WO1997002601A1 - Verfahren zum verpacken einer druckempfindlichen elektronischen schaltung mit einer allseitig abdichtenden schutzumhäusung - Google Patents

Verfahren zum verpacken einer druckempfindlichen elektronischen schaltung mit einer allseitig abdichtenden schutzumhäusung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for packaging a pressure-sensitive electronic circuit with an all-round sealing protective casing.
  • housings or packaging are generally known for hybrid circuits and for individual ICs.
  • a power semiconductor module it is known to insert an already assembled ceramic substrate as the housing base into a frame-shaped plastic housing and to glue it elastically.
  • the inside of the housing is then filled with a soft silicone rubber compound and / or with a hard potting compound made of epoxy resin up to the upper edge of the housing.
  • the hard potting compound gives the module mechanical stability and also fixes electrical connections protruding from the module.
  • individual ICs it has hitherto been customary to mount them on a leadframe and to connect them to this by bonding.
  • the object of the present invention is to create an improved method of the type specified at the outset, so that the packaged circuits produced in accordance therewith are protected on the one hand against environmental influences and the pressure-sensitive circuits are not exposed to any pressure or tension forces due to the protective casing itself.
  • a conductor carrier is encapsulated in a first injection mold with a plastic housing open on one side and then fitted with electronic components,
  • the unit obtained is brought into a second injection mold which can be assembled from a first and second half, the halves of which are successively individually included
  • Plastic injection material can be loaded and the second half of which can be approached and removed from the first half for successive injection processes
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a moment in the process sequence according to the invention for conductor carriers guided on a production line
  • Figure 5 is a schematic plan view of an assembled and partially overmolded conductor carrier.
  • the production process begins with a lead frame or a lead frame being stamped as conductor carrier 1 and galvanized accordingly. Then this leadframe 1 is extrusion-coated with plastic and has, for example, the shape that is open on one side, as shown in FIG. If necessary, any electrical connections could already be disconnected.
  • the integrated circuit or several components are then attached to the leadframe 1 and connected by means of known technologies, for example bonding, soldering or printing.
  • the unit resulting after this first encapsulation with the IC 2, the bond wires 3, the lead frame 1 and the plastic housing 4 is shown again in another view in FIG. 5. In order to seal the components off from the environment and then seal them, the units 5 obtained, shown in FIG. 1, are again brought into a new injection mold.
  • This injection mold is constructed in a similar way to the known 2-component injection molding process, ie one half of the injection mold can be rotated or displaced after each cycle.
  • An embodiment with vertically superimposed injection mold halves is shown below, in which the upper, second half can be brought closer to the first half by lowering and removed again by lifting.
  • the unit 5 obtained according to FIG. 1 is first introduced into the lower first half of the injection mold, where a pre-molded part 6 is injected.
  • This injection mold as shown in FIG. 2, is selected so that the pre-molded part 6 is fitted into the opening 8 of the plastic housing 4 like a bottom. It is important that the spray material does not come into direct contact with the pressure-sensitive circuit structure, but that the pre-molded part is formed at a distance from the circuit, that is to say that a space 9 remains.
  • the finished molded part 7 shown in FIG. 3 is produced, for which purpose the second half of the injection mold is placed hat-like on the plastic housing 4 and the pre-molded part 6, which underneath it abuts the plastic housing 4. It is advantageous that the injection pressure presses the plastic housing 4 tightly onto the preform 6. This provides a good seal of the two parts 4 and 6 already during spraying.
  • the plastic flow from above into the second half of the injection mold is indicated by arrows.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment with a double injection mold.
  • the overmolded and populated conductor carriers 1 are next to each other at a constant distance (Division) performed on a production line 10.
  • Four injection molds I, II, II and IV each consisting of two halves, are arranged next to one another at intervals of half a division.
  • two injection molds II, IV and I, III each separated by a division, are injection molded with two pre-molded parts or two pre-molded parts in a first cycle and two pre-molded parts or two pre-molded parts in a second " cycle.
  • the pre-molded parts 6 are injected in the injection molds II and IV, while in the same cycle, the pre-molded parts 7 are injected in the injection molds I and III ..
  • the production line is shifted by 2.5 divisions injected in the injection molds 1 and 3, and the pre-molded parts 7 in the injection molds 2 and 4. Then the production line is advanced by 1.5 divisions.
  • This cyclical production process reduces the cycle time by half, since otherwise in each individual cycle both the Injection molded part and then the finished injection molded part and cured
  • this process variant is also possible for parts that are not carried out on the assembly line, but by hand or with robots.
  • the result is a protective casing which seals on all sides and is essentially cuboid.
  • the plastic housing 4, which is open on one side, has an essentially U-shaped cross section, as shown in FIG.
  • the pre-molded part 7 itself likewise has a U-shaped cross section and surrounds the plastic housing 4 in a hat-like manner, its U legs extending beyond the boundary between the plastic housing 4 and the pre-molded part 6 and thus effecting the desired hermetic sealing of the circuit.
  • the electronic components can remain free in the hermetically sealed space.
  • the ICs or electronics are completely exposed, mechanical stresses cannot build up and influence the electrical parameters.
  • It is also advantageous that cheap plastics can be used to carry out the method. Electrically conductive, even ferromagnetic plastics, which are suitable for shielding or for guiding magnetic fields, can also be used. In the processing according to the invention, there is also no risk of damage to the bond wires.
  • micromechanical pressure and acceleration sensors can be packaged very simply without the moving parts being blocked.
  • protective enclosures almost any geometries, for example those with a plug collar, can be easily implemented.
  • the electrical test can possibly be carried out after the bonding.

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, einen Leiterträger (1) einseitig offen zu umspritzen und anschließend zu bestücken. Die erhaltene Einheit (5) wird in eine aus zwei Hälften zusammensetzbare zweite Spritzgießform gebracht, deren Hälften aufeinanderfolgend einzeln mit Kunststoffspritzmaterial beschickbar sind. In der ersten Hälfte dieser Spritzgießform wird ein die Öffnung des Kunststoffgehäuses (4) mit Abstand zur Schaltung abschließender Vorspritzling (6) gespritzt, woraufhin die zweite Hälfte angenähert und in ihr ein Fertigspritzling (7) so gespritzt wird, daß das mit dem Vorspritzling (6) abgeschlossene Kunststoffgehäuse (4) abgedichtet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verpacken einer druckempfindlichen elektroni¬ schen Schaltung mit einer allseitig abdichtenden Schutzum- häusung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verpacken einer druckempfindlichen elektronischen Schaltung mit einer allsei¬ tig abdichtenden Schutzumhäusung.
Für Hybridschaltungen und für Einzel-ICs sind verschiedene Gehäuse- bzw. Verpackungsarten allgemein bekannt. Insbeson¬ dere ist es bei einem Leistungshalbleitermodul bekannt, ein bereits bestücktes Keramiksubstrat als Gehäuseboden in ein rahmenförmiges Kunststoffgehäuse einzusetzen und elastisch zu verkleben. Das Innere des Gehäuses wird anschließend mit ei¬ ner weichen Siliconkautschukmasse und/oder mit einer harten Vergußmasse aus Epoxidharz bis zum oberen Rand des Gehäuses verfüllt. Die harte Vergußmasse verleiht dem Modul mechani- sehe Stabilität und fixiert darüberhinaus aus dem Modul herausragende elektrische Anschlüsse. Bei Einzel-ICs ist es bisher üblich, diese auf einem Leadframe anzubringen und mit diesem durch Bonden zu verbinden. Anschließend werden die Leadframes und der IC durch Umpressen mit Kunststoff geschützt. Möglich sind auch aufwendige Metallgehäuse, bei denen die Anschlüsse über Druckglaseinschmelzungen durch die Bodenplatte geführt werden und der Deckel mit der Bodenplatte verlötet wird.
Das übliche Umspritzen mit Kunststoff bzw. Einfüllen und Aus¬ härten von harten Vergußmassen ist zwar insofern zufrieden¬ stellend, als dabei Gehäuse entstehen, die Beschädigungen durch externe Einflüsse weitgehend ausschließen. Jedoch ent¬ stehen beim Aushärten Drücke bzw. Spannungen, die sich auf die eingebetteten elektronischen Schaltungen negativ auswir¬ ken können. Besonders kritisch sind derartige Einwirkungen bei Schaltungen bzw. ICs für Drucksensoren mit Piezoelemen- ten, aber natürlich auch. bei anderen elektronischen Bautei¬ len, die druckempfindliche Komponenten enthalten, beispiels¬ weise Hall-Sensoren, Temperaturfühler oder Oberflächenwellen- filter. Die beim Aushärten entstehenden Kräfte könnten sich im übrigen auch durch eine weiche Zwischenschicht hindurch auswirken..
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaf- fen, so daß die danach hergestellten verpackten Schaltungen einerseits gegen Umwelteinflüsse geschützt sind und die druckempfindlichen Schaltungen andererseits keinen Druck¬ oder Spannungskräften durch die Schutzumhäusung selbst ausgesetzt sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden Schritten gelöst:
- ein Leiterträger wird in einer ersten Spritzgießform mit einem einseitig offenen Kunststoffgehäuse umspritzt und an¬ schließend mit elektronischen Bauteilen bestückt,
- die erhaltene Einheit wird in eine aus einer ersten und zweiten Hälfte zusammensetzbare zweite Spritzgießform gebracht, deren Hälften aufeinanderfolgend einzeln mit
Kunststoffspritzmaterial beschickbar sind und deren zweite Hälfte zu aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen an die erste Hälfte annäherbar und wieder entfernbar ist,
- in der ersten Hälfte wird, bei entfernter zweiter Hälfte, ein die Öffnung des Kunststoffgehäuses mit Abstand zur Schaltung abschließender Vorspritzling gespritzt,
- woraufhin die zweite Hälfte angenähert und in ihr ein Fer- tigspritzling so gespritzt wird, daß das mit dem Vorspritz¬ ling abgeschlossene Kunststoffgehäuse mindestens im Grenzbereich dieser beiden Teile umspritzt und dadurch vollständig abgedichtet wird.
Weiterbildungen der Erfindung und eine druckempfindliche Schaltung mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her¬ gestellten allseitig abdichtenden Schutzumhäusung sind Gegen¬ stand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len im Zusammenhang mit Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 bis 3 jeweils in schematischer Schnittdarstellung drei Fertigungsstadien einer allseitig umhäusten Schaltung,
Figur 4 in schematischer Seitenansicht einen Moment im er¬ findungsgemäßen Verfahrensablauf für an einem Fertigungsband geführte Leiterträger,
Figur 5 eine schematische Aufsicht auf einen bestückten und teilumspritzten Leiterträger.
Der Fertigungsablauf beginnt damit, daß als Leiterträger 1 ein Leadframe oder ein Stanzgitter gestanzt und entsprechend galvanisiert wird. Danach wird dieses Leadframe 1 mit Kunststoff umspritzt und hat beispielsweise die in Figur 1 dargestellte einseitig offene Form. Falls erforderlich, könnten jetzt schon eventuelle elektrische Verbindungen getrennt werden. Anschließend werden der integrierte Schaltkreis oder mehrere Bauteile auf das Leadframe 1 angebracht und mittels bekannter Technologien, beispielsweise Bonden, Löten oder Bedrucken verbunden. Die nach dieser ersten Umspritzung resultierende Einheit mit dem IC 2 , den Bonddrähten 3 , dem Leadframe 1 und dem Kunststoffgehäuse 4 ist in Figur 5 in einer anderen Ansicht nochmals dargestellt. Um die Bauteile gegenüber der Umwelt abzuschließen und dann abzudichten, werden die erhaltenen, in Figur 1 dargestellten Einheiten 5 nochmals in eine neue Spritzgießform gebracht. Diese Spritzgießform ist ähnlich aufgebaut wie beim bekannten 2-Komponenten-Spritzgießverfahren, d. h. die eine Hälfte der Spritzgießform ist nach jedem Zyklus drehbar oder verschiebbar. Im folgenden ist eine Ausführungsform mit vertikal übereinander angeordneten Spritzgießform-Hälften dargestellt, bei der die obere, zweite Hälfte durch Absenken an die erste Hälfte angenähert und durch Anheben wieder entfernt werden kann. Im Verfahrensablauf wird die gemäß Figur 1 erhaltene Einheit 5 zunächst in die untere erste Hälfte der Spritzgießform eingebracht, wo ein Vorspritzling 6 gespritzt wird. Diese Spritzform wird dabei, wie in Figur 2 dargestellt, so gewählt, daß der Vorspritzling 6 bodenartig in die Öffnung 8 des Kunststoffgehäuses 4 eingepaßt wird. Wichtig dabei ist, daß das Spritzmaterial nicht in unmittelbare Berührung mit dem druckempfindlichen Schaltungsaufbau gelangt, sondern daß der Vorspritzling mit Abstand zur Schaltung geformt wird, d.h., daß ein Zwischenraum 9 verbleibt.
Im letzten Verfahrensschritt wird der in Figur 3 dargestellte Fertigspritzling 7 erzeugt, wozu die zweite Hälfte der Spritzgießform hutartig auf das Kunststoffgehäuse 4 und den darunter bodenartig an das Kunststoffgehäuse 4 angrenzenden Vorspritzling 6 aufgesetzt wird. Es ist vorteilhaft, daß der Spritzdruck das Kunststoffgehäuse 4 dicht auf den Vorspritzling 6 drückt. Dadurch ist bereits während des Spritzens eine gute Abdichtung der beiden Teile 4 und 6 ge¬ geben. In Figur 3 ist außerdem der Kunststofffluß von oben her in die zweite Hälfte der Spritzgießform durch Pfeile an¬ gedeutet.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer 2-fach- Spritzgießform dargestellt. Die umspritzten und bestückten Leiterträger 1 werden nebeneinander mit konstantem Abstand (Teilung) an einem Fertigungsband 10 geführt. Vier, jeweils aus zwei Hälften bestehende Spritzgießformen I, II, II und IV sind nebeneinander mit Abständen von jeweils einer halben Teilung angeordnet. In zwei abwechselnden Zyklen werden in den jeweils um eine Teilung getrennten Spritzgießformen- Paaren II, IV und I, III in einem ersten Zyklus jeweils zwei Vorspritzlinge bzw. zwei Fertigspritzlinge und in einem zweiten"Zyklus jeweils zwei Fertigspritzlinge bzw. zwei Vorspritzlinge gespritzt. Im ersten Zyklus werden also in der Spritzgießform II und IV die Vorspritzlinge 6 gespritzt, während, im gleichen Zyklus, in Spritzgießform I und III die Fertigspritzlinge 7 gespritzt werden. Nach dem ersten Zyklus wird das Fertigungsband um 2,5 Teilungen verschoben. Die Vorspritzlinge 6 werden jetzt in den Spritzgießformen 1 und 3 gespritzt, und die Fertigspritzlinge 7 in den Spritzgießformen 2 und 4. Anschließend wird das Fertigungsband um 1,5 Teilungen vorgerückt. Durch diesen zyklischen Fertigungsablauf wird die Taktzeit auf die Hälfte verringert, da ansonsten in jedem einzelnen Takt sowohl der Vorspritzling als anschließend auch der Fertigspritzling gespritzt und ausgehärtet werden müßten.Selbstverständlich ist diese Verfahrensvariante auch bei nicht am Band, sondern von Hand oder mit Roboter geführten Teilen möglich.
Bei Durchführung der in Figur 3 dargestellten bevorzugten Verfahrensvariante resultiert eine allseitig abdichtende Schutzumhäusung, die im wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist. Das einseitig offene Kunststoffgehäuse 4 weist, wie in Figur 3 dargestellt, einen im wesentlichen U-förmigen Quer- schnitt auf und wird durch einen quer zu den beiden U-Schen- keln an deren freien Enden anliegenden Vorspritzling 6 abge¬ schlossen. Der Fertigspritzling 7 selbst weiεt ebenfalls einen U-förmigen Querschnitt auf und umgibt hutartig das Kunststoffgehäuse 4, wobei seine U-Schenkel sich über die Grenze zwischen Kunststoffgehäuse 4 und Vorspritzling 6 hinweg erstrecken und so die gewünschte hermetische Abdichtung der Schaltung bewirken. Erfindungsgemäß können die elektronischen Bauteile im herme¬ tisch geschlossenen Raum frei stehenbleiben. Die ICs bzw. die Elektronik liegen völlig frei, es können sich keine mechanischen Spannungen aufbauen und die elektrischen Parameter beeinflußen. Vorteilhaft ist außerdem, daß zur Durchführung des Verfahrens billige Kunststoffe einsetzbar sind. Auch elektrisch leitfähige, sogar ferromagnetische Kunststoffe, die für die Abschirmung oder für die Führung von Magnetfeldern geeignet sind, können eingesetzt werden. Bei der erfindungsgemäßen Verarbeitung besteht außerdem nicht die Gefahr einer Beschädigung der Bonddrähte.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise mikromechanische Druck- und Beschleunigungssensoren sehr ein¬ fach verpackt werden, ohne daß die beweglichen Teile blok- kiert werden. Bei den Schutzumhäusungen können fast beliebige Geometrien, beispielsweise solche mit Steckerkragen, einfach realisiert werden. Die elektrische Prüfung kann eventuell schon nach dem Bonden durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verpacken einer druckempfindlichen elektro¬ nischen Schaltung mit einer allseitig abdichtenden Schutzum- häusung (4,6,7) , mit folgenden Schritten:
- ein Leiterträger (1) wird in einer ersten Spritzgießform mit einem einseitig offenen KunstStoffgehäuse (4) umspritzt und anschließend mit elektronischen Bauteilen (2) bestückt,
- die erhaltene Einheit (5) wird in eine aus einer ersten und zweiten Hälfte zusammensetzbare zweite Spritzgießform gebracht, deren Hälften aufeinanderfolgend einzeln mit Kunststoffspritzmaterial beschickbar sind und deren zweite Hälfte zu aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen an die erste Hälfte annäherbar und wieder entfernbar ist,
- in der ersten Hälfte wird, bei entfernter zweiter Hälfte, ein die Öffnung (8) des Kunststoffgehäuses (4) mit Abstand zur Schaltung abschließender Vorspritzling (6) gespritzt,
- woraufhin die zweite Hälfte angenähert und in ihr ein Fer¬ tigspritzling (7) so gespritzt wird, daß das mit dem Vorspritzling (6) abgeschlossene Kunststoffgehäuse (4) mindestens im Grenzbereich dieser beiden Teile (4,6) umspritzt und dadurch vollständig abgedichtet wird.
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im letzten Verfahrensschritt die zweite Hälfte der zwei¬ ten Spritzgießform hutartig auf das Kunststoffgehäuse (4) und den darunter bodenartig an das Kunststoffgehäuse (4) angrenzenden Vorspritzling (6) aufgesetzt wird und daß der Spritzdruck beim Spritzen des Fertigspritzlings (6) das Kunststoffgehäuse (4) dicht auf den Vorspritzling (6) drückt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß die umspritzten und bestückten Leiterträger (1) nebeneinander mit konstantem Abstand (Teilung) an einem Fertigungsband (10) geführt werden und
- daß nebeneinander vier zweite Spritzgießformen I, II, III, IV mit Abständen von jeweils einer halben Teilung angeordnet werden,
- daß in zwei abwechselnden Zyklen in den jeweils um eine Teilung getrennten Spritzgießformen-Paaren II, IV und I, III in einem ersten Zyklus jeweils zwei Vorspritzlinge (6) bzw. zwei Fertigspritzlinge (7) und in einem zweiten Zyklus jeweils zwei Fertigspritzlinge (7) bzw. zwei Vorspritzlinge (6) gespritzt werden,
- wobei das Fertigungsband (10) nach dem ersten Zyklus um 2,5 und nach dem zweiten Zyklus um 1,5 Teilungen vorrückt.
4. Druckempfindliche Schaltung mit einer nach Anspruch 2 oder 3 hergestellten allseitig abdichtenden Schutzumhäusung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß die Schutzumhäusung (4,6,7) im wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist,
- daß das einseitig offene Kunststoffgehäuse (4)einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und durch einen quer zu den beiden U-Schenkeln an deren freien Enden anliegenden Vorspritzling (6) abgeschlossen ist,
- daß der Fertigspritzling (7) ebenfalls einen U-förmigen Querschnitt aufweist, und - daß der Fertigspritzling (7) das Kunststoffgehäuse (4) hutartig umgibt,
- wobei seine U-Schenkel sich über die Grenze zwischen Kunststoffgehäuse (4) und Vorspritzling (4) hinweg erstrecken.
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