DE102017202000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements in einen Träger - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements in einen Träger Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements (1) in einen Träger (2). Hierbei wird das mindestens eine Bauelement (1) in oder an einer Aufnahmeeinheit (3) fixiert und der Träger (2) wird durch schichtweises Aufbringen eines Trägerwerkstoffs in oder auf die Aufnahmeeinheit (3) hergestellt, wobei das mindestens eine Bauelement (1) in den Trägerwerkstoff durch das schichtweise Aufbringen eingebettet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements in einen Träger.
  • Ein Einbetten von aktiven und passiven elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen in ein Substrat erfolgt gegenwärtig mit Hilfe von zuvor gefertigten Kavitäten im Substrat und einer anschließenden Montage der Bauelemente. Typischerweise erfolgt danach ein Verfüllprozess der Luftspalte zwischen dem Bauelement und Kavitätsrändern. Abschließend wird eine Umverdrahtungsschicht hergestellt für eine Ankontaktierung. Nachteilig an diesem Verfahren sind jedoch die Vielzahl der Montageschritte sowie eine mögliche Verkippung und Montagetoleranzen bezogen auf Kavitätsöffnungen. Zudem treten Höhentoleranzen zwischen Bauelement- und Substratroberfläche auf.
  • Bei sogenannten „Packages“ ist eine weit verbreitete Methode zum Einbetten das sogenannte „Fan-Out Wafer Level Package“ (FA-WLP), bei dem in einem Spritzgussverfahren eine Form zum Einbetten der Bauelemente verwendet wird. Auch hier wird zum Schluss die Umverdrahtungsschicht für die Ankontaktierung hergestellt. Mit diesem Verfahren können allerdings keine frei formbaren Substrate hergestellt werden bzw. eine gezielte Herstellung von Freiräumen ist nicht möglich. Zudem ist ein Spitzgussprozess ungünstig für eine Prototypenherstellung, da eine Masterform mit strikten Designregeln benötigt wird.
  • Bei Leiterplatten gibt es schließlich noch die Möglichkeit einer Montage der Bauelemente auf einem dünnen Zwischenverdrahtungsträger, der anschließend zu einer sogenannten „High Density Interconnect“-Leiterplatte verpresst wird. Auch bei diesem Verfahren ist keine frei formbare Substratherstellung möglich.
  • Bei einer Lamination von Bauelementen in dünne Folien kommt es mitunter zu unerwünschten Lufteinschlüssen um die eingebetteten Bauelemente durch den Laminationsprozess. Außerdem sind meist zusätzliche Prozessschritte für Durchkontaktierungsöffnungen nötig.
  • Hochfrequenzleitungen (HF-Leitungen) auf Substratebene werden zurzeit mittels standardisierten Wellenleitern mit sequentiellen Aufbautechnologien oder zweidimensionalen Druckverfahren realisiert. Die Hochfrequenzeigenschaften sind dabei allerdings durch die Dielektrizitätskonstante des Substrats begrenzt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels der die genannten Nachteile vermieden werden können, also mindestens ein elektronisches Bauelement in effizienter Weise in beliebig geformte Träger einbringbar ist.
  • Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Bei einem Verfahren zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements in einen Träger wird das mindestens eine Bauelement in oder an einer Aufnahmeeinheit fixiert und der Träger durch schichtweises Aufbringen eines Trägerwerkstoffs in oder auf die Aufnahmeeinheit hergestellt. Dabei wird das mindestens eine Bauelement in den Trägerwerkstoff durch das schichtweise Aufbringen eingebettet.
  • Durch das direkte Einbetten des elektronischen Bauteils in den herzustellenden Träger, der auch als Substrat bezeichnet wird, ergibt sich eine frei formbare Gestaltung des Trägers, in den auch beliebige weitere Elemente eingebracht werden können. Insbesondere kann das elektronische Bauteil auch komplett ummantelt werden und somit vor äußeren Einflüssen geschützt sein. Typischerweise sind die Bauelemente planar selbstjustierend sowie selbstnivellierend gegenüber einer Trägeroberfläche bzw. Substratoberfläche. Insbesondere ist ein Höhenunterschied zwischen einer Trägeroberfläche und einer Bauelementoberfläche selbstjustierend. Die Gestaltung des Trägers kann hier in weitem Maße frei gewählt werden, so sind auch gedruckte Füllwerkstoffe möglich.
  • Das mindestens eine Bauelement wird vorzugsweise durch eine Vakuumeinheit in oder an der Aufnahmeeinheit fixiert. Dies erlaubt eine effiziente Befestigung, durch die das Bauelement mit der Aufnahmeeinheit mitbewegt werden kann.
  • Typischerweise weist die Aufnahmeeinheit eine gelochte Abdeckung und bzw. oder eine poröse Abdeckung zum Fixieren des mindestens einen Bauelements auf. Unter einer porösen Abdeckung soll hierbei insbesondere eine durchlässige Abdeckung mit Poren verstanden werden. Die genannten Abdeckungen ermöglichen eine ausreichende mechanische Stabilität bei gleichzeitigem Ansaugen durch das angelegte Vakuum.
  • Das Bauelement kann auch durch eine Klebeverbindung in oder an der Aufnahmeeinheit fixiert werden. Hierdurch kann ohne zusätzliche, von außen zugeführte Energie das Bauelement gehalten werden. Vorzugsweise wird zum Herstellen der Klebeverbindung eine doppelseitig haftende Folie verwendet.
  • Das elektronische Bauelement kann sowohl als aktives als auch als passives Bauelement ausgebildet sein.
  • Als Trägerwerkstoff wird typischerweise ein Polymer, insbesondere ein anorganisch gefülltes Polymer verwendet.
  • Die Aufnahmeeinheit kann als eine Druckform oder Gussform vorliegen, also insbesondere als kastenförmiger, deckelloser Behälter, um einfach und schnell das Bauelement darin fixieren zu können.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Träger mit dem eingebetteten Bauelement nach dem schichtweisen Aufbringen des Trägerwerkstoffs aus der Aufnahmeeinheit entnommen wird. Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Aufnahmeeinheit mit dem Träger samt Bauelement einer Weiterverarbeitung zuzuführen.
  • Das schichtweise Aufbringen des Trägerwerkstoffs wird vorzugsweise durch ein dreidimensionales Druckverfahren mittels eines verfahrbaren Druckkopfs Extruders, insbesondere mittels eines Druckkopfs eines Filamentdruckers, oder durch ein dreidimensionales Druckverfahren mittels eines stereolithografischen Polymerdruckers oder eines Digital Light Processing-Druckers durchgeführt. Diese Verfahren erlauben eine möglichst flexible Designgestaltung und ein zeiteffizientes Aufbringen des Trägerwerkstoffs.
  • Typischerweise wird beim Aufbringen des Trägerwerkstoffs mindestens eine Durchkontaktierung oder ein Hohlraum als Dielektrikum in dem Träger ausgebildet. Durchkontaktierungen, auch Vias genannt, ermöglichen ein Aufbringen und elektrisches Verbinden von Leiterbahnen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Trägers. Als Dielektrika wirkende Hohlräume erlauben die Anpassung der elektrischen Eigenschaften des Substrats.
  • Es kann vorgesehen sein, dass beim Aufbringen des Trägerwerkstoffs mindestens eine Aussparung für eine Leiterbahn oder eine Kontaktierung in dem Träger ausgebildet wird. Hierdurch können beispielsweise Hochfrequenzleitungen mit auf die jeweilige Anwendung angepassten Eigenschaften ausgebildet werden.
  • Die Aussparung zum Herstellen der Leiterbahn oder der Kontaktierung kann durch ein additives Verfahren oder eine physikalische und bzw. oder chemische Abscheidung, insbesondere eine galvanische Abscheidung mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gefüllt werden, um elektrische Leiterbahnen herzustellen. Vorzugsweise ist das additive Verfahren ausgewählt aus einem Aerosoljetdruckverfahren, einem Inkjetdruckverfahren, einem Schablonendruckverfahren, einem Siebdruckverfahren und bzw. oder einem Dispenstechnikverfahren.
  • Eine Vorrichtung, die zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, weist eine Aufnahmeeinheit zum Halten mindestens eines Bauelements, eine Aufbringeinheit zum Aufbringen eines Trägerwerkstoffs auf oder in die Aufnahmeeinheit und eine Steuereinheit zum Steuern der Aufnahmeeinheit und der Aufbringeinheit auf.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische seitliche Ansicht einer Aufnahmeeinheit mit einer gelochten Abdeckung;
    • 2 eine 1 entsprechende Ansicht einer Aufnahmeeinheit mit einer porösen Abdeckung;
    • 3 eine 1 entsprechende Ansicht einer Aufnahmeeinheit mit einer Abdeckung mit einer doppelseitig haftenden Schicht;
    • 4 eine schematische seitliche Ansicht eines Filamentdruckers;
    • 5 eine 4 entsprechende seitliche Ansicht eines Photopolymerdruckers;
    • 6 eine 1 entsprechende Ansicht eines Trägers mit eingebettetem Bauelement und
    • 7 eine perspektivische Ansicht eines Trägers mit eingebrachtem Bauelement.
  • In 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht eine kastenförmige Aufnahmeeinheit 3 mit einer Vakuumeinheit 8 gezeigt. Die Vakuumeinheit 8 weist einen Schlauch 4 zur Vakuumzufuhr, einen Vakuumanschluss 5 ins Innere eines Gehäuses 7 und ein Vakuumreservoir 6 im Gehäuseinneren auf. Dem Vakuumanschluss 5 gegenüberliegend ist das Gehäuse 7 durch eine gelochte, durchlässige Abdeckung 9 verschlossen, die ebenfalls Teil der Vakuumeinheit 8 ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Abdeckung 9 auch seitlich an dem Gehäuse 7 angeordnet sein. Die gelochte Abdeckung 9 weist mehrere sie komplett durchdringende Löcher auf, die durch ein elektronisches Bauelement 1 überdeckt sind. Durch Anlegen des Vakuums wird das Bauelement 1 an der Aufnahmeeinheit 3 gehalten und fixiert.
  • In einer 1 entsprechenden Ansicht zeigt 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Aufnahmeeinheit 3. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Vakuumeinheit 8 umfasst nun wiederum den Schlauch 4, den Vakuumanschluss 5, das Gehäuse 7 und das Vakuumreservoir 6. Anstelle der gelochten Abdeckung 9 ist nun jedoch eine poröse, durchlässige Abdeckung 11 in der Vakuumeinheit 8 vorgesehen, die durch eine nichtdurchlässige strukturierte Schicht 12 das Vakuum nur in ihrem mittleren Bereich wirken lässt. Hierzu weist die Schicht 12 mittig einen Durchgang auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel durch das Bauelement 1 überdeckt wird. Nach Anlegen des Vakuums wird das Bauelement 1 daher wiederum an der Aufnahmeeinheit 3 gehalten. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Durchgang auch außermittig angeordnet sein.
  • Schließlich kann die Aufnahmeeinheit 3 auch eine undurchlässige Abdeckung 13 mit einer doppelseitig haftenden Schicht oder Folie aufweisen, wie in 3 in einer 1 entsprechenden Ansicht dargestellt. Das Bauelement 1 ist in diesem Fall durch eine Klebeverbindung fixiert. Insbesondere kann die Aufnahmeeinheit 3 eine Konstruktionseinheit eines 3D-Druckers sein.
  • In 4 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht ein Filamentdrucker dargestellt, bei dem ein Trägerwerkstoff mittels eines Extruders 14 als Druckkopf in oder auf die Konstruktionseinheit bzw. Aufnahmeeinheit 3 aufgebracht wird, um das daran fixierte Bauelement 1 in den Träger einzubetten. Bei diesem auch als „Fused Deposition Modeling“ bezeichneten Verfahren wird über eine Steuereinheit 28 die komplette Vorrichtung angesteuert. In einem Filamentreservoir 15 befindet sich ein formbares Filament 17, typischerweise Polymerkabel in aufgerollter Form, als Trägerwerkstoff. Aus dem Filamentreservoir 15 gelangt das Filament 17 über einen Schlauch 16 zu dem Extruder 14, der in mindestens zwei Raumrichtungen translatorisch bewegbar ist, typischerweise parallel zu einer Oberfläche der Aufnahmeeinheit 3. Ein Verfahrweg 18 ist somit in einer x-y-Ebene. Der Extruder 14 erhitzt das Filament 17 und bringt das Filament 17 auf die Aufnahmeeinheit 3 auf, wobei schichtweise die gewünschte dreidimensionale Form geschrieben wird. Durch Einstellen eines Höhenunterschieds zwischen der Aufnahmeeinheit 3 und dem Extruder 14 (durch Verfahren einer der beiden Einheiten relativ zur anderen) wird ein Abstand um eine aufgebrachte Filamentschichtdicke nach jeder vollendeten Schicht vergrößert. Vorzugsweise ist ein Verfahrweg 19 der Aufnahmeeinheit 3 entlang einer z-Achse.
  • 5 zeigt in einer 4 entsprechenden Ansicht einen Photopolymerdrucker 24 mit einem Photopolymertrank 21, einem Spiegel 22 und einer Laserstrahlquelle 23 zum Durchführen einer Stereolithographie. In dem Photopolymertrank 21 befindet sich flüssiges Photopolymer 20. Oberhalb des Photopolymertanks 21 ist die Aufnahmeeinheit 3 angeordnet, deren Verfahrweg 19 wiederum entlang der z-Achse ist. Durch Verfahren der Aufnahmeeinheit 3 durch die in dieser Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Steuereinheit 28 (beispielsweise einen Computer), wird ein Abstand zu einem Boden des Photopolymertanks 21 auf eine zu druckende Schichthöhe verkleinert.
  • Die Laserstrahlquelle 23 emittiert einen Laserstrahl, der durch den beweglichen Spiegel 22 oder weitere optische Vorrichtungen in den für die Laserstrahlung transparenten Photopolymertank 21 geführt wird. Der Laserstrahl vernetzt das Photopolymer 20 und durch die Strahllenkung kann eine gewünschte Struktur des Trägers herausgebildet werden. Ein Abstand zwischen der Aufnahmeeinheit 3 und dem Photopolymertank 21 wird nach jeder vollendeten Schicht vergrößert.
  • Neben der beschriebenen Laserstrahlquelle 23 kann anstelle eines Stereolithografieverfahrens auch ein Verfahren mit einem Digital Light Processing Drucker durchgeführt werden. Hierbei kommen typischerweise im ultravioletten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums emittierende Leuchtdioden zum Einsatz.
  • Die beschriebene Herstellung des Trägers mit eingebettetem Bauelement 1 erlaubt somit eine Package- bzw. Leiterplattenherstellung durch dreidimensionalen Druck. Das Bauelement 1 kann sowohl ein aktives als auch ein passives Bauelement sein und in freiformbaren Formen mit selbstjustierendern Bauelementeinbettung ausgestaltet sein. Außerdem kann eine direkte Umverdrahtung des eingebetteten Bauelements 1 ohne weitere Zwischenschritte erfolgen. Zusätzlich können Durchkontaktierungslöcher direkt während der Trägerherstellung erzeugt werden. Schließlich erlaubt es das Verfahren auch, Wellenleiterstrukturen, beispielsweise Hohlzylinderleitungen, für eine Hochfrequenzdatenübertragung, direkt in dem Träger vorzusehen.
  • In 6 ist in einer seitlichen Ansicht ein fertiggestellter und aus der Aufnahmeeinheit 3 entnommener bzw. von der Aufnahmeeinheit 3 entfernter Träger 2 mit eingebetteten Bauelement 1, einer Durchkontaktierung 27 und einer auf einer Trägeroberfläche aufgebrachten Leiterbahn 29 dargestellt.
  • 7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den Träger 2 als gedrucktes Substrat mit eingebettetem Bauelement 1 sowie zwei Rechteckhohlleitern 25, anderen Ende zum Kontaktieren des Bauelements 1 (im dargestellten Ausführungsbeispiel ein IC, integrated circuit) zwei Signalleiter 26. Die Rechteckhohlleiter 25 wurden direkt beim Drucken als Hohlräume erzeugt und können metallisiert oder durch additive Signalleiterherstellung werden. Die Metallisierung erfolgt mittels physikalischer, chemischer und bzw. oder galvanischer Abscheidung. Für die additive Signalleiterherstellung kann beispielsweise ein Aerosoljetdruck, ein Inkjetdruck, ein Schablonendruck, ein Siebdruck oder eine Dispenstechnik verwendet werden. Schließlich wird eine leitende Folie 10 zum Schließen der Rechteckhohlleiter aufgebracht.
  • Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Einbetten mindestens eines elektronischen Bauelements (1) in einen Träger (2), bei dem das mindestens eine Bauelement (1) in oder an einer Aufnahmeeinheit (3) fixiert wird und der Träger (2) durch schichtweises Aufbringen eines Trägerwerkstoffs in oder auf die Aufnahmeeinheit (3) hergestellt wird, wobei das mindestens eine Bauelement (1) in den Trägerwerkstoff durch das schichtweise Aufbringen eingebettet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (1) durch eine Vakuumeinheit (8) in oder an der Aufnahmeeinheit (3) fixiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumeinheit (8) eine gelochte Abdeckung (9) und/oder eine poröse Abdeckung (11) zum Fixieren des mindestens einen Bauelements (1) aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (1) durch eine Klebeverbindung (13), vorzugsweise durch eine doppelseitig haftende Folie, in oder an der Aufnahmeeinheit (3) fixiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) mit dem eingebetteten Bauelement (1) nach dem schichtweisen Aufbringen des Trägerwerkstoffs aus der Aufnahmeeinheit (3) entnommen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schichtweise Aufbringen des Trägerwerkstoffs durch ein dreidimensionales Druckverfahren mittels eines verfahrbaren Druckkopfs (14) durchgeführt wird oder das schichtweise Aufbringen des Trägerwerkstoffs durch ein dreidimensionales Druckverfahren mittels eines stereolithografischen Polymerdruckers (24) oder eines Digital Light Processing-Druckers durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen des Trägerwerkstoffs mindestens eine Durchkontaktierung (27) oder ein Hohlraum als Dielektrikum in dem Träger ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen des Trägerwerkstoffs mindestens eine Aussparung (25) für eine Leiterbahn oder eine Kontaktierung in dem Träger ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (25) zum Herstellen der Leiterbahn oder der Kontaktierung durch ein additives Verfahren, insbesondere ein Aerosoljetdruckverfahren, ein Inkjetdruckverfahren, ein Schablonendruckverfahren, ein Siebdruckverfahren und/oder ein Dispenstechnikverfahren, oder eine chemische und/oder physikalische, insbesondere eine galvanische Abscheidung mit einem elektrischen leitfähigen Werkstoff gefüllt wird.
  10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprühe 1 bis 9 mit einer Aufnahmeeinheit (3) zum Halten mindestens eines elektronischen Bauelements (1), einer Aufbringeinheit (14, 24) zum Aufbringen eines Trägerwerkstoffs auf oder in die Aufnahmeeinheit (3) und einer Steuereinheit (28) zum Steuern der Aufnahmeeinheit (3) und der Aufbringeinheit (14, 24).
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