DE112012004392B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Einkapselung elektronischer Bauteile mithilfe eines eine Phasenänderung durchlaufenden Reduktionsmaterials - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Einkapselung elektronischer Bauteile mithilfe eines eine Phasenänderung durchlaufenden Reduktionsmaterials Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Einkapselung auf einem Träger (24, 54) montierter elektronischer Bauteile (25), umfassend die Verfahrensschritte:
A) Platzieren eines zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteils (25) in einem mit dem Träger (24, 54) verbundenen Formhohlraum (28, 40, 58),
B) Füllen des Formhohlraums (28, 40, 58) mit flüssigem Kapselmaterial (27, 60), und
C) zumindest teilweises Aushärten des Kapselmaterials (27, 60) im Formhohlraum (28, 40, 58), wobei vor dem Verfahrensschritt B) ein Reduktionsmaterial (31, 32) in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird und das Reduktionsmaterial (31, 32) während des Verfahrensschritts B) aufgrund einer Temperatur- und/oder Druckerhöhung eine Phasenänderung durchläuft, wodurch sich das Volumen des Reduktionsmaterials (31, 32) verringert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkapselung von auf einem Träger montierten elektronischen Bauteilen, umfassend die Verfahrensschritte: A) Platzieren eines zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteils in einem mit dem Träger verbundenen Formhohlraum, B) Füllen des Formhohlraums mit flüssigem Kapselmaterial, und C) zumindest teilweises Aushärten des Kapselmaterials im Formhohlraum. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bei der Einkapselung elektronischer Bauteile, insbesondere bei der Einkapselung auf einem Träger (wie beispielsweise einem Leiterrahmen) montierter Halbleiter, können verschiedene Verfahren zur Anwendung kommen, wie unter anderem etwa Spritzpress-, Formpress- oder Spritzgussverfahren oder eine Kombination dieser Verfahren. Es wird angemerkt, dass der Begriff ‚Halbleiter‘ vorliegend breit ausgelegt wird, so dass hiervon neben Chips auch andere elektronische Bauteile wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) mit umfasst sind. Hier wird der mit elektronischen Bauteilen bestückte Träger so zwischen Formteile geklemmt, dass um die zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteile herum Formhohlräume gebildet werden. In diese Formhohlräume wird anschließend ein flüssiges Kapselmaterial eingefüllt und nachdem dieses zumindest teilweise ausgehärtet ist, werden die Formteile voneinander getrennt und der Träger mit den eingekapselten elektronischen Bauteilen wird entnommen. Das Kapselmaterial besteht dabei für gewöhnlich aus einem einen Füllstoff enthaltenden, thermisch härtbaren Epoxid oder Harz. Das Kapselmaterial wird, in der Regel unter gleichzeitiger Erhitzung, Druck ausgesetzt, und als Folge der Erhitzung verflüssigt sich das Kapselmaterial, sofern es nicht bereits in flüssiger Form vorliegt. Das flüssige Kapselmaterial füllt den (üblicherweise erhitzten) Formhohlraum und härtet, beispielsweise durch chemische Bindung (Vernetzung), im Inneren des Formhohlraums zumindest teilweise aus. Zur Steigerung der Qualität der Einkapselung ist es möglich, einen festgelegten Unterdruck (d.h. einen im Vergleich zum Umgebungsluftdruck niedrigeren Gasdruck) im Formhohlraum zu erzeugen, bevor mit dem Einfüllen des Kapselmaterials begonnen wird. Hierbei wird im Formhohlraum üblicherweise über Absaugkanäle (Entlüfter) ein Unterdruck erzeugt, welche die Ableitung von Gasen während der Befüllung des Formhohlrums ermöglichen. Es ist dabei von großer Bedeutung, dass der Formhohlraum vollständig mit Kapselmaterial ausgefüllt wird. Ein Problem bei der Einkapselung elektronischer Bauteile besteht darin, dass, abhängig von den jeweiligen Bedingungen, die Formhohlräume nicht immer vollständig mit Kapselmaterial ausgefüllt werden, wodurch Öffnungen (Hohlräume) in den herzustellenden Einkapselungen verbleiben. Dieses Phänomen tritt insbesondere an der Vorderseite der Fließfront des Kapselmaterials im Formhohlraum auf, wo (kleine) Luftblasen oder freigesetzte Gase im Kapselmaterial eingeschlossen werden können.
  • Verfahren zur Einkapselung elektronischer Bauteile sowie entsprechende Vorrichtungen sind beispielsweise in DE 4427309 A1 , US 20090097139 A1 , JP 2002176067 A sowie DE 69508815 T2 offenbart.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einkapselung elektronischer Bauteile anzugeben, bei welchen die Wahrscheinlichkeit des Entstehens von Hohlräumen während der Einkapselung der elektronischen Bauteile verringert ist.
  • Zu diesem Zweck gibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 an, wobei ein Reduktionsmaterial in den Formhohlraum geleitet wird, bevor dieser mit Kapselmaterial ausgefüllt wird, und wobei das Reduktionsmaterial während der Befüllung des Formhohlraums mit Kapselmaterial eine Phasenänderung so durchläuft, dass sich das Volumen des Reduktionsmaterials verringert. Hierbei ist es möglich, dass das Reduktionsmaterial während der Befüllung des Formhohlraums mit Kapselmaterial aus der Gasphase zumindest kondensiert, allerdings ist es auch möglich, dass das Reduktionsmaterial aus der Gasphase in die feste Phase übergeht, oder dass das Reduktionsmaterial als (wahlweise überhitzter) Dampf kondensiert oder zu einem Feststoff wird. Zur Durchführung des Verfahrens kann das Reduktionsmaterial in Gasphase und/oder als Nebel aktiv in den Formhohlraum eingeleitet werden, wobei eine konkretere Möglichkeit darin besteht, das Reduktionsmaterial in Form von überhitztem Dampf aktiv zuzuführen. Andererseits ist es auch möglich, dass das Reduktionsmaterial in flüssiger oder fester Phase vorliegt, wenn es aktiv in den Formhohlraum geleitet wird. Wichtig ist, dass das Reduktionsmaterial unter den vor der Einfüllung des Kapselmaterials in den Formhohlraum herrschenden Bedingungen ein relativ großes Volumen (niedrige Massendichte) aufweist und dass unter den Bedingungen, unter denen der Einkapselungsvorgang abläuft, das Reduktionsmaterial eine Phasenänderung durchläuft. Wichtig ist hier nicht nur die Temperatur, auch der Druckanstieg spielt eine wichtige Rolle, da die Temperatur, bei der die Phasenänderung eintritt, sehr stark vom Druck abhängt. Die Einkapselung geschieht in einem Temperaturbereich von 150-200 °C und bei einem Druck von 50-100 bar, insbesondere bei 60-90 bar. Um eine maximale Volumenreduktion (d.h. den größtmöglichen Kompressionsfaktor) des Reduktionsmaterials zu erhalten, ist es ferner wünschenswert, dass das Reduktionsmaterial ein möglichst geringes Molekulargewicht aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung gibt ferner eine bevorzugte Verfahrensvariante an, bei welcher ein Folienmaterial zwischen dem Träger mit elektronischen Bauteilen und dem mit dem Träger verbundenen Formhohlraum angeordnet wird, das flüssige Kapselmaterial zwischen dem Träger und dem Folienmaterial eingeleitet wird und das Reduktionsmaterial zwischen das Folienmaterial und den Formhohlraum gebracht wird. Das Reduktionsmaterial ist somit getrennt von den zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteilen, dem Träger und dem Kapselmaterial. Nachteile, soweit sie durch die Beeinträchtigung des Einkapselungsvorgangs durch (schon in relativ geringen Mengen) vorhandenes Reduktionsmaterial entstehen könnten, können vermieden werden. Auf diese Weise befindet sich nämlich das Reduktionsmaterial auf der vom Träger mit elektronischen Bauteilen abgewandten Seite des Folienmaterials, wohingegen der Träger mit elektronischen Bauteilen (und während des später folgenden Einkapselungsvorgangs auch das Kapselmaterial) auf der entgegengesetzten Seite der Folie (d.h. der dem Träger mit den elektronischen Bauteilen zugewandten Seite des Folienmaterials) angeordnet ist.
  • Unabhängig von seinem Zustand (d.h. ob es reduziert vorliegt oder nicht) beeinträchtigt das Reduktionsmaterial somit nicht den Zustand des Trägers mit den elektronischen Bauteilen und des Kapselmaterials, da der Kontakt verhindert wird. Ein Vorteil der Einkapselung elektronischer Bauteile, bei welcher ein Folienmaterial in Kombination mit einem Reduktionsmaterial verwendet wird, besteht darin, dass die in der Anwendung des Kapselmaterials liegenden Vorzüge (zum Beispiel die fehlende Möglichkeit eines Anhaftens des Kapselmaterials am Formhohlraum) somit realisiert werden können, ohne dass dafür strukturelle Maßnahmen ergriffen werden müssten, um die Entgasung des Formhohlraums ermöglichen. Bei der Einkapselung mit Folienmaterial ist es somit nicht notwendig, Maßnahmen zur Verhinderung des Aufbaus von Überdruck im Formhohlraum vorzusehen. Insbesondere bei höheren Formhohlräumen (wie sie im Zusammenhang mit LEDs, beispielsweise zur vollständigen oder teilweisen Einkapselung und/oder Herstellung optischer Linsen, zum Einsatz kommen), kann der Überdruck stark ansteigen, wobei sich das Risiko einer Beschädigung des Folienmaterials (Mikrorisse) erhöht. Aus diesem Grund werden in der Regel in dem Formteil, in welchem sich der Formhohlraum (oder die Formhohlräume) befindet, Ableitkanäle angeordnet. Durch die Anwesenheit des Reduktionsmaterials werden solche Vorkehrungen überflüssig, da als Folge der vom Reduktionsmaterial durchlaufenen Phasenänderung eine Volumenreduktion eintritt, so dass eine Entgasung (Entlüftung) des Formhohlraums nicht mehr erforderlich ist. Dies erleichtert nicht nur die Herstellung des den Formhohlraum oder die Formhohlräume enthaltenden Formteils, sondern, was wahrscheinlich noch wichtiger ist, es ermöglicht somit auch eine einfachere Form mit geringerer Anfälligkeit für Störungen während des Betriebs. Der Grund hierfür liegt darin, dass mit dem Formhohlraum verbundene Entgasungseinrichtungen leicht durch Schmutz oder, falls eine Folientrennung nicht ordnungsgemäß funktioniert, durch Kapselmaterial verstopft werden können. Die Reinigung eines solchen Formteils mit verstopften Entgasungseinrichtungen ist arbeitsintensiv und kann die Produktion aufhalten. Ein weiterer Vorteil wegfallender Entgasungseinrichtungen besteht darin, dass hierdurch die Verwendung glattflächiger oder sogar polierter Formhohlräume zur Herstellung von Einkapselungen mit bestimmten Anwendungsmöglichkeiten möglich wird. Dank der vorliegenden Erfindung ist es nicht mehr notwendig, eingeschlossenes Gas mittels Oberflächenrauhigkeit des Formhohlraums zu einem Abzug zu leiten. Hierdurch wird beispielsweise die Herstellung von Linsen mit Kapselmaterial möglich.
  • Eine weitere erwünschte Eigenschaft des Reduktionsmaterials besteht darin, dass es die das Volumen reduzierende Phasenänderung nicht schon durchläuft, bevor der Druck erhöht wird. Somit wird beispielsweise eine vorzeitige Kondensation des Reduktionsmaterials verhindert. Dies ist nicht nur deshalb wichtig, weil beispielsweise im Falle vorzeitiger Kondensation der gewünschte Effekt (wesentliche Volumenreduktion des Reduktionsmaterials während des Einkapselungsvorgangs) nicht mehr eintritt, sondern auch, weil das Kondensat die Qualität der Einkapselung beeinträchtigen kann. Andererseits kann jedoch eine bereits vor Beginn des Einkapselungsvorgangs stattfindende Phasenänderung zulässig sein, sofern es sich um eine das Volumen ausdehnende Phasenänderung handelt. Wird ein Reduktionsmaterial in beispielsweise flüssiger oder fester Phase in den Formhohlraum geleitet, expandiert jedoch vor Beginn des Einkapselungsvorgangs, so muss dies nicht zwangsweise ein Problem darstellen. Der Grund hierfür liegt darin, dass durch die vor dem Einkapselungsvorgang stattfindende Verdunstung der Flüssigkeit bzw. des Feststoffs das Reduktionsmaterial vor Beginn des Einkapselungsvorgang ebenfalls ein großes Volumen (d.h. eine sehr niedrige Massendichte Δ) aufweist. Die Volumenreduktion des Reduktionsmaterials kann aufgrund der Kondensation sehr beträchtlich sein. Durch die Volumenreduktion des Reduktionsmaterials verbleibt nur wenig Volumen in etwaigen im Kapselmaterial eingeschlossenen (kleinen) Luftbläschen. Die eingeschlossenen Hohlräume verkleinern sich hierbei so stark, dass sie nicht mehr als Hohlräume zu klassifizieren sind. Dank dieses Effekts füllt das Kapselmaterial den Kapselraum trotz anfänglicher Einschlüsse vollständig aus. Die gemäß dem Stand der Technik beim Einfüllen des Kapselmaterials im Formhohlraum vorhandene Luft oder andere Gase werden natürlich aufgrund des ansteigenden Drucks komprimiert, obwohl dieser Kompressionsfaktor direkt proportional zum Anstieg des (Gas-)Drucks ist. Das eingeschlossene komprimierte Gas resultiert daher in der Bildung von Einschlüssen (Hohlräumen) im Kapselmaterial, was besonders unerwünscht ist. Dies wird nachfolgend noch anhand einer konkreten Ausführungsform erläutert. Durch die Anwesenheit des eine Phasenänderung durchlaufenden Reduktionsmaterials kann eine verbesserte Produktqualität erreicht werden, insbesondere bei elektronischen Produkten, deren vollständige Einkapselung verhältnismäßig schwierig ist. Denkbar sind hierbei beispielsweise größere Produkte, Flip-Chips und andere gestapelte elektronische Bauteile mit Zwischenräumen, welche für das Kapselmaterial nur schwer erreichbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner auch den Einsatz von weniger flüssigem Kapselmaterial und eine gute Ausfüllung über die gesamte Oberfläche eines (größeren) Formhohlraums.
  • Als vorteilhaft hat sich die Wahl von H2O (Wasser) als Reduktionsmaterial erwiesen. Dieses Reduktionsmaterial weist nicht nur eine geringe Molekülmasse auf (MWasser = 0,018 kg/mol), es zeigt auch das gewünschte Kondensationsverhalten bei einem Druckanstieg von 1 auf beispielsweise 80 bar (bei konstanter Temperatur von beispielsweise T = 150 °C). Während des Wechsels aus der Gasphase bei 1 Atmosphäre und ΔWasser = ± 0,5 kg/m3 in die flüssige Phase mit ΔWasser = ± 900 kg/m3 tritt eine Volumenreduktion um einen Faktor in der Größenordnung von etwa 1800 auf. Ein Ausgangspunkt bei den bisher im Stand der Technik bekannten Verfahren war stets die Verhinderung einer Beeinträchtigung des Einkapselungsvorgangs durch Wasser. Gemäß dieser Zielsetzung werden im Stand der Technik die Bedingungen für das Kapselmaterial auf das Strengste geregelt. Die dieser Erfindung zu Grunde liegende unerwartete und nicht naheliegende Erkenntnis besteht darin, dass mit in der Einkapselungsvorrichtung vorhandenem Wasser im Gegenteil ein verbessertes Einkapselungsergebnis erreicht werden kann. Eine weitere Option für ein unter den Einkapselungsbedingungen kondensierendes Reduktionsmaterial ist C2H5OH (Ethanol), mit MEthanol = 0,046 kg/mol. Der ansteigende Druck führt zu einer Volumenreduktion um einen Faktor in der Größenordnung von etwa 350. Dies stellt immer noch eine beachtliche Volumenreduktion dar, welche ebenfalls zur einem eindeutig verbesserten Einkapselungsergebnis führen kann.
  • Eine weitere Verbesserung des gewünschten Effekts besteht darin, dass vor oder während der Befüllung des Formhohlraums mit Kapselmaterial gemäß Verfahrensschritt B) Unterdruck im Formhohlraum angewendet wird. Gemeint ist damit ein Unterdruck relativ zum Atmosphärendruck bzw. ein Druck von unter 1 Atmosphäre. Ein auf einfache Weise im Formhohlraum zu erzeugender Unterdruck beträgt 0,1 bar absolut. Die im vorhergehenden Absatz errechnete Volumenreduktion erhöht sich hierdurch um den Faktor 10. Dies bedeutet, dass unter der geänderten Ausgangsbedingung: ΔWasser = ± 0,5 kg/m3 bei einem Wechsel in die flüssige Phase mit ΔWas-ser = ± 900 kg/m3, wobei eine Volumenreduktion um einen Faktor in der Größenordnung von etwa 18.000 eintritt. Für Ethanol resultiert dies entsprechend in einem Volumenreduktionsfaktor in einer Größenordnung von 3.500. Die Erzeugung eines Unterdrucks im Formhohlraum verstärkt somit den gewünschten vorteilhaften Effekt sogar noch weiter. Ferner ist es auch möglich, im Formhohlraum bereits vor oder während der Einleitung des Reduktionsmaterials Unterdruck zu erzeugen, um auf diese Weise im Formhohlraum vorhandene Gase (in der Regel Luft) bereits weitgehend zu entfernen. Es ist auch möglich, die Entfernung des anfänglich im Formhohlraum befindlichen Gases durch Ausspülen des Formhohlraums mit gasförmigem Reduktionsmaterial oder durch Zuführung (Eindüsen) von Reduktionsmaterial wahlweise in Form von überhitztem Dampf durchzuführen. Nach dem Herstellen des Unterdrucks im Formhohlraum und anschließender Ausspülung des Formhohlraums ist es, wie vorstehend bereits beschrieben, wünschenswert, im Formhohlraum erneut Unterdruck zu erzeugen.
  • Das Reduktionsmaterial kann getrennt vom Kapselmaterial in den Formhohlraum zugeführt werden, beispielsweise durch Eindüsen oder Einblasen des Reduktionsmaterials, obwohl auch durch die Zuführung einer (schnell verdampfenden) geringen Menge flüssigen Reduktionsmaterials (z.B. flüssiges Wasser) oder aus Festpartikeln bestehenden Reduktionsmaterials (Eis) die für die nachfolgende Einkapselung im Formhohlraum erwünschten Ausgangsbedingungen hergestellt werden können. Es ist jedoch auch möglich, das Reduktionsmaterial in Kombination mit dem Kapselmaterial einzufüllen, dies jedoch in der Weise, dass das Reduktionsmaterial vor dem Kapselmaterial in den Formhohlraum eintritt. Das Kapselmaterial kann zu diesem Zweck entsprechend vorbereitet werden, beispielsweise durch die Zugabe von Reduktionsmaterial zum Kapselmaterial.
  • Das Kapselmaterial kann in den Formhohlraum eingefüllt werden, sobald letzterer während des Verfahrensschritts A) relativ zu einem zur Einkapselung vorgesehenen Bauteil positioniert wurde. Es ist auch möglich, das Kapselmaterial vor der Beförderung zum Formhohlraum zu erhitzen, und das Kapselmaterial kann durch Druckeinwirkung zum Formhohlraum befördert werden. Insbesondere ist hier das so genannte Spritzpressverfahren denkbar, bei dem das Kapselmaterial mittels eines oder mehrerer Kolben zum Formhohlraum geschoben wird. Andererseits kann die vorliegende Erfindung auch mit anderen Einkapselungsverfahren kombiniert werden, beispielsweise auch mit dem Komprimieren des Kapselmaterials mithilfe des Schließdrucks der Formteile im Formhohlraum (Formpressverfahren), oder mit dem Einspritzen des Kapselmaterials in den Formhohlraum (Spritzgussverfahren). Unabhängig von der Art der Zugabe des Kapselmaterials in den Formhohlraum kann die Verwendung von Reduktionsmaterial die vorstehend beschriebenen Vorteile bewirken.
  • Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Reduktionsmaterial über eine Saugöffnung für Gase (Luftauslass oder Entlüfter) in den Formhohlraum geleitet werden, bevor der Formhohlraum verschlossen wird. Somit kann das Reduktionsmaterial (z.B. in Dampfform) innerhalb kurzer Zeit in den Formhohlraum eingeleitet werden, beispielsweise innerhalb von 1 bis 3 Sekunden. Erst danach können die den Formhohlraum bildenden Formteile auf Schließdruck gebracht werden.
  • Die Erfindung gibt ferner eine Vorrichtung zur Einkapselung auf einem Träger montierter elektronischer Bauteile gemäß Anspruch 12 an, umfassend: Formteile, welche relativ zueinander beweglich sind und welche im verschlossenen Zustand mindestens einen Formhohlraum zum Umschließen eines elektronischen Bauteils bilden, ferner mit dem Formhohlraum in Verbindung stehende Mittel zur Einfüllung flüssigen Kapselmaterials, wobei die Vorrichtung außerdem mit dem Formhohlraum in Verbindung stehende Mittel zur Zuführung eines Reduktionsmaterials aufweist. Die Mittel zur Zuführung des Reduktionsmaterials können ein Heizelement umfassen, um das Reduktionsmaterial in einen für die Zuführung gewünschten Zustand zu bringen, ferner können die Mittel zur Zuführung des Reduktionsmaterials beispielsweise aus einer oder mehreren in den Formhohlraum mündenden Düsen bestehen. Durch die Verwendung einer solchen Vorrichtung können die vorstehend bereits unter Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden, welche auch in Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Bezugnahme als hierin umfasst betrachtet werden. Die Zuführung des Reduktionsmaterials kann somit schon mit sehr geringfügigen strukturellen Änderungen an bereits bestehenden Einkapselungseinrichtungen umgesetzt werden.
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verfügt ferner über Mittel zur Zuführung eines Folienmaterials zwischen die Formteile. Die Mittel zur Zuführung des Reduktionsmaterials und die Mittel zur Einfüllung des Kapselmaterials können sich dabei auf entgegengesetzten Seiten des von den Mitteln zur Zuführung von Folienmaterial zugeführten Folienmaterials befinden. Mithilfe einer solchen Vorrichtung, in welcher die Zuführung von Reduktionsmaterial mit der Zuführung einer Folie kombiniert sind, können die vorstehend bereits unter Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden, wobei die Zuführung von Reduktionsmaterial und die Anwesenheit von Folienmaterial auch während der Einkapselung kombiniert wird. Diese vorstehend beschriebenen Vorteile sind durch Bezugnahme auch in Hinblick auf die diese beiden Einrichtungen kombinierende Vorrichtung hierin umfasst. Nicht nur ist es möglich, das den Formhohlraum enthaltende Formteil einfacher zu konstruieren, sondern auch das Inkontaktkommen des Reduktionsmaterials mit dem zur Einkapselung vorgesehenen Bauteil zu verhindern. Da es gemäß dieser Ausführungsform zu keinem Kontakt des Reduktionsmaterials mit dem zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteil und dem Träger kommt, kann das Reduktionsmaterial auch keine unerwünschten Effekte auf diese haben. Dies erweitert die Möglichkeiten bezüglich der Auswahl eines geeigneten Reduktionsmaterials. Es wird ferner angemerkt, dass das Kapselmaterial ebenfalls physikalisch vom Reduktionsmaterial getrennt bleibt, wodurch ebenfalls jegliche unerwünschte Beeinflussung zwischen Kapselmaterial und Reduktionsmaterial verhindert wird.
  • Eine vereinfachte Zuführung des Reduktionsmaterials kann realisiert werden, wenn die Mittel zur Zuführung des Reduktionsmaterials dazu ausgebildet sind, das Reduktionsmaterial auf ein Folienmaterial aufzubringen. Das Reduktionsmaterial muss dann nicht mehr über die Zuführmittel in den Formhohlraum eingeleitet werden. Es genügt, wenn das Reduktionsmaterial auf das Folienmaterial aufgebracht wird und das Folienmaterial mit anhaftendem Kapselmaterial dann seinerseits zwischen den Formteilen platziert wird. Die Zuführung des Folienmaterials dient somit gleichzeitig der Zuführung des Reduktionsmaterials zwischen die Formteile.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren gezeigten, nicht limitierenden Ausführungsformen weiter erläutert.
    • 1 zeigt eine Schrägansicht eines Teils einer Vorrichtung zur Einkapselung auf einem Träger montierter elektronischer Bauteile gemäß dem Stand der Technik;
    • 2A u. 2B zeigen zwei verschiedene Draufsichten auf einen Träger mit elektronischen Bauteilen in aufeinander folgenden Phasen des Einkapselungsvorgangs gemäß dem Stand der Technik;
    • 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einkapselung auf einem Träger montierter elektronischer Bauteile;
    • 4A u. 4B zeigen Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einkapselung auf einem Träger montierter elektronischer Bauteile, wobei die Vorrichtung ferner über Mittel zur Zuführung von Folienmaterial verfügt; und
    • 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einkapselung elektronischer Bauteile mit einer so genannten „Oberkantenzufuhr“ für das Kapselmaterial.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht zweier Formteile 1, 2. Im unteren Formteil 2 befindet sich eine Ausnehmung 3 zur Aufnahme eines Trägers 4 (beispielsweise ein Leiterrahmen oder eine Leiterplatte), auf welchem elektronische Bauteile 5 angeordnet sind. Über einen mit dem Formhohlraum verbundenen Kanal 6 wird Kapselmaterial 7 gemäß Pfeil P1 in den Formhohlraum eingefüllt. In der gezeigten Situation ist der Formhohlraum 3 nur teilweise mit Kapselmaterial 7 gefüllt. Das Kapselmaterial fließt mit einer Fließfront 8 in den Formhohlraum und kapselt dabei die elektronischen Bauteile 5 ein.
  • Das anhand von 1 schematisch dargestellte Einkapselungsverfahren gemäß Stand der Technik wird auch in 2A angewendet. Diese zeigt in Draufsicht einen Träger 10, welchem über Einfüllkanäle 11 Kapselmaterial 12 zugeführt wird. Aus den Einfüllkanälen 11 fließt das Kapselmaterial 12 in eine Verteilerkammer 13, aus der es dann mit einer Fließfront 14 auf breiter Fläche (sog. Film- oder Bandanguss) über den Träger fließt gemäß Pfeilen P2 . Auf dem Träger 10 sind elektronische Bauteile 15 angeordnet, welche aufgrund der Tatsache, dass sie über die Oberfläche des Trägers 10 hinausragen, einen bestimmten Widerstand gegen den Fluss des Kapselmaterials 12 über den Träger 10 bilden. Dies hat zur Folge, dass die Fließfront nicht in gerader Linie über den Träger 10 hinwegfließt, sondern eine komplexere Form aufweist und, wie gezeigt, im Bereich der elektronischen Bauteile 15 zurückgesetzt sein kann. Zwischen den elektronischen Bauteilen fließt das Kapselmaterial mit weniger Widerstand, wodurch die Gefahr von Gaseinschlüssen 16 im Bereich von (bzw. an) elektronischen Bauteilen 15 entsteht. Dies ist deshalb unerwünscht, weil Gaseinschlüsse 16 Öffnungen in der fertigen Einkapselung der elektronischen Bauteile 15 verursachen können. 2A zeigt ferner zwei Ableitkanäle 17 für Gase aus dem Formhohlraum, über welche im Formhohlraum vorhandene Gase aus diesem gemäß Pfeilen P3 aktiv oder passiv entweichen können.
  • In 2B hat das Kapselmaterial den den Einfüllkanälen 11 gegenüber liegenden Außenrand 18 des Formhohlraums erreicht und die Ableitkanäle 17 sind, wie schematisch dargestellt, mit Verschlüssen 19 verschlossen. Dies kann in der Praxis beispielsweise mittels V-Stiften geschehen, wie sie bereits früher vom Anmelder entwickelt wurden. Durch das Verschließen der Ableitkanäle 17 kann der Einfülldruck auf das Kapselmaterial erhöht werden mit der Folge, dass vorhandene Gaseinschlüsse 16 kleiner werden oder sogar verschwinden. Im Kapselmaterial 12 entstandene Gaseinschlüsse 16 bleiben jedoch ein Problem, welches zur Ablehnung eingekapselter Produkte führt.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht zweier Formteile 20, 21 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 zur Einkapselung elektronischer Bauteile. Im unteren Formteil 21 ist hier ebenfalls eine Ausnehmung 23 zur Aufnahme eines Trägers 24 angeordnet, auf welchem gestapelte elektronische Bauteile 25 (Flip-Chips) angeordnet sind. Über einen mit dem Formhohlraum 28 verbundenen Gusskanal 26 kann Kapselmaterial 27 in den Formhohlraum 28 eingefüllt werden. Die Einfüllung des Kapselmaterials 27 geschieht hier über einen Kolben 29, über welchen eine Druckeinwirkung auf das Kapselmaterial 27 erfolgen kann. Der Kolben 29 ist hierzu in einem Gehäuse 30 verschiebbar, in welches auch das Kapselmaterial befördert wird. In den Formhohlraum 28 kann ein Reduktionsmaterial 31, beispielsweise in Form von Wasserdampf 32, eingeleitet werden. Vor der Einfüllung des Kapselmaterials 27 in den Formhohlraum ist es beispielsweise möglich, den Formhohlraum 28 mit Reduktionsmaterial 31, 32 zu „spülen“. Eine Möglichkeit besteht hierbei im Erzeugen von Unterdruck im Formhohlraum 28 durch eine Ansaugöffnung 33. Da ein Behälter 34 mit Reduktionsmaterial 31, 32 in offener Verbindung mit dem Formhohlraum 28 steht, sinkt auch im Behälter 34 der Dampfdruck, wodurch das Reduktionsmaterial 31, 32 (z.B. Wasser) zu sieden beginnt. Hierzu wird die Temperatur des Reduktionsmaterials im Behälter 34 so gewählt, dass sich der gewünschte Siedezustand des Reduktionsmaterials 31, 32 durch genau diese Drucksenkung einstellt. Über eine Leitung 35 bei dann geöffnetem Ventil 36 spült der Wasserdampf in den Formhohlraum und entweicht anschließend (teilweise) wieder durch die Ansaugöffnung. Natürlich ist auch eine Vielzahl anderer Verfahren zur Spülung des Formhohlraums 28 denkbar (z.B. die Anordnung einer zusätzlichen Spülleitung im oberen Formteil 21). Sobald der Formhohlraum 27 mit Reduktionsmaterial 32 in Dampfform gefüllt ist (oder zumindest im Wesentlichen die gesamte Luft vollständig aus dem Formhohlraum entwichen ist), kann die Spülung durch Schließen des Ventils 36 gestoppt werden. Anschließend kann mithilfe des Kolbens das Kapselmaterial 27 in den Formhohlraum gepresst werden. Auch hier wird, vielleicht unnötigerweise, nochmals angemerkt, dass auch zur Einfüllung des Kapselmaterials in einen Formhohlraum eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten besteht. Diese alternativen Verfahren zur Einfüllung des Kapselmaterials in Kombination mit dem Füllen des Formhohlraums mit Reduktionsmaterials sind von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst.
  • 4A zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 37 zur Einkapselung elektronischer Bauteile gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung 37 zur Einkapselung elektronischer Bauteile zwei auf gegenüberliegenden Seiten mit einem Träger 24 mit elektronischen Bauteilen 25 verbundene Formteile 20, 21 aufweist. Bei dieser Vorrichtung 37 zur Einkapselung elektronischer Bauteile besitzt das untere Formteil 21 ebenfalls eine Kontaktfläche 23 zur Aufnahme des Trägers 24. Formteil 20 weist einen eine Vielzahl elektronischer Bauteile umgebenden Formhohlraum 40 auf.
  • Über eine Zuführrolle 45 wird ein Folienmaterial 38 zwischen die Formteile 20, 21 zugeführt und nach einem oder mehreren Prozessdurchläufen über die Abfuhrrolle 46 wieder herausgeführt. Das Folienmaterial bildet eine Trennschicht, auf deren einer Seite über Einfüllmittel 42 zum Einfüllen von Kapselmaterial, welche mit einem zwischen Träger 24 und Folienmaterial 38 entstehenden Zwischenraum 39 verbunden sind, Kapselmaterial zwischen dem Träger 24 und dem Folienmaterial 38 eingefüllt werden kann (siehe hierzu 4B). Zuführmittel 41 für Reduktionsmaterial werden so angeordnet, dass das Reduktionsmaterial gemäß Pfeil P5 auf das Folienmaterial 38 aufgetragen werden kann, bevor dieses zwischen die Formteile 20, 21 befördert wird. Gleichzeitig mit der Zuführung des Folienmaterials 38 geschieht somit auch die Zuführung des Reduktionsmaterials in den Bereich, in dem sich der Formhohlraum 40 befindet. Anschließend wird über Einfüllmittel 42 gemäß Pfeil P4 flüssiges Kapselmaterial zwischen Folienmaterial 38 und Träger 24 eingefüllt. Unter dem Druck des Kapselmaterials und in Folge der Phasenänderung des Reduktionsmaterials im Formhohlraum 40 wird das Folienmaterial 38 in Richtung der Wände des Formhohlraums 40 bewegt (vgl. 4B). Zur Ableitung von Gasen und gegebenenfalls überschüssigem Kapselmaterial (Pfeil P6 ) bleibt zwischen den Formteilen ein Entlüftungskanal 43 frei.
  • 5 zeigt einen Teil einer Vorrichtung 50 zur Einkapselung elektronischer Bauteile mit einem oberen Formteil 52 und einem unteren Formteil 51, welche aus mehreren relativ zueinander beweglichen Teilen zusammengesetzt sind. Ein Träger 54 wird zwischen eine Auflage 55 und ein Kantenteil 53, welche relativ zueinander beweglich sind, so geklemmt, dass mittels eines Kolbens 59 Kapselmaterial 60 über einen Einfüllkanal 61 entlang der Oberseite des Kantenteils 53 eingefüllt werden kann. Einer der Vorteile der Verwendung des Kantenteils 53 besteht darin, dass auf diese Weise ein Kantenbereich des Trägers 54 frei von Kapselmaterial gehalten werden kann. In einer Situation, in welcher die Formteile 51, 52 beabstandet zueinander positioniert wurden, wird vor dem Einfüllen des Kapselmaterials ein zweiter Kanal 56 zur Einleitung eines Reduktionsmaterials geöffnet, so dass Reduktionsmaterial gemäß Pfeil P7 zugeführt werden kann. Dieses Reduktionsmaterial dringt hier zwischen einer auf dem Träger 54 mit elektronischen Bauteilen platzierten Folie 62 und dem im oberen Formteil 52 befindlichen Formhohlraum 58 ein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 2
    Formteile
    3
     Ausnehmung, Formhohlraum
    4
    Träger
    5, 15
    elektronische Bauteile
    6
    Kanal
    7, 12
    Kapselmaterial
    8, 14
    Fließfront
    10
    Träger
    11
    Einfüllkanäle
    13
    Verteilerkammer
    16
    Gaseinschlüsse
    17
    Ableitkanäle
    18
    Außenrand
    19
    Verschlüsse
    20, 21, 51, 52
    erfindungsgemäße Formteile
    22, 37, 50
    Vorrichtung zur Einkapselung elektronischer Bauteile
    23
    Ausnehmung
    24, 54
    Träger
    25
    elektronische Bauteile
    26
    Gusskanal
    27, 60
    Kapselmaterial
    28, 40, 58
    Formhohlraum
    29
    Kolben
    30
    Gehäuse
    31, 32
    Reduktionsmaterial
    33
    Ansaugöffnung
    34
    Behälter
    35
    Leitung
    36
    Ventil
    38
    Folienmaterial
    39
    Zwischenraum
    41
    Zuführmittel für Reduktionsmittel
    42
    Einfüllmittel
    43
    Entlüftungskanal
    45
    Zuführrolle
    46
    Abführrolle
    53
    Kantenteil
    55
    Auflage
    56
    Kanal zum Zuführen von Reduktionsmaterial
    59
    Kolben
    60
    Kapselmaterial
    61
    Einfüllkanal
    62
    Folie
    P1
    Einfüllrichtung des Kapselmaterials
    P2
    Flussrichtung des Kapselmaterials
    P3
    Gasentweichrichtung
    P4
    Einfüllrichtung des Kapselmaterials
    P5
    Auftragrichtung des Reduktionsmittels
    P6
    Ableitrichtung des überschüssigen Kapselmaterials
    P7
    Zuführrichtung des Reduktionsmaterials

Claims (15)

  1. Verfahren zur Einkapselung auf einem Träger (24, 54) montierter elektronischer Bauteile (25), umfassend die Verfahrensschritte: A) Platzieren eines zur Einkapselung vorgesehenen elektronischen Bauteils (25) in einem mit dem Träger (24, 54) verbundenen Formhohlraum (28, 40, 58), B) Füllen des Formhohlraums (28, 40, 58) mit flüssigem Kapselmaterial (27, 60), und C) zumindest teilweises Aushärten des Kapselmaterials (27, 60) im Formhohlraum (28, 40, 58), wobei vor dem Verfahrensschritt B) ein Reduktionsmaterial (31, 32) in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird und das Reduktionsmaterial (31, 32) während des Verfahrensschritts B) aufgrund einer Temperatur- und/oder Druckerhöhung eine Phasenänderung durchläuft, wodurch sich das Volumen des Reduktionsmaterials (31, 32) verringert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (24, 54) mit elektronischen Bauteilen (25) und dem mit dem Träger (24, 54) verbundenen Formhohlraum (28, 40, 58) ein Folienmaterial (38) angeordnet wird, dass das flüssige Kapselmaterial (27, 60) zwischen dem Träger (24, 54) und dem Folienmaterial (38) eingefüllt wird und dass das Reduktionsmaterial (31, 32) zwischen der Folie und dem Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Verfahrensschritts B) zwischen 150 °C und 200 °C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Verfahrensschritts B) zwischen 50 Bar und 100 Bar beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmaterial (31, 32) in Gasphase aktiv in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmaterial (31, 32) als Nebel aktiv in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmaterial (31, 32) in flüssiger Phase vorliegt, wenn es aktiv in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmaterial (31, 32) in fester Phase vorliegt, wenn es aktiv in den Formhohlraum (28, 40, 58) eingeleitet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmaterial (31, 32) ausgewählt ist aus der Gruppe aus: H2O Wasser und C2H5OH Ethanol.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Füllens des Formhohlraums (28, 40, 58) mit Kapselmaterial (27, 60) gemäß Verfahrensschritt B) im Formhohlraum (28, 40, 58) ein Unterdruck erzeugt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Einleitens des Reduktionsmaterials (31, 32) in den Formhohlraum (28, 40, 58) ein Unterdruck im Formhohlraum (28, 40, 58) erzeugt wird.
  12. Vorrichtung (22, 37, 50) zur Einkapselung auf einem Träger (24, 54) montierter elektronischer Bauteile (25), umfassend: - relativ zueinander bewegliche Formteile (20, 21, 51, 52), welche im verschlossenen Zustand mindestens einen Formhohlraum (28, 40, 58) zum Umschließen eines elektronischen Bauteils (25) bilden, und - mit dem Formhohlraum (28, 40, 58) verbundene Einfüllmittel (42) für Kapselmaterial (27, 60), wobei die Vorrichtung (22, 37, 50) ferner mit dem Formhohlraum (28, 40, 58) verbundene Zuführmittel (41) für Reduktionsmaterial (31, 32) aufweist.
  13. Vorrichtung (22, 37, 50) zur Einkapselung elektronischer Bauteile (25) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22, 37, 50) ferner Zuführmittel (45) zur Zuführung eines Folienmaterials (38) zwischen die Formteile (20, 21, 51, 52) aufweist.
  14. Vorrichtung (22, 37, 50) zur Einkapselung elektronischer Bauteile (25) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zuführmittel (41) für Reduktionsmaterial (31, 32) und die Einfüllmittel (42) für Kapselmaterial (27, 60) auf entgegengesetzten Seiten der von den Zuführmitteln (45) für Folienmaterial (38) zugeführten Folie befinden.
  15. Vorrichtung (22, 37, 50) zur Einkapselung elektronischer Bauteile (25) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführmittel (41) für Reduktionsmaterial (31, 32) zum Aufbringen des Reduktionsmaterials (31, 32) auf einem Folienmaterial (38) ausgebildet sind.
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