WO2007025753A2 - Modulares mikroelektronisches bauteil - Google Patents

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WO2007025753A2
WO2007025753A2 PCT/EP2006/008520 EP2006008520W WO2007025753A2 WO 2007025753 A2 WO2007025753 A2 WO 2007025753A2 EP 2006008520 W EP2006008520 W EP 2006008520W WO 2007025753 A2 WO2007025753 A2 WO 2007025753A2
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Michael Niedermayer
Andreas Ostmann
Stephan Guttowski
Stefan Grundmann
Rolf Thomasius
Dmitry-David Polityko
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Technische Universität Berlin
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Definitions

  • the invention relates to a modular microelectronic component and to a method for producing such a component.
  • Embedded system architectures have the ability to easy to be customizable.
  • Modular embedded systems usually include a microprocessor for data processing or control, as well as other subsystems, which are selected depending on the application.
  • subsystems are sensors and circuits for measuring data processing, actuators with control for the positioning of the sensors, antenna and electronics for high-frequency generation / evaluation, as well as for the control of communication and power supply and components for the management of power consumption.
  • the overall system in this case consists of one or more integrated circuits, quartz (s) for carrier frequency or clock generation, passive components for filtering, adaptation and circuit decoupling, possibly sensors, actuators, antenna (s), battery. These components are quite different in their spatial processes.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method which makes possible the production of an extremely compact and stable nodular microelectronic component. Another object is to provide a microelectronic device, which is characterized by compactness and stability.
  • the method for producing a modular microelectronic component comprises the following steps:
  • each individual functional layer has a planar carrier, arranged on the support electronic components, a conductor structure and located at the edge of the carrier electrical first contact points, wherein the conductor structure, the electronic components at least partially contacted and at least partially with the first contact points is connected at the edge of the carrier;
  • the connections essential for the electronic components are to be connected to first contact points which are located on the edge of the carrier of the respective functional layer.
  • these can be connections with which the electrical components of one functional layer are connected to the electronic components of the other functional layer.
  • Edge lying first contact points due to their exposed position is very easy. This can be seen in particular from the point of view that it is desirable to produce such a microelectronic component preferably with as small dimensions as possible, but that small dimensions, in particular electrical connection, are increasingly difficult.
  • the functional layers are superposed or stacked in layers. Preferably, after stacking between the individual functional layers, there are at most only small gaps or cavities.
  • the component By stacking the functional layers, a very compact structure of the component is achieved. Due to the direct juxtaposition of the functional layers, the component is also correspondingly robust.
  • the conductor structure which connects electronic components and first contact points, can be realized in various ways, for example by vapor deposition of a metal structure or by an etching process of an already existing metal layer. Depending on requirements, the conductor structure can also be multilayered. Depending on the connection technique, the first contact points may be reinforced or have a certain structure, for example the shape of metal / solder bumps (so-called "bumps").
  • the carrier of the respective Furitechnischstiken voninde ⁇ st a contact edge with a uniform shape comprise and are arranged along the contact edge, the first contact point, and that) in step b of the method at their contact edges, the functional layers stacked on one another are ,
  • the first contact points are arranged in a spatially limited area. This reduces the effort and also the space required for the electrical connection of the functional layers. This uniformity makes it possible, in particular, to combine a large number of functional layers into a modular microelectronic component.
  • the contact edge of the carrier of the respective functional layer is straight.
  • the stacked contact edges of the functional layers form a flat surface in this case.
  • Such a flat surface is more advantageous for the electrical connection of the first contact points than curved surfaces. The latter would also be possible in principle.
  • the carriers of the individual functional layers could be rectangular, wherein the first contact points are arranged at one, at two, at three or at all four edges. If the rectangular carriers have different sizes, it is advisable to arrange the first contact points on two adjacent edges. If you stack the individual functional layers together sam over the corner, which is located between the two contact edges ", so as to form” the Kohtaktkanten "two" planar surfaces which are perpendicular to each other. This allows a simple electrical connection of the functional layers as well as a robust construction.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that in a further step, the functional layers produced are poured with a potting compound.
  • the potting compound By pouring in the individual functional layer can be mechanically stabilized. At the same time, the potting compound also provides protection against external environmental influences.
  • the shape of the functional layers can be influenced by pouring in the functional layers.
  • the individual functional layers can, for example, after equipping the carrier with the electronic
  • Components and their electrical contact be poured.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that in a further step, the individual functional layers are thinned in height.
  • Components have a thick protective cover that protects the actual electronics against external influences. However, this also means that a part of the protective cover can be removed without impairing the function of the component. Now, if a part of the protective cover of the components is removed, the dimensions of the electronic components are reduced.
  • This "thinning” in particular allows the height of a functional layer to be lowered. For the entire component, this means that the dimensions and weight are reduced.
  • a thinning is particularly suitable for the case that the functional layer has been cast with a potting compound. Potting compound and / or protective cover of the electronic components can be thinned together in this case, for example, by mechanical grinding, the potting compound simultaneously ensures the mechanical stability of the functional layer during the grinding process.
  • a further advantageous development of the method provides that the functional layers during be of stacking or after stacking with each other comparable "connected, preferably by adhesive bonding or to casting.
  • a further advantageous development of the method provides that the first contact points of the functional layers are electrically connected to one another by means of a structured metallization and / or by means of a conductive paste and / or wiring.
  • a structured metallization can be produced, for example, by applying a metal layer to the surface formed by the contact edges of the individual functional layers on which the first contact points lie, for example by evaporation, and then removing them at the desired locations is, for example, by etching or evaporation, in particular with a laser.
  • a conductive paste for example silver conductive adhesive can be used.
  • the individual contact points can also be connected to one another by a bonding structure. Wires or the like can basically be used as well.
  • a further advantageous development of the method provides that, after stacking the functional layers, the functional layers are connected to a connection structure at least in the region of the contact edges, wherein the connection structure has a connection structure
  • the Carrier and has a force applied to the surface of the carrier conductor structure, so that after connecting the connection structure with the stack of the functional layers of the first contact points of the functional ons slaughteren electrically connected to each other via the conductor structure.
  • the "first contact points" of the "functional layers solder bumps can 'have, can be prepared by by heating a stable connection via the conductor ter Vietnamese of the connecting structure.
  • other connection techniques are, for example, using conductive pastes, possible.
  • the carrier is a rigid material, for example ceramic or an epoxy resin.
  • the connection structure connected to the functional layers also contributes to the stability of the entire component.
  • other types of carriers for example polymer films, are also possible.
  • connection structure is equipped with further electrical components before and / or after connection to the stack of functional layers.
  • the arrangement of components with high vertical dimensions is very unfavorable.
  • such components can be advantageously arranged on the connection structure.
  • the functional layers can be arranged much more compact in this way, the component itself can be used without disturbing substantially at least the entire height of the stack of connecting layers.
  • a further advantageous development of the method provides that the function of the functional layers is at least partially checked before stacking.
  • the functional layers should be tested and, if necessary, coordination and decoupling measures should be carried out. All connections to the test are advantageously led out to the edge of the carrier of the respective functional layer in order to ensure a simple and reliable connection.
  • the functional layers can be tested either individually or together with other functional views. In this way, interactions between individual functional layers can be determined and possibly remedied by a rearrangement of the functional layers. Since the components can be distributed on different functional layers in highly miniaturized systems, a test of individual functional layers in combination with already tested functional layers makes sense.
  • a further advantageous development of the invention provides that the components with at least a similar height are arranged at least partially on a respective functional layer.
  • This type of arrangement of the electronic components is optimized in terms of compactness and robustness of the modular component.
  • a further advantageous development of the invention provides that components that are functionally related are arranged at least partially on a respective functional layer.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the components of a functional layer are arranged on one side or on both sides.
  • a further advantageous development of the invention provides that the components are arranged on the carrier and / or embedded in the carrier.
  • the two-sided arrangement is on the one hand more space for the conductor structure available, further, spatial gaps between adjacent functional layers can be exploited.
  • the mechanical stability of the functional layer can be increased.
  • a further advantageous development of the method provides that the functional layers have at least partially second, arranged in the inner region of the carrier contact points, and brought at least partially the contact points of different functional layers electrically by stacking the functional layers and / or after stacking the functional layers, the second contact points at least partially electrically connected.
  • the internal electrical connections of the individual functional layers can take place via solder balls.
  • connecting strips or frames may be provided, for example Through holes, printed circuit boards, headers or the like.
  • Another possibility is to implement the internal electrical connections via substrates or circuit carriers. Also via pressure contacts such electrical connections can be made.
  • a further advantageous development of the invention provides that rigid carriers, preferably of ceramic or of epoxy resin, or flexible carriers, preferably a polymer film, are used as carrier.
  • the choice of the carrier is essentially determined by the purpose. Is the component at high
  • a functional layer of a component of three functional layers could comprise a carrier of silicon in order to provide a dense conductor structure for a large number of components arranged on this carrier
  • the support of the other two functional layers could be epoxy resin because of the high density of the conductor structure due to the components disposed on these substrates necessary is. In this sense, depending on the application, different materials with different advantages can be combined.
  • the invention provides a modular microelectronic component having at least two stacked functional layers and a connecting structure at least partially electrically connecting the functional layers, each individual functional layer comprising a planar support, electronic components arranged on the support, a conductor structure and located at the edge of the support electrical first contact points, wherein the conductor structure, the electronic components at least partially contacted and at least partially connects to the first contact points on the edge of the carrier, and the carrier of the respective functional layers have at least one contact edge with a uniform shape on which they stacked stacked and along which the first contact points are arranged, and the connection structure is arranged on a second surface of the stack of functional layers formed by the contact edges.
  • the functional layers have a flat, mutually parallel surface on their upper side and / or on their lower side, and the respective upper side and lower side of adjacent functional layers lie flat on one another. In this way, the individual functional layers are stably stacked on top of each other.
  • the functional layers are stacked along a common reference edge, so that the first contact points of the functional layers "right and left sides of the reference edge beds, and the first contact point on the right side at least partially electrically connected to the reference edge having a first connection structure, and the reference edge are at least partially electrically connected to the left side with a second connection structure, the first contact points.
  • the reference edge is formed by the overlying corners or corner edges of the flat carrier of the individual functional layers.
  • the individual functional layers can have a different size of the base area of their planar carriers, although an electrical connection of the first contact points with one another is simply possible.
  • the functional layers can be equipped with different dimensions, which saves material, weight and space. Furthermore, this makes it possible to concentrate functional units on a functional layer, without being exposed to the constraint of a uniform base area of a functional layer. This facilitates in particular the combination of a functional layer with other functional layers.
  • the supports of the functional layers may have a rectangular base surface. If these are stacked at the aforementioned corner with the same orientation of the edges of the carriers. each other, they will be right and left sides of the reference edge formed two flat surfaces which up "," because of their flat geometry, are particularly suitable for the electrical connection via the connecting structures.
  • the carriers of the functional layers preferably have a shape which is angular at least in the region of the reference edges and has a uniform angle, preferably a rectangular shape of the base surface.
  • the first contact points are preferably arranged exclusively on the right and left sides of the reference edge on the individual functional layers.
  • first and second connection structure in different training.
  • This relates in particular to the material and design of the carrier and of the conductor structure of the respective connection structure. If some electrical connections between the functional layers require, for example, low HF losses, the first contact points of these connections can be concentrated on one side, ie on the right or left side of the reference edge, and for the carrier of the connection structure on this side, a material with a suitably small HF frequency. Select loss factor.
  • the other connections can be shifted to the other free side by appropriate arrangement of the contact points and there are electrically connected by a suitable for this type of connections, for example, more cost-effective, connection structure. The same applies in particular to the thermal conductivity of the connecting structures.
  • An advantageous development of the component provides that the first and second connection structure differ in the material of their carrier.
  • connection structure various substrates such as thin film substrates, for example based on aluminum nitride ceramic or of silicon, thick film substrates, for example based on aluminum nitride ceramic or of aluminum-oxide ceramic, laminated substrates, for example based on PTFE resin and ceramic filling or of FR4 (classic printed circuit board), which have already been mentioned in part above.
  • thin film substrates for example based on aluminum nitride ceramic or of silicon
  • thick film substrates for example based on aluminum nitride ceramic or of aluminum-oxide ceramic
  • laminated substrates for example based on PTFE resin and ceramic filling or of FR4 (classic printed circuit board), which have already been mentioned in part above.
  • FR4 classic printed circuit board
  • Functional layers formed in the region of the first contact points outer wall can be considered as a carrier for the case that the conductor structure of the connection structure is applied directly to this.
  • metal wires soldered or bonded
  • conductive pastes or metallization in particular laser-structured metallization, for example, by the material of the functional layers, a carrier of epoxy resin potting is formed.
  • first and second connection structure may, depending on the requirements of the connections between the first contact points, in particular particularly cost-effective materials, materials optimized for thermal conductivity, HF loss minimized materials or materials that allow a high wiring density , can be selected and suitably combined as the first and second connection structure depending on the application.
  • wiring density is understood to mean the number of vertical electrical connections per 1 mm edge length, the edge length being related to the edges of the functional layers in vertical stacking of the functional layers, ie along a path of 1 mm perpendicular to the reference edge and Following the surface of the conductor structure, with a wiring density of 1 of the conductor structure, exactly one electrical connection is exceeded.
  • connection structure is less than or equal to 10, preferably less than or equal to 2 vertical lines per 1 mm edge length, and the wiring density of the other connection structure is greater than or equal to 5, preferably greater than or equal to 20 vertical lines per 1 mm edge length is.
  • a high wiring density greater than 10 is advantageous for fast digital circuits such as FPGA or SRAM, while for other electronic components, e.g. serial buses, a wiring density of 5 or less may be sufficient.
  • the conductor cross section of a connecting structure is less than or equal to 10000 ⁇ m 2 , preferably less than or equal to 1000 ⁇ m 2
  • the conductor cross section of the other connecting structure is greater than or equal to 1000 ⁇ m 2 , preferably greater than or equal to 10000 ⁇ m 2 .
  • Insensitive digital lines can be connected with very small cross-section, for example ⁇ 10 ⁇ m 2 , while some analog lines, for example se with radio receivers or a less susceptible power supply, with a much larger cross-section, advantageously> 10000 microns 2 , must be coupled.
  • the sensitivity to external electrical or magnetic interference fields can be significantly reduced.
  • Examples in which signal crosstalk is reduced by electrical crosstalk would be the routing of an antenna line in the area of the supply line of a microcontroller, or the dense routing of analog lines adjacent to digital lines.
  • the loss factor tan ( ⁇ ) of the material of the carrier of one connecting structure is less than or equal to 0.005, preferably less than 0.002, and the loss factor tan ( ⁇ ) of the material of the carrier of the other connecting structure is preferably greater than or equal to 0.01 is.
  • An advantageous development of the component provides that the thermal conductivity ⁇ of the material of the carrier of a connecting structure is greater than or equal to 0.5 W / m / K, preferably greater than or equal to 10 W / m / K, and the thermal conductivity ⁇ of the material of the carrier other connecting structure is preferably less than or equal to 0.5 W / m / K.
  • the dissipation of heat becomes critical when there is a high density of electronic components, especially when temperature-sensitive components such as sensors are used.
  • the connecting structure can contribute to dissipating the heat, for example if ceramics, in particular aluminum nitride, are used as the carrier, or sealing compounds with silicone content are used for the functional layers.
  • FIG. 1 shows the electronic components used in the first exemplary embodiment for the microelectronic component according to the invention
  • FIG. 2 shows the component according to the first embodiment after step a) of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows the component in the test phase of the method according to the invention
  • FIG. 4 shows the component after step b) of the method according to the invention and 5 shows the part according to step c ") of the inventions" to the invention method.
  • FIG. 6 shows the electronic components used for the microelectronic component according to the invention in the second exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows the component according to the first embodiment after step a) of the method according to the invention
  • FIG. 8 shows the component in the test phase of the method according to the invention
  • FIG. 10 shows the component after step c) of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows the electronic components used in the first exemplary embodiment for the production of a modular microelectronic component according to the invention, here a temperature sensor with radio transmission.
  • the heart of the component is the microcontroller unit 1. It handles the control and the data processing.
  • An RF module 2 is used for communication by radio.
  • An ID component 3 serves to identify the component.
  • Two quartz 4 are present for generating a carrier frequency or for generating a clock.
  • Two temperature sensors 5 and passive elements 8 are other electronic components.
  • a battery 9 is used for the supply of the electronic components.
  • the electronic components for forming functional layers 12 are arranged on carriers 10.
  • the electronic components are assigned to three functional layers 12a to 12c (see already FIG. 2).
  • Each of the three functional layers 12a to 12c has a flat, rectangular carrier 10a to 10c.
  • a conductor structure (not shown) on the surface and in the interior of the carrier.
  • each carrier of the three functional layers 12 has first contact points 11. These contact points lie on the edge of the carrier along two adjacent edges / edges 6a and 6b.
  • the individual electronic components are placed on the intended locations of the respective carrier 10 and connected to the conductor structure by means of a soldering process.
  • the finished functional layers 12a to 12c are shown in FIG.
  • the battery 9 forms in this case alone a functional layer 12d.
  • Carrier - electronic components - conductor structure - first contact points it is not necessary for all functional layers to have a structure Carrier - electronic components - conductor structure - first contact points to have.
  • layers having a different structure such as "above, for example, battery 9," can be integrated, with the possibility, as the lower, upper or intermediate layer in the modular component.
  • the functional layers 12a to 12c are cast with a potting compound 15.
  • the electronic components of the functional layers 12a and 12b are completely covered by the potting compound 15, so that these functional layers have the shape of a cuboid.
  • the functional layer 12b is only partially cast with grout 15.
  • the battery 9 or the functional layer 12d could be cast. But this is unnecessary by the size and the cuboid shape of the battery. 9
  • Potting compound also be covered, but then have to be subsequently re-exposed, creating an " unnecessary, additional " step is necessary.
  • the functional layers 12a and 12c are thinned in height.
  • the surface is ground mechanically parallel to the lower surface. Part of the protective cover of the electronic components located on these two functional layers is removed by mechanical grinding.
  • the functional layers are checked for their function before stacking. This situation is shown in FIG. 3.
  • a flexible test board 13 is used.
  • Such a test board may for example be a flexible ribbon cable with corresponding plugs.
  • the first contact points 11 of the respective functional layer 12 can be contacted via test leads 7.
  • the respective functional layers 12 can be tested simultaneously or sequentially in various combinations as well as in different spatial orientations.
  • FIG. 3 shows the situation in which the three functions ons slaughteren 12a, 12b and 12c are " tested " in the spatial arrangement in which they are to be stacked at a later time.
  • All functional layers are stacked on a reference edge 16. At the edges or edges 6a and 6b on both sides of this reference edge 16 of the respective functional layer, the first contact points 11 are arranged. The contact edges 6a and 6b of the functional layers 12 are thus directly above each other.
  • An adhesive is applied between the individual functional layers, in this embodiment likewise an epoxy resin in order to fix the functional layers together.
  • the functional layers could also be frictionally connected, for example by means of small screws, or else positively.
  • the functional layers 12a to 12d are electrically connected to one another via the first contact points 11. This situation is shown in FIG. 5.
  • connection structure 14 has a carrier and a conductor structure located on the surface of the carrier. In this case, the conductor structure is adapted to the necessary electrical connections between the first contact points 11 of the respective functional layer 12.
  • the first contact points on small metal bumps. At these metal bumps, the conductor structure of the connection structure 14 is pressed. By heating, the solder bumps connect to the conductor structure of the connection structure 14. Thus, the electrical connection of the functional layers is established.
  • the support of the connection structure 14 consists of a rigid material, here a glass fiber reinforced epoxy resin.
  • a rigid material here a glass fiber reinforced epoxy resin.
  • further electrical components which in particular can also be connected to the functional layers 12, can be applied to this carrier of the connecting structure 14, in particular on the rear side, ie, on the side of the connecting structure 14 facing away from the stack of the functional layers 12.
  • the electronic components were arranged with at least similar height on each of a functional layer. This can be clearly seen on the functional layers 12a and 12b in FIG. Alternatively, it would also be possible to arrange components that are functionally related at least partially on a respective functional layer. This is of particular interest in the case where identical functional layers are combined with other functional layers in order to produce microelectronic components of various modular design. put. It would be no longer necessary to produce ten for each new component "a whole set of new Funktio ⁇ sschich-.
  • the electronic components are arranged on one side of the carrier 10. In principle, it is also possible to arrange the electronic components on both sides.
  • the underside of the carrier can advantageously be utilized for the application of a conductor structure.
  • the functional layers may at least partially have second contact points arranged in the interior of the carrier.
  • these second contact points of different functional layers could advantageously be electrically brought into contact, at least partially, and / or after the stacking of the functional layers, the second contact points could be electrically connected at least partially.
  • Examples of such second contact points would be plated-through holes, pressure contacts or plug-in connectors.
  • the carriers of the functional layers 12a to 12c consist in this embodiment of glass fiber reinforced epoxy resin, which is known under the name "FR4".
  • the conductor structure which is located on the supports 10, is made of copper and has been produced by means of an etching process r.
  • the finished modular component has a roughly cuboid structure with the dimensions of approximately 7 mm ⁇ 7 mm ⁇ 7 mm. Due to the arrangement of the components and the layered structure, the component is extremely compact and, in particular by the sprue, very robust.
  • the lateral connection, ie within the functional layers, and the vertical connection, ie perpendicular to the stacked functional layers, in a very small volume, which is when using very low carrier thickness and thin film technology with ultrathin Kunststofftechniksverfah- ren even with greater wiring to a few cubic millimeters can be limited.
  • the volume for wiring a not inconsiderable share and is strong of the Elevation changes of individual functional layers off "pending based on real bending radii, frames place within the functional layers for vias connecting strips or.
  • a relatively higher robustness can be achieved according to the invention by the relatively small proportion by weight of the construction and connection technology, which itself allows safe operation in harsh environments with, for example, high accelerations, for example in a car tire.
  • FIGS. 6 to 10 show a second embodiment of the method according to the invention and a second exemplary embodiment of a modular component according to the invention.
  • FIG. 6 shows the electronic components used in the second embodiment. These correspond to those of the first exemplary embodiment, see FIG. 1.
  • the electronic components are arranged on planar carriers 20a, 20b and 20c with a cuboid base surface and electrically wired together via a (not visible here) conductor structure, whereby functional layers 22a, 22b, 22c and 22d similar to the functional layers 12a, 12b , 12c and 12d are formed.
  • the components needed to connect to those in the other functional layers Electrical contacts are arranged as first contact points 21 exclusively on the edges of the " carrier of the respective functional layer on the right (23a) and / or left (22a) of a corner edge.
  • the second embodiment differs in the arrangement of the first contact points 21.
  • six digital lines between data processing and radio module and three digital and three analog lines between data processing and sensor interface provided their associated first contact points are arranged at the edge of the functional layers on the right side of said corner edge of the functional layer 22a, 22b and 22c, and two lines for the power supply, the associated contact points on the edge of the functional layers 22a, 22b, 22c and 22d are arranged on the left side of said corner edge.
  • FIG. 8 shows the method step of the functional check of the individual functional layers 22a, 22b and 22c analogously to the first exemplary embodiment.
  • the functional layers are then stacked on top of one another so that the said corner edges of the functional layers lie above one another along a common reference edge 26 and the edges of the functional layers and thus also the first ones
  • Contact points 21 on the left side and the right side of the reference edges 26 are located in two mutually perpendicular planes.
  • this stack is with a casting of epoxy resin in the intermediate region of the outside Functional layers 22b and 22d potted, so that on the right and left sides of the reference edge 26 a closed in the region of the first contact points, flat surface 25 is formed.
  • the first contact points for the energy supply lying on the left side of the reference edge 26 are contacted with a first connection structure 24b, here via conductive paste conductive paste, which has a conductor cross section of 0.4 mm 2 on the outer outer surface formed by edges of the functional layers and potting compound of the stack is applied. Due to the increased cross-section of the connections, disturbances can be well diverted.
  • the wiring density is in this case 2.
  • the potting compound has a ceramic filling, whereby an improved thermal conductivity of 5W / m / K is achieved.
  • the loss factor tan ( ⁇ ) of this carrier is about 0.02.
  • the first contact points lying on the right side of the reference edge 26 are contacted with a second connection structure 24a.
  • the second connection structure 24a is designed for low HF losses with a tan ( ⁇ ) of about 0.0013 and in this case has a carrier made of PTFE and ceramic filling on copper conductors arranged on one side with a conductor cross-section of 250 ⁇ m 2 , whereby a wiring density of 10 lines per millimeter is achieved.
  • the thermal conductivity of this carrier is about 0.5W / m / K.
  • a ceramic such as an aluminum nitride ceramic, with a thermal conductivity of greater than or equal to 10 W / m / K.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares mikroelektronisches Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemäß enthält das Verfahren die Schritte: a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschichten (12, 22) , wobei jede einzelne Funktionsschicht (12, 22) einen flächigen Träger (10, 20) , auf dem Träger (10, 20) angeordnete elektronische Komponenten (1-5, 8, 9) , eine Leiterstruktur und sich am Rand (6, 23) des Trägers (10, 20) befindende elektrische erste Kontaktstellen (11, 21) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen (11, 21) am Rand (6, 23) des Trägers (10, 20) verbunden ist; b) Schichtweises Aufeinanderlegen der Funkt ionsschichten (12, 22) ; c) Elektrisches Verbinden der Funktionsschichten (12, 22) über die ersten Kontaktstellen (11, 21) . Die Erfindung ermöglicht es, ein äußerst kompaktes und robustes mikroelektronisches Bauteil herzustellen. Dabei kann der Abstimmung sauf wand beim Entwurf der einzelnen Funktionsschichten gegenüber anderen modularen Ansätzen sehr gering gehalten werden. Sehr unterschiedliche Aspektverhältnisse der einzelnen Funktionsschichten gestalten sich bei der Systemintegration recht problemlos, was einen geringeren Entwicklungsaufwand erlaubt .

Description

Modulares mikroelektronisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein modulares mikroelektroni- sches Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines Bauteils.
Aufgrund der Weiterentwicklung in der Mikrosystem- technik können selbst komplexe eingebettete Systeme immer kleiner und kostengünstiger realisiert werden. Damit erschließen sich vielfältige Anwendungen, insbesondere mit integrierter Sensorik und Funkkommunikation, beispielsweise Aufzeichnung von Umweltbedingungen, Verfolgung der Bewegung bei beweglichen Ob- jekten, Warnung vor Materialermüdung bei rotierenden Teilen, Bestandverwaltung und -kontrolle, Realisierung von virtuellen Tastaturen, Bestimmung der Produktqualität und Unterstützung von Behinderten. Eingebettete Systemarchitekturen besitzen die Fähigkeit, einfach anpassbar zu sein.
Modulare eingebettete Systeme enthalten üblicherweise einen Mikroprozessor zur Datenverarbeitung bzw. zur Steuerung, sowie weitere Teilsysteme, welche je nach Anwendungszweck gewählt sind. Beispiele für solche Teilsysteme sind Sensoren und Schaltungen zur Messdatenverarbeitung, Aktuatoren mit Ansteuerung zur Positionierung der Sensorik, Antenne und Elektronik zur Hochfrequenzerzeugung /-auswertung sowie zur Steuerung der Kommunikation und Energieversorgung und Bauelemente zum Management der Leistungsaufnahme. Das Gesamtsystem besteht in diesem Falle aus einem bzw. mehreren integrierten Schaltkreisen, Quarz (en) zur Trägerfrequenz- bzw. Takterzeugung, passiven Komponenten zur Filterung, Anpassung und Schaltungsentkopplung, ggf. Sensoren, Aktoren, Antenne (n), Batterie. Diese Komponenten sind recht verschieden in ihren räumlichen Abläufen.
Eine Vielzahl von elektronischen Komponenten mit einer hohen Leiterdichte in einem Bauteil zu verwirklichen stellt insbesondere dann eine Herausforderung dar, wenn sehr kompakte Abmaße und Robustheit gefor- dert sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung eines äußerst kompakten sowie stabilen ^nodularen mikro- elektronischen Bauteils ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, ein mikroelektronisches Bauteil zu schaffen, welches sich durch Kompaktheit und Stabilität auszeichnet.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und durch eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen ge- löst .
Erfindungsgemäß weist das Verfahren zur Herstellung eines modularen mikroelektronischen Bauteils folgende Schritte auf :
a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschichten, wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger, auf dem Träger angeordnete elektronische Komponenten, eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers befindende elektrische erste Kontaktstellen aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen am Rand des Trägers verbunden ist;
b) Schichtweises Übereinanderlegen der Funktionsschichten;
c) Elektrisches Verbinden der Funktionsschichten über die ersten Kontaktstellen.
Erfindungsgemäß ist, die für die elektronischen Kom- ponenten wesentliche Anschlüsse mit ersten Kontaktstellen zu verbinden, welche sich am Rand des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht befinden. Dies können insbesondere Anschlüsse sein, mit denen die elektrischen Komponenten der einen Funktionsschicht mit den elektronischen Komponenten der anderen Funktions- schicht verbunden werden.
Durch die Verlagerung der Kontaktstellen auf den Rand werden aufwendige Kontaktierungen, die durch die ein- zelnen Funktionsschichten hindurchtreten müssen, wei- testgehend, vorzugsweise sogar völlig, vermieden. Ein weiterer Vorteil ist", dass das Verbinden der am
Rand liegenden ersten Kontaktstellen aufgrund deren exponierter Lage sehr unproblematisch ist. Dies ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt zu sehen, dass man solch ein mikroelektronisches Bauteil vorzugsweise mit möglichst kleinen Abmaßen herstellen möchte, aber kleine Abmaße insbesondere das elektrische Verbinden zunehmend erschweren.
Erfindungsgemäß werden die Funktionsschichten schichtweise übereinander gelegt bzw. gestapelt. Vorzugsweise befinden sich nach dem Stapeln zwischen den einzelnen Funktionsschichten höchstens nur noch klei- ne Lücken oder Hohlräume.
Durch das Stapeln der Funktionsschichten wird eine sehr kompakte Struktur des Bauteils erreicht. Durch das direkte Aufeinanderliegen der Funktionsschichten ist das Bauteil auch entsprechend robust.
Die Leiterstruktur, welche elektronische Komponenten und erste Kontaktstellen verbindet, kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden, beispiels- weise durch Aufdampfen einer Metallstruktur oder durch einen Ätzprozess einer schon vorhandenen Metalllage. Je nach Bedarf kann die Leiterstruktur auch mehrschichtig sein. Je nach Verbindungstechnik können die ersten Kontaktstellen verstärkt sein oder eine gewisse Struktur aufweisen, beispielsweise die Form von Metall-/Löthöckern (sog. „Bumps") .
Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in Schritt a) des Verfahrens die Träger der jeweiligen Furiktionsschichten zuminde~st eine Kontaktkante mit einer einheitlichen Form aufweisen und entlang dieser Kontaktkante die ersten Kontaktstellen angeordnet sind, und dass in Schritt b) des Verfahrens die Funktionsschichten an ihren Kontaktkanten übereinander gestapelt werden.
Auf diese Weise sind die ersten Kontaktstellen in ei- nem räumlich begrenzten Bereich angeordnet. Dies erniedrigt den Aufwand und auch den Platzbedarf, welcher für die elektrischen Verbindung der Funktionsschichten notwendig ist. Diese Einheitlichkeit ermöglicht es insbesondere, eine hohe Anzahl von Funkti- onsschichten zu einem modularen mikroelektronischen Bauteil zusammenzufügen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktkante des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht gerade ist. Die übereinander gestapelten Kontaktkanten der Funktionsschichten bilden in diesem Falle eine ebene Fläche. Eine solch ebene Fläche ist für das elektrische Verbinden der ersten Kontaktstellen vorteilhafter als gekrümmte Flächen. Letzteres wäre aber prin- zipiell auch möglich.
Insbesondere können pro Funktionsschicht auch mehrere Kontaktkanten vorgesehen sein. Dies richtet sich u. a. nach der Leiterdichte. Insbesondere könnten die Träger der einzelnen Funktionsschichten rechteckför- mig sein, wobei die ersten Kontaktstellen an einer, an zwei, an drei oder an allen vier Kanten angeordnet sind. Haben die rechteckförmigen Träger unterschiedliche Größe, so bietet es sich an, die ersten Kon- taktstellen an zwei benachbarten Kanten anzuordnen. Stapelt man die einzelnen Funktionsschichten gemein- sam über der Ecke, welche zwischen den beiden Kontaktkanten liegt", so bilden" die Kohtaktkanten "zwei" ebene Flächen, die senkrecht aufeinanderstehen. Dies ermöglicht ein einfaches elektrisches Verbinden der Funktionsschichten sowie gleichzeitig auch einen robusten Aufbau.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in einem weiteren Schritt die hergestellten Funktionsschichten mit einer Vergussmasse eingegossen werden.
Durch das Eingießen kann die einzelne Funktions- schicht mechanisch stabilisiert werden. Gleichzeitig bietet die Vergussmasse auch einen Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse.
Insbesondere kann über das Eingießen der Funktions- schichten die Form der Funktionsschichten beeinflusst werden.
Es ist davon auszugehen, dass auf einem Träger einer Funktionsschicht Komponenten mit unterschiedlicher Höhe und an unterschiedlichen Orten angeordnet sind. Dies kann das Stapeln der Funktionsschichten erschweren. Durch eine Vergussmasse können allerdings solche Höhenunterschiede ausgeglichen werden. Es können Funktionsschichten erzeugt werden, welche eine planparallele Ober- und Unterfläche aufweisen. Aufgrund der ebenen Ober- und Unterflächen können die einzelnen Funktionsschichten problemlos übereinander gestapelt werden.
Die einzelnen Funktionsschichten können beispielswei- se nach Bestückung des Trägers mit den elektronischen
Komponenten und nach deren elektrischer Kontaktierung eingegossen werden. Alternativ ist es auch möglich, "die'einzelnen Funktionsschichten erst zu stapeln, und dann einzugießen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten in ihrer Höhe gedünnt werden.
Viele elektronische Bauteile, insbesondere SMD-
Bauteile, besitzen eine dicke Schutzhülle, die die eigentliche Elektronik vor äußeren Einflüssen schützt. Dies heißt aber auch, dass ein Teil der Schutzhülle entfernt werden kann, ohne dass die Funk- tion des Bauteils beeinträchtigt wird. Wird nun ein Teil der Schutzhülle der Bauteile entfernt, so verringern sich die Abmaße der elektronischen Komponenten.
Durch dieses "Dünnen" lässt sich insbesondere die Höhe einer Funktionsschicht erniedrigen. Für das gesamte Bauteil heißt dies, dass sich die Abmaße und das Gewicht verringern.
Ein Dünnen bietet sich insbesondere für den Fall an, dass die Funktionsschicht mit einer Vergussmasse eingegossen worden ist. Vergussmasse und/oder Schutzhülle der elektronischen Komponenten können in diesem Falle beispielsweise durch mechanisches Abschleifen gemeinsam gedünnt werden, wobei die Vergussmassen gleichzeitig die mechanische Stabilität der Funktionsschicht während des Schleifprozesses gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Funktionsschichten während des Stapeins oder nach dem Stapeln miteinander ver- "bunden werden, vorzugsweise durch Kleben oder Ver- guss .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten mittels einer strukturierten Metallisierung und/oder mittels einer leitfähigen Paste und/oder Verdrahtung miteinander elektrisch verbunden werden.
Eine strukturierte Metallisierung lässt sich beispielsweise dadurch erzeugen, dass auf die Fläche, die durch die Kontaktkanten der einzelnen Funktions- schichten gebildet wird, an denen die ersten Kontaktstellen liegen, eine Metallschicht aufgebracht wird, beispielsweise durch Verdampfen, und diese dann an den gewünschten Stellen entfernt wird, beispielsweise durch Ätzen oder Verdampfen, insbesondere mit einem Laser. Als leitfähige Paste kann beispielsweise Silberleitkleber verwendet werden. Die einzelnen Kontaktstellen können auch durch eine Bondstruktur miteinander verbunden werden. Drähte oder ähnliches können grundsätzlich ebenfalls eingesetzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach Stapeln der Funktions- schichten die Funktionsschichten zumindest im Bereich der Kontaktkanten mit einer Verbindungsstruktur ver- bunden werden, wobei die Verbindungsstruktur einen
Träger und eine auf die Oberfläche des Träger aufgebrachte Leiterstruktur aufweist, so dass nach Verbinden der Verbindungsstruktur mit dem Stapel der Funktionsschichten der ersten Kontaktstellen der Funkti- onsschichten über die Leiterstruktur miteinander elektrisch verbunden sind. Beispielsweise können' die" ersten Kontaktstellen" der" Funktionsschichten Löt-Bumps aufweisen, durch die durch Erhitzen eine stabile Verbindung mit der Lei- terstruktur der Verbindungsstruktur hergestellt werden kann. Alternativ sind auch andere Verbindungs- techniken, beispielsweise Verwendung leitfähiger Pasten, möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Träger ein starres Material ist, beispielsweise Keramik oder ein Epoxydharz. In diesem Falle trägt die mit den Funktionsschichten verbundene Verbindungsstruktur aufgrund des starren Trägers auch zur Stabilität des gesamten Bauteils bei. Möglich sind allerdings auch andere Arten von Trägern, beispielsweise Polymerfolien.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Verbindungsstruktur vor und/oder nach Verbinden mit dem Stapel der Funktionsschichten mit weiteren elektrischen Komponenten bestückt wird.
Aufgrund dessen, dass die einzelnen Funktionsschich- ten horizontal übereinander gestapelt werden, ist die Anordnung von Komponenten mit hohen vertikalen Abmaßen sehr ungünstig. Insbesondere solche Komponenten können vorteilhaft auf der VerbindungsStruktur angeordnet werden. Die Funktionsschichten lassen sich auf diese Weise wesentlich kompakter anordnen, die Komponente selber kann ohne wesentlich zu stören zumindest die gesamte Höhe des Stapels der Verbindungsschichten ausnutzen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht, dass die Funktion der Funktionsschichten vor dem Stapeln zumindest teilweise überprüft wird.
Zur Sicherung einer hohen Ausbeute sollten die Funktionsschichten getestet und ggf. Abstimmungs- und Entkopplungsmaßnahmen durchgeführt werden. Alle Anschlüsse zum Test sind vorteilhafterweise auf den Rand des Trägers der jeweiligen Funktionsschicht herausgeführt, um eine einfache und zuverlässige Ankon- taktierung zu gewährleisten.
Die Funktionsschichten können entweder einzeln oder zusammen mit anderen Funktionssichten getestet werden. Auf diese Weise können Wechselwirkungen zwischen einzelnen Funktionsschichten festgestellt werden und möglicherweise durch eine Umordnung der Funktions- schichten behoben werden. Da bei stark miniaturisierten Systemen die Bauelemente auf verschiedenen Funktionsschichten verteilt sein können, ist ein Test einzelner Funktionsschichten in Kombination mit be- reits getesteten Funktionsschichten sinnvoll.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funk- tionsschicht angeordnet sind.
Diese Art der Anordnung der elektronischen Komponenten ist im Hinblick auf Kompaktheit und Robustheit des modularen Bauteils optimiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht angeordnet sind.
Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt auf Modularisierung und einfache Erweiterung gelegt wird. "Die Komponenten für die gleiche 'Systemfunktion (z.B. Funkschnittstellen, Sensorik, Datenverarbeitung) werden kopiert und jeweils als Funktions- schicht (en) angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten einer Funktions- schicht einseitig oder beidseitig angeordnet sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten auf dem Träger angeordnet und/oder in dem Träger eingebettet sind.
Insbesondere durch die beidseitige Anordnung steht zum einen mehr Platz für die Leiterstruktur zur Verfügung, des Weiteren können räumliche Lücken zwischen benachbarten Funktionsschichten ausgenutzt werden. Durch die Einbettung der Komponenten in dem Träger kann die mechanische Stabilität der Funktionsschicht erhöht werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Funktionsschichten zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers angeordnete Kontaktstellen aufweisen, und durch Stapeln der Funktionsschichten zumindest teilweise die Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten elektrisch in Kontakt gebracht und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.
Beispielsweise können die inneren elektrischen Verbindungen der einzelnen Funktionsschichten über Löt- kugeln erfolgen. Alternativ können auch Verbindungs- leisten oder -rahmen vorgesehen sein, beispielsweise Durchkontaktierungen, Leiterplatten, Steckleisten o- der ähnliches. Eine weitere Möglichkeit ist es, die inneren elektrischen Verbindungen über Substrate bzw. Schaltungsträger umzusetzen. Auch über Druckkontakte können solche elektrischen Verbindungen hergestellt werden .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Träger starre Träger, vorzugswei- se aus Keramik oder aus Epoxydharz, oder flexible Träger, vorzugsweise eine Polymerfolie, verwendet werden.
Die Wahl des Trägers ist im Wesentlichen durch den Einsatzzweck vorgegeben. Wird das Bauteil bei hohen
Temperaturen eingesetzt, so bieten sich Keramikträger an. Ist ein kompakter Aufbau notwendig, welcher in den jeweiligen Funktionsschichten eine dichte Leiterstruktur erfordert, so bietet sich der Einsatz von Dünnfilm- oder Mikrofeinstleitertechnologien an. Als Standardmaterial lassen sich Träger aus Epoxydharz verwenden, die glasfaserverstärkt sein können. Für gewisse Anwendungen können auch Polymerfolien geeignet sein.
Insbesondere ist es möglich, für ein (nodulares Bauteil unterschiedlichen Arten von Trägern für die einzelnen Funktionsschichten zu verwenden. Beispielsweise könnte eine Funktionsschicht eines Bauteils aus drei Funktionsschichten einen Träger aus Silizium aufweisen, um für eine auf diesem Träger angeordnete große Anzahl von Komponenten eine dichte Leiterstruktur zu ermöglichen. Der Träger der beiden anderen Funktionsschichten könnte aus Epoxydharz bestehen, weil eine hohe Dichte der Leiterstruktur aufgrund der auf diesen Trägern angeordneten Komponenten nicht notwendig ist. In diesem Sinne lassen sich je nach Anwendungszweck verschiedene Materialien mit verschiedenen Vorteilen kombinieren.
Des Weiteren schafft die Erfindung ein modulares mikroelektronisches Bauteil mit zumindest zwei gestapelten Funktionsschichten und einer die Funktionsschichten zumindest teilweise elektrisch verbindenden Verbindungsstruktur, wobei jede einzelne Funktions- schicht einen flächigen Träger, auf dem Träger angeordnete elektronische Komponenten, eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers befindende elektrische erste Kontaktstellen aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen am Rand des Trägers verbindet, und die Träger der jeweiligen Funktionsschichten zumindest eine Kontaktkante mit einer einheitlichen Form aufweisen, an der sie übereinander liegend ge- stapelt sind, und entlang derer die ersten Kontaktstellen angeordnet sind, und die Verbindungsstruktur an einer durch die Kontaktkanten gebildeten zweiten Fläche des Stapels der Funktionsschichten angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Funktions- schichten an ihrer Oberseite und/oder an ihrer Unterseite eine ebene, zueinander parallele Fläche aufweisen, und die jeweilige Oberseite und Unterseite be- nachbarter Funktionsschichten flächig aufeinander liegen. Auf diese Weise sind die einzelnen Funktions- schichten stabil übereinander gestapelt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, dass die Funktionsschichten entlang einer gemeinsamen Bezugskante übereinander gestapelt sind, so dass erste Kontaktstellen der Funktionsschichten "rechts- und linksseitig dieser Bezugskante liegen, und mit einer ersten Verbindungsstruktur die ersten Kontaktstellen rechtsseitig der Bezugskante zumindest teilweise elektrisch verbunden sind, und mit einer zweiten Verbindungsstruktur die ersten Kontaktstellen linksseitig der Bezugskante zumindest teilweise e- lektrisch verbunden sind.
Die Begriffe „rechtsseitig" und „linksseitig" sollen nur die jeweiligen Seiten unterscheiden, sind demnach also miteinander austauschbar.
Die Bezugskante wird dabei gebildet durch die über- einander liegenden Ecken oder Eckkanten der flächigen Träger der einzelnen Funktionsschichten.
Vorteil ist, dass die einzelnen Funktionsschichten eine unterschiedliche Größe der Grundfläche ihrer flächigen Träger aufweisen können, trotzdem eine e- lektrische Verbindung der ersten Kontaktstellen miteinander einfach möglich ist. Damit können je nach Platzbedarf die Funktionsschichten mit unterschiedlichen Abmaßen ausgestattet werden, wodurch Material, Gewicht und Raum gespart werden kann. Des Weiteren ist es hierdurch möglich, Funktionseinheiten auf einer Funktionsschicht zu konzentrieren, ohne dass man dem Zwang einer einheitlichen Grundfläche einer Funktionsschicht ausgesetzt ist. Dies erleichtert insbe- sondere die Kombination einer Funktionsschicht mit anderen Funktionsschichten.
Beispielsweise können die Träger der Funktionsschichten, was bevorzugt ist, eine rechteckförmige Grund- fläche aufweisen. Stapelt man diese an genannter Ecke mit gleicher Ausrichtung der Kanten der Träger über- einander, so werden rechts- und linksseitig der Bezugskante zwei ebene Flächen gebildet, welche auf-"" grund ihrer ebenen Geometrie besonders geeignet sind für die elektrische Verbindung über die Verbindungs- Strukturen.
Vorzugsweise weisen deswegen die Träger der Funktionsschichten eine zumindest im Bereich der Bezugskanten eckige Form mit einem einheitlichen Winkel, vor- zugsweise eine rechtwinklige Form der Grundfläche auf. Des Weiteren sind die ersten Kontaktstellen vorzugsweise ausschließlich rechts- und linksseitig der Bezugskante an den einzelnen Funktionsschichten angeordnet .
Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass ermöglicht ist, die erste und zweite Verbindungs- struktur in unterschiedlicher Ausbildung zu wählen. Dies bezieht sich insbesondere auf Material und Aus- bildung des Trägers und der Leiterstruktur der jeweiligen Verbindungsstruktur. Erfordern einige elektrische Verbindungen zwischen den Funktionsschichten beispielsweise geringe HF-Verluste, so kann man die ersten Kontaktstellen dieser Verbindungen auf einer Seite, also rechtsseitig oder linksseitig der Bezugskante konzentrieren, und für den Träger der Verbindungsstruktur auf dieser Seite ein Material mit einen geeignet kleinen HF-Verlustfaktor wählen. Die anderen Verbindungen können auf die andere freie Seite durch entsprechende Anordnung der Kontaktstellen verlagert werden und dort durch eine für diese Art der Verbindungen geeignete, beispielsweise kostengünstigere, Verbindungsstruktur elektrisch verbunden werden. Ähnliches gilt insbesondere auch für die Wärmeleitfähig- keit der Verbindungsstrukturen. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, däss die erste und zweite Verbindungsstruktur sich im Material ihrer Träger unterscheiden.
Als Träger für die Verbindungsstruktur kommen verschiedene Substrate wie Dünnfilmsubstrate, beispielsweise auf Basis von Aluminium-Nitrid-Keramik oder von Silizium, Dickschichtsubstrate, beispielsweise auf der Basis von Aluminium-Nitrid-Keramik oder von AIu- minium-Oxid-Keramik, laminierte Substrate, beispielsweise auf Basis von PTFE-Harz und Keramikfüllung oder von FR4 (klassische Leiterplatte) , welche teilweise oben schon erwähnt wurden.
Des Weiteren soll an dieser Stelle auch die von den
Funktionsschichten im Bereich der ersten Kontaktstellen gebildete Außenwand als Träger aufgefasst werden für den Fall, dass die Leiterstruktur der Verbindungsstruktur direkt auf diese aufgebracht ist. In Frage kommen beispielsweise Metalldrähte (gelötet o- der gebondet) , Leitpasten oder eine Metallisierung, insbesondere laserstrukturierte Metallisierung, wobei beispielsweise durch das Material der Funktions- schichten ein Träger aus Epoxid-Harz-Verguß gebildet wird.
Durch die Möglichkeit, für erste und zweite Verbindungsstruktur unterschiedliche Materialien zu wählen, können je nach Anforderungen der Verbindungen zwi- sehen den ersten Kontaktstellen insbesondere besonders kostengünstige Materialen, auf Wärmeleitfähigkeit optimierte Materialien, auf HF-Verlust minimierte Materialien oder Materialien, die eine hohe Verdrahtungsdichte erlauben, gewählt werden und als ers- te und zweite Verbindungsstruktur je nach Anwendung geeignet miteinander kombiniert werden. Unter „Verdrahtungsdichte" soll im Folgenden die Anzahl der vertikalen elektrischen Verbindungen pro 1 mm Kantenlänge verstanden werden, wobei sich die Kan- tenlänge auf die Kanten der Funktionsschichten bei vertikaler Stapelung der Funktionsschichten bezieht. D.h., entlang eines Weges von 1 mm senkrecht zur Bezugskante und der Fläche der Leiterstruktur folgend überschreitet man bei einer Verdrahtungsdichte von 1 der Leiterstruktur genau eine elektrische Verbindung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, dass die Verdrahtungsdichte der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 10, vorzugsweise kleiner gleich 2 vertikale Leitungen pro lmm Kantenlänge ist, und die Verdrahtungsdichte der anderen Verbindungs- struktur größer gleich 5, vorzugsweise größer gleich 20 vertikale Leitungen pro lmm Kantenlänge ist.
Beispielsweise ist eine hohe Verdrahtungsdichte von größer 10 für schnelle Digitalschaltungen wie FPGA oder SRAM vorteilhaft, während bei anderen elektronischen Komponenten, z.B. seriellen Bussen, eine Verdrahtungsdichte von 5 oder kleiner ausreichend sein kann .
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, dass der Leiterquerschnitt der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 10000 μm2 ist, vorzugs- weise kleiner gleich 1000 μm2, und der Leiterquerschnitt der anderen Verbindungsstruktur größer gleich 1000 μm2, vorzugsweise größer gleich 10000 μm2 ist.
Unempfindliche Digitalleitungen können mit sehr klei- nem Querschnitt, beispielsweise < 10 μm2, verbunden werden, während einige Analogleitungen, beispielswei- se bei Funkempfängern oder einer weniger störempfindlichen Energieversorgung, mit einem deutlich größeren Querschnitt, vorteilhafterweise > 10000 μm2, angekoppelt werden muss.
Des Weiteren kann durch die dichte Anordnung von Metallflächen oder Leitern, die mit einem geringen e- lektrischen Widerstand, also mit hohem Leiterquerschnitt, mit dem Bezugspotential verbunden sind, die Empfindlichkeit gegenüber äußeren elektrischen oder magnetischen Störfeldern deutlich gesenkt werden. Beispiele, bei denen durch elektrisches Übersprechen die Signalintegrität herabgesetzt wird, wären die Verlegung einer Antennenleitung im Bereich der Ver- sorgungsleitung eines Mikrocontrollers, oder die dichte Verlegung von analogen Leitungen benachbart zu digitalen Leitungen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, dass der Verlustfaktor tan(δ) des Materials des Trägers der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 0.005, vorzugsweise kleiner gleich 0.002 ist, und der Verlustfaktor tan (δ) des Materials des Trägers der anderen Verbindungsstruktur vorzugsweise größer gleich 0.01 ist.
Höherfrequente Signale z.B. in Funkmodulen, führen bei kostengünstigen Materialien mit aber hohem Verlustfaktor (beispielsweise FR4 mit tan(δ) = 0,019) zu einem erhöhten Stromverbrauch, eventuell verbunden mit einer partiellen Erwärmung. Daher sind bei Verbindungen von HF-Signalleitungen Materialien mit geringen Verlustfaktor erwünscht, beispielsweise PTFE- Harz mit Keramikfüllung, welches einen Verlustfaktor von etwa tan(δ) = 0,001 aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Bauteils sieht vor, dass die Wärmeleitfähigkeit λ des Materials des Trägers der einen Verbindungsstruktur größer gleich 0,5 W/m/K, vorzugsweise größer gleich 10 W/m/K ist, und die Wärmeleitfähigkeit λ des Materials des Trägers der anderen Verbindungsstruktur vorzugsweise kleiner gleich 0,5 W/m/K ist.
Die Abführung von Wärme wird dann kritisch, wenn eine hohe Dichte von elektronischen Komponenten vorhanden ist, insbesondere wenn temperaturempfindliche Komponenten wie Sensoren verwendet werden. Die Verbindungsstruktur kann zur Abführung der Wärme beitragen, beispielsweise wenn als Träger Keramiken, insbesonde- re Aluminiumnitrid, eingesetzt wird, oder für die Funktionsschichten Vergussmassen mit Silikonanteil verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbei- spiele in Verbindung mit mehreren Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 die im ersten Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße mikroelektro- nische Bauteil verwendeten elektronischen Komponenten,
Figur 2 das Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform nach Schritt a) des erfin- dungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3 das Bauteil in der Testphase des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 4 das Bauteil nach Schritt b) des erfin- dungsgemäßen Verfahrens und Figur 5 das Bauteil nach Schritt c") des erfin-" dungsgemäßen Verfahrens .
Figur 6 die im zweiten Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße mikroelektronische Bauteil verwendeten elektronischen Komponenten,
Figur 7 das Bauteil gemäß der ersten Ausführungsform nach Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens ,
Figur 8 das Bauteil in der Testphase des er- findungsgemäßen Verfahrens,
Figur 9 das Bauteil nach Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 10 das Bauteil nach Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Figur 1 zeigt die im ersten Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen modularen mikroelektronischen Bauteils, hier ein Temperatursensor mit Funkübertragung, verwendeten elektronischen Komponenten .
Herzstück des Bauteils ist die Microcontrollerunit 1. Sie übernimmt die Steuerung und die Datenverarbeitung. Ein RF-Baustein 2 dient zur Kommunikation mittels Funk. Ein ID-Bauteil 3 dient zur Identifizierung des Bauteils . Zwei Quarze 4 sind zur Erzeugung einer Trägerfrequenz bzw. zur Erzeugung eines Taktes vor- handen. Zwei Temperatursensoren 5 sowie passive Elemente 8 (Widerstände, kapazitive und induktive EIe- mente) sind weitere elektronische Komponenten. Für die Versorgung der elektronischen Komponenten wird eine Batterie 9 eingesetzt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die elektronischen Komponenten zur Bildung von Funktionsschichten 12 auf Trägern 10 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden die elektronischen Komponenten drei Funktionsschichten 12a bis 12c zugeordnet (siehe hierzu schon Figur 2) .
Jede der drei Funktionsschichten 12a bis 12c weist einen flächigen, rechteckförmigen Träger 10a bis 10c auf. Entsprechend den Komponenten, die auf dem jewei- ligen Träger angeordnet werden sollen, befindet sich auf der Oberfläche sowie im Inneren des Trägers eine Leiterstruktur (nicht dargestellt) . Des Weiteren weist jeder Träger der drei Funktionsschichten 12 erste Kontaktstellen 11 auf. Diese Kontaktstellen liegen am Rand des Trägers entlang zweier benachbarter Kanten/Ränder 6a und 6b. Die einzelnen elektronischen Komponenten werden auf die vorhergesehenen Plätze des jeweiligen Trägers 10 gesetzt und mit der Leiterstruktur mittels eines Lötvorganges verbunden. Die fertigen Funktionsschichten 12a bis 12c sind in Figur 2 dargestellt.
Aufgrund der Größe der Batterie 9 lohnt es sich nicht, für diese Komponente einen Träger mit einer Leiterstruktur und ersten Kontaktstellen vorzusehen. Die Batterie 9 bildet in diesem Falle für sich alleine eine Funktionsschicht 12d.
Grundsätzlich ist es nicht notwendig, dass alle Funk- tionsschichten einen Aufbau Träger - elektronische Komponenten - Leiterstruktur - erste Kontaktstellen haben. Auch Schichten mit einem anderen Aufbau, wie "beispielsweise obige Batterie 9, "lassen sich integrieren, mit der Möglichkeit, als Unter-, Ober- oder Zwischenschicht in dem modularen Bauteil angeordnet zu sein.
Die Funktionsschichten 12a bis 12c werden mit einer Vergussmasse 15 eingegossen. Dabei werden die elektronischen Komponenten der Funktionsschichten 12a und 12b vollständig mit der Vergussmasse 15 überdeckt, so dass diese Funktionsschichten die Form eines Quaders aufweisen.
Die Funktionsschicht 12b hingegen wird nur teilweise mit Vergussmasse 15 eingegossen.
Auch die Batterie 9 bzw. die Funktionsschicht 12d könnte eingegossen werden. Dies erübrigt sich aber schon durch die Größe und der quaderförmigen Form der Batterie 9.
Durch die Vergussmasse 15 werden Funktionsschichten 12a und 12c mit planparallelen Unter- und Oberflächen erzeugt. Neben der mechanischen Stabilität, die durch das Eingießen erreicht wird, können nun in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten 12a bis 12d stabil übereinander gestapelt werden. Bei der Funktionsschicht 12b ist ein völliger Einguss nicht notwendig, weil diese Schicht die Deckschicht des Stapels bildet.
Insbesondere sind beim Eingießen der Funktionsschichten die sich am Rand befindenden ersten Kontaktstellen 11 von der Vergussmasse 15 freigehalten worden. Prinzipiell können diese Kontaktstellen durch die
Vergussmasse auch überdeckt werden, müssen aber dann nachträglich wieder freigelegt werden, wodurch ein "unnötiger, zusätzlicher" Arbeitsschritt notwendig ist.
Als Vergussmasse 15 wurde in diesem Falle ein Epoxyd- harz eingesetzt.
Nach dem Eingießen werden die Funktionsschichten 12a und 12c in ihrer Höhe gedünnt. Dazu wird die Oberfläche planparallel zur Unterfläche mechanisch abge- schliffen. Ein Teil der Schutzhülle der elektronischen Komponenten, welche sich auf diesen beiden Funktionsschichten befinden, wird durch das mechanische Schleifen entfernt.
Die Funktionsschichten werden vor dem Stapeln auf ihre Funktion überprüft. Diese Situation zeigt Figur 3.
Die für das Testen notwendigen Kontakte der jeweiligen elektronischen Komponenten sind ebenfalls an den Rand als erste Kontaktstellen 11 herausgeführt. Um die Funktionsschichten 12 zu prüfen, wird eine flexible Testplatine 13 eingesetzt. Solch eine Testplatine kann beispielsweise ein flexibles Flachbandkabel mit entsprechenden Steckern sein. Mit dieser Testpla- tine können über TestZuführungen 7 die ersten Kontaktstellen 11 der jeweiligen Funktionsschicht 12 kontaktiert werden.
Aufgrund der flexiblen Testplatine 13 und der Unter- teilung der elektronischen Komponenten in einzelne Funktionsschichten 12 können die jeweiligen Funktionsschichten 12 in verschiedenen Kombinationen sowie in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen gleichzeitig oder nacheinander getestet werden.
Figur 3 zeigt die Situation, in der die drei Funkti- onsschichten 12a, 12b und 12c in der räumlichen Anordnung' getestet "werden, in der sie zu einem späteren Zeitpunkt gestapelt werden sollen.
Nach dem Testen, welches grundsätzlich auch entfallen kann oder auf andere Art und Weise durchgeführt werden kann, werden die Funktionsschichten 12a bis 12d gestapelt. Diese Situation zeigt Figur 4.
Sämtliche Funktionsschichten werden an einer Bezugskante 16 übereinander gestapelt. An den Kanten bzw. Rändern 6a und 6b beidseitig dieser Bezugskante 16 der jeweiligen Funktionsschicht sind die ersten Kontaktstellen 11 angeordnet. Die Kontaktkanten 6a und 6b der Funktionsschichten 12 liegen somit direkt ü- bereinander .
Zwischen den einzelnen Funktionsschichten ist ein Klebstoff aufgebracht, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Epoxydharz, um die Funktionsschichten miteinander zu fixieren.
Alternativ könnten die Funktionsschichten auch kraft- schlüssig, beispielsweise mittels kleiner Schrauben, oder aber auch formschlüssig verbunden werden.
Es ist ebenfalls möglich, auf ein direktes Verkleben der einzelnen Funktionsschichten zu diesem Zeitpunkt zu verzichten. Auch nach dem Stapeln können die Funk- tionsschichten, beispielsweise mittels Eingießens, noch verbunden werden. Auch im Rahmen des elektrischen Verbindens der ersten Kontaktstellen der Funktionsschichten mit den Kontaktstellen der anderen Funktionsschichten lässt sich ein stabiler Verbund der Funktionsschichten erzeugen. Nach dem Stapeln der Funktionsschichten werden die Fünktionsschichten 12a bis 12d über die ersten Kontaktstellen 11 miteinander elektrisch verbunden. Diese Situation zeigt Figur 5.
Aufgrund der (teilweisen) Quaderform der Funktions- schichten und der Anordnung der Funktionsschichten liegen die Kontaktkanten 6a und 6b und somit die ers- ten Kontaktstellen 11 in zwei ebenen Flächen, welche aufeinander senkrecht stehen. Die Funktionsschichten 12a bis 12d werden in diesen Bereichen der Kontaktkanten 6 mit jeweils einer flächigen, ebenen Verbindungsstruktur 14 verbunden. Die Verbindungsstruktur 14 weist einen Träger und eine sich auf der Oberfläche des Trägers befindende Leiterstruktur auf. Dabei ist die Leiterstruktur an die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den ersten Kontaktstellen 11 der jeweiligen Funktionsschicht 12 angepasst.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die ersten Kontaktstellen kleine Metallhöcker auf. An diese Metallhöcker wird die Leiterstruktur der VerbindungsStruktur 14 gepresst. Durch Erhitzen verbinden sich die Löthöcker mit der Leiterstruktur der Verbindungs - struktur 14. Damit ist die elektrische Verbindung der Funktionsschichten hergestellt.
Alternativ können auch andere Verbindungstechniken, beispielsweise Verwendung leitfähiger Paste, eingesetzt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Träger der Verbindungsstruktur 14 aus einem starren Material, hier ein glasfaserverstärktes Epoxydharz. Dadurch ist zum einen die mechanische Stabilität des Stapels der Funktionsschichten 12 verbessert. Andererseits können auf diesem Träger der Verbindungsstruktur 14 insbesondere rückseitig, d.h., auf der dem Stapel der Funktionsschichten 12 abgewandten Seite der Verbin- dungsstruktur 14, weitere elektrische Komponenten angebracht werden, welche insbesondere auch mit den Funktionsschichten 12 verbunden werden können. Aufgrund der Anordnung der Verbindungsstruktur 14 relativ zu den Funktionsschichten 12 lassen sich insbe- sondere elektronische Komponenten in zu den elektronischen Komponenten der Funktionsschichten 12 senkrechter Ausrichtung anordnen. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Anordnung eines Beschleunigungssensors, kann dies äußerst vorteilhaft sein, weil auf diese Weise der Stapel der Funktionsschichten 12 kompakt gehalten werden kann.
Wie Figur 5 zeigt, ist es nicht notwendig, dass die einzelnen Funktionsschichten 12 die gleichen Abmaße haben. Ausreichend ist das Vorhandensein zumindest einer einheitlichen Kontaktkante 6. Erfindungsgemäß können somit auch Funktionsschichten mit stark abweichenden Abmaßen als Bestandteil eines modularen Bauteils verwendet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wurden die elektronischen Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe auf jeweils einer Funktionsschicht angeordnet. Dies ist an den Funktionsschichten 12a und 12b in Figur 2 gut erkennbar. Alternativ wäre es auch möglich, im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht anzuordnen. Dies ist insbesondere für den Fall interessant, dass gleiche Funktionsschichten mit jeweils anderen Funktionsschichten kombiniert werden, um verschieden modular aufgebaute mikroelektronische Bauteile herzu- stellen. Es wäre nicht mehr notwendig, für jedes neue Bauteil "einen gesamten Satz an neuen Funktioήsschich- ten herzustellen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die elektronischen Komponenten einseitig auf den Träger 10 angeordnet. Prinzipiell ist es auch möglich, die elektronischen Komponenten beidseitig anzuordnen. Die Unterseite des Trägers kann vorteilhaft für die Aufbringung einer Leiterstruktur ausgenutzt werden.
Ebenfalls ist es möglich, die elektronischen Komponenten, anstatt diese auf der Oberfläche des Trägers anzuordnen, in diesen zumindest teilweise einzubet- ten. Dies kann für die Erhöhung der mechanischen Stabilität sinnvoll sein.
Neben den ersten Kontaktstellen können die Funktions- schichten zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers angeordnete Kontaktstellen aufweisen.
Durch Stapeln der Funktionsschichten könnten vorteilhaft zumindest teilweise diese zweiten Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten elektrisch in Kontakt gebracht werden und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.
Beispiele für solche zweiten Kontaktstellen wären Durchkontaktierungen, Druckkontaktierungen oder Steckleisten.
Die Träger der Funktionsschichten 12a bis 12c bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus glasfaserverstärktem Epoxydharz, welches unter der Bezeichnung "FR4" bekannt ist. Die Leiterstruktur, welche sich auf den Trägern 10 befindet, ist aus Kupfer und wurde mittels eines Ätzr Prozesses hergestellt.
Grundsätzlich sind auch andere Trägermaterialien bzw. andere Leiterstrukturen möglich. Beispiele für andere Träger wären Keramik, Polymerfolien oder Silizium. Durch das Material der Träger ist insbesondere die Feinheit der Leiterstruktur und somit die Leiterdich- te begrenzt. Dies beschränkt folglich auch die Anzahl der elektronischen Komponenten, die auf einem Träger angeordnet werden können. Je nach Einsatzzweck und preislichem Spielraum bieten sich in der Regel verschiedene Träger, verschiedene Leiterstrukturen und verschiedene elektronische Komponenten an. Vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese in beliebiger Kombination miteinander zu verwenden.
Das fertige modulare Bauteil hat in diesem Ausfüh- rungsbeispiel eine grob quaderförmige Struktur mit den Abmessungen von etwa 7 mm x 7 mm x 7 mm. Durch die Anordnung der Komponenten und den schichtweisen Aufbau ist das Bauteil äußerst kompakt und, insbesondere durch den Einguss, sehr robust.
Erfindungsgemäß erfolgt die laterale Verbindung, d.h. innerhalb der Funktionsschichten, und die vertikale Verbindung, d.h. senkrecht zu den gestapelten Funktionsschichten, in einem sehr kleinen Volumen, was bei Verwendung von sehr geringen Trägerdicken und Dünnfilmtechnologie mit ultradünnen Kontaktierungsverfah- ren selbst bei größerem Verdrahtungsbedarf auf wenige Kubikmillimeter beschränkt werden kann. Bei den bekannten Verfahren nimmt bei Systemen unterhalb von 10 mm Kantenlänge das Volumen zur Verdrahtung einen nicht unerheblichen Anteil ein und ist stark von den Höhenunterschieden einzelner Funktionsschichten ab- " hängig aufgrund realer Biegeradien, Platz innerhalb der Funktionsschichten für Durchkontaktierungen, Verbindungsleisten oder -rahmen.
Des Weiteren kann durch den relativ geringen Gewichtsanteil der Aufbau- und Verbindungstechnik erfindungsgemäß eine deutlich höhere Robustheit erreicht werden, die selbst einen sicheren Betrieb in rauen Umgebungen mit beispielsweise hohen Beschleunigungen, beispielsweise in einem Autoreifen, erlaubt.
Die Figuren 6 bis 10 zeigen ein zweites Ausführungs- beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen modularen Bauteils.
Erstes und zweites Ausführungsbeispiel decken sich in weiten Teilen. Im Folgenden sollen deswegen nur die wesentlichen Unterschiede des zweiten und des ersten Ausführungsbeispiels genannt werden.
Figur 6 zeigt die im zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten elektronischen Komponenten. Diese entspre- chen denen des ersten Ausführungsbeispiels, siehe Figur 1.
Die elektronischen Komponenten werden analog zum ersten Ausführungsbeispiel auf flächigen Trägern 20a, 20b und 20c mit quaderförmiger Grundfläche angeordnet und miteinander über eine (hier nicht sichtbare) Leiterstruktur elektrisch verdrahtet, wodurch Funktions- schichten 22a, 22b, 22c und 22d ähnlich den Funktionsschichten 12a, 12b, 12c und 12d gebildet werden. Die für die Verbindung mit denen sich in den anderen Funktionsschichten befindenden Komponenten benötigten elektrischen Kontakte sind als erste Kontaktstellen 21 ausschließlich an den Rändern der" Träger der jeweiligen Funktionsschicht rechts- (23a) und/oder linksseitig (22a) einer Eckkante angeordnet. Bei der Batterie 9 sind die ersten Kontaktstellen direkt auf die randseitige Außenfläche aufgebracht.
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel in der Anord- nung der ersten Kontaktstellen 21. So sind in diesem Falle sechs digitale Leitungen zwischen Datenverarbeitung und Funkmodul sowie drei digitale und drei analoge Leitungen zwischen Datenverarbeitung und Sensorinterface vorgesehen, deren zugehörige erste Kon- taktstellen am Rand der Funktionsschichten rechtsseitig der genannten Eckkante der Funktionsschicht 22a, 22b und 22c angeordnet sind, und zwei Leitungen für die Stromversorgung, deren zugehörige Kontaktstellen am Rand der Funktionsschichten 22a, 22b, 22c und 22d linksseitig der genannten Eckkante angeordnet sind.
Figur 8 zeigt den Verfahrenschritt der Funktionsüberprüfung der einzelnen Funktionsschichten 22a, 22b und 22c analog des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie Figur 9 zeigt, werden die Funktionsschichten dann übereinander gestapelt, so dass die genannten Eckkanten der Funktionsschichten entlang einer gemeinsamen Bezugskante 26 übereinander liegen und sich die Rän- der der Funktionsschichten und somit auch die ersten
Kontaktstellen 21 linksseitig und rechtsseitig der Bezugskanten 26 in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen befinden.
Danach wird dieser Stapel mit einer Gussmasse aus E- poxid-Harz im Zwischenbereich der außen liegenden Funktionsschichten 22b und 22d vergossen, so dass rechts- und linksseitig der Bezugskante 26 eine im Bereich der ersten Kontaktstellen geschlossene, ebene Oberfläche 25 entsteht.
Die linksseitig der Bezugskante 26 liegenden ersten Kontaktstellen für die Energieversorgung werden mit einer ersten Verbindungsstruktur 24b kontaktiert, hier über eine Leitpaste aus Leitsilber, die mit ei- nem Leiterquerschnitt von 0,4mm2 auf die durch Ränder der Funktionsschichten und Vergussmasse gebildete e- bene Außenfläche des Stapel aufgetragen wird. Durch den erhöhten Querschnitt der Verbindungen können Störungen gut abgeleitet werden. Die Verdrahtungsdichte ist in diesem Falle 2. Die Vergussmasse weist eine Keramikfüllung auf, wodurch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit von 5W/m/K erreicht wird. Der Verlustfaktor tan(δ) dieses Trägers beträgt etwa 0.02.
Die rechtsseitig der Bezugskante 26 liegenden ersten Kontaktstellen werden mit einer zweiten Verbindungsstruktur 24a kontaktiert. Die zweite Verbindungsstruktur 24a ist auf geringe HF-Verluste mit einem tan(δ) von etwa 0.0013 ausgelegt und weist in diesem Falle einen Träger aus PTFE und Keramikfüllung auf mit einseitig darauf angeordneten Leiterzügen aus Kupfer mit einem Leiterquerschnitt von 250μm2, wodurch eine Verdrahtungsdichte von 10 Leitungen pro Millimeter erreicht wird. Die Wärmeleitfähigkeit die- ses Trägers liegt bei etwa 0,5W/m/K.
Für besonders temperaturempfindliche Module kann zur besseren Wärmeableitung alternativ als Träger der Verbindungsstruktur eine Keramik verwendet werden, beispielsweise eine Aluminium-Nitrid-Keramik, mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer gleich 10 W/m/K.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines modularen mikroelektronischen Bauteils mit den Schritten: a) Herstellen zumindest zweier Funktionsschich- ten (12, 22) , wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger (10, 20), auf dem Träger (10, 20) angeordnete elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers (10, 20) befin- dende elektrische erste Kontaktstellen (11, 21) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teilweise mit den ersten Kontaktstellen (11, 21) am Rand des Trägers (10, 20) verbunden ist; b) Schichtweises Übereinanderlegen der Funktionsschichten (12, 22); c) Elektrisches Verbinden der Funktionsschichten (12, 22) über die ersten Kontaktstellen (11, 21) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) des Verfahrens die Träger (10, 20) der jeweiligen Funktionsschichten (12, 22) zumindest eine Kontaktkante (6) mit ei- ner einheitlichen Form aufweisen und entlang dieser Kontaktkante (6) die ersten Kontaktstellen (11, 21) angeordnet sind, und dass in Schritt b) des Verfahrens die Funktionsschichten (12, 22) an ihren Kontaktkanten (6) übereinander gestapelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) des Verfahrens die Kontaktkante (6) des Trägers (10, 20) einer Funktionsschicht (12, 22) gerade ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die hergestellten Funktionsschichten (12, 22) mit einer Vergussmasse (15) eingegossen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die einzelnen Funktionsschichten (12, 22) in ihrer Höhe gedünnt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dass die Funktionsschichten (12, 22) während des Stapeins oder nach dem Stapeln miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch Kleben oder Verguss .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Kontaktstellen (11, 21) der Funktionsschichten (12, 22) mittels einer strukturierten Metallisierung und/oder mittels einer leitfähigen Paste und/oder Verdrahtung miteinander elektrisch ver- bunden werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Stapeln der Funktionsschichten (12, 22) die Funktions- schichten (12, 22) zumindest im Bereich der Kon- taktkanten (6) mit einer Verbindungsstruktur
(14, 24a, 24b) verbunden werden, wobei die Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) einen Träger und eine auf die Oberfläche des Trägers aufge- brachte Leiterstruktur aufweist, so dass nach Verbinden der Verbindungsstruktur (14, 24a, ~24b) mit dem Stapel der Funktionsschichten (12, 22) die ersten Kontaktstellen (11, 21) der Funkti- onsschichten (12, 22) über die Leiterstruktur miteinander elektrisch verbunden sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) vor und/oder nach Verbinden mit dem Stapel der Funktionsschichten (12, 22) mit weiteren elektronischen Komponenten bestückt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Funktionsschichten (12, 22) vor dem Stapeln zumindest teilweise überprüft wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht (12, 22) angeordnet sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im funktionellen Zusammenhang stehende Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise in jeweils einer Funktionsschicht (12, 22) angeordnet sind.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) einer Funktionsschicht (12, 22) einseitig oder beidseitig angeordnet sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponen- ten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) auf dem Träger (10, 2θT angeordnet und/oder in deΕ~Träger~~(Ϊ0~ 20) eingebettet sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktions- schichten (12, 22) zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers (10, 20) angeordnete Kontaktstellen aufweisen, und durch Stapeln der Funktionsschichten (12, 22) zumindest teilweise die Kontaktstellen verschiedener Funktionsschichten (12, 22) elektrisch verbunden werden und/oder nach dem Stapeln der Funktionsschichten (12, 22) die zweiten Kontaktstellen zumindest teilweise elektrisch verbunden werden.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (10, 20) starre Träger, vorzugsweise aus Keramik, Silizium oder aus Epoxidharz, oder flexible Träger, vorzugsweise eine Polymerfolie, verwen- det werden.
17. Modulares mikroelektronisches Bauteil mit zumindest zwei schichtweise übereinanderliegenden Funktionsschichten (12, 22) und einer die Funktionsschichten (12, 22) zumindest teilweise e- lektrisch verbindenden Verbindungsstruktur (14,
24a, 24b) , wobei jede einzelne Funktionsschicht einen flächigen Träger (10, 20) , auf dem Träger (10, 20) angeordnete elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), eine Leiterstruktur und sich am Rand des Trägers (10, 20) befindende e- lektrische erste Kontaktstellen (11, 21) aufweist, wobei die Leiterstruktur die elektronischen Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise kontaktiert und zumindest teil- weise mit den ersten Kontaktstellen (11, 21) am
Rand des Trägers (10, 20) verbindet, und die Träger (10, 20) der jeweiligen Funktionsschichten (12, 22) zumindest eine Kontaktkante (6) mit einer einheitlichen Form aufweisen, an der sie übereinander liegend gestapelt sind, und entlang derer die ersten Kontaktstellen (11, 21) angeordnet sind, und die Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) an einer durch die Kontaktkanten ge- bildeten Seitenfläche des Stapels der Funktionsschichten (12, 22) angeordnet ist.
18. Bauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12, 22) an ihrer Oberseite und/oder an ihrer Unterseite ebe- ne, zueinander parallele Flächen aufweisen, und die jeweilige Oberseite und Unterseite benachbarter Funktionsschichten (12, 22) flächig aufeinander liegen.
19. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 18, da- durch gekennzeichnet, dass Funktionsschichten
(12, 22) zumindest bereichsweise mit einer Vergussmasse (15) eingegossen sind.
20. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschich- ten (12, 22) eine rechteckige Grundfläche aufweisen, vorzugsweise quaderförmig sind.
21. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die VerbindungsStruktur (14, 24a, 24b) eine strukturierte Metalli- sierung und/oder eine leitfähigen Paste und/oder eine Verdrahtung aufweist.
22. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruk- tur (14, 24a, 24b) einen Träger und eine auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachte Leiterstruktur aufweist, wobei die Leiterstruktur zumindest teilweise die Funktionsschichten (12, 22) über die ersten Kontaktstellen (11, 21) miteinander elektrisch verbindet.
23. Bauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger der Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) weitere Komponenten, insbesondere elektronische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9), angeordnet sind, vorzugsweise auf der dem Stapel der Funktionsschichten (12, 22) abgewandten Seite.
24. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 23, da- durch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12, 22) zumindest teilweise zweite, im Innenbereich des Trägers (10, 20) angeordnete Kontaktstellen aufweisen, mittels derer die Funktionsschichten (12, 22) im Innenbereich miteinan- der elektrisch verbunden sind.
25. Bauteil nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kontaktstellen Durchkon- taktierungen, Druckkontakte und/oder Steckleisten sind.
26. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten (12, 22) miteinander verklebt und/oder miteinander vergossen sind.
27. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 26, da- durch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1,
2, 3, 4, 5, 8, 9) einer Funktionsschicht (12, 22) einseitig oder beidseitig angeordnet sind.
28. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (17 2, 3, 4, 5, 8, 9) auf dem Träger (10, 20) angeordnet und/oder in dem Träger (10, 20) eingebet- tet sind.
29. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) mit zumindest ähnlicher Höhe zumindest teilweise auf jeweils einer Funktions- Schicht (12, 22) angeordnet sind.
30. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass im funktionellem Zusammenhang stehende Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 8, 9) zumindest teilweise auf jeweils einer Funktionsschicht (12, 22) angeordnet sind.
31. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10, 20) ein starrer Träger ist, vorzugsweise aus Keramik, Silizium oder aus Epoxidharz, oder ein fle- xibler Träger ist, vorzugsweise eine Polymerfolie.
32. Bauteil nach einem der Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschichten entlang einer gemeinsamen Bezugskante (16, 26) übereinander gestapelt sind, so dass erste
Kontaktstellen der Funktionsschichten rechts- (6a, 23a) und linksseitig (6b, 23b) dieser Bezugskante (16, 26) liegen, und mit einer ersten Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) die ersten Kontaktstellen rechtsseitig (6a) der Bezugskante zumindest teilweise elektrisch verbunden sind, und mit einer zweiten Verbindungsstruktur (14, 24a, 24b) die ersten Kontaktstellen linksseitig (6b, 23b) der Bezugskante zumindest teilweise elektrisch verbunden sind.
33. Bauteil nach Anspruch 32 in Verbindung mit Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die ers- te und zweite Verbindungsstruktur (24a, 24b) sich im Material ihrer Träger unterscheiden.
34. Bauteil nach einem der Ansprüche 32 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrahtungsdichte der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 10, vorzugsweise kleiner gleich 2 vertikale Leitungen pro lmm Kantenlänge ist, und die Verdrahtungsdichte der anderen Verbindungsstruktur größer gleich 5, vorzugsweise größer gleich 20 vertikale Leitungen pro lmm Kantenlänge ist.
35. Bauteil nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterquerschnitt der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 10000 μm2 ist, vorzugsweise kleiner gleich 1000 μm2, und der Leiterquerschnitt der anderen Ver- bindungsstruktur größer gleich 1000 μm2 ist, vorzugsweise größer gleich 10000 μm2.
36. Bauteil nach einem der Ansprüche 32 bis 35 in
Verbindung mit Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlustfaktor tan(δ) des Materials des Trägers der einen Verbindungsstruktur kleiner gleich 0.005, vorzugsweise kleiner gleich 0.002 ist, und der Verlustfaktor tan (δ) des Materials des Trägers der anderen Verbindungsstruktur vorzugsweise größer gleich 0.01 ist.
37. Bauteil nach einem der Ansprüche 32 bis 36 in
Verbindung mit Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit λ des Materials des Trägers der einen Verbindungsstruktur größer gleich 0,5 W/m/K, vorzugsweise größer gleich 10 W/m/K ist, und die WärmeleitfähigkeitT λ des Materials des Trägers der anderen Verbindungs- struktur vorzugsweise kleiner gleich 0,5 W/m/K ist.
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