DE102014200126A1 - Bauteil mit einem Halbleiterbauelement auf einem Träger - Google Patents

Bauteil mit einem Halbleiterbauelement auf einem Träger Download PDF

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Abstract

Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die die Montage eines Halbleiterbauelements auf einem Träger deutlich vereinfacht wird und auch die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert wird, so dass diese Maßnahmen zu einer Erhöhung des Fertigungsdurchsatzes beitragen. Dazu wird im Verbindungsbereich (31) zwischen dem Träger (1) und dem Halbleiterbauelement (2) mindestens ein Distanzhalterelement (3) angeordnet, das die Lage des Halbleiterbauelements (2) bezüglich der Trägeroberfläche definiert und die Schichtdicke des Klebers (4) im Verbindungsbereich (31) bestimmt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für ein Bauteil mit mindestens einem Halbleiterbauelement, das mit Hilfe eines Klebers auf einem Träger montiert ist.
  • Die hier vorgeschlagene AVT eignet sich insbesondere für mikromechanische stressempfindliche Sensormodule, d. h. Bauteile mit einem mikromechanischen Sensorelement, wie z. B. Drucksensormodule. Die AVT ist sowohl für weiche als auch für harte Klebstoffe anwendbar.
  • In der Praxis werden derartige Sensormodule meist mit einem Premold-Gehäuse versehen oder auf einem Leiterplatten-Substrat aufgebaut und mit einem Deckelteil aus Stahl oder Kunststoff verkappt. Bei beiden Verpackungsvarianten wird das Sensorelement auf einem Träger montiert. Im Fall eines Premold-Gehäuses handelt es sich dabei meist um ein in Moldmasse eingebettetes Stanzgitter. Bei einer leiterplattenbasierten Verpackung dient das Leiterplatten-Substrat als Bauelementträger. Bei stressempfindlichen Sensorelementen muss auf eine weitgehende mechanische Entkopplung zwischen Sensorelement und Verpackung geachtet werden, um Messwertverfälschungen aufgrund von montage- und temperaturbedingten mechanischen Spannungen im Bauteilaufbau zu vermeiden. Deshalb erfolgt die Montage von Drucksensorelementen in der Praxis meist über dicke Schichten eines weichen Klebers. Damit wird das Sensorbauelement zwar auf dem Träger fixiert. Jedoch kann ein weicher Kleber aufgrund seines geringen E-Moduls mechanische Spannungen im Bauteilaufbau aufnehmen und auf diese Weise Sensorelement und Träger zumindest in einem gewissen Umfang mechanisch entkoppeln. Dazu muss allerdings im gesamten Verbindungsbereich eine einheitliche Schichtdicke des Montageklebers eingehalten werden, was bei weichen Klebern besondere Vorkehrungen erfordert. Des Weiteren besteht bei der Verwendung von weichen Klebern immer die Gefahr, dass das Sensorbauelement beim Aufsetzen auf den Träger gegenüber der Trägeroberfläche verkippt wird. Dies führt zu zusätzlichen mechanischen Spannungen im Bauteilaufbau und beeinträchtigt letztlich die Funktionsfähigkeit des Bauteils. Das Einhalten einer vorgegebenen Dicke der Verbindungsschicht und das Positionieren des Sensorelements möglichst ohne Tilt, d. h. ohne Verkippung gegenüber der Trägeroberfläche, erfordern eine aufwändige Prozessführung und -kontrolle beim Bauteilaufbau. Dies wirkt sich nachteilig auf die Fertigungsgeschwindigkeit und damit den Durchsatz bzw. Output aus.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die die Montage eines Halbleiterbauelements auf einem Träger deutlich vereinfacht wird und auch die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert wird, so dass diese Maßnahmen zu einer Erhöhung des Fertigungsdurchsatzes beitragen.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im Verbindungsbereich zwischen dem Träger und dem Halbleiterbauelement mindestens ein Distanzhalterelement angeordnet wird, das die Lage des Halbleiterbauelements bezüglich der Trägeroberfläche definiert und die Schichthöhe des Klebers im Verbindungsbereich bestimmt.
  • Es ist erkannt worden, dass sich der Fertigungsaufwand für ein Bauteil der hier in Rede stehenden Art mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Distanzhalterelements insgesamt deutlich verringern lässt, obwohl dieses Distanzhalterelement als zusätzliche Komponente in den Bauteilaufbau aufgenommen wird. Der damit verbundene Mehraufwand besteht in der Fertigung des Distanzhalterelements und in der Bestückung des Trägers mit dem Distanzhalterelement. Dafür vereinfacht sich die Lagejustierung des Bauelements enorm, da das Bauelement einfach auf das in den Montagekleber eingebettete Distanzhalterelement aufgesetzt wird. Zusätzliche Maßnahmen zur Bestimmung und Minimierung eines etwaigen Tilts sind hier nicht erforderlich. Da das Distanzhalterelement neben der Lage des Bauelements auch die Dicke der Kleberschicht im Verbindungsbereich definiert, erübrigen sich außerdem aufwändige Prozesse zur Bestimmung und Kontrolle der Kleberschichtdicke. Die Überwachung des Montageprozesses kann sich auf einfache Verifikationsprüfungen beschränken, da die Fehleranfälligkeit bei Verwendung eines Distanzhalterelements relativ gering ist. Ein äußerst geringer Ausschuss und eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit ermöglichen einen vergleichsweise hohen Fertigungsdurchsatz.
  • Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Bauteils, die sich aufgrund von unterschiedlichen Ausführungsformen des Distanzhalterelements ergeben.
  • Erfindungsgemäß bestimmt die Geometrie des Distanzhalterelements die Lage des Bauelements bezüglich der Trägeroberfläche. Die für viele Anwendungen angestrebte planparallele Ausrichtung des Bauelements zur Trägeroberfläche kann dementsprechend einfach mit Hilfe eines Distanzhalterelements mit planparallelem Höhenprofil erzielt werden. Bei Verwendung eines Distanzhalterbauelements mit keilförmigem Höhenprofil kann aber auch eine definierte Schräglage des Bauelements bezüglich der Trägeroberfläche realisiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt das Distanzhalterelement nicht nur die Lage und den Abstand des Bauelements bezüglich der Trägeroberfläche vor, sondern dient zusätzlich noch als Barriere für den Montagekleber. In diesem Fall begrenzt das Distanzhalterelement die laterale Ausbreitung des Klebers. Auf diese Weise kann zum einen ein „Ausbluten” des Montageklebers verhindert werden, d. h. dass eine zu große Klebermenge aus dem Verbindungsbereich abfließt. Zum anderen kann so sichergestellt werden, dass der Kleber im Verbindungsbereich und ggf. weiteren unkritischen Bereichen des Bauteilaufbaus verbleibt und nicht in Bereiche eindringt, wo er die Funktionalität des Bauteils beeinträchtigt.
  • Dazu wird vorteilhafterweise ein Distanzhalterelement in Form eines Rings verwendet, der den Verbindungsbereich definiert, indem er als äußere Begrenzung für den Kleber fungiert. Ein als Kleberbarriere dienendes Distanzhalterelement kann aber auch in U-Form oder in Form eines Gitters realisiert sein.
  • Wie bereits erwähnt, können montage- und temperaturbedingte mechanische Spannungen im Bauteilaufbau je nach Materialeigenschaften des Montageklebers mehr oder weniger gut abgebaut werden. Eine besonders gute mechanische Entkopplung zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Träger wird bei Verwendung von weichen Klebern mit einem niedrigen E-Modul erreicht. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall ein Distanzhalterelement aus einem gummiartigen Material verwendet, das ein ähnliches E-Modul wie der Kleber hat. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass das Distanzhalterelement zusätzliche mechanische Spannungen im Bauteilaufbau verursacht. Besonders gut eignen sich in diesem Zusammenhang Distanzhalterelemente aus Silikon.
  • Abschließend sei noch angemerkt, dass sich die Erfindung nicht auf die Montage von mikromechanischen Sensorbauteilen beschränkt. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich grundsätzlich auch bei der Montage von anderen elektrischen oder mikromechanischen Halbleiterbauelementen auf einem Träger anwenden. Die Erfindung ist nicht auf weiche Klebstoffe beschränkt, sondern auch für harte Kleber, wie z. B. harte Epoxide, geeignet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dafür wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
  • Die 1a bis 1d veranschaulichen den Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils anhand von schematischen Aufsichten (links) und Schnittdarstellungen (rechts) während der Montage.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils umfasst einen Bauelementträger 1 als Ausgangspunkt für die Montage eines Halbleiterbauelements. Ein solcher Träger 1 ist in 1a dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Leiterplattensubstrat handeln oder auch um ein Stanzgitter, das zumindest bereichsweise in eine Kunststoffmasse eingebettet ist und den Gehäuseboden eines Premold-Gehäuse bildet.
  • Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel soll ein mikromechanisches Drucksensorelement 2 auf dem Träger 1 montiert werden. Dazu wird ein ringförmiges Distanzhalterelement 3 auf den Träger 1 aufgesetzt, was in 1b dargestellt ist. Diese Bestückung erfolgt hier also noch vor dem Aufbringen eines Montageklebers 4 für das Sensorelement 2. Eine gesonderte Fixierung des Distanzhalterelements 3 auf der Trägeroberfläche ist zwar möglich aber in der Regel nicht erforderlich, da das Distanzhalterelement 3 zumindest teilweise in den Montagekleber 4 eingebettet wird und so in die Verbindung zwischen Halbleiterbauelement 2 und Träger 1 integriert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Distanzhalterelement 3 ringförmig geschlossen und hat über seinem gesamten Umfang dieselbe Höhe. Der Rinddurchmesser entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Sensorelements 2. Dadurch wird eine planparallele Ausrichtung des Sensorelements 2 zur Trägeroberfläche gewährleistet. Das Distanzhalterelement 3 besteht hier aus einem weichen gummiartigen Material, wie z. B. Silikon, das ein ähnlich niedriges E-Modul wie der hier verwendete Montagekleber 4 hat, so dass die Verbindung zwischen Sensorelement 2 und Träger 1 mechanische Spannungen im Bauteilaufbau aufnehmen kann.
  • Der Montagekleber 4 wird in einem weiteren Prozessschritt auf die Trägeroberfläche aufgebracht, beispielsweise in einem Dispensverfahren, Druckverfahren oder in einem Jetverfahren. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Montagekleber 4 dabei im Wesentlichen nur in den vom Distanzhalterelement 3 umschlossenen Ringbereich eingebracht, was in 1c dargestellt ist. Das Distanzhalterelement 3 definiert hier den Verbindungsbereich 31 zwischen dem Träger 1 und dem Sensorelement 2, indem es eine Barriere darstellt, die ein Ausfließen des Montageklebers 4 aus dem Verbindungsbereich 31 verhindert.
  • Das Distanzhalterelement 3 gibt außerdem die Schichtdicke des Montageklebers 4 im Verbindungsbereich 31 vor, was durch 1d veranschaulicht wird. 1d zeigt den Aufbau, nachdem das Sensorelement 2 auf das ringförmige Distanzhalterelement 3 aufgesetzt worden ist. Dabei wurde der überschüssige Montagekleber 4 aus dem umschlossenen Verbindungsbereich 31 herausgequetscht, so dass die Schichtdicke des Montageklebers 4 im Verbindungsbereich 31 ganzflächig der Höhe des Distanzhalterelements 3 entspricht.
  • Alternativ zur voranstehend beschriebenen Aufbauvariante kann der Montagekleber auch vor dem Aufsetzen des Distanzhalterelements auf die Trägeroberfläche aufgetragen werden. In diesem Fall kommen neben dem Dispensen und Jetten auch Druckverfahren, wie Siebdruck oder Schablonendruck, für den Kleberauftrag in Frage. Das Distanzhalterelement kann dann beispielsweise auch in die Kleberschicht gedrückt und so auf der Trägeroberfläche fixiert werden.

Claims (8)

  1. Bauteil mit mindestens einem Halbleiterbauelement, insbesondere mit einem mikromechanischen Sensorelement (2), das mit Hilfe eines Klebers (4) auf einem Träger (1) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Verbindungsbereich (31) zwischen dem Träger (1) und dem Halbleiterbauelement (2) mindestens ein Distanzhalterelement (3) angeordnet ist, das die Lage des Halbleiterbauelements (2) bezüglich der Trägeroberfläche definiert und die Schichtdicke des Klebers (4) im Verbindungsbereich (31) bestimmt.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (2) aufgrund des Distanzhalterelements (3) planparallel zur Trägeroberfläche ausgerichtet ist.
  3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (3) die laterale Ausbreitung des Klebers (4) zumindest bereichsweise begrenzt.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (3) in Form eines Rings realisiert ist, der den Verbindungsbereich (31) definiert, indem er als äußere Begrenzung für den Kleber (4) fungiert.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement in U-Form oder in Form eines Gitters realisiert ist.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kleber (4) um einen weichen Kleber handelt, der in der Lage ist, montage- und temperaturbedingte mechanische Spannungen im Bauteilaufbau aufzunehmen, und dass das Distanzhalterelement (3) aus einem gummiartigen Material mit einem ähnlichen E-Modul wie der Kleber (4) gebildet ist.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (3) aus Silikon gebildet ist.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kleber (4) um einen harten Kleber handelt.
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