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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen, insbesondere einem bildgebenden Chip, und ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerplattenanordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Bildgebende Chips werden in zunehmenden Maß im Automotive-Bereich eingesetzt, beispielsweise zur Aufnahme des Innenraums eines Fahrzeuges, um die Anzahl der Insassen im Fahrzeug zu ermitteln und/oder deren Zustand zu beobachten usw.
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Bildgebende Chips, welche mit Bildsensoren, beispielsweise CCD-Sensoren (Charge-coupled Device, dt. „ladungsgekoppeltes Bauteil“) oder CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor), ausgestattet sind, können in verschiedenen Formen hergestellt sein: als verpacktes Bauteil in einem geschlossenen Gehäuse oder als sogenannte „bare-die“ (dt. „Nacktchip“) Variante, eine lediglich auf einer Seite mit einem Bildsensor ausgestattete Trägerplatte (organische Leiterplatte oder Flex-Leiterplatte). In der „bare-die“-Variante wird die dem Bildsensor gegenüberliegende Seite der Trägerplatte üblicherweise freigehalten, um einerseits den Bildsensor beim Bestücken zu haltern und genügend Gegenkraft auf die Trägerplatte aufbringen zu können. Andererseits kann über die freigehaltene Fläche der Bildsensor im Betrieb gekühlt werden, indem dieser beispielsweise durch eine großflächige Kupplung mit einer Wärmesenke verbunden wird.
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Aufgrund von Platz- und Kostengründen ist es zunehmend wichtiger geworden, auch die dem Bildsensor gegenüberliegende Seite der Trägerplatte mit Bauteilen zu versehen, insbesondere deshalb, da die Bildsensoren einen erheblichen Anteil der Fläche des bildgebenden Bauteils bedecken und eine Verdopplung dieser Fläche durch Freihalten der Unterseite der Trägerplatte erhebliche Kosten nach sich zieht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen weist einen plattenförmigen Grundkörper, ein auf einer ersten Seite (Oberseite) des Grundkörpers angebrachtes erstes elektronisches Bauteil und einen metallischen Stützrahmen, der auf einer zweiten Seite (Unterseite) des Grundkörpers angeordnet ist, auf. Der Stützrahmen ist dabei mit Aussparungen versehen, die eine Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen, welche auch auf der zweiten Seite des Grundkörpers angebracht sind, aufnehmen. Durch die Erfindung kann somit auch die dem ersten elektronischen Bauteil gegenüberliegende Unterseite des Grundkörpers zur Bestückung benutzt werden, wobei trotzdem eine Abstützung bei der Herstellung und ggf. eine Wärmeabfuhr im Betrieb möglich ist.
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Bei dem Grundköper handelt es sich beispielsweise um eine (organische) Leiterplatte bzw. eine Flex-Leiterplatte. Solche Leiterplatten sind aufgrund des verwendeten Materials und ihrer Dicke flexibel. Daher ist eine Verstärkung der Leiterplatte zum Bestücken dieser mit sensiblen elektronischen Bauteilen und zu deren Einbau an den vorgesehenen Ort, beispielsweise in ein Fahrzeug, notwendig.
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In einer Ausgestaltung handelt es bei dem ersten elektronischen Bauteil um eine integrierte Schaltung, beispielsweise einen Bildsensor wie einen CCD-Sensor oder einen CMOS-Sensor. Die Verwendung anderer Bildsensoren als der hier genannten ist ebenso möglich.
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Die Erfindung hat dabei den Vorteil, dass kostengünstige Materialien eingesetzt werden können, um einen Grundkörper derart zu versteifen, dass trotz der auf der Unterseite vorhanden elektronischen Bauteile ein Bestückungsvorgang des Grundkörpers mit einem elektronischen Bauteil auf der Oberseite, wodurch große Kräfte auf das Substrat ausgeübt werden und daher ein Substrat, das hohen Biegemomenten standhält, erfordert, stattfinden kann. Dies ist dadurch möglich, dass während des Bestückungsvorgangs die Kraft großflächig von dem Stützrahmen aufgenommen wird.
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Der metallische Stützrahmen ist weiterhin thermisch leitfähig, sodass für weiterführende Prozesse wie Kleben oder Drahtbonden entsprechend Wärme eingebracht werden kann. Außerdem erhöht der Stützrahmen die thermisch leitfähige Oberfläche des Grundkörpers, so dass durch das erste elektronische Bauteil erzeugte Abwärme besser abgeführt werden kann. Auch lässt sich der Stützrahmen in einfacher Weise großflächig an eine Wärmesenke anbinden, wodurch die Wärmeabfuhr weiter verbessert wird.
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Zudem lässt sich durch die Nutzung der Unterseite des Grundkörpers für elektronische Bauteile auch die elektrische Funktion des Gesamtschaltkreises verbessern, da dadurch eine niedrigere Impedanz, kürzere Laufzeiten der Signale und ein geringer Widerstand der Verbindungen entstehen. Bei einem Bildsensor als das erste elektronische Bauteil wird dadurch Rauschen in der Bildaufnahme verringert.
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Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist der Stützrahmen mittels eines Klebstoffes auf der zweiten Seite des Grundkörpers angebracht, wobei der Klebstoff nicht elektrisch leitfähig ist. Dadurch kann der Klebstoff bei Fertigung des bildgebenden Bauteils großzügig auf dem Grundkörper und/oder dem Stützrahmen aufgebracht werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit der in der Nähe liegenden zweiten elektronischen Bauteile eingeschränkt wird, da diese auch bei Kontakt mit dem Klebstoff nicht leitend miteinander verbunden werden, wodurch ein Kurzschluss entstehen würde. Weiterhin kann dadurch der Abstand des metallischen Stützrahmens zu den zweiten elektronischen Bauteilen geringgehalten werden, da der Klebstoff eine isolierende Barriere bereitstellt. Zudem kann die Toleranz der Aussparungen, in denen sich die zweiten elektronischen Bauteile befinden, erhöht werden, wodurch der Stützrahmen in einfacherer Weise hergestellt werden kann. In einer Ausgestaltung bildet der Klebstoff eine Klebstoffschicht zwischen dem Stützrahmen und dem Grundkörper.
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In einer Ausgestaltung weist der verwendete Klebstoff eine Wärmeleitfähigkeit größer als oder gleich 0,5 W/m*K, oder größer als oder gleich 1 W/m*K, auf. Durch die thermische Leitfähigkeit des Klebstoffs wird die Abfuhr der durch das erste elektronische Bauteil erzeugten Wärme weiter verbessert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Stützrahmen in Höhenrichtung des Grundkörpers eine Höhe auf, die größer als eine Höhe des höchsten Bauteils der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen ist. Besonders bevorzugt ist der Stützrahmen um mindestens 100 µm höher als das höchste Bauteil der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen. Dadurch kann einerseits bei der Bestückung der Trägerplatte mit einem ersten elektronischen Bauteil, beispielsweise einem Bildsensor, eine Kraft gleichmäßig auf den Stützrahmen aufgebracht werden, ohne dass die Vielzahl von zweiten Bauteilen dabei beschädigt wird. Andererseits schützt der Stützrahmen die Vielzahl von zweiten Bauteilen beim Einbau der Trägerplattenanordnung an den vorgesehenen Ort vor Beschädigungen.
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In einer Ausgestaltung ist der Stützrahmen um höchstens 500 µm höher als das höchste Bauteil der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen. Zum einen wird dadurch das verwendete Material so gering wie möglich gehalten, wodurch Kosten gespart werden können. Zum anderen bleibt dadurch die Höhe der Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen gering und kann so auch in engen Räumen eingebaut werden. Weiterhin kann das Seitenverhältnis des Stützrahmens kleingehalten werden, um zu verhindern, dass die Seitenwände des Stützrahmens leicht verbiegen und/oder abbrechen und dadurch die auf der Unterseite der Trägerplatte angebrachten zweiten elektronischen Bauteile beschädigen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Stützrahmen eben. Besonders bevorzugt beträgt der Höhenunterschied der vom Grundkörper abgewandten und/oder der dem Grundkörper zugewandten Oberfläche des Stützrahmens von ihrem höchsten Punkt zu ihrem tiefsten Punkt weniger als 100 µm. Durch eine solche ebene Oberfläche des Stützrahmens wird die thermische Ankopplung nachfolgender Prozesse oder Wärmesenken verbessert, wodurch den bei der Herstellung notwendigen Schritten (z.B. Kleben und Drahtbonden) Wärme effizient zugeführt und die von dem ersten elektronischen Bauteil im Betrieb erzeugte Abwärme effizient abgeführt werden kann. Dadurch lässt sich einerseits die Herstellung der Trägerplattenanordnung vereinfachen und andererseits die Lebensdauer des ersten elektronischen Bauteils, und damit der mit elektronischen Bauteilen bestückten Trägerplattenanordnung insgesamt, verlängern.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht der Stützrahmen aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder einer Legierung, die Kupfer und/oder Aluminium enthält, oder enthält eine solche. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit des für den Stützrahmen verwendeten Materials können die Zu- und Abfuhr von Wärme über den Stützrahmen weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Aussparungen des Stützrahmens so angeordnet, dass der Stützrahmen nicht in elektrischen Kontakt mit der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen kommt. In einer Ausführungsform besteht zwischen dem Stützrahmen und den zweiten elektronischen Bauteilen ein kürzester Abstand von wenigstens 300 µm. Dadurch lässt sich das Kurzschließen verschiedener der zweiten Bauteile untereinander verhindern. Der kürzeste Abstand sollte allerdings höchstens 1 mm oder höchstens 700 µm zwischen dem Stützrahmen und der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen betragen. Der Abstand zwischen dem Stützrahmen und den zweiten elektronischen Bauteilen muss dabei nicht gleichmäßig sein, sondern kann sich, je nach Anordnung der zweiten elektronischen Bauteile bzw. der Form des Stützrahmens auch innerhalb einer Aussparung verändern. Dadurch bleibt genug Platz auf der Unterseite der Grundplatte und es wird ermöglicht, dass viele Bauteile auf der Unterseite der Grundplatte angebracht werden können und/oder die Trägerplatte verkleinert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform deckt der Stützrahmen einen Bereich von zumindest 50 % oder zumindest 25 % oder zumindest 10 % unterhalb des ersten elektronischen Bauteils ab. Je größer dabei die durch den Stützrahmen abgedeckte Fläche ist, desto mehr Wärme kann abgeführt und desto mehr Kraft kann abgestützt werden.
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In einer Ausführungsform weist der Grundkörper in Höhenrichtung eine Dicke von weniger als 2 mm, oder von weniger als oder gleich 1,6 mm, oder von weniger als oder gleich 1 mm auf. Durch die geringe Dicke des Grundkörpers kann bei der Herstellung der Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen einerseits Material gespart werden. Andererseits führt ein dünner Grundkörper zu einer gewissen Flexibilität der Trägerplattenanordnung , wodurch der Einbau der Trägerplattenanordnung in beispielsweise ein Fahrzeug vereinfacht wird. Die für die Bestückung mit dem ersten elektronischen Bauteil notwendige Stabilität wird durch den Stützrahmen gewährleistet.
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In einer Ausführungsform weist jedes der Bauteile der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen eine Höhe in Höhenrichtung von höchstens 2 mm oder von höchstens 1,5 mm oder von höchstens 1 mm auf. Durch die niedrige Höhe der zweiten Bauteile kann das Seitenverhältnis des Stützrahmens, welcher höher sein sollte als die zweiten Bauteile, kleiner gehalten werden, wodurch ein Verbiegen und/oder Abbrechen von Teilen des Stützrahmens und die dadurch mögliche Beschädigung zweiter elektronsicher Bauteile verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen umfasst das Anbringen der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen auf der zweiten Seite eines plattenförmigen Grundkörpers. In beliebiger Reihenfolge dazu wird ein elektrisch nicht leitfähiger Klebstoff auf die zweite Seite des Grundkörpers und/oder auf einen metallischen Stützrahmen, der Aussparrungen aufweist, aufgetragen. Anschließend wird der Stützrahmen derart auf die zweite Seite des Grundkörpers aufgebracht, dass die Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen innerhalb der Aussparungen des Stützrahmens angeordnet ist bzw. angeordnet werden kann. Anschließend wird ein erstes elektronisches Bauteil auf der ersten Seite des Grundkörpers durch Abstützen des Stützrahmens und Anpressen des ersten elektronischen Bauteils angebracht. Es sei betont, dass die Vielzahl von zweiten Bauteilen zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Verfahrens auf dem Grundkörper angebracht werden können, beispielsweise nach Aufbringen des Stützrahmens oder des ersten elektronischen Bauteils auf den Grundkörper. Dabei ist lediglich zu beachten, dass der Stützrahmen so auf dem Grundkörper angeordnet wird, dass die zweiten elektronischen Bauteile in den Aussparungen des Stützrahmens auf dem Grundkörper angebracht werden können. Außerdem kann es in diesem Fall zweckmäßig sein, den Klebstoff nicht auf dem Grundkörper, sondern nur auf dem Stützrahmen aufzubringen.
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Durch das Verfahren kann eine Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen mit den zuvor ausgeführten Vorteilen hergestellt werden. Insbesondere kann der Klebstoff großzügig auf den Grundkörper und/oder Stützrahmen aufgetragen werden, ohne einen Kurzschluss zwischen einzelnen der Vielzahl von zweiten Bauteilen zu erzeugen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass genug Klebstoff auf den einzelnen Teilen vorhanden ist, um diese sicher aneinander zu befestigen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen durch Auflöten auf der zweiten Seite des Grundkörpers angebracht. Damit können auch herkömmliche Verfahren gut und sicher angewendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Aussparrungen des Stützrahmens ausgestanzt. Dadurch kann der Stützrahmen in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische, seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform einer Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen.
- 2 zeigt eine Ansicht der Unterseite einer Ausführungsform der Trägerplattenanordnung mit elektronischen Bauteilen mit einer geschlossenen Ausführung des Stützrahmens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trägerplattenanordnung 1. Eine Höhenrichtung 8 der Trägerplattenanordnung 1 ist in der Figur durch einen Doppelpfeil bezeichnet. Auf einer ersten Seite (Oberseite) 2a eines plattenförmigen Grundkörpers 2 der Trägerplattenanordnung ist ein erstes elektronisches Bauteil 3 angebracht. Bei dem Grundkörper 2 handelt es sich beispielsweise um eine organische Leiterplatte oder eine Flex-Leiterplatte. Das erste elektronische Bauteil 3 ist insbesondere ein Bildsensor, zum Beispiel ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor. Der Bildsensor 3 ist dabei mittels im gezeigten Beispiel eines Pads 9, z.B. Bondpads, auf dem Grundkörper 2 befestigt.
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Auf einer in Höhenrichtung 8 der ersten Seite 2a gegenüberliegenden zweiten Seite (Unterseite) 2b unterhalb des Bildsensors 3 ist im gezeigten Beispiel ein metallischer Stützrahmen 5 mittels eines Klebstoffs 6 angebracht, der vorliegend eine Klebstoffschicht bildet. Der Stützrahmen kann die bei der Befestigung des Bildsensors 3 wirkendend Kräfte abstützen und den Grundkörper 2 vor Beschädigung schützen.
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Der Stützrahmen 5 weist dabei Aussparrungen 7 auf, die derart ausgestaltet sind, dass der Stützrahmen 5 nicht in elektrischen Kontakt mit einer Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen 4a, 4b, 4c kommt, die ebenso auf der zweiten Seite 2b des Grundkörpers 2 angeordnet sind. Bei diesen zweiten elektronischen Bauteilen 4a, 4b, 4c handelt es sich beispielsweise um elektrische Widerstände 4a, kapazitive Elemente 4b oder integrierte Schaltkreise 4c usw. Die zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c werden insbesondere mittels Anlötens auf der zweiten Seite 2b des Grundkörpers 2 angebracht. Die zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c können dabei auch im Bereich unterhalb des ersten elektronischen Bauteils 3 angebracht sein, da die Wärmeabfuhr der vom ersten elektronischen Bauteil 3 erzeugten Abwärme durch den Stützrahmen 5 gewährleistet ist und auch das Bestücken der Trägerplattenanordnung 1 mit dem ersten elektronischen Bauteil 3 durch Aufbringen einer Stützkraft auf den Stützrahmen 5 anstelle der freien Fläche unterhalb des ersten elektronischen Bauteils 3 möglich ist. Somit kann Platz auf dem Grundkörper 2 gespart werden, um beispielsweise weitere Bauteile daran anzubringen und/oder den Grundkörper 2, und damit die gesamte Trägerplattenanordnung 1, zu verkleinern.
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Durch die Nähe der zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c zum ersten elektronischen Bauteil 2 kann weiterhin die Funktion des gesamten Schaltkreises verbessert werden, da durch eine niedrigere Impedanz, kürzere Laufzeiten der Signale und ein verringerter Widerstand erreicht werden. Dadurch lässt sich unter anderem Signalrauschen reduzieren und damit eine klarere Bildaufnahme generieren.
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Die Aussparrungen 7 des Stützrahmens 5 werden dabei beispielsweise aus dem Stützrahmen 5 ausgestanzt, so dass die zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c innerhalb der Aussparungen 7 liegen und beispielsweise einen Abstand von zumindest 300 µm zum Stützrahmen 5 haben. Der zum Ankleben des Stützrahmens 5 verwendete Klebstoff ist dabei nicht elektrisch leitfähig und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Klebstoffs erlauben es unter anderem, dass der Klebstoff auch zwischen die zweiten elektronischen Bauteilen 4a, 4b, 4c gelangen kann, ohne dass es dadurch zu einem Kurzschluss zwischen einzelnen der zweiten elektronischen Bauteilen 4a, 4b, 4c kommt, wodurch diese oder das erste elektronische Bauteil 3 zerstört werden könnten.
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2 zeigt die Ausführungsform der Trägerplattenanordnung 1 in einer Ansicht von deren Unterseite (zweite Seite 2b). Dabei ist deutlich zu erkennen, dass der metallische Stützrahmen 5 die Aussparungen 7 aufweist, die derart geformt sind, dass einzelne Gruppen der Vielzahl von zweiten elektronischen Bauteilen 4a, 4b, 4c durch den metallischen Stützrahmen 5 umschlossen sind, aber nicht in elektrischem Kontakt mit diesem stehen. Die in 2 gezeigte Anordnung der zweiten elektronischen Bauteile ist dabei nur beispielhaft und kann auch anders, den Anforderungen an diese entsprechend, angepasst werden.
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Das in 2 gezeigte Beispiel der Trägerplattenanordnung 1 weist eine geschlossene Ausführung des Stützrahmens 5 auf, bei der der Stützrahmen 5 die zweiten Bauteile 4a, 4b, 4c in der Ebene parallel zur zweiten Seite 2b des Grundkörpers 2 vollständig umschließt. Alternativ könnte der Stützrahmen 5 auch als offene Ausführung ausgestaltet sein. Dabei umschließt der Stützrahmen 5 die zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c nicht auf allen Seiten. Auch Mischformen, in denen ein Teil der zweiten elektronischen Bauteile 4a, 4b, 4c von dem Stützrahmen 5 vollständig umschlossen ist, während ein anderer Teil nur teilweise umschlossen ist, sind denkbar.
