das Aufsetzen der Lotballs erfolgen mit Standardverfahren der Mikrosystemtechnik. Vorteilhafterweise werden die Bauelemente des Bauteils, die besonders stressempfindlich sind, auf dem Träger angeordnet, der nicht als Montageträger für die 2nd-Level-Montage dient. Dadurch kann der montagebedingte mechanische Stress zumindest für einen Teil der Bauelemente des Bauteils deutlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verpackungskonzept eröffnet zudem die Möglichkeit, die auf den beiden Trägern montierten Bauelemente überlappend anzuordnen. Dadurch lässt sich der „footprint“, also die für das Bauteil erforderliche Montagefläche bei der 2nd-Level-Montage, ohne großen Fertigungsaufwand einfach minimieren.
  • Im Hinblick auf eine Verbesserung der EMV-Performance des Bauteils erweist es sich als vorteilhaft, ein Laminat mit mindestens einer Masseebene als Träger bzw. Gehäuseteil für die Bauelemente zu verwenden. Für die Realisierung der Seitenwandung des Bauteilgehäuses eignen sich insbesondere Cu-Pillars. Die Seitenwandung kann aber auch passive elektrische Bauelementen umfassen, wie z.B. Widerstände und/oder Kapazitäten, die ebenfalls auf Standardanlagen und mit Standardprozessen auf die Träger aufgesetzt werden können. Da diese passiven elektrischen Bauelemente nicht nur als Abstandshalten zwischen den beiden Trägern dienen, sondern bei entsprechender Verschaltung auch einen Querwiderstand bzw. eine Querkapazität zwischen den Kontakten der beiden Träger bilden, müssen sie so gewählt werden, dass sie die elektrische Schaltungsfunktion des Bauteils nicht beeinträchtigen bzw. Bestandteil der elektrischen Schaltung werden.
  • Falls die Bauteilfunktion eine Medienanschluss erfordert, wie z.B. im Falle eines Drucksensors oder eines Mikrofonbauteils, so wird dieser vorteilhafterweise im Bereich der Seitenwandung ausgebildet. Auf diese Weise kann auf eine spezielle Vorkonfektionierung eines oder beider Träger des Bauteils verzichtet werden.
  • Da die 2nd-Level-Montage des erfindungsgemäßen Bauteils bevorzugt über einen der beiden Träger erfolgt, sollte zumindest dieser Träger mit Anschlusspads zur externen Kontaktierung des Bauteils ausgestattet sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verpackungskonzept.
  • 1a–1e veranschaulichen das erfindungsgemäße Verpackungskonzept anhand von schematischen Schnittdarstellungen der Komponenten eines Bauteils 100 während des Aufbaus, und
  • 2a, 2b veranschaulichen eine Variante im Gehäuseaufbau anhand von schematischen Schnittdarstellungen der Komponenten eines Bauteils 200 während der Fertigung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ausgangspunkt für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils mit mindestens zwei MEMS- und/oder ASIC-Bauelementen sind zwei flächige Träger 10, 20, was in 1a dargestellt ist. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Leadframe oder auch um ein Laminat handeln, wie sie im Stand der Technik bei der 1st-Level-Montage von MEMS- und ASIC-Bauelementen eingesetzt werden. Vorteilhafterweise werden Laminate mit mindestens einer Masseebene als Träger 10, 20 verwendet, um die Bauelemente des Bauteils gegen elektromagnetische Störeinflüsse abzuschirmen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Träger 10 als Montageträger für die 2nd-Level-Montage des zu fertigenden Bauteils. Er ist mit hier nicht näher dargestellten Durchkontakten und Anschlusspads 11 auf der Trägerunterseite ausgestattet. Über diese Anschlusspads 11 kann das zu fertigende Bauteil beispielsweise auf einer Leiterplatte mechanisch fixiert und auch elektrisch kontaktiert werden.
  • Die beiden Träger 10 und 20 werden unabhängig voneinander mit Bauelementen bestückt, was in 1b dargestellt ist. Auf dem Träger 10 wurde ein ASIC-Bauelement 1 montiert, während auf dem Träger 20 ein mikromechanisches Drucksensorbauelement 2 montiert wurde. Vorteilhafterweise sind zumindest Teile der Auswerteschaltung für das Drucksensorbauelement 2 auf dem ASIC-Bauelement 1 integriert.
  • Die beiden Bauelemente 1, 2 werden auch elektrisch mit dem jeweiligen Träger 10 bzw. 20 verbunden, was durch 1c veranschaulicht wird. Hier wurde die elektrische Verbindung nach der Fixierung der Bauelemente 1, 2 auf dem jeweiligen Träger 10 bzw. 20 mit Hilfe von Drahtbonds 3, 4 hergestellt. Die elektrische Verbindung zwischen Bauelement 1, 2 und dem jeweiligen Träger 10 bzw. 20 kann aber auch in einem Prozessschritt zusammen mit der mechanischen Verbindung hergestellt werden, beispielsweise in Flip-Chip-Technik oder über Durchkontakte im Bauelement 1, 2 und Anschlusspads auf der Bauelementrückseite.
  • Nach dem Bestücken der Träger 10 und 20 werden Lotkugeln 5 auf zumindest einen der beiden Träger, hier den Träger 10, aufgesetzt, die die Seitenwandung des Bauteilgehäuses bilden sollen. Dementsprechend bilden die Lotkugeln 5 eine geschlossene Aneinanderreihung. Diese kann – je nach Bauteilfunktion – auch eine oder mehrere Unterbrechungen aufweisen, falls das Bauteilgehäuse mit einer oder mehreren Medienzugangsöffnungen ausgestattet werden soll. Die lichte Höhe des Bauteilgehäuses wird durch die Dicke der Lotkugeln 5 und/oder die Anzahl der übereinander aufgebrachten Lotkugeln bestimmt, die dann eine Säule aus Lotmaterial bilden, was in 1d dargestellt ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Seitenwandung auch beidseitig angelegt werden kann, indem beide Träger mit Lotkugelanordnungen versehen werden, die lediglich Wandungsabschnitte bilden. Diese werden dann im nächsten Montageschritt zusammengefügt, was allerdings mit einem zusätzlichen Justieraufwand verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Kupfer für die Lotkugeln verwendet. Damit lässt sich im nächsten Montageschritt auch sehr einfach eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Trägern 10 und 20 herstellen.
  • In diesem Montageschritt werden die beiden Träger 10 und 20 „face to face“ übereinander angeordnet, so dass sie zusammen mit der Aneinanderreihung der Lotkugelsäulen 5 ein Gehäuse für die Bauelemente 1 und 2 bilden, was durch 1e veranschaulicht wird. Die bestückten Seiten der Träger 10 und 20 sind einander zugewandt. Dabei sind die Bauelemente 1 und 2 zumindest teilweise übereinander, also lateral überlappend, in einem Hohlraum 7 zwischen den Trägern 10 und 20 angeordnet. Jedoch sind die Lotkugelsäulen 5 so dimensioniert, dass die Bauelemente 1 und 2 vertikal voneinander beabstandet sind. Sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Trägern 10 und 20 werden schließlich in einem Lötprozess hergestellt, bei dem die Lotkugelsäulen 5 aufgeschmolzen werden. Bei diesem Aufbau sind das MEMS-Bauelement 2 und der Montageträger 10 weitgehend mechanisch entkoppelt.
  • Voranstehend wurde lediglich der Aufbau eines einzelnen erfindungsgemäßen Bauteils 100 beschrieben. Diese Bauteile 100 lassen sich sehr einfach in großer Stückzahl im Trägerverbund herstellen. In der Praxis werden Trägersubstrate verwendet, die mit Bauelementen für mehrere hundert oder tausend Bauteile bestückt werden. Vereinzelt werden die Bauteile erst, nachdem die beiden so bestückten und mit Lotkugelsäulen versehenen Trägersubstrate miteinander verbunden worden sind. Dabei werden die Bauteile beispielsweise durch Sägen aus dem Trägerverbund herausgelöst.
  • Auch die in den 2a und 2b dargestellte Aufbauvariante geht von zwei flächigen Trägern 10, 20 aus, wie sie im Stand der Technik bei der 1st-Level-Montage von MEMS- und ASIC-Bauelementen verwendet werden. Wie im Fall des Bauteils 100 werden die beiden Träger 10 und 20 unabhängig voneinander mit einem ASIC-Bauelement 1 und einem MEMS-Drucksensorbauelement 2 bestückt. Die elektrische Verbindung zwischen den Bauelementen 1, 2 und dem jeweiligen Träger 10 bzw. 20 wird auch hier mit Hilfe von Drahtbonds 3, 4 hergestellt.
  • Im Unterschied zum Bauteil 100 wird die Seitenwandung des hier beschriebenen Bauteils 200 nicht ausschließlich durch eine geschlossene oder unterbrochene Aneinanderreihung von Lotkugelsäulen gebildet, sondern umfasst außerdem noch passive elektrische Bauelemente 6, wie z.B. Widerstände oder Kapazitäten. Diese passiven elektrischen Bauelemente 6 werden im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Bestückung der Träger 10 und 20 zusammen mit den hier nicht dargestellten Lotkugeln auf den Montageträger 10 aufgesetzt, was in 2a dargestellt ist. Dabei wird ein Anschlussterminal der passiven elektrischen Bauelemente 6 auf einem Anschlusspad des Montageträgers 10 positioniert. Auf der gegenüberliegenden noch freien Seite der passiven elektrischen Bauelemente 6 befindet sich ein weiteres Anschlussterminal. Beide Anschlussterminals sind allseitig mit Zinn benetzt. Die passiven elektrischen Bauelemente 6 können direkt aneinander gereiht werden oder auch zwischen den Lotkugelsäulen 5 angeordnet werden. 2a veranschaulicht, dass die geometrischen Abmessungen der passiven elektrischen Bauelemente 6 die lichte Höhe des Bauteilgehäuses bestimmen. Auch im Fall des Bauteils 200 kann die Seitenwandung beidseitig angelegt werden, indem beide Träger mit passiven elektrischen Bauelementen 6 und/oder Lotkugelsäulen versehen werden, die dann im nächsten Montageschritt zu einer Seitenwandung zusammengefügt werden.
  • Das Ergebnis dieses Montageschritts ist in 2b dargestellt. Die beiden Träger 10 und 20 wurden „face to face“ übereinander angeordnet, so dass der Träger 20 mit entsprechenden Anschlusspads auf den freien Anschlussterminals der passiven elektrischen Bauelemente 6 aufliegt. Sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen den passiven elektrischen Bauelementen 6 und Lotkugelsäulen und den beiden Trägern 10 und 20 werden schließlich in einem Lötprozess hergestellt. Dabei wird neben den Lotkugelsäulen 5 auch das Zinn auf den Anschlussterminals der passiven elektrischen Bauelemente 6 aufgeschmolzen. Die Bauelemente 1 und 2 sind zumindest teilweise übereinander, also lateral überlappend, angeordnet. Jedoch sind die passiven elektrischen Bauelemente 6 und die hier nicht dargestellten Lotkugelsäulen so dimensioniert, dass die Bauelemente 1 und 2 vertikal voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise ist das MEMS-Drucksensorbauelement 2 weitgehend mechanisch entkoppelt vom Montageträger 10 für die 2nd-Level-Montage.
  • Wie das Bauteil 100 lässt sich auch das Bauteil 200 sehr einfach im Trägerverbund in großer Stückzahl herstellen. Die Vereinzelung erfolgt dann erst nach der Verbindung der beiden bestückten und mit passiven elektrischen Bauelementen und Lotkugelsäulen versehenen Träger, beispielsweise durch Sägen.

Claims (6)

  1. Bauteil (100) mit mindestens zwei ASIC- und/oder MEMS-Bauelementen (1, 2), die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens ein erstes Bauelement (1) auf einem ersten flächigen Träger (10) montiert und mit diesem ersten Träger (10) elektrisch verbunden ist, – dass mindestens ein zweites Bauelement (2) auf einem zweiten flächigen Träger (20) montiert und mit diesem zweiten Träger (20) elektrisch verbunden ist, – dass die beiden Träger (10, 20) so übereinander angeordnet und über eine Seitenwandung miteinander verbunden sind, dass das erste und das zweite Bauelement (1, 2) in einem Hohlraum (7) zwischen den beiden Trägern (10, 20) angeordnet sind, und – dass die Seitenwandung zumindest teilweise aus einer Aneinanderreihung von Lotkugeln (5) gebildete ist, über die die beiden Träger (10, 20) auch elektrisch verbunden sind.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster und/oder zweiter Träger ein Laminat mit mindestens einer Masseebene dient.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Seitenwandung zumindest teilweise aus Cu-Pillars gebildet ist. Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandung passive elektrische Bauelementen (6), insbesondere Widerstände und/oder Kapazitäten, umfasst.
  4. Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauelement (1, 2) zumindest teilweise überlappend angeordnet sind.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Seitenwandung mindestens eine Druckanschlussöffnung und/oder Schallöffnung ausgebildet ist.
  6. Bauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Träger (10) mit Anschlusspads (11) zur externen Kontaktierung des Bauteils (100) ausgestattet ist.
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