DE102016224936A1 - Radarmodul - Google Patents

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DE102016224936A1
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Armin Himmelstoss
Thomas Binzer
Andreas Kugler
Corinne Grevent
Mekdes Girma
Thomas Schwarzenberger
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Radarmodul (100); aufweisend:ein erstes Substrat (10) mit einer darauf angeordneten Umverdrahtungslage (11);ein am ersten Substrat (10) in einer Moldstruktur (30) eingeschlossener HF-Chip (1);wobei das erste Substrat (10) mit der Moldstruktur (30) auf einem zweiten Substrat (20) angeordnet ist;wobei mittels der Umverdrahtungslage (11) elektrische Anschlüsse (12) des HF-Chips (1) zu Lötkugeln (21) am zweiten Substrat (20) geführt sind;wobei auf der Moldstruktur (30) ein mittels eines 3D-Druckprozesses gefertigtes Antennenelement (40) angeordnet ist;wobei das Antennenelement (40) definierte Metallisierungsflächen aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Radarmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Radarmoduls.
  • Stand der Technik
  • Es ist bereits bekannt, Radarsensoren im Millimeterbereich in sogenannten eWLB-Gehäusen (engl. embedded Wafer Level Ball Grid Array) mittels Wirebond-Technologie oder mittels Flip-Chip-Technologie, usw. zu verpacken. Dabei werden die passiven Millimeterwellen-Antennenstrukturen am Substrat in einem separaten Herstellungsprozess realisiert.
  • Die Nachteile dieser Art von Verpackung und Radarsensor-Integration sind unter anderem folgende:
    • - Separierter Entwicklungs- und Fabrikationsprozess für Radarchip-Packaging und Realisierung von Millimeterwellenantennen auf HF-Leiterplatten, was Produktionskosten erhöht
    • - eWLB-Packages sind aufgrund von Zuverlässigkeitsdefiziten nicht mit allen HF-Materialen kompatibel
    • - Eine Größe von eWLB-Packages ist für große Chipgrößen nicht skalierbar
  • US 7 276 783 B2 offenbart eine elektronische Komponente mit einem Plastik-Package und ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • US 8 237 259 B2 offenbart eine elektronische Baugruppe mit einem in einer Package-Struktur eingebetteten Halbleiterchip, wobei die Package-Struktur mittels einer Leiterplatte eingebettet ist.
  • Gregory Peter Le Sage, „3D Printed Waveguide Slot Array Antennas“, IEEE Access, Volume 4, 2016, Seiten 1258 bis 1265 offenbart eine 3D-Druck-basierte Herstellung von Hohlleiterantennen in Verbindung mit einer Metallbeschichtung der Hohlleiterantennen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Radarmodul bereit zu stellen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Radarmodul, aufweisend:
    • - ein erstes Substrat mit einer darauf angeordneten Umverdrahtungslage;
    • - ein am ersten Substrat in einer Moldstruktur eingeschlossener HF-Chip;
    • - wobei das erste Substrat mit der Moldstruktur auf einem zweiten Substrat angeordnet ist;
    • - wobei mittels der Umverdrahtungslage elektrische Anschlüsse des HF-Chips zu Lötkugeln am zweiten Substrat geführt sind;
    • - wobei auf der Moldstruktur ein mittels eines 3D-Druckprozesses gefertigtes Antennenelement angeordnet ist;
    • - wobei das Antennenelement definierte Metallisierungsflächen aufweist.
  • Im Ergebnis wird dadurch ein Aufbau eines Radarmoduls auf Panel Ebene realisiert, der eine hochleistungsfähige, mittels eines 3D-Druckverfahrens erzeugte Hohlleiterantenne bereitstellt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Moldstruktur, in die der HF-Chip eingebettet ist, oben flach ist, sodass die Hohlleiter-Antenne auf einfache Weise mittels eines 3D-Druckverfahrens aufgebracht werden kann. Im Ergebnis ist dadurch ein Antennenelement mit hohem Gewinn realisierbar. Vorteilhaft ist eine Verwendung von herkömmlichen HF-Leiterplatten nicht erforderlich, weil der komplette HF-Anteil im Radarmodul bereits vorhanden ist. Aufgrund der Einbettung des HF-Chips in der Moldstruktur ist dieser gegenüber Umwelteinflüssen geschützt. Im Ergebnis ist dadurch eine vereinfachte Herstellung eines hoch performanten Radarsensors mit einer hochleistungsfähigen Antenne möglich.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Radarmoduls, aufweisend die Schritte:
    • - Anordnen eines HF-Chips auf einem ersten Substrat mit einer Umverdrahtungslage;
    • - Anordnen des ersten Substrats auf einem zweiten Substrat;
    • - Einschließen des HF-Chips auf dem ersten Substrat mittels einer Moldstruktrur;
    • - 3D-Drucken eines Antennenelements;
    • - Definiertes Aufbringen von Metallisierung auf das Antennenelement; und
    • - Vereinzeln des Radarmoduls.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Radarmoduls und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung des Moduls zeichnet sich dadurch aus, dass das Antennenelement als eine Hohlleiterantenne ausgebildet ist. Auf diese Weise kann für das Radarmodul eine gute Abstrahlcharakteristik der Hohlleiterantenne ausgenützt werden.
  • Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Radarmoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Hohlleiterantenne als Millimeterwellen-Hohlleiterantenne ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Radarmodul vorzugsweise im Kfz-Bereich eingesetzt werden, mit den dabei erforderlichen Reichweiten und Gewinnen der Antenne.
  • Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Radarmoduls sieht vor, dass die Metallisierungsschichten des Antennenelements mittels atomarer Schichtabscheidung oder galvanisch erzeugt wurden. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche Arten zum Bereitstellen der Metallisierungsschicht für die Hohlleiter-Antenne realisiert.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarmoduls sieht vor, dass elektrische Signale des HF-Chips über die Umverdrahtungslage und Durchkontaktierungen im zweiten Substrat an Lötkugeln des zweiten Substrats geführt sind. Auf diese Weise können elektrische Signale des HF-Chips auf eine darunter angeordnete Auswerteelektronik geführt werden, wodurch auf komfortable Weise vollständige Radarsensoren realisierbar sind.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarmoduls zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Umverdrahtungslage ein primäres Strahlungselement ausgebildet ist. Auf diese Weise kann elektromagnetische Strahlung vom ersten HF-Substrat nach oben durch die Moldstruktur gestrahlt werden, um anschließend in das Antennenelement gekoppelt zu werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
  • Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Radarmodul in analoger Weise aus entsprechenden Merkmalen, technischen Vorteilen und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines Radarmoduls ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine Querschnittsansicht durch ein herkömmliches Radarmodul;
    • 2 eine perspektivische Draufsicht auf ein weiteres herkömmliches Radarmodul;
    • 3 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres herkömmliches Radarmodul;
    • 4 eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform des vorgeschlagenen Radarmoduls; und
    • 5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines Radarmoduls.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt lediglich qualitativ eine stark vereinfachte Querschnittsansicht eines herkömmlichen Radarmoduls 100. Man erkennt einen HF-Chip 1, vorzugweise in Form eines Millimeterwellen-Radarchips (engl. monolithic microwave integrated circuit, MMIC), der auf einem HF-Substrat bzw. einer HF-Leiterplatte 10 angeordnet ist, wobei die HF-Leiterplatte 10 eine metallische Umverdrahtungslage 11 (engl. redistribution layer, RDL) aufweist. Die Umverdrahtungslage 11 ist zur Verteilung und Zuführung von elektrischen Signalen des HF-Chips 1 an erste Lötkugeln 12 vorgesehen, wobei die ersten Lötkugeln 12 zur funktionalen Montage der HF-Leiterplatte 10 auf einer weiteren Leiterplatte (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Der HF-Chip 1 ist in einer ausgehärteten Moldmasse bzw. Moldstruktur 30 eingeschlossen. Die Moldstruktur 30 weist keinerlei Antennenelemente auf. 1 zeigt einen bekannten HF-Chip 1 in Form eines Millimeterwellen-Radarchips mit einer typischen Flächenabmessung von 6 × 6 mm2.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein weiteres herkömmliches Radarmodul 100, das auf einer zweiten Leiterplatte 20 angeordnet ist, auf der Antennenelemente 40 in Form von strukturierten Kupferelementen angeordnet sind. Diese Anordnung erlaubt die Integration einer passiven Millimeterwellen-Antenne mit einem aktiven 77 GHz-Millimeterwellen-Schaltkreis während eines Packaging-Prozesses. Im Ergebnis ergibt sich dadurch eine Anordnung mit mehreren Komponenten, die unter Umständen nachteilig von unterschiedlichen Lieferanten bereitgestellt werden müssen und eine Antenne mit einer nur geringen Leistungsfähigkeit realisiert.
  • 3 zeigt eine weitere Querschnittsansicht durch ein herkömmliches Radarmodul in Form einer Antenna-in-Package (AiP) Lösung mit einer Größenabmessung von ca. 3 mm × 3 mm. Der Aufbau ist ähnlich wie jener von 1, mit dem Unterschied, dass in diesem Fall eine Anordnung von zweiten Lötkugeln 21 derart ist, dass auf einem zweiten Substrat 20 mit der Umverdrahtungslage 11 ein Antennenbereich A gebildet wird. Auf diese Weise wird innerhalb des Radarmoduls ein Antennenelement realisiert, das allerdings lediglich einen geringen Gewinn und eine geringe Strahl- bzw. Reichweite aufweist.
  • In der Anordnung von 3 sind die Hochfrequenzantennen vollständig im eWLB-Package integriert. Allerdings kann aufgrund von Größenbegrenzungen des eWLB-Packages eine Antenne mit hohem Gewinn und einer großen Öffnung nicht realisiert werden. Die Nachteile dieser Lösung sind folgende:
    • - Eine Realisierung einer Hochleistungsantenne ist nicht möglich, weil die Größe der Antennenöffnung limitiert ist
    • - Eine Realisierung einer Mehrkanal-Antenne in einem Package ist aufgrund der genannten Größenbeschränkungen nicht möglich
    • - Das derart realisierte Wafer-Level-Packaging ist im Allgemeinen sehr kostenintensiv
    • - Effizienz und Gewinn von Antenna-in-Package Lösungen sind, verglichen mit anderen Antennen-Technologien, z.B. Patch auf HF-Substrat, Hohlleiterantennen, usw. gering
  • Vorgeschlagen wird eine Integration eines Radarmoduls auf Panel-Ebene. Auf diese Weise wird ein kompaktes Bauteil mit einer hochleistungsfähigen Antenne in einem Bauelement realisiert, was in der konzeptionellen Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen Radarmoduls 100 von 4 dargestellt ist.
  • Man erkennt, dass der HF-Chip 1, auf einem HF- Substrat 10 angeordnet und in einer Moldstruktur 30 eingeschlossen ist, wobei die Moldstruktur 30 oben flach ausgebildet ist. Mittels eines First-Level-Interconnects in Form von ersten Lötkugeln 12 werden Leitungen des HF-Chips 1 auf Umverdrahtungslagen 11 des HF- Substrats 10 geführt. Die Umverdrahtungslagen 11 realisieren Durchkontaktierungen auf ein zweites Substrat 20, das Durchkontaktierungen 22 aufweist, mit denen die Signale des HF-Chips 1 auf zweite Lötkugeln 21 geführt werden, mit denen das Radarmodul 100 auf einer weiteren Leiterplatte (nicht dargestellt) montiert werden kann.
  • Aufgrund der Tatsache, dass die Moldstruktur 30 oben flach ausgebildet ist, wird darauf ein dreidimensionales Antennenelement 40 mittels eines 3D-Druckverfahrens ausgebildet. Dabei ist zu beachten, dass die Materialien des Antennenelements 40 und der Moldstruktur 30 miteinander chemisch bzw. technologisch kompatibel sind. Das Antennenelement 40 wird zusätzlich metallisiert, z.B. mittels atomarer Schichtabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) oder eines anderen geeigneten Verfahrens (z.B. Galvanisierungsverfahren) zur Aufbringung von Metallschichten auf bzw. in das Antennenelement 60, das auf diese Weise als eine Hohlleiterwellenantenne ausgebildet wird. Optional ist es auch möglich, dass auf eine mittels atomarer Schichtabscheidung abgeschiedene erste metallische Schicht mittels eines galvanischen Nachwachsens weitere Metallschichten aufgebracht werden.
  • Mit dieser Konstellation ist ermöglicht, dass elektromagnetische Strahlung des HF-Chips 1 von der Umverdrahtungslage 11 nach oben reflektiert wird, die Moldstruktur 30 durchdringt und anschließend vom Antennenelement 40 abgestrahlt wird. Im Ergebnis ist dadurch eine hochleistungsfähige Antenne mit hohem Gewinn und großer Reichweite von beispielsweise ca. 150 m bis ca. 250 m realisiert. Die hohe Leistungsfähigkeit des Antennenelements 40 wird dabei auch durch die großflächige bzw. großvolumige Ausgestaltung des Antennenelements 40 bewirkt. Dadurch eignet sich das vorgeschlagene Radarmodul sehr gut für den Kraftfahrzeugbereich zur Verwendung für Radarsensoren.
  • Vorteilhaft erlaubt die vorliegende Erfindung eine Integration der passiven Millimeterwellen-Antenne und des aktiven Millimeterwellen-HF-Chips im selben Prozess während des Verpackungsprozesses (engl. Packaging). Zusätzlich kann eine 3D-Druck-Erzeugung der Hohlleiterantennen auf der Oberfläche des Moldstruktur 30 auf Panel-Ebene durchgeführt werden. Dadurch wird eine Integration aller erforderlichen Radarmodulkomponenten vereinfacht und ein hochintegriertes Radar-Systemmodul bereitgestellt. Vorteilhaft sind zusätzliche kostspielige HF-Materialien, um die Antennen auf einer Leiterplatte zu realisieren, nicht erforderlich, wie es z.B. im Fall des herkömmlichen Mid-Range-Radarmoduls von 2 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Radarmoduls 100 ist, dass der Packaging-Prozess zuverlässig ist und dadurch eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Radarmoduls erlaubt.
  • Die Erfindung realisiert somit eine Packaging-Technologie, um einen Millimeterwellen-Radarsensorchip und eine passive Millimeterwellen-Hohlleiterantenne mittels Panel-Level-Mold-Packaging und 3D-Drucktechnologie zu integrieren.
  • Zunächst wird dazu der HF-Chip 1 auf einem kostengünstigen HF-Substrat 10 angeordnet. Eine erste Lage des HF-Substrats 10 kann dabei als eine Umverdrahtungslage 11 genutzt werden. Ein Primärstrahler (z.B. eine Patchantenne) kann auf der HF-Lage realisiert sein, wobei mittels des Primärstrahlers die vom HF-Chip 1 emittierte elektromagnetische Strahlung nach oben zur Weiterleitung durch die Moldstruktur 30 und anschließend in das Antennenelement 40 geführt wird.
  • Im nächsten Schritt wird das gesamte Panel mit einem Mold-Verbundmaterial bzw. einer Moldmasse gemolded. Die Millimeterwellen-Antenne wird anschließend auf der flachen Oberfläche der Moldstruktur 30 mittels 3D-Druck entwickelt bzw. ausgebildet. Dies erlaubt die Integration von Millimeterwellen-HF-Chips und der Antenne im selben Modul während des Packaging-Prozesses. Der Prozess der Ausbildung der vollständigen 3D-gedruckten Hohlleiterantenne erfolgt entweder durch einen Metallisierungsprozess mit atomarer Schichtabscheidung (ALD-Technologie) oder mittels Metallisierung von definierten Oberflächen der Hohlleiterantenne während des 3D-Druckprozesses.
  • Im Ergebnis kann dadurch eine einfache Herstellung der 3D-gedruckten Komponenten der Millimeterwellen-Hohlleiterantenne auf Panel-Ebene durchgeführt werden. Ein großer Vorteil dieser System-in-Package Architektur ist die Fähigkeit, ungleiche bzw. ungleichartige Technologien zusammenzuführen, um ein hochintegriertes System zu schaffen, in welchem Technologien und Kosten auf effiziente Weise ein Radarmodul ermöglichen.
  • 5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Schritt 200 wird ein Anordnen eines HF-Chips 1 auf einem ersten Substrat 10 mit einer Umverdrahtungslage 11 durchgeführt.
  • In einem Schritt 210 wird ein Anordnen des ersten Substrats 10 auf einem zweiten Substrat 20 durchgeführt.
  • In einem Schritt 220 wird ein Einschließen des HF-Chips 1 auf dem ersten Substrat 10 mittels einer Moldstruktur 30 durchgeführt.
  • In einem Schritt 230 wird ein 3D-Drucken eines Antennenelements 40 durchgeführt.
  • In einem Schritt 240 wird ein definiertes Aufbringen von Metallisierung auf das Antennenelement 40 durchgeführt.
  • In einem Schritt 250 wird ein Vereinzeln des Radarmoduls 100 durchgeführt.
  • Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Radarmodul mit einer Größenabmessung von ca. 50 mm × 50 mm, beispielsweise zur Verwendung in einem Radarsensor eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
  • Obwohl die Erfindung vorgehend anhand einer konkreten Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also vorgehend auch nicht dargestellte Ausführungsformen der Erfindung realisieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7276783 B2 [0004]
    • US 8237259 B2 [0005]

Claims (8)

  1. Radarmodul (100); aufweisend: - ein erstes Substrat (10) mit einer darauf angeordneten Umverdrahtungslage (11); - ein am ersten Substrat (10) in einer Moldstruktur (30) eingeschlossener HF-Chip (1); - wobei das erste Substrat (10) mit der Moldstruktur (30) auf einem zweiten Substrat (20) angeordnet ist; - wobei mittels der Umverdrahtungslage (11) elektrische Anschlüsse (12) des HF-Chips (1) zu Lötkugeln (21) am zweiten Substrat (20) geführt sind; - wobei auf der Moldstruktur (30) ein mittels eines 3D-Druckprozesses gefertigtes Antennenelement (40) angeordnet ist; - wobei das Antennenelement (40) definierte Metallisierungsflächen aufweist.
  2. Radarmodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenelement (40) als eine Hohlleiterantenne ausgebildet ist.
  3. Radarmodul (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiterantenne als Millimeterwellen-Hohlleiterantenne ausgebildet ist.
  4. Radarmodul (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsschichten des Antennenelements (40) mittels atomarer Schichtabscheidung oder galvanisch erzeugt wurden.
  5. Radarmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Signale des HF-Chips (1) über die Umverdrahtungslage (11) und Durchkontaktierungen (22) im zweiten Substrat (20) an Lötkugeln (21) des zweiten Substrats (20) geführt sind.
  6. Radarmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Umverdrahtungslage (11) ein primäres Strahlungselement ausgebildet ist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Radarmoduls (100), aufweisend die Schritte: - Anordnen eines HF-Chips (1) auf einem ersten Substrat (10) mit einer Umverdrahtungslage (11); - Anordnen des ersten Substrats (10) auf einem zweiten Substrat (20); - Einschließen des HF-Chips (1) auf dem ersten Substrat (10) mittels einer Moldstruktrur (30); - 3D-Drucken eines Antennenelements (40); - Definiertes Aufbringen von Metallisierung auf das Antennenelement (40); und - Vereinzeln des Radarmoduls (100).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das definierte Aufbringen von Metallisierung auf das Antennenelement (40) mittels atomarer Schichtabscheidung oder mittels galvanischer Prozesse durchgeführt wird.
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