WO2020127942A1 - Method for encapsulating at least one carrier substrate; electronic module and mold for encapsulating a carrier substrate - Google Patents

Method for encapsulating at least one carrier substrate; electronic module and mold for encapsulating a carrier substrate Download PDF

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WO2020127942A1
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cavity
electronic
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Stefan Britting
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Definitions

  • the present invention relates to a method for encapsulating at least one carrier substrate, an electronic module and a tool for encapsulating a carrier substrate.
  • Electronic modules are well known from the prior art, for example as power electronic modules. Such electronic modules typically use switchable or controllable electronic components which are interconnected on a common metal-ceramic substrate via interconnects.
  • Essential components of the carrier substrate are an insulation layer which, in the case of the carrier substrate, is made of a material comprising a ceramic, and a metallization layer, which is preferably structured to form conductor tracks and is formed on a component side of the carrier substrate.
  • the carrier substrate is first equipped with electronic components and then an encapsulation of the loaded carrier substrate is realized in such a way that a solid, ie essentially cavity-free, encapsulation is realized, which is in direct contact with the loaded carrier substrate and at least partially surrounds it.
  • a metallization is provided on the outside of the encapsulation formed, with which the electronic components on the carrier substrate can be controlled or can be supplied with a required operating voltage.
  • the encapsulated electronic component is in an electrically conductive connection with the metallization on the outside of the encapsulation.
  • a via is typically provided for this purpose, which is usually embedded in the encapsulation, for example through bores, after the encapsulation.
  • the plated-through hole is preferably formed by a laser hole in the encapsulation with a subsequent filling of the formed laser hole with a conductive material.
  • the formation of the laser bore has proven to be challenging in that a defined length of the laser bore can only be checked with difficulty or only with great effort.
  • height irregularities due to manufacturing tolerances on the top of the encapsulation and / or the loaded carrier substrate can only be insufficiently taken into account.
  • there is a risk in the production of the encapsulated carrier substrates that too much material will be removed during the laser drilling. This can endanger the functionality of the connection to be exposed.
  • a method is also known from the prior art in which a carrier element equipped with a semiconductor is clamped in a cast housing formed from a first and a second tool half, so that in a closed state of the cast housing, a cavity is formed around the carrier element trains.
  • a stamp element is also provided which is, for example, slidably mounted in the first half of the tool. This stamp element can be moved into the cavity before the filling of the cavity in such a way that the stamp element comes into contact with the electronic component or strikes the electronic component. When the cavity is subsequently filled, the area in which the stamp element was placed during the filling remains free of material. This method is described, for example, in EP 2 954 550 B1.
  • JP H01 91 444 A discloses a method for producing a multilayer printed circuit board.
  • elements are introduced into a mold in order to encapsulate a substrate produced in a previous fueling process with a further circuit board layer by means of a spraying process.
  • a method for encapsulating at least one carrier substrate, in particular a carrier substrate equipped with at least one electronic element comprising
  • an area which is provided for forming an electrically conductive connection is kept free or free by means of the stamp element, so that after the filling of the cavity and the resulting formation of the encapsulation, a channel is provided which can advantageously be filled in such a way that an electrically conductive connection to the outside of the encapsulation can be established.
  • the exempted area for forming a via can be filled with an electrically conductive material after the encapsulation has hardened.
  • this type of encapsulation can be used for a carrier substrate and that vias can be formed in this way.
  • the at least one carrier substrate is embedded in the encapsulation with the at least one electronic element.
  • “Embedding” or “being embedded” is to be understood in particular to mean an immediate bordering of the encapsulation or of the encapsulation material, which preferably consists of a plastic, on an outside of the at least one carrier substrate, i. H. the encapsulation lies at least in some areas directly on the carrier substrate and no clear area or cavity is formed between the carrier substrate equipped with the electronic elements and the encapsulation.
  • the encapsulation does not have to encase or surround the at least one carrier substrate on all sides. It is also provided that the encapsulation is solid, ie free of cavities.
  • connections such as, for example, a source, a gate and / or a drain connection
  • the electrically conductive connection produced from the outside of the encapsulation are contacted with the electrically conductive connection produced from the outside of the encapsulation .
  • the carrier substrate is particularly preferably a metal-ceramic substrate, the insulation layer of which is made of a ceramic and on the outside of which a metallization, in particular produced by an AMB or DCB method, is formed.
  • the insulation layer is made from an organic material, for example a filler being added to the organic material.
  • the stamp element is arranged above an electronic element and / or an upper side of the carrier substrate.
  • the stamp element is particularly preferably in contact with an upper side of the electronic element and / or the upper side of the carrier substrate during filling.
  • a distance dimensioned perpendicular to a main extension plane of the carrier substrate between a further metallization layer formed on the outer side of the encapsulation and the metalization layer on the carrier substrate is less than 5 mm, preferably less than 2.5 mm, and particularly preferably less is less than 1 mm to less than 400 pm, for example about 300 pm, that is to say as small as possible. It is particularly preferred that the distance be less than 200 pm or 100 pm. It it is particularly preferably conceivable that the distance measures between 100 and 200 gm. Correspondingly, in a direction perpendicular to the main plane of extension, there is a very short distance between the electronic element on the carrier substrate or its contact surfaces or points and the encapsulated carrier substrate on the outside.
  • plated-through holes are embedded in the encapsulation, for example in the manufactured electronic module.
  • the plated-through holes can be mechanically and / or galvanically mixed using a paste, a gas phase deposition, a screen printing process, a 3D printing process.
  • Switchable components or active components are preferably to be understood as electronic elements.
  • the at least one electronic element is one with a WBG semiconductor (wide bandgap semiconductors), such as, for. B. a semiconductor made of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, or silicon semiconductor element.
  • WBG semiconductor wide bandgap semiconductors
  • Examples of an electronic component are MOSFETs (“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”) or IGBTs (“insulated-gate bipolar transistor”).
  • the electronic elements can also be combined as a pre-composite or “prepackaging”. In such a preliminary bundle, one or more electronic elements are arranged, for example, on a printed circuit board and embedded in a matrix.
  • a preliminary bundle can be found in the document DE 10 2014 117 086 A1 as a redistribution structure in which an electronic element is integrated in a dielectric matrix. Reference is hereby explicitly made to the disclosure content of DE 10 2014 117 086 A1 with regard to the preliminary network or the redistribution structure. Further examples of a preliminary network, to which explicit reference is made, can be found in the articles “Development of Embedded Power Electronics Modules for Automotive Applications” by L. Boettcher et al. and "Embedding of Power Semiconductors for Alternative Packages and Modules" by L. Boettcher et al. to find.
  • the further metallization layer on the outside of the encapsulation or the metallization layer of the carrier substrate copper, aluminum, molybdenum and / or their alloys, and laminates such as CuW, CuMo, CuAI, AICu and / or CuCu, in particular a copper sandwich structure with a first copper layer and a second copper layer, a grain size in the first copper layer being different from a second copper layer.
  • the metallization layer on the outside and / or the metallization layer of the carrier substrate are surface-modified.
  • a surface modification is, for example, a sealing with a precious metal, in particular silver and / or gold, or ENIG
  • Electroless nods immersion gold or an edge grouting on the first or second metallization layer to suppress crack formation or expansion.
  • the further metallization layer is structured on the outside of the encapsulation and / or on the manufactured electrical module, the electronics elements on the carrier substrate can be controlled via the plated-through holes by further electronic elements on the outside of the encapsulation.
  • the at least one carrier substrate has three or five layers. Due to the multi-layer design, it is advantageously possible to use comparatively thick metallic intermediate layers, while a plurality of ceramic layers are used for stabilization. As a result, the thermal resistance can be reduced and a targeted heat spread can be set. In particular, it is provided that the layer thickness of the ceramic insulation layer is adapted to the required insulation strength.
  • the at least one carrier substrate has a cooling structure on its side opposite the component side, the electronics module preferably having a sealing element and / or sealing material, for. B. has a silicone for a fluid-tight connection to a fluid cooling device.
  • the cooling structure is advantageously integrated into the carrier substrate and is not enclosed by the encapsulation, ie it is exposed. The integration allows little effort when installing the electronics module, since advantageously an additional step in which one Base plate and / or a cooler is connected to the carrier substrate, for example soldered, sintered and / or jammed, can be omitted.
  • the fluid cooling device is used, in particular, for bringing up and removing a cooling fluid, in particular a cooling liquid.
  • the cooling structure comprises fins that protrude into a channel formed by the cooling structure and the fluid cooling device.
  • a sealing element is preferably provided, which is integrated in the electronics module and which is essentially arranged at the level of the cooling structure, as seen in the stacking direction.
  • the sealing element is preferably ring-shaped or in the form of a bead and preferably runs around the cooling structure, in particular the fins of the cooling structure.
  • the sealing element is preferably arranged on the encapsulation, for example in a groove provided for this purpose.
  • the insulation layer is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each of which differ in terms of their material composition, are arranged one above the other and combined to form an insulation layer in order to combine different desired properties.
  • a highly thermally conductive ceramic is used for the lowest possible heat resistance.
  • the carrier substrate has a primary layer, a secondary layer and a metallic intermediate layer arranged between the primary layer and the secondary layer, in particular as an electronic return conductor, the intermediate layer preferably is thicker than the primary layer and / or the secondary layer and / or thicker than 1 mm, preferably thicker than 1.5 and particularly preferably thicker than 2.5 mm.
  • Such thick metallic interlayers advantageously act as temporary storage and thus improve the thermal impedance Zth.
  • the thickness un supports in particular the heat spread during heat removal, in which the heat is conducted from the component side via the carrier substrate to a side of the carrier substrate opposite the component side.
  • the intermediate layer is configured in one layer or in one piece.
  • the intermediate layer can preferably serve as an electrical return conductor in that an additional plated-through hole is embedded in the primary layer, so that not only the first metallization layer can be used for current conduction, but also the metallic intermediate layer.
  • the primary layer and / or the secondary layer are made of ceramic.
  • the carrier substrate with the primary layer, the secondary layer and the metallic intermediate layer is composed of five or more layers as a structure.
  • the five-layer structure that two metallic intermediate layers are present between the primary layer and the secondary layer, a tertiary layer being arranged between the two metallic intermediate layers.
  • At least two layers preferably have a comparatively high modulus of elasticity.
  • the primary layer, the secondary layer and / or the tertiary layer are preferably made from a material comprising ceramic, for example from one of the ceramics mentioned above. This allows the desired requirements for insulation strength to be realized in an advantageous manner. But it is also conceivable that the secondary layer and / or tertiary layer do not consist of a ceramic Material are made, since they essentially serve to stiffen the support substrate and do not contribute to the insulation. For example, it would be conceivable to use molybdenum and / or tungsten instead of a ceramic.
  • the first tool half, the second tool half and / or the at least one stamp element are designed in such a way that they have shaping bevels which allow the encapsulated carrier substrate to be easily removed after the filling and curing of the material for the encapsulation .
  • an inside of the first tool half, an inside of the second tool side and / or the part of the at least one stamping element protruding into the cavity are covered with a film or a film which prevents the manufactured encapsulation adheres to the first tool half, the second tool half and / or the at least one stamp element during demolding.
  • a film or such a film represents an object of wear with which the first tool half and / or the second tool half is preferably covered again for each encapsulation.
  • the method to fix the carrier substrate in the cavity before filling it, for example to clamp it.
  • the carrier substrate is clamped between the first tool half and the second tool half and / or between the at least one stamping element and the first or the second tool half.
  • the first tool half and / or a second tool half have a receptacle on their inside in which the carrier substrate can be inserted and in which the carrier substrate, for example in a direction running parallel to the main extension plane, with the first and / and / or the second half of the tool.
  • the at least one stamp element is structured on its side facing the carrier substrate, in particular with at least one recess or elevation, with at least one contact element on the electronic element and / or the electronic element when filling the cavity partially, before completely, is arranged within the recess.
  • the contact elements and / or the electronic element can advantageously be protected from the filling material, in particular a plastic, when filling the cavity, which is conducted into the cavity during filling.
  • the contact element and / or the electronic element are arranged in the recess or elevation in such a way that no pressure exerted by the stem element acts on them, so that advantageously no damage to the electronic element can be expected during the Filling takes place.
  • the recess is dimensioned and arranged in such a way that the received contact element and / or the received electronic element is arranged in contact-free manner with the stamp element within the recess.
  • the stamp element is permitted on its underside with a deformable material, such as a rubber material, which deforms accordingly when it is in contact with the contact element or the electronic element and, for example, form-fittingly around the contact element or the electronic element sets.
  • the contact elements are already connected to the upper side of the carrier substrate before the cavity is filled.
  • the contact element can thereby be arranged or its end arranged where a simple or expedient access for the electrical, conductive connection to the outside of the encapsulation can be realized.
  • at least part of the stamp element, in particular as a contact element is at least partially left in the encapsulation produced. For example, the entire stamp element is left in the encapsulation and later forms the via or part of the via.
  • the stamp element to include, for example in its interior, the subsequent through-plating and to leave it after the hardening or the formation of the encapsulation within the encapsulation.
  • the stamp element or part of the stamp element thus becomes a sacrificial part, which is built into the encapsulated carrier substrate during the manufacturing process.
  • To connect the sacrificial part to the contact of the electronic module it can be attached to the contact in an electrically conductive manner, for example by means of ultrasound or friction welding or soldering. This welding or soldering operation can take place through or over the stamp element.
  • a base element is arranged in the cavity during the filling, a further carrier substrate and / or a further electronic element and / or an intermediate metallization, preferably a central intermediate metalization, being arranged on the base element.
  • carrier substrates, intermediate metalization and / or electronic elements can be optimally arranged and aligned three-dimensionally within the encapsulation.
  • a contact element is formed on the base element, for. B.
  • the stamp element is mounted obliquely displaceably or pivotably with respect to a direction extending perpendicular to a main plane of extent of the carrier substrate.
  • These obliquely extending through-contacts are particularly advantageous if it is provided that the metallization layer on the outside of the encapsulation should be laterally offset from the metallization layer on the encapsulated carrier substrate and / or the electronic element. It is provided that the stamp element is moved back out of the cavity after the encapsulation has hardened and before the cavity is opened.
  • an inclination direction of the obliquely slidably mounted stamp element is inclined by an angle with respect to the direction running perpendicular to the main extension plane, which angle has a value between 5 ° and 65 °, preferably between 10 ° and 45 ° and particularly preferably between 15 ° and 30 °. This makes it particularly expedient to implement oblique through-contacts.
  • the method further comprises:
  • stamp element or at least one further stamp element which is preferably displaceably mounted in the further first tool half or the second or further second tool half, into the cavity;
  • the at least one stamp element and / or the at least one further stamp element is arranged in a fixed position during the filling of the cavity. That is, the at least one stamp element and the at least one further stamp element are not moved during the filling. This can ensure that a corresponding passage can be provided for a via.
  • the at least one stamp element or the at least one further stamp element bears against the carrier element, the contact element and / or the electronic element during the filling, in particular during the entire duration of the filling, i. H. the at least one stamp element or the at least one further stamp element contacts the carrier element, the contact element and / or the electronic element.
  • the at least one stamp element and / or the at least one further stamp element is fixed during the filling, for example by means of a fixing means on the first tool half and / or the second half of the tool is fixed to ensure that the stamping element is not moved or moved by the incoming material for backfilling.
  • the first tool half and / or the second tool half are designed such that a structuring and / or at least a recess is realized on the outside in the encapsulation produced.
  • This advantageously makes it possible, for example, to structure the outside of the encapsulation in such a way that the further metallizations can be arranged therein.
  • the structuring on the outside of the encapsulation leaves space for the conductor tracks and the further metallization on the outside of the encapsulation.
  • the further metallization on the outside of the encapsulation and the encapsulation on the outside to be flush with one another toward the outside.
  • the recess is dimensioned in such a way that in this recess there was a resistance and / or a capacitor, for example an RC element, so that such a design of the outside of the encapsulation has a flat end on the outside of the encapsulation enables.
  • the outside of the encapsulation offers no projections or the like. but all electronic components, in particular including the additional metallization layer integrated into the outside, are placed lower so that a smooth outer surface is formed on the encapsulation. It is also conceivable that the outside of the encapsulation protrudes on the outside relative to the further metallization layer that is lowered.
  • a recess or recess is realized by means of the stamp element, into which an RC element is integrated, so that the RC element is no longer necessarily on the outside of the encapsulation, in particular projecting from the Outside of the encapsulation, must be realized.
  • Another object of the present invention is an electronics module, made with the inventive method. All features and advantages described for the process apply analogously to the electronic module and vice versa.
  • Another object is a tool with a first tool half, a second tool half and a stamp element for a method according to the invention. All features and advantages described for the electronic module and the process apply in an analogous manner to the tool.
  • FIGS. 1a and 1b show a method according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the method is used to form an electrical module 100, in particular a power module.
  • Essential components of such an electronic module 100 are a carrier substrate 10 and an encapsulation 8, wherein the carrier substrate 10 is at least partially embedded in the encapsulation 8, ie the carrier substrate 10 is at least partially encapsulated in the encapsulation 8.
  • the carrier substrate 10 has a component side 25 with a component-side metallization layer, where in this metallization layer to form conductor tracks or connection pads z.
  • B. is structured (not shown).
  • the electronic elements 5 are connected, which are preferably connected to each other to form at least part of an electronic circuit.
  • the electronic elements include 5 semiconductors, in particular WBG semiconductors (wide bandgap semiconductors), such as.
  • WBG semiconductors wide bandgap semiconductors
  • B a semiconductor of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, de ren band gap between a valence band and a conduction band between 2 eV and 4 eV or above.
  • the electronics module 100 is a power electronics module and is used, for example, to convert electrical energy using switching electronic elements 5.
  • the electronic module 100 as a DC converter, converter and / or frequency converter in the field of electronic drive technology, in particular in the field of e-mobility, as a solar inverter and / or converter for wind turbines were used to feed regeneratively generated energy or as a switching power supply or DC -DC converter is used.
  • a further metallization layer (not shown), in particular as a connection, for at least one further electronic component and / or contact points (not shown) is provided on the outer side A of the encapsulation 8.
  • the further metallization layer is preferably also structured.
  • the further electronic element 5 is a control element, such as. B. a gate driver, an intermediate capacitor, a load connection, a connection for energy supply and / or the like.
  • an electrically conductive connection is particularly provided, which preferably extends through the encapsulation 8 or extends within the encapsulation 8 .
  • Such an electrically conductive connection is preferably implemented as a contact 16.
  • a corresponding recess in the encapsulation 8, i.e. during the encapsulation process is realized. It is particularly preferably provided that at least one carrier substrate 10 is positioned between a first tool half 11 and a second tool half 12 to form the encapsulation 8.
  • the at least one carrier substrate 10 is clamped in the first tool half 11 or in the second tool half 12 or fixed by the first tool half 11 and / or the second tool half 12.
  • the carrier substrate 10 is positioned in a receptacle on the inside of the second tool half 12, so that the carrier substrate 10 does not slip when the encapsulation 8 is filled or formed.
  • the second tool half 12 preferably interacts with the carrier substrate 10 in a form-fitting manner in a direction running parallel to the main extension plane HSE.
  • the first tool half 11 and the second tool half 12 form a cavity 7, which at least partially surrounds the carrier substrate 10.
  • a material in particular a castable plastic, and then curing the material, a corresponding encapsulation 8 in the form of the cavity 7 can then be formed around the carrier substrate 10.
  • a stamp element 13 is embedded in the first tool half 11 and / or second tool half 12.
  • This stamp element 13 is preferably designed such that it is slidably mounted in the first tool half 11 and / or second tool half 12. As a result, it is advantageously possible to insert the stamp element 13 into the cavity 7, so that during the filling only the cavity 7 reduced by the part of the at least one stamp element 13 that has been introduced is filled.
  • the part of the cavity 7, in which the stem element 13 is arranged during the filling of the cavity 7, remains free of the material of the encapsulation 8 and forms the recess which will later be used to form the via 16.
  • the use of such a stem element 13 proves to be advantageous in particular because it enables ge to compensate for height differences or tolerances in the height of the carrier substrate 10 equipped with the electronic element 5.
  • the stamp element 13 is preferably inserted far enough into the cavity 7 until it comes into contact with the upper side of the electronic element 5 and / or with a metallization on a component side 25 of the carrier substrate 10.
  • the embodiment shown in FIG it is particularly preferred to see that the stamp element 13 is slidably mounted in the first tool half 11 in such a way that the stamp element 13 runs obliquely or is aligned with respect to a direction perpendicular to the main extension plane HSE.
  • the part of the stamp element 13 introduced into the cavity 7 extends obliquely to a direction running perpendicular to the main extension plane HSE.
  • an angle W between a longitudinal extension of the stamp element ment 13 and the direction perpendicular to the main plane HSE Rich direction forms, the angle W assumes a value between 5 ° and 65 °, preferably between 10 ° and 45 °, and particularly preferably between 15 ° and 30 °.
  • the stamp element 13 is first removed before the molded or formed electronics module 100 with the encapsulated carrier substrate 10 from the first tool half 11 and / or Two tool half 12 is formed after in turn the first tool half 11 and the second tool half 12 are transferred from a closed state to an open state.
  • a through-connection 16 is formed, as is shown, for example, in FIG. 1b, which is in particular formed obliquely to a direction running perpendicular to the main extension plane HSE .
  • One end of the via 16 contacts an upper side of the electronic element 5, and the other side of the via 16 is in an electrically conductive contact with the further metallization layer on the outside A of the encapsulation 8.
  • the via 16 extends to the outside A of the Encapsulation 8.
  • the top of an electronics element 5 is understood by the person skilled in the art in particular to be the side which is arranged opposite the carrier substrate 10 in the electronics module 100. Due to the formation of an oblique through-contact 16, it is advantageously possible to laterally offset the further metallization layer on the outside A of the encapsulation 8 relative to the connections on the top of the electronics element 5.
  • FIGS. 2a to 2c show a second, exemplary embodiment of the present invention, in which provision is made in particular to successively carry out the process for encapsulating and forming vias by means of a stamp element 13 in order to realize a three-dimensional conductor structure.
  • a recess is kept free, which later serves as a via 16 to the electronic element 5 on the carrier substrate 10.
  • a further metallization 18 is integrally formed on or formed on the outside A of the encapsulation 8.
  • a further first tool half 1 T and a further second tool half 12 ' are aligned with one another in such a way that they at least partially enclose the encapsulated carrier substrate 10 with its encapsulation 8 and a cavity 7 between them trained further first tool half 1 T and the further second tool half 12 '.
  • a further plated-through hole 16 ' can then be realized in the further encapsulation 8' by means of a further stamp element 13 '. It is particularly preferably provided that the further stamp element 13 'is laterally offset with respect to the stamp element 13, ie in a direction running parallel to the main extension plane HSE.
  • FIG. 2c A corresponding repetition of the method is demonstrated in FIG. 2c and an electronic module 100 is shown by way of example in FIG. 2d, in which through the implemented through-connections 16 or further through-connections 16 ′ and metallization layers on the respective encapsulations 8 or further encapsulations 8 ′ three-dimensional interconnect structure is formed.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the present invention.
  • a base element 19 is arranged in the cavity 7 formed between the first tool half 11 and the second tool half 12 , wherein an intermediate metallization 32, a carrier substrate 10 and / or an electronic element 5 is arranged on the base element 19.
  • the base element 19 which is made, for example, of the material that is later used for the encapsulation or for filling the cavity 7, it is advantageously possible to have a further substrate or a further component within the encapsulation 8 in another Height, ie at a different distance from the carrier substrate 10 to be arranged.
  • the formation as an intermediate metallization 32 can prove to be particularly advantageous if several electronic elements 5 can be supplied simultaneously by this intermediate metallization 32.
  • a metal block and / or a metal sheet, for example, is conceivable as the intermediate metallization 32.
  • the base element 19 is designed such that the electronic element 5 and / or intermediate metallization 32 is brought closer to the outside A of the encapsulation 8 than the upper side of the electronic element 5 attached directly to the carrier substrate 10, as a result of which the contact on the base element 19 arranged electronic elements 5 can be significantly simplified.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • This exemplary embodiment is characterized in particular by the fact that the stamp element 13 is designed such that it receives contact elements 24, in particular pin-like from the top of the electronic element 5, the contact elements 24, which are formed on the top of the electronic element 5, during filling and protects, in particular within a corresponding recess 23.
  • This allows the contacts or connections to be bonded to the top of the electronic element 5 before filling and does not have to be implemented after filling.
  • FIG. 1 shows a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • the stamp element 13 has a recess 23 on its underside. This is designed such that it at least partially, preferably completely, surrounds the electronic element 5 when the cavity 7 is filled. In other words: the stamp element 13 is slipped over the electronics element 5 without the stamp element 13 being pressed onto the electronics element 5 or striking against the electronics element 5 or even being present.
  • This embodiment is particularly advantageous for sensitive electronic elements 5, in which the pressure exerted by the stamp element 13 could otherwise lead to damage.

Abstract

A method for encapsulating at least one carrier substrate (10), in particular a carrier substrate (10) equipped with at least one electronic element (5), comprising the steps of - positioning the at least one carrier substrate (10) between a first mold half (11) and a second mold half (12) - forming a closed cavity (7) by means of the first mold half (11) and the second mold half (12), the cavity (7) at least partially surrounding the at least one carrier substrate (10), - introducing at least one insert element (13), which is displaceably mounted in the first mold half (11) and/or in the second mold half (12), into the cavity (7), and - filling the cavity (7), which is reduced by the inserted portion of the at least one insert element, with a material in order to form an encapsulation (8) of the at least one carrier substrate (10).

Description

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, Elektronikmodul und Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats Method for encapsulating at least one carrier substrate, electronic module and tool for encapsulating a carrier substrate
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, ein Elektronikmodul und ein Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats. The present invention relates to a method for encapsulating at least one carrier substrate, an electronic module and a tool for encapsulating a carrier substrate.
Elektronikmodule sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise als Leistungs- elektronikmodule, hinlänglich bekannt. Solche Elektronikmodule nutzen typischer weise schaltbare bzw. steuerbare Elektronikbauteile, die auf einem gemeinsamen Metall-Keramik Substrat über Leiterbahnen miteinander verschaltet sind. Wesentli che Bestandteile des Trägersubstrats sind dabei eine Isolationsschicht, die im Falle des Trägersubstrats aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt ist, und eine Metallisierungsschicht, die zur Bildung von Leiterbahnen vorzugs weise strukturiert und an einer Bauteilseite des Trägersubstrats ausgebildet ist. Electronic modules are well known from the prior art, for example as power electronic modules. Such electronic modules typically use switchable or controllable electronic components which are interconnected on a common metal-ceramic substrate via interconnects. Essential components of the carrier substrate are an insulation layer which, in the case of the carrier substrate, is made of a material comprising a ceramic, and a metallization layer, which is preferably structured to form conductor tracks and is formed on a component side of the carrier substrate.
Statt der üblichen Gehäuse für solche Elektronikmodule hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Trägersubstrat in eine Verkapslung einzubetten. Dazu wird das Trä gersubstrat zunächst mit Elektronikbauteilen bestückt und anschließend wird eine Verkapselung des bestückten Trägersubstrats derart realisiert, dass eine massive, d. h. eine im Wesentlichen hohlraumfreie, Verkapselung realisiert wird, die an dem bestückten Trägersubstrat unmittelbar anliegt und diese zumindest teilweise umgibt. Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn an der Außenseite der gebildeten Verkapselung eine Metallisierung vorgesehen ist, mit der die Elektro nikbauteile auf dem Trägersubstrat angesteuert bzw. mit einer erforderlichen Be triebsspannung versorgt werden können. Zum Ansteuern der Elektronikbauteile ist es dabei vorgesehen, dass das verkapselte Elektronikbauteil mit der Metallisie rung an der Außenseite der Verkapselung elektrisch leitend in Verbindung steht. Hierzu ist typischerweise eine Durchkontaktierung vorgesehen, die in der Regel nach dem Verkapseln in die Verkapselung bspw. durch Bohrungen eingelassen wird. Instead of the usual housing for such electronic modules, it has proven to be advantageous to embed the carrier substrate in an encapsulation. For this purpose, the carrier substrate is first equipped with electronic components and then an encapsulation of the loaded carrier substrate is realized in such a way that a solid, ie essentially cavity-free, encapsulation is realized, which is in direct contact with the loaded carrier substrate and at least partially surrounds it. It is furthermore particularly advantageous if a metallization is provided on the outside of the encapsulation formed, with which the electronic components on the carrier substrate can be controlled or can be supplied with a required operating voltage. To control the electronic components it is provided that the encapsulated electronic component is in an electrically conductive connection with the metallization on the outside of the encapsulation. A via is typically provided for this purpose, which is usually embedded in the encapsulation, for example through bores, after the encapsulation.
Die Durchkontaktierung entsteht dabei bevorzugt durch eine Laserbohrung in der Verkapselung mit einem anschließenden Verfüllen der gebildeten Laserbohrung mit einem leitfähigen Material. Allerdings hat sich das Ausbilden der Laserbohrung insofern als herausfordernd herausgestellt, als dass sich eine definierte Länge der Laserbohrung nur schwer bzw. nur sehr aufwendig kontrolliert lässt. Zudem lassen sich fertigungstoleranzbedingte Höhenunebenheiten an der Oberseite der Verkap selung und/oder des bestückten Trägersubstrats nur unzureichend berücksichti gen. Infolgedessen besteht in der Fertigung der verkapselten Trägersubstrate die Gefahr, dass zu viel Material bei der Laserbohrung abgetragen wird. Dies kann mitunter die Funktionalität des freizulegenden Anschlusses gefährden. The plated-through hole is preferably formed by a laser hole in the encapsulation with a subsequent filling of the formed laser hole with a conductive material. However, the formation of the laser bore has proven to be challenging in that a defined length of the laser bore can only be checked with difficulty or only with great effort. In addition, height irregularities due to manufacturing tolerances on the top of the encapsulation and / or the loaded carrier substrate can only be insufficiently taken into account. As a result, there is a risk in the production of the encapsulated carrier substrates that too much material will be removed during the laser drilling. This can endanger the functionality of the connection to be exposed.
Aus dem Stand der Technik ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit ei nem Halbleiter bestücktes Trägerelement in einem aus einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte gebildeten Gussgehäuse verspannt wird, so dass sich in einem geschlossenen Zustand des Gussgehäuses ein Hohlraum um das be stückte Trägerelement ausbildet. Dabei ist ferner ein Stempelelement vorgesehen, das beispielsweise verschiebbar in der ersten Werkzeughälfte gelagert ist. Dieses Stempelelement lässt sich vor dem Verfüllen des Hohlraums derart in den Hohl raum hineinversetzten, dass das Stempelelement an dem Elektronikbauteil in An lage gerät bzw. an das Elektronikbauteil anschlägt. Bei einem anschließenden Verfüllen des Hohlraums bleibt der Bereich, in dem das Stempelelement während des Verfüllens platziert war, frei von Material. Dieses Verfahren wird beispiels weise in der EP 2 954 550 B1 beschrieben. Schließlich kennt der Stand der Technik auch die JP H01 91 444 A, die ein Ver fahren zur Herstellung einer Mulitlayer-Leiterplatte offenbart. Dabei werden Ele mente in eine Gussform eingebracht, um ein in einem früheren Spritvorgang her gestelltes Substrat mit einer weiteren Leiterplattenschicht durch einen Spritzvor gang zu verkapseln. A method is also known from the prior art in which a carrier element equipped with a semiconductor is clamped in a cast housing formed from a first and a second tool half, so that in a closed state of the cast housing, a cavity is formed around the carrier element trains. In this case, a stamp element is also provided which is, for example, slidably mounted in the first half of the tool. This stamp element can be moved into the cavity before the filling of the cavity in such a way that the stamp element comes into contact with the electronic component or strikes the electronic component. When the cavity is subsequently filled, the area in which the stamp element was placed during the filling remains free of material. This method is described, for example, in EP 2 954 550 B1. Finally, the prior art also knows JP H01 91 444 A, which discloses a method for producing a multilayer printed circuit board. Here, elements are introduced into a mold in order to encapsulate a substrate produced in a previous fueling process with a further circuit board layer by means of a spraying process.
Aus der DE 11 2015 007 004 T5 sind Anschlusselemente bekannt, die in einer Gussform durch eine bewegliche Klemme gehalten sind, während durch Einsprit zen eines Spritzgussharzes ein Keramiksubstrat mit Halbleiterelementen verkap selt wird. From DE 11 2015 007 004 T5 connecting elements are known which are held in a mold by a movable clamp, while a ceramic substrate with semiconductor elements is encapsulated by injection of an injection molding resin.
In der DE 10 2017 203 361 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Stempe lelemente beim Verkapseln verwendet werden, um das Substrat vor dem Aushär ten des eingespritzten Materials dynamisch zu positionieren, um so den Fluss des Materials zu beeinflussen. DE 10 2017 203 361 A1 describes a method in which stem elements are used in the encapsulation in order to dynamically position the substrate before the injected material hardens, so as to influence the flow of the material.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verkapseln ei nes Trägersubstrats bereitzustellen, das gegenüber den aus dem Stand der Tech nik bekannten Verfahren verbessert ist. It is an object of the present invention to provide a method for encapsulating a carrier substrate which is improved over the methods known from the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Elektronikmodul gemäß Anspruch 14 sowie durch ein Werkzeug gemäß An spruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi gen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zu sammenhang mit den beiliegenden Figuren, angegeben. The object is achieved by a method according to claim 1 and an electronics module according to claim 14 and by a tool according to claim 15. Preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims and the following description, in particular in connection with the accompanying figures.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersub strats, insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement bestückten Trägersubstrats, vorgesehen, umfassend According to the invention, a method for encapsulating at least one carrier substrate, in particular a carrier substrate equipped with at least one electronic element, is provided, comprising
Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats zwischen einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte, • Ausbilden eines insbesondere geschlossenen Hohlraums mittels der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte, wobei der Hohlraum das mindestens eine Trägersubstrat zumindest teilweise umgibt, Positioning the at least one carrier substrate between a first tool half and a second tool half, Forming an in particular closed cavity by means of the first tool half and the second tool half, the cavity at least partially surrounding the at least one carrier substrate,
• Einbringen mindestens eines Stempelelements, das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte und/oder zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gela gert ist, insbesondere verschwenk- und/oder verschiebbar und/oder dreh bar und/oder entfaltbar und/oder aufblasbar gelagert ist, in den Hohlraum und • Introducing at least one stamp element, which is displaceably mounted in the first tool half and / or second tool half, in particular is pivotably and / or displaceably and / or rotatably mounted and / or unfoldable and / or inflatable, in the cavity and
• jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindes tens einen Stempelelements reduzierten Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung des mindestens einen Trägersubstrats. • In any case, partial filling of the cavity reduced by the inserted part of the at least one stamp element by means of a material to form an encapsulation of the at least one carrier substrate.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Bereich, der zur Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung vorgesehen ist, mittels des Stempelelements frei gehalten bzw. freigestellt, so dass nach dem Verfüllen des Hohlraums und der sich daraus ergebenden Ausbildung der Verkapselung ein Kanal bereitgestellt wird, der in vorteilhafter Weise derart verfüllt werden kann, dass eine elektrisch lei tende Verbindung zur Außenseite der Verkapselung hergestellt werden kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf eine aufwendige Laserbohrung verzichtet werden, mit der der andernfalls für die Durchkontaktierung erforderliche Freiraum realisiert werden müsste. Stattdessen kann der freigestellte Bereich zur Ausbil dung einer Durchkontaktierung nach dem Aushärten der Verkapselung mit einem elektrisch leitenden Material verfüllt werden. Insbesondere hat es sich in überra schender Weise herausgestellt, dass diese Art der Verkapselung für ein Trä gersubstrat nutzbar ist und dass sich so Durchkontaktierungen bilden lassen. In contrast to the prior art, an area which is provided for forming an electrically conductive connection is kept free or free by means of the stamp element, so that after the filling of the cavity and the resulting formation of the encapsulation, a channel is provided which can advantageously be filled in such a way that an electrically conductive connection to the outside of the encapsulation can be established. This advantageously eliminates the need for a complex laser bore, with which the clearance which would otherwise be required for the plated-through hole would have to be realized. Instead, the exempted area for forming a via can be filled with an electrically conductive material after the encapsulation has hardened. In particular, it has surprisingly been found that this type of encapsulation can be used for a carrier substrate and that vias can be formed in this way.
Insbesondere ist das mindestens eine Trägersubstrat mit dem mindestens einen Elektronikelement in der Verkapselung eingebettet. Unter einem„Einbetten“ bzw. „eingebettet sein“ ist insbesondere ein unmittelbares Angrenzen der Verkapselung bzw. des Materials der Verkapselung, das bevorzugt aus einem Kunststoff be steht, an einer Außenseite des mindestens einen Trägersubstrats zu verstehen, d. h. die Verkapselung liegt zumindest bereichsweise unmittelbar flächig am Trä gersubstrat an und es wird kein lichter Bereich bzw. Hohlraum zwischen dem mit den Elektronikelementen bestückten Trägersubstrat und der Verkapselung ausge bildet. Dabei muss das mindestens eine Trägersubstrat nicht an allen Seiten von der Verkapselung ummantelt bzw. umgeben sein. Ferner ist es vorgesehen, dass die Verkapselung massiv ist, d.h. frei von Hohlräumen. Insbesondere ist es vorge sehen, dass mit der hergestellten elektrisch leitenden Verbindung von der Außen seite der Verkapselung die Anschlüsse (wie z. B. ein Source-, ein Gate- und/oder ein Drain-Anschluss) des Elektronikelements an dessen Oberseite kontaktiert wer den. In particular, the at least one carrier substrate is embedded in the encapsulation with the at least one electronic element. “Embedding” or “being embedded” is to be understood in particular to mean an immediate bordering of the encapsulation or of the encapsulation material, which preferably consists of a plastic, on an outside of the at least one carrier substrate, i. H. the encapsulation lies at least in some areas directly on the carrier substrate and no clear area or cavity is formed between the carrier substrate equipped with the electronic elements and the encapsulation. The encapsulation does not have to encase or surround the at least one carrier substrate on all sides. It is also provided that the encapsulation is solid, ie free of cavities. In particular, it is provided that the connections (such as, for example, a source, a gate and / or a drain connection) of the electronic element on the top side of the encapsulation are contacted with the electrically conductive connection produced from the outside of the encapsulation .
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Trägersubstrat um ein Metall-Kera- mik-Substrat, dessen Isolationsschicht aus einer Keramik gefertigt ist und an des sen Außenseite eine Metallisierung, insbesondere durch ein AMB- oder DCB- Verfahren hergestellt, ausgebildet ist. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Isolati onsschicht aus einem organischen Material gefertigt ist, wobei dem organischen Material beispielsweise ein Füllstoff zugesetzt ist. The carrier substrate is particularly preferably a metal-ceramic substrate, the insulation layer of which is made of a ceramic and on the outside of which a metallization, in particular produced by an AMB or DCB method, is formed. Alternatively, it is conceivable that the insulation layer is made from an organic material, for example a filler being added to the organic material.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Stempelelement oberhalb eines Elektronikelements und/oder einer Oberseite des Trägersubstrats angeordnet ist. So lassen sich elektrisch leitende Verbindung von der Außenseite der Verkapse lung zu den Anschlüssen an der Oberseite des Trägersubstrats bzw. des Elektro nikelements realisieren. Besonders bevorzugt liegt das Stempelelement hierzu während des Verfüllens an einer Oberseite des Elektronikelements und/oder der Oberseite des Trägersubstrats an. Furthermore, it is preferably provided that the stamp element is arranged above an electronic element and / or an upper side of the carrier substrate. In this way, electrically conductive connections from the outside of the encapsulation to the connections on the top of the carrier substrate or the electronic element can be realized. For this purpose, the stamp element is particularly preferably in contact with an upper side of the electronic element and / or the upper side of the carrier substrate during filling.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein senkrecht zu einer Haupterstreckungs ebene des Trägersubstrats bemessener Abstand zwischen einer an der Außen seite der Verkapselung ausgebildeten weiteren Metallisierungsschicht und der Me tallisierungsschicht am Trägersubstrat kleiner als 5 mm, bevorzugt geringer als 2,5 mm, und besonders bevorzugt geringer als 1 mm bis hin zu weniger als 400 pm, beispielsweise etwa 300pm, beträgt, also möglichst gering ist. Besonders bevor zugt ist es vorgesehen, dass der Abstand kleiner als 200 pm oder 100 pm ist. Es ist besonders bevorzugt vorstellbar, dass sich der Abstand auf einen Wert zwi schen 100 und 200 gm bemisst. Entsprechend stellt sich in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung ein sehr kurzer Abstand zwi schen dem Elektronikelement am Trägersubstrat bzw. dessen Kontaktflächen oder -punkten und dem verkapselten Trägersubstrat an der Außenseite ein. Weiterhin sind beispielsweise im gefertigten Elektronikmodul Durchkontaktierungen in die Verkapselung eingelassen. Dabei können die Durchkontaktierungen nassche misch, durch eine Paste, eine Gasphasenabscheidung, ein Siebdruckverfahren, ein 3D-Druckverfahren mechanisch und/oder galvanisch realisiert werden. It is preferably provided that a distance dimensioned perpendicular to a main extension plane of the carrier substrate between a further metallization layer formed on the outer side of the encapsulation and the metalization layer on the carrier substrate is less than 5 mm, preferably less than 2.5 mm, and particularly preferably less is less than 1 mm to less than 400 pm, for example about 300 pm, that is to say as small as possible. It is particularly preferred that the distance be less than 200 pm or 100 pm. It it is particularly preferably conceivable that the distance measures between 100 and 200 gm. Correspondingly, in a direction perpendicular to the main plane of extension, there is a very short distance between the electronic element on the carrier substrate or its contact surfaces or points and the encapsulated carrier substrate on the outside. Furthermore, plated-through holes are embedded in the encapsulation, for example in the manufactured electronic module. The plated-through holes can be mechanically and / or galvanically mixed using a paste, a gas phase deposition, a screen printing process, a 3D printing process.
Als Elektronikelemente sind vorzugsweise schaltbare Bauteile bzw. aktive Bauteile zu verstehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Elektroni kelement um eines mit einem WBG-Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalli umnitrid, oder Siliziumhalbleiterelement. Beispiele für ein elektronisches Bauteil sind MOSFETs („metal-oxide-semiconductor field-effect transistor“) oder IGBTs („insulated-gate bipolar transistor“). Die Elektronikelemente können auch als Vor verbund bzw.„Prepackaging“ zusammengefasst sein. In einem solchen Vorver bund sind ein oder mehrere Elektronikelemente beispielsweise auf einer Leiter platte angeordnet und in einer Matrix eingebettet. Ein Beispiel für einen Vorver bund findet sich in der Druckschrift DE 10 2014 117 086 A1 als Umverteilungs struktur, bei der ein Elektronikelement in eine dielektrische Matrix integriert ist. Auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2014 117 086 A1 bezüglich des Vorverbunds bzw. der Umverteilungsstruktur wird hiermit explizit Bezug genommen. Weitere Beispiele für einen Vorverbund, auf die explizit Bezug genommen wird, sind in den Artikeln„Development of Embedded Power Electronics Modules für Automotive Applications“ von L. Boettcher et al. und„Embedding of Power Semiconductors for Innovative Packages and Modules“ von L. Boettcher et al. zu finden. Switchable components or active components are preferably to be understood as electronic elements. Preferably, the at least one electronic element is one with a WBG semiconductor (wide bandgap semiconductors), such as, for. B. a semiconductor made of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, or silicon semiconductor element. Examples of an electronic component are MOSFETs (“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”) or IGBTs (“insulated-gate bipolar transistor”). The electronic elements can also be combined as a pre-composite or “prepackaging”. In such a preliminary bundle, one or more electronic elements are arranged, for example, on a printed circuit board and embedded in a matrix. An example of a preliminary bundle can be found in the document DE 10 2014 117 086 A1 as a redistribution structure in which an electronic element is integrated in a dielectric matrix. Reference is hereby explicitly made to the disclosure content of DE 10 2014 117 086 A1 with regard to the preliminary network or the redistribution structure. Further examples of a preliminary network, to which explicit reference is made, can be found in the articles “Development of Embedded Power Electronics Modules for Automotive Applications” by L. Boettcher et al. and "Embedding of Power Semiconductors for Innovative Packages and Modules" by L. Boettcher et al. to find.
Als Materialien für die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Ver kapselung bzw. der Metallisierungsschicht des Trägersubstrats sind vorstellbar Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfer-Sandwich struktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unter scheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite und/oder die Metallisierungsschicht des Trägersubstrats oberflä chenmodifiziert sind. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiege lung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG As materials for the further metallization layer on the outside of the encapsulation or the metallization layer of the carrier substrate, copper, aluminum, molybdenum and / or their alloys, and laminates such as CuW, CuMo, CuAI, AICu and / or CuCu, in particular a copper sandwich structure with a first copper layer and a second copper layer, a grain size in the first copper layer being different from a second copper layer. Furthermore, it is preferably provided that the metallization layer on the outside and / or the metallization layer of the carrier substrate are surface-modified. A surface modification is, for example, a sealing with a precious metal, in particular silver and / or gold, or ENIG
(„ electroless nicket immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar. (“Electroless nods immersion gold”) or an edge grouting on the first or second metallization layer to suppress crack formation or expansion.
Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Ver kapselung strukturiert und/oder am gefertigten Elektromodul sind die Elektroni kelemente am Trägersubstrat über die Durchkontaktierungen durch weitere Elekt ronikelemente an der Außenseite der Verkapselung ansteuerbar. Preferably, the further metallization layer is structured on the outside of the encapsulation and / or on the manufactured electrical module, the electronics elements on the carrier substrate can be controlled via the plated-through holes by further electronic elements on the outside of the encapsulation.
Insbesondere ist das zumindest eine Trägersubstrat drei- oder fünflagig ausgestal tet. Durch die mehrlagige Ausgestaltung ist es in vorteilhafter Weise möglich, ver gleichsweise dicke metallische Zwischenschichten einzusetzen, während zur Sta bilisierung mehrere Keramikschichten dienen. Infolgedessen lässt sich der Wär mewiderstand reduzieren und gezielt eine Wärmespreizung einstellen. Insbeson dere ist es vorgesehen, dass die Schichtdicke der aus Keramik gefertigten Isolati onsschicht an die geforderte Isolationsfestigkeit angepasst ist. In particular, the at least one carrier substrate has three or five layers. Due to the multi-layer design, it is advantageously possible to use comparatively thick metallic intermediate layers, while a plurality of ceramic layers are used for stabilization. As a result, the thermal resistance can be reduced and a targeted heat spread can be set. In particular, it is provided that the layer thickness of the ceramic insulation layer is adapted to the required insulation strength.
Weiter ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das zumindest eine Trägersubstrat an seiner, der Bauteilseite gegenüberliegenden Seite eine Kühlstruktur aufweist, wobei das Elektronikmodul vorzugsweise ein Dichtelement und/oder Dichtmaterial, z. B. ein Silikon, für ein fluiddichtes Anbinden an eine Fluidkühlungsvorrichtung aufweist. Insbesondere ist die Kühlstruktur in vorteilhafter Weise in das Trägersub strat integriert und wird von der Verkapselung nicht umschlossen, d. h. es liegt frei. Die Integration gestattet einen geringen Aufwand beim Verbauen des Elektronik moduls, da in vorteilhafter Weise auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt, in dem eine Bodenplatte und/oder ein Kühler an das Trägersubstrat angebunden wird, bei spielsweise gelötet, gesintert und/oder verklemmt wird, verzichtet werden kann.Furthermore, it is preferably provided that the at least one carrier substrate has a cooling structure on its side opposite the component side, the electronics module preferably having a sealing element and / or sealing material, for. B. has a silicone for a fluid-tight connection to a fluid cooling device. In particular, the cooling structure is advantageously integrated into the carrier substrate and is not enclosed by the encapsulation, ie it is exposed. The integration allows little effort when installing the electronics module, since advantageously an additional step in which one Base plate and / or a cooler is connected to the carrier substrate, for example soldered, sintered and / or jammed, can be omitted.
Die Fluidkühlvorrichtung dient insbesondere dem Heran- und Abführen eines Kühl fluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit. Vorzugsweise umfasst die Kühlstruktur Finnen, die in einen Kanal hineinragen, der von der Kühlstruktur und der Fluidküh lungsvorrichtung ausgebildet wird. Zum Abdichten des Kanals, der zwischen Trä gersubstratseitiger Kühlstruktur und Fluidkühlungsvorrichtung ausgebildet wird, ist vorzugsweise ein Dichtelement vorgesehen, das in das Elektronikmodul integriert ist, und welches im Wesentlichen vorzugsweise in Stapelrichtung gesehen auf Höhe der Kühlstruktur angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Dichtelement ringartig oder als Wulst ausgebildet und umläuft vorzugsweise die Kühlstruktur, insbeson dere die Finnen der Kühlstruktur. Vorzugsweise ist das Dichtelement an der Ver kapselung angeordnet, beispielsweise in einer hierfür vorgesehenen Nut. The fluid cooling device is used, in particular, for bringing up and removing a cooling fluid, in particular a cooling liquid. Preferably, the cooling structure comprises fins that protrude into a channel formed by the cooling structure and the fluid cooling device. For sealing the channel, which is formed between the cooling substrate structure on the substrate side of the substrate and the fluid cooling device, a sealing element is preferably provided, which is integrated in the electronics module and which is essentially arranged at the level of the cooling structure, as seen in the stacking direction. The sealing element is preferably ring-shaped or in the form of a bead and preferably runs around the cooling structure, in particular the fins of the cooling structure. The sealing element is preferably arranged on the encapsulation, for example in a groove provided for this purpose.
Vorzugsweise weist die Keramikschicht AI203, Si3N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI203- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zr02 umfasst, beispielsweise AI203 mit 9% Zr02 = HPS9 oder AI203 mit 25% Preferably, the ceramic layer AI203, Si3N4, AIN has an HPSX ceramic (i.e. a ceramic with an AI203 matrix that contains an x percentage of Zr02, for example AI203 with 9% Zr02 = HPS9 or AI203 with 25%
Zr02 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Ke ramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener ge wünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochgradig wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmwider stand verwendet. Zr02 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high-density MgO (> 90% of the theoretical density), TSZ (tetragonally stabilized zirconium oxide) or ZTA as a material for the ceramic. It is also conceivable that the insulation layer is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each of which differ in terms of their material composition, are arranged one above the other and combined to form an insulation layer in order to combine different desired properties. Preferably, a highly thermally conductive ceramic is used for the lowest possible heat resistance.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat eine Primärschicht, eine Sekundärschicht und eine, zwischen der Primärschicht und der Sekundär schicht angeordnete, metallische Zwischenschicht, insbesondere als elektroni scher Rückleiter, aufweist, wobei die Zwischenschicht vorzugsweise dicker als die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht ist und/oder dicker als 1 mm, bevorzugt dicker als 1 ,5 und besonders bevorzugt di cker als 2,5 mm ist. It is preferably provided that the carrier substrate has a primary layer, a secondary layer and a metallic intermediate layer arranged between the primary layer and the secondary layer, in particular as an electronic return conductor, the intermediate layer preferably is thicker than the primary layer and / or the secondary layer and / or thicker than 1 mm, preferably thicker than 1.5 and particularly preferably thicker than 2.5 mm.
Derartig dicke metallische Zwischenschichten wirken in vorteilhafter Weise als temporärer Speicher und verbessern so die thermische Impedanz Zth. Dabei un terstützt die Dicke insbesondere die Wärmespreizung beim Wärmeabtransport, bei dem die Wärme von der Bauteilseite über das Trägersubstrat auf eine der Bauteil seite gegenüberliegende Seite des Trägersubstrats geleitet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Zwischenschicht einlagig bzw. einstückig ausgestaltet ist. Die Zwischenschicht kann vorzugsweise als elektrischer Rückleiter dienen, indem eine zusätzliche Durchkontaktierung in der Primärschicht eingelassen ist, sodass nicht nur die erste Metallisierungsschicht zur Stromführung genutzt werden kann, sondern auch die metallische Zwischenschicht. Dabei sind die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht aus Keramik. Such thick metallic interlayers advantageously act as temporary storage and thus improve the thermal impedance Zth. The thickness un supports in particular the heat spread during heat removal, in which the heat is conducted from the component side via the carrier substrate to a side of the carrier substrate opposite the component side. In particular, it is provided that the intermediate layer is configured in one layer or in one piece. The intermediate layer can preferably serve as an electrical return conductor in that an additional plated-through hole is embedded in the primary layer, so that not only the first metallization layer can be used for current conduction, but also the metallic intermediate layer. The primary layer and / or the secondary layer are made of ceramic.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Trägersubstrat mit der Primär schicht, der Sekundärschicht und der metallischen Zwischenschicht als Aufbau aus fünf oder mehr Lagen zusammengesetzt ist. Insbesondere ist für den fünflagi- gen Aufbau vorgesehen, dass zwei metallische Zwischenschichten zwischen der Primärschicht und der Sekundärschicht vorhanden sind, wobei zwischen den zwei metallischen Zwischenschichten eine Tertiärschicht angeordnet ist. Vorzugsweise weisen mindestens zwei Schichten ein vergleichsweise hohes E-Modul auf. Furthermore, it is preferably provided that the carrier substrate with the primary layer, the secondary layer and the metallic intermediate layer is composed of five or more layers as a structure. In particular, it is provided for the five-layer structure that two metallic intermediate layers are present between the primary layer and the secondary layer, a tertiary layer being arranged between the two metallic intermediate layers. At least two layers preferably have a comparatively high modulus of elasticity.
Dadurch wird die Verwindungsneigung bei betriebs- und umgebungsbedingten Temperaturwechseln weiter reduziert. Vorzugsweise sind die Primärschicht, die Sekundärschicht und/oder die Tertiärschicht aus einem Keramik umfassenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem der weiter oben genannten Kerami ken. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise die gewünschten Anforderungen an die Isolationsfestigkeit realisieren. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Sekun därschicht und/oder Tertiärschicht nicht aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt sind, da diese im Wesentlichen zur Versteifung des Trägersub strats dienen und nicht zur Isolation beitragen. Denkbar wäre hier beispielsweise die Verwendung von Molybdän und/oder Wolfram statt einer Keramik. This further reduces the tendency to twist during temperature and operational changes. The primary layer, the secondary layer and / or the tertiary layer are preferably made from a material comprising ceramic, for example from one of the ceramics mentioned above. This allows the desired requirements for insulation strength to be realized in an advantageous manner. But it is also conceivable that the secondary layer and / or tertiary layer do not consist of a ceramic Material are made, since they essentially serve to stiffen the support substrate and do not contribute to the insulation. For example, it would be conceivable to use molybdenum and / or tungsten instead of a ceramic.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeug hälfte und/oder das zumindest eine Stempelelement derart ausgestaltet sind, dass sie Ausformungsschrägen aufweisen, die es gestatten, nach dem Verfüllen und Aushärten des Materials für die Verkapselung das verkapselte Trägersubstrat ein fach herauszunehmen. Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine Innenseite der ersten Werkzeughälfte, eine Innenseite der zweiten Werkzeugseite und/oder des in den Hohlraum hineinragenden Teils des mindestens einen Stempelele ments mit einer Folie bzw. einem Film bedeckt sind, die bzw. der verhindert, dass die gefertigte Verkapselung an der ersten Werkzeughälfte, der zweiten Werkzeug hälfte und/oder dem mindestens einen Stempelelement beim Entformen haften bleibt. Eine solche Folie bzw. solch ein Film stellt ein Verschleißgegenstand dar, mit dem die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte für jede Verkapselung vorzugsweise neu verkleidet wird. Furthermore, it is provided that the first tool half, the second tool half and / or the at least one stamp element are designed in such a way that they have shaping bevels which allow the encapsulated carrier substrate to be easily removed after the filling and curing of the material for the encapsulation . Furthermore, it is preferably provided that an inside of the first tool half, an inside of the second tool side and / or the part of the at least one stamping element protruding into the cavity are covered with a film or a film which prevents the manufactured encapsulation adheres to the first tool half, the second tool half and / or the at least one stamp element during demolding. Such a film or such a film represents an object of wear with which the first tool half and / or the second tool half is preferably covered again for each encapsulation.
Weiterhin ist es für das Verfahren zweckmäßig, das Trägersubstrat vor dem Ver füllen des Hohlraums in diesem zu fixieren, beispielsweise zu verklemmen. Dabei ist es vorstellbar, dass das Trägersubstrat zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte und/oder zwischen dem mindestens einen Stem pelelement und der ersten bzw. der zweiten Werkzeughälfte verklemmt ist. Es ist ferner vorstellbar, dass die erste Werkzeughälfte und/oder eine zweite Werkzeug hälfte an ihrer Innenseite eine Aufnahme aufweisen, in der das Trägersubstrat ein gesetzt werden kann und in der das Trägersubstrat beispielsweise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung formschlüssig mit der ersten und/oder zweiten Werkzeughälfte zusammenwirkt. Hinsichtlich der Grundlagen für die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte und das Stempelelement so wie das Verfüllen wird explizit und sinngemäß auf den Offenbarungsgehalt der EP 2 954 550 B1 Bezug genommen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor gesehen, dass das mindestens eine Stempelelement an seiner der Trägersubstrat zugewandten Seite strukturiert ist, insbesondere mit mindestens einer Ausneh mung oder Erhebung, wobei beim Verfüllen des Hohlraums ein Kontaktelement am Elektronikelement und/oder das Elektronikelement zumindest teilweise, bevor zugt vollständig, innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Kontaktelemente und/oder das Elektronikelement beim Verfüllen des Hohl raums in vorteilhafter Weise vor dem Füllmaterial, insbesondere einem Kunststoff, schützen, das beim Verfüllen in den Hohlraum geleitet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Kontaktelement und/oder das Elektronikelement derart in der Ausnehmung oder Erhebung angeordnet sind, dass auf sie kein vom Stempe lelement ausgehender Druck wirkt, sodass in vorteilhafter Weise nicht damit zu rechnen ist, dass eine Beschädigung des Elektronikelements während des Verfül lens erfolgt. Furthermore, it is expedient for the method to fix the carrier substrate in the cavity before filling it, for example to clamp it. It is conceivable that the carrier substrate is clamped between the first tool half and the second tool half and / or between the at least one stamping element and the first or the second tool half. It is also conceivable that the first tool half and / or a second tool half have a receptacle on their inside in which the carrier substrate can be inserted and in which the carrier substrate, for example in a direction running parallel to the main extension plane, with the first and / and / or the second half of the tool. With regard to the basics for the first tool half, the second tool half and the stamp element as well as the backfilling, reference is made explicitly and analogously to the disclosure content of EP 2 954 550 B1. According to a preferred embodiment of the present invention, it is provided that the at least one stamp element is structured on its side facing the carrier substrate, in particular with at least one recess or elevation, with at least one contact element on the electronic element and / or the electronic element when filling the cavity partially, before completely, is arranged within the recess. As a result, the contact elements and / or the electronic element can advantageously be protected from the filling material, in particular a plastic, when filling the cavity, which is conducted into the cavity during filling. In particular, it is provided that the contact element and / or the electronic element are arranged in the recess or elevation in such a way that no pressure exerted by the stem element acts on them, so that advantageously no damage to the electronic element can be expected during the Filling takes place.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Ausnehmung derart dimensioniert und angeordnet wird, dass das aufgenommene Kontaktelement und/oder das auf genommene Elektronikelement kontaktfrei zum Stempelelement innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Es ist auch vorstellbar, dass das Stempelelement an seine Unterseite mit einem verformbaren Material, wie einem Gummimaterial, aus gestattet ist, das sich bei der Anlage an das Kontaktelement bzw. das Elektroni kelement entsprechend verformt und beispielsweise formschlüssig um das Kon taktelement bzw. das Elektronikelement legt. Ferner ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass an der Oberseite des Trägersubstrats bereits die Kontaktele mente angebunden sind, bevor der Hohlraum verfüllt wird. Dadurch lässt sich ver meiden, dass im Anschluss an die Ausbildung der Verkapselung aufwändig eine Anbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Elektronikelement hergestellt werden muss, insbesondere wenn der eigentliche Kontakt bzw. Anschluss des Elektronikelements tief innerhalb der Verkapselung angeordnet ist. Insbesondere lässt sich dadurch das Kontaktelement dort anordnen bzw. dessen Ende anord nen, wo ein einfacher bzw. zweckdienlicher Zugriff für die elektrische, leitende Verbindung mit der Außenseite der Verkapselung realisierbar ist. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Stempelelements insbesondere als Kon taktelement zumindest teilweise in der gefertigten Verkapselung belassen wird. Beispielsweise wird das komplette Stempelelement in der Verkapselung gelassen und bildet später die Durchkontaktierung oder einen Teil der Durchkontaktierung. Es ist aber auch vorstellbar, dass das Stempelelement beispielsweise in seinem Inneren die spätere Durchkontaktierung umfasst und diese nach dem Aushärten bzw. der Ausbildung der Verkapselung innerhalb der Verkapselung belässt. Das Stempelelement bzw. ein Teil des Stempelelements wird somit zu einem Opferteil, das bei dem Fertigungsprozess innerhalb des verkapselten Trägersubstrats mit verbaut wird. Zum Anschluss des Opferteils am Kontakt des Elektronikmoduls kann dieses beispielsweise mittels Ultraschall- oder Reibschweißen oder Löten am Kontakt elektrisch leitend befestigt werden. Dieser Schweiß- oder auch Lötvor gang kann durch bzw. über das Stempelelement erfolgen. It is particularly provided that the recess is dimensioned and arranged in such a way that the received contact element and / or the received electronic element is arranged in contact-free manner with the stamp element within the recess. It is also conceivable that the stamp element is permitted on its underside with a deformable material, such as a rubber material, which deforms accordingly when it is in contact with the contact element or the electronic element and, for example, form-fittingly around the contact element or the electronic element sets. Furthermore, it is particularly preferably provided that the contact elements are already connected to the upper side of the carrier substrate before the cavity is filled. This avoids the need to make a complex connection between the contact element and the electronic element following the formation of the encapsulation, in particular if the actual contact or connection of the electronic element is arranged deep within the encapsulation. In particular, the contact element can thereby be arranged or its end arranged where a simple or expedient access for the electrical, conductive connection to the outside of the encapsulation can be realized. In a further, preferred embodiment of the present invention, it is provided that at least part of the stamp element, in particular as a contact element, is at least partially left in the encapsulation produced. For example, the entire stamp element is left in the encapsulation and later forms the via or part of the via. However, it is also conceivable for the stamp element to include, for example in its interior, the subsequent through-plating and to leave it after the hardening or the formation of the encapsulation within the encapsulation. The stamp element or part of the stamp element thus becomes a sacrificial part, which is built into the encapsulated carrier substrate during the manufacturing process. To connect the sacrificial part to the contact of the electronic module, it can be attached to the contact in an electrically conductive manner, for example by means of ultrasound or friction welding or soldering. This welding or soldering operation can take place through or over the stamp element.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass beim Verfüllen ein Sockelelement im Hohlraum angeordnet wird, wobei auf dem So ckelelement ein weiteres Trägersubstrat und/oder ein weiteres Elektronikelement und/oder eine Zwischenmetallisierung, vorzugsweise eine zentrale Zwischenme tallisierung, angeordnet wird. Dadurch lassen sich Trägersubstrate, Zwischenme tallisierung und/oder Elektronikelemente dreidimensional innerhalb der Verkaps lung optimal anordnen und ausrichten. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass auf dem Sockelelement ein Kontaktelement ausgebildet ist, z. B. in Form ei nes Metallblocks oder Metallblechs, von dem ausgehend mehrere Elektronikele mente auf dem Trägersubstrat, insbesondere mit einer Versorgungsspannung, versorgt werden können, sodass es in vorteilhafter Weise möglich ist, zunächst vor der Verkapselung die elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen Elektronikelementen auf dem Trägersubstrat zu der zentralen Zwischenmetallisie rung zu realisieren, beispielsweise durch ein Drahtbonden. Nach der Verkapse lung bedarf es dann ausschließlich der Kontaktierung der zentralen Zwischenme- tallisierung mit der Außenseite der Verkapselung. Dies vereinfacht den Fertigungs prozess ebenfalls auf signifikante Weise, da nach dem Ausbilden der Verkapse lung ausschließlich zu der zentralen Zwischenmetallisierung eine elektrisch lei tende Verbindung von der Außenseite der Verkapselung her geschaffen werden muss, nicht aber zu allen Kontaktstellen der Elektronikelemente. In a further, preferred embodiment, it is provided that a base element is arranged in the cavity during the filling, a further carrier substrate and / or a further electronic element and / or an intermediate metallization, preferably a central intermediate metalization, being arranged on the base element. As a result, carrier substrates, intermediate metalization and / or electronic elements can be optimally arranged and aligned three-dimensionally within the encapsulation. It is particularly preferably provided that a contact element is formed on the base element, for. B. in the form of egg nes metal block or sheet metal, from which several Elektronikele elements on the carrier substrate, in particular with a supply voltage, can be supplied, so that it is advantageously possible, first before the encapsulation, the electrically conductive connection between the individual electronic elements to realize the carrier substrate to the central intermediate metallization, for example by wire bonding. After encapsulation, all that is required is to contact the central intermediate tallization with the outside of the encapsulation. This also significantly simplifies the manufacturing process since, after the encapsulation has been formed, an electrically conductive connection only has to be created from the outside of the encapsulation to the central intermediate metallization, but not to all contact points of the electronic elements.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Stempelelement gegenüber einer senk recht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats verlaufenden Rich tung schräg verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist. Dadurch ist es in be sonders vorteilhafter Weise möglich, schräg verlaufende Durchkontaktierungen herzustellen. Diese schräg verlaufenden Durchkontaktierungen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn vorgesehen ist, dass die Metallisierungsschicht an der Au ßenseite der Verkapselung lateral versetzt zu der Metallisierungsschicht an dem verkapselten Trägersubstrat und/oder dem Elektronikelement sein soll. Dabei ist es vorgesehen, dass das Stempelelement nach dem Aushärten der Verkapselung und vor dem Öffnen des Hohlraums wieder zurückverlagert wird aus dem Hohl raum. In particular, it is provided that the stamp element is mounted obliquely displaceably or pivotably with respect to a direction extending perpendicular to a main plane of extent of the carrier substrate. This makes it possible in a particularly advantageous manner to produce obliquely extending through-contacts. These obliquely extending through-contacts are particularly advantageous if it is provided that the metallization layer on the outside of the encapsulation should be laterally offset from the metallization layer on the encapsulated carrier substrate and / or the electronic element. It is provided that the stamp element is moved back out of the cavity after the encapsulation has hardened and before the cavity is opened.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Neigungsrichtung des schräg ver schiebbar gelagerten Stempelelements gegenüber der senkrecht zur Haupterstre ckungsebene verlaufenden Richtung um einen Winkel geneigt ist, der einen Wert zwischen 5° und 65°, bevorzugt zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt. Dadurch lassen sich besonders zweckmäßig schräg verlaufende Durchkontaktierungen realisieren. In particular, it is provided that an inclination direction of the obliquely slidably mounted stamp element is inclined by an angle with respect to the direction running perpendicular to the main extension plane, which angle has a value between 5 ° and 65 °, preferably between 10 ° and 45 ° and particularly preferably between 15 ° and 30 °. This makes it particularly expedient to implement oblique through-contacts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge sehen, dass das Verfahren weiter umfasst: According to a further embodiment of the present invention, it is provided that the method further comprises:
• Ausbildung einer Metallisierung an einer Außenseite der Verkapselung;Formation of a metallization on an outside of the encapsulation;
• Positionieren des verkapselten Trägersubstrats zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werk zeughälfte; • Ausbilden eines insbesondere geschlossenen Hohlraums mittels der weite ren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder der weiteren zweiten Werkzeughälfte, wobei der Hohlraum das verkapselte Trägersubstrat zu mindest teilweise umgibt; • Positioning the encapsulated carrier substrate between a further first tool half and the second or a further second tool half; • Forming an in particular closed cavity by means of the wider first tool half and the second or the further second tool half, the cavity at least partially surrounding the encapsulated carrier substrate;
• Einbringen des Stempelelements oder mindestens eines weiteren Stempe lelements, das vorzugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte oder zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum; Introducing the stamp element or at least one further stamp element, which is preferably displaceably mounted in the further first tool half or the second or further second tool half, into the cavity;
• jedenfalls teilweises Verfüllen des Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung für das verkapselte Trägersub strat. • In any case, partial filling of the cavity by means of a material to form a further encapsulation for the encapsulated carrier substrate.
Durch dieses sequenzielle bzw. nacheinander realisierte Durchführen der Verkap selung ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine dreidimensionale Leiterbahn struktur in der Verkapselung zu realisieren. This sequential or sequential implementation of the encapsulation makes it possible in an advantageous manner to implement a three-dimensional interconnect structure in the encapsulation.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das mindestens eine Stempelele ment und/oder das mindestens eine weitere Stempelelement während des Verfül lens des Hohlraums positionsfest angeordnet ist. D. h. das mindestens eine Stem pelelement und das mindestens eine weitere Stempelelement werden während des Verfüllens nicht bewegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein ent sprechender Durchgang für eine Durchkontaktierung bereitgestellt werden kann. Insbesondere liegt das mindestens eine Stempelelement bzw. das mindestens eine weitere Stempelelement an dem Trägerelement, dem Kontaktelement und/o der dem Elektronikelement während des Verfüllens, insbesondere während der gesamten Dauer des Verfüllens, an, d. h. das mindestens eine Stempelelement bzw. das mindestens eine weitere Stempelelement kontaktiert das Trägerelement, das Kontaktelement und/oder das Elektronikelement. In particular, it is provided that the at least one stamp element and / or the at least one further stamp element is arranged in a fixed position during the filling of the cavity. That is, the at least one stamp element and the at least one further stamp element are not moved during the filling. This can ensure that a corresponding passage can be provided for a via. In particular, the at least one stamp element or the at least one further stamp element bears against the carrier element, the contact element and / or the electronic element during the filling, in particular during the entire duration of the filling, i. H. the at least one stamp element or the at least one further stamp element contacts the carrier element, the contact element and / or the electronic element.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mindestens eine Stempelelement und/oder das mindestens eine weitere Stempelelement während des Verfüllens fixiert ist, beispielsweise mittels eines Fixiermittels an der ersten Werkzeughälfte und/oder der zweiten Werkzeughälfte fixiert ist, um sicherzustellen, dass das Stempelele ment durch das eintretenden Material zum Verfüllen nicht verschoben oder ver rückt wird. Furthermore, it is conceivable that the at least one stamp element and / or the at least one further stamp element is fixed during the filling, for example by means of a fixing means on the first tool half and / or the second half of the tool is fixed to ensure that the stamping element is not moved or moved by the incoming material for backfilling.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte derart gestaltet sind, dass in der gefertigten Verkapselung in der Außenseite eine Strukturierung und/oder zumindest ein Rücksprung realisiert wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, beispielsweise die Außenseite der Verkapselung derart zu struktu rieren, dass sich darin die weitere Metallisierungen anordnen lassen. Mit anderen Worten: die Strukturierung an der Außenseite der Verkapselung räumt den Platz für die Leiterbahnen und die weitere Metallisierung an der Außenseite der Verkap selung ein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die weitere Metallisierung an der Außenseite der Verkapselung und die Verkapselung an der Außenseite miteinander nach außen hin bündig abschließen. Ferner ist es vorstellbar, dass der Rücksprung derart dimensioniert ist, dass in diesem Rücksprung ein Wider stand und/oder ein Kondensator, beispielsweise ein RC-Glied integriert werden kann, sodass eine derartige Gestaltung der Außenseite der Verkapselung einen flachen Abschluss an der Außenseite der Verkapselung ermöglicht. Das heißt, die Außenseite der Verkapselung bietet keine Vorsprünge o.ä. aus, sondern alle elekt ronischen Bauelemente, insbesondere inklusive der in die Außenseite integrierte weitere Metallisierungsschicht, sind tiefer gelegt, sodass sich eine glatte Außenflä che an der Verkapselung ausbildet. Es ist auch vorstellbar, dass die Außenseite der Verkapselung gegenüber der tiefergelegten weiteren Metallisierungsschicht an der Außenseite vorsteht. According to a further embodiment, it is particularly preferably provided that the first tool half and / or the second tool half are designed such that a structuring and / or at least a recess is realized on the outside in the encapsulation produced. This advantageously makes it possible, for example, to structure the outside of the encapsulation in such a way that the further metallizations can be arranged therein. In other words: the structuring on the outside of the encapsulation leaves space for the conductor tracks and the further metallization on the outside of the encapsulation. This makes it possible, for example, for the further metallization on the outside of the encapsulation and the encapsulation on the outside to be flush with one another toward the outside. Furthermore, it is conceivable that the recess is dimensioned in such a way that in this recess there was a resistance and / or a capacitor, for example an RC element, so that such a design of the outside of the encapsulation has a flat end on the outside of the encapsulation enables. This means that the outside of the encapsulation offers no projections or the like. but all electronic components, in particular including the additional metallization layer integrated into the outside, are placed lower so that a smooth outer surface is formed on the encapsulation. It is also conceivable that the outside of the encapsulation protrudes on the outside relative to the further metallization layer that is lowered.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt vorgesehen, dass mittels des Stempelelements eine Aussparung bzw. ein Rücksprung realisiert wird, in die ein RC-Glied integriert wird, sodass das RC-Glied nicht mehr zwangsläufig an der Au ßenseite der Verkapselung, insbesondere abstehend von der Außenseite der Ver kapselung, realisiert werden muss. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikmodul, her gestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebe nen Merkmale und Vorteile gelten analog für das Elektronikmodul und vice versa. In a further embodiment, it is preferably provided that a recess or recess is realized by means of the stamp element, into which an RC element is integrated, so that the RC element is no longer necessarily on the outside of the encapsulation, in particular projecting from the Outside of the encapsulation, must be realized. Another object of the present invention is an electronics module, made with the inventive method. All features and advantages described for the process apply analogously to the electronic module and vice versa.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte, einer zweiten Werkzeughälfte und einem Stempelelement für ein Verfahren gemäß der Erfindung. Alle für das Elektronikmodul und das Verfahren beschriebenen Merk male und Vorteile gelten in analoger Weise für das Werkzeug. Another object is a tool with a first tool half, a second tool half and a stamp element for a method according to the invention. All features and advantages described for the electronic module and the process apply in an analogous manner to the tool.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden. Further advantages and features result from the following description of preferred embodiments of the object according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiment can be combined with one another in the context of the invention.
Es zeigen (schematisch): They show (schematically):
Fig.1 a/1 b: ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1a / 1b: a method according to a first exemplary embodiment of the present invention,
Fig. 2a-2d: ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2a-2d: a method according to a second exemplary embodiment of the present invention,
Fig. 3: ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3: a method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 4: ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4: a method according to a fourth exemplary embodiment of the present invention and
Fig. 5: ein Verfahren gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den Figuren 1a und 1b ist ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere dient das Verfahren der Ausbildung eines Elektromoduls 100, insbesondere eines Leis tungsmoduls. Wesentliche Bestandteile eines solchen Elektronikmoduls 100 sind ein Trägersubstrat 10 und eine Verkapselung 8, wobei das Trägersubstrat 10 zu mindest teilweise in die Verkapselung 8 eingebettet ist, d. h. das Trägersubstrat 10 ist zumindest teilweise in der Verkapselung 8 eingekapselt. Das Trägersubstrat 10 weist eine Bauteilseite 25 mit einer bauteilseitigen Metallisierungsschicht auf, wo bei diese Metallisierungsschicht zur Bildung von Leiterbahnen oder Anschluss- pads z. B. strukturiert ist (nicht gezeigt). 5: a method according to a fifth exemplary embodiment of the present invention. FIGS. 1a and 1b show a method according to a first exemplary embodiment of the present invention. In particular, the method is used to form an electrical module 100, in particular a power module. Essential components of such an electronic module 100 are a carrier substrate 10 and an encapsulation 8, wherein the carrier substrate 10 is at least partially embedded in the encapsulation 8, ie the carrier substrate 10 is at least partially encapsulated in the encapsulation 8. The carrier substrate 10 has a component side 25 with a component-side metallization layer, where in this metallization layer to form conductor tracks or connection pads z. B. is structured (not shown).
An der Bauteilseite 25 sind Elektronikelemente 5 angebunden, die zur Ausbildung zumindest eines Teils eines elektronischen Schaltkreises vorzugsweise unterei nander verbunden sind. Beispielsweise umfassen die Elektronikelemente 5 Halb leiter, insbesondere WBG -Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, de ren Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband zwischen 2 eV und 4 eV oder darüber liegt. Insbesondere ist das Elektronikmodul 100 ein Leistungselektronikmodul und dient beispielsweise der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden Elektronikelementen 5. Denkbar wäre z. B. dass das Elektronikmodul 100 als Gleichspannungswandler, Umrichter und/oder Frequen zumrichter im Bereich der elektronischen Antriebstechnik, insbesondere im Be reich der E-mobilität, als Solarwechselrichter und/oder Umrichter für Windkraftan lagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder als Schaltnetzteil bzw. DC-DC-Wandler eingesetzt wird. On the component side 25 electronic elements 5 are connected, which are preferably connected to each other to form at least part of an electronic circuit. For example, the electronic elements include 5 semiconductors, in particular WBG semiconductors (wide bandgap semiconductors), such as. B. a semiconductor of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, de ren band gap between a valence band and a conduction band between 2 eV and 4 eV or above. In particular, the electronics module 100 is a power electronics module and is used, for example, to convert electrical energy using switching electronic elements 5. B. that the electronic module 100 as a DC converter, converter and / or frequency converter in the field of electronic drive technology, in particular in the field of e-mobility, as a solar inverter and / or converter for wind turbines were used to feed regeneratively generated energy or as a switching power supply or DC -DC converter is used.
Zur Steuerung der Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 ist an der Außen seite A der Verkapselung 8 eine insbesondere als Anschluss dienende weitere Metallisierungsschicht (nicht gezeigt) für mindestens ein weiteres elektronisches Bauteil und/oder Kontaktstellen (nicht gezeigt) vorgesehen. Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht ebenfalls strukturiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem weiteren Elektronikelement 5 um ein Steuerungselement, wie z. B. einen Gate-Treiber, ein Zwischenkondensator, ein Lastanschluss, ein Anschluss zur Energieversorgung und/oder Vergleichbares. To control the electronic elements 5 on the component side 25, a further metallization layer (not shown), in particular as a connection, for at least one further electronic component and / or contact points (not shown) is provided on the outer side A of the encapsulation 8. The further metallization layer is preferably also structured. For example, the further electronic element 5 is a control element, such as. B. a gate driver, an intermediate capacitor, a load connection, a connection for energy supply and / or the like.
Um die Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 durch die weiteren Elektroni kelemente (nicht dargestellt) an der Außenseite A der Verkapselung 8 anzusteu ern, ist insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen, welche be vorzugt durch die Verkapselung 8 hindurchgreift bzw. innerhalb der Verkapselung 8 verläuft. Bevorzugt ist eine solche elektrisch leitende Verbindung als Durchkon taktierung 16 realisiert. Um für die spätere Durchkontaktierung 16 einen ausrei chend großen Freiraum bereitzustellen, der insbesondere oberhalb des Elektroni kelements 5 ausgebildet ist, ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine entspre chende Aussparung bei der Verkapselung 8, d.h. während des Verkapselungsvor gangs, realisiert wird. Dabei ist es besondere bevorzugt vorgesehen, dass zur Bil dung der Verkapselung 8 zumindest ein Trägersubstrat 10 zwischen einer ersten Werkzeughälfte 11 und einer zweiten Werkzeughälfte 12 positioniert wird. Dabei ist das zumindest eine Trägersubstrat 10 in der ersten Werkzeughälfte 11 bzw. in der zweiten Werkzeughälfte 12 verklemmt bzw. durch die erste Werkzeughälfte 11 und/oder die zweite Werkzeughälfte 12 fixiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorstellbar, dass das Trägersubstrat 10 in einer Aufnahme an der Innenseite der zweiten Werkzeughälfte 12 positioniert wird, so dass das Trägersubstrat 10 beim Verfüllen bzw. Bilden der Verkapselung 8 nicht verrutscht. Dabei wirkt die zweite Werkzeughälfte 12 mit dem Trägersubstrat 10 vorzugs weise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung formschlüssig zusammen. In order to control the electronic elements 5 on the component side 25 by the further electronics elements (not shown) on the outside A of the encapsulation 8, an electrically conductive connection is particularly provided, which preferably extends through the encapsulation 8 or extends within the encapsulation 8 . Such an electrically conductive connection is preferably implemented as a contact 16. In order to provide a sufficiently large free space for the subsequent plated-through hole 16, which is formed above the electronic element 5 in particular, it is preferably provided that a corresponding recess in the encapsulation 8, i.e. during the encapsulation process is realized. It is particularly preferably provided that at least one carrier substrate 10 is positioned between a first tool half 11 and a second tool half 12 to form the encapsulation 8. The at least one carrier substrate 10 is clamped in the first tool half 11 or in the second tool half 12 or fixed by the first tool half 11 and / or the second tool half 12. In a particularly preferred embodiment, it is conceivable that the carrier substrate 10 is positioned in a receptacle on the inside of the second tool half 12, so that the carrier substrate 10 does not slip when the encapsulation 8 is filled or formed. The second tool half 12 preferably interacts with the carrier substrate 10 in a form-fitting manner in a direction running parallel to the main extension plane HSE.
In einem geschlossenen Zustand formen die erste Werkzeughälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 einen Hohlraum 7, der zumindest teilweise das Trä gersubstrat 10 umgibt. Durch ein Verfüllen des Hohlraums 7 mit einem Material, insbesondere einem gussfähigen Kunststoff, und einem anschließenden Aushär ten des Materials kann man dann eine entsprechende Verkapselung 8 in Form des Hohlraums 7 um das Trägersubstrat 10 herum ausbilden. Zur gezielten Aus bildung einer Aussparung, insbesondere oberhalb eines Anschlusses auf einer Oberseite des Elektronikelements 5, in der Verkapselung 8, die später dann zur Bildung der Durchkontaktierung 16 genutzt werden kann, ist es bevorzugt vorge sehen, dass in die erste Werkzeughälfte 11 und/oder zweite Werkzeughälfte 12 zumindest ein Stempelelement 13 eingelassen ist. In a closed state, the first tool half 11 and the second tool half 12 form a cavity 7, which at least partially surrounds the carrier substrate 10. By filling the cavity 7 with a material, in particular a castable plastic, and then curing the material, a corresponding encapsulation 8 in the form of the cavity 7 can then be formed around the carrier substrate 10. For the targeted formation of a recess, in particular above a connection on one Top of the electronic element 5, in the encapsulation 8, which can later be used to form the via 16, it is preferably provided that at least one stamp element 13 is embedded in the first tool half 11 and / or second tool half 12.
Dieses Stempelelement 13 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass es verschiebbar in der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zweiten Werkzeughälfte 12 gelagert ist. Dadurch ist es in vorteilhafter weise möglich, das Stempelelement 13 in den Hohl raum 7 einzuführen, so dass beim Verfüllen ausschließlich der um den einge- brachten Teil des mindestens einen Stempelelements 13 reduzierte Hohlraum 7 verfüllt wird. Mit anderen Worten: der Teil des Hohlraums 7, in dem sich das Stem pelelement 13 während des Verfüllens des Hohlraums 7 anordnet ist, bleibt frei von dem Material der Verkapselung 8 und bildet die Aussparung, die später zur Bildung der Durchkontaktierung 16 genutzt wird. Die Nutzung eines solchen Stem pelelements 13 erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil sie es ge stattet, fertigungsbedingte Höhenunterschiede bzw. Toleranzen in der Höhe des mit dem Elektronikelement 5 bestückten Trägersubstrats 10 auszugleichen. This stamp element 13 is preferably designed such that it is slidably mounted in the first tool half 11 and / or second tool half 12. As a result, it is advantageously possible to insert the stamp element 13 into the cavity 7, so that during the filling only the cavity 7 reduced by the part of the at least one stamp element 13 that has been introduced is filled. In other words: the part of the cavity 7, in which the stem element 13 is arranged during the filling of the cavity 7, remains free of the material of the encapsulation 8 and forms the recess which will later be used to form the via 16. The use of such a stem element 13 proves to be advantageous in particular because it enables ge to compensate for height differences or tolerances in the height of the carrier substrate 10 equipped with the electronic element 5.
Bevorzugt wird das Stempelelement 13 dabei derart weit in den Hohlraum 7 einge führt, bis es in Anschlag gerät mit der Oberseite des Elektronikelements 5 und/o der mit einer Metallisierung auf einer Bauteilseite 25 des Trägersubstrats 10. In der in Figur 1 a dargestellten Ausführungsform ist es besonders bevorzugt vorge sehen, dass das Stempelelement 13 in der ersten Werkzeughälfte 11 derart ver schiebbar gelagert ist, dass das Stempelelement 13 gegenüber einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung schräg verläuft bzw. ausgerichtet ist. Mit anderen Worten: beim Verfüllen des um den eingebrachten Teil des Stempelelements 13 reduzierten Hohlraums 7 verläuft der in den Hohl raum 7 eingebrachte Teil des Stempelelements 13 schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. Insbesondere ist es vorge sehen, dass sich ein Winkel W zwischen einer Längserstreckung des Stempelele- ments 13 und der senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Rich tung ausbildet, wobei der Winkel W einen Wert zwischen 5° und 65°, bevorzugt zwischen 10° und 45°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt. The stamp element 13 is preferably inserted far enough into the cavity 7 until it comes into contact with the upper side of the electronic element 5 and / or with a metallization on a component side 25 of the carrier substrate 10. The embodiment shown in FIG it is particularly preferred to see that the stamp element 13 is slidably mounted in the first tool half 11 in such a way that the stamp element 13 runs obliquely or is aligned with respect to a direction perpendicular to the main extension plane HSE. In other words: when filling the cavity 7 reduced by the introduced part of the stamp element 13, the part of the stamp element 13 introduced into the cavity 7 extends obliquely to a direction running perpendicular to the main extension plane HSE. In particular, it is provided that an angle W between a longitudinal extension of the stamp element ment 13 and the direction perpendicular to the main plane HSE Rich direction forms, the angle W assumes a value between 5 ° and 65 °, preferably between 10 ° and 45 °, and particularly preferably between 15 ° and 30 °.
Ferner ist es dabei vorgesehen, dass nach dem Aushärten des Materials, aus dem die Verkapselung 8 gebildet wird, zunächst das Stempelelement 13 herausgefah ren wird, bevor das ausgeformte oder ausgebildete Elektronikmodul 100 mit dem verkapselten Trägersubstrat 10- aus der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zwei ten Werkzeughälfte 12 ausgeformt wird, nachdem wiederum die erste Werkzeug hälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand überführt werden. Nach einem Verfüllen der während der Verkapselung 8 durch das Stempelelement 13 verursachten Aussparung mit ei nem elektrisch leitenden Material bildet sich eine Durchkontaktierung 16 aus, wie sie beispielsweise in Figur 1 b dargestellt ist, die insbesondere schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ausgebildet ist. Dabei kontaktiert das eine Ende der Durchkontaktierung 16 eine Oberseite des Elektronikelements 5, und die andere Seite der Durchkontaktierung 16 steht in ei nem elektrisch leitenden Kontakt mit der weiteren Metallisierungsschicht an der Außenseite A der Verkapselung 8. Insbesondere reicht die Durchkontaktierung 16 bis zur Außenseite A der Verkapselung 8. Unter Oberseite eines Elektronikele ments 5 versteht der Fachmann insbesondere die Seite, die dem Trägersubstrat 10 im Elektronikmodul 100 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die Ausbil dung einer schräg verlaufenden Durchkontaktierung 16 ist es in vorteilhafter Weise möglich, die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite A der Ver kapselung 8 lateral gegenüber den Anschlüssen an der Oberseite des Elektroni kelements 5 zu versetzen. Furthermore, it is provided that after the hardening of the material from which the encapsulation 8 is formed, the stamp element 13 is first removed before the molded or formed electronics module 100 with the encapsulated carrier substrate 10 from the first tool half 11 and / or Two tool half 12 is formed after in turn the first tool half 11 and the second tool half 12 are transferred from a closed state to an open state. After filling the recess caused by the stamping element 13 during the encapsulation 8 with an electrically conductive material, a through-connection 16 is formed, as is shown, for example, in FIG. 1b, which is in particular formed obliquely to a direction running perpendicular to the main extension plane HSE . One end of the via 16 contacts an upper side of the electronic element 5, and the other side of the via 16 is in an electrically conductive contact with the further metallization layer on the outside A of the encapsulation 8. In particular, the via 16 extends to the outside A of the Encapsulation 8. The top of an electronics element 5 is understood by the person skilled in the art in particular to be the side which is arranged opposite the carrier substrate 10 in the electronics module 100. Due to the formation of an oblique through-contact 16, it is advantageously possible to laterally offset the further metallization layer on the outside A of the encapsulation 8 relative to the connections on the top of the electronics element 5.
Ferner ist es in der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 a und 1 b vorgesehen, dass bei der Verkapselung 8 eine Unterseite des Trägersubstrats 10 frei bleibt, an der besonders bevorzugt eine Kühlstruktur ausgebildet ist, beispielsweise in Form von Finnen, die im Betrieb des Elektronikmoduls 100 beispielsweise von einer Kühlflüssigkeit umspült werden können. In den Figuren 2a bis 2c ist eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung dargestellt, bei der insbesondere vorgesehen ist, sukzessive hintereinander das Verfahren zum Verkapseln und Ausbilden von Durchkontaktie rungen mittels eines Stempelelements 13 durchzuführen, um eine dreidimensio nale Leiterbahnstruktur zu realisieren. Insbesondere ist dabei in einem ersten Schritt vorgesehen, dass mit einem Stempelelement 13 beim Verfüllen des Hohl raums 7 eine Aussparung freigehalten wird, die später als Durchkontaktierung 16 zu dem Elektronikelement 5 auf dem Trägersubstrat 10 dient. Nach dem Entfor- men des verkapselten Trägersubstrats 10 ist sodann vorgesehen, dass eine wei tere Metallisierung 18 an die Außenseite A der Verkapselung 8 angeformt wird bzw. daran ausgebildet wird. In einem anschließend erneuten Verkapselungspro zess ist es vorgesehen, dass eine weitere erste Werkzeughälfte 1 T und eine wei tere zweite Werkzeughälfte 12' derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie das verkapselte Trägersubstrat 10 mit seiner Verkapselung 8 zumindest teilweise um schließt und einen Hohlraum 7 zwischen der weiteren ersten Werkzeughälfte 1 T und der weiteren zweiten Werkzeughälfte 12' ausbildet. Mittels eines weiteren Stempelelements 13' lässt sich dann eine weitere Durchkontaktierung 16' in der weiteren Verkapselung 8' realisieren. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das weitere Stempelelement 13' gegenüber dem Stempelelement 13 seitlich versetzt angeordnet wird, d.h. in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. In der Figur 2c ist eine entsprechende Wiederholung des Verfahrens demonstriert und in Figur 2d ist ein Elektronikmodul 100 beispielhaft dargestellt, in dem durch die realisierten Durchkontaktierungen 16 bzw. weiteren Durchkontaktierungen 16' und Metallisierungsschichten an den jeweiligen Verkap selungen 8 bzw. weiteren Verkapselungen 8' eine dreidimensionale Leiterbahn struktur gebildet ist. Furthermore, in the embodiment according to FIGS. 1 a and 1 b, it is provided that in the encapsulation 8, an underside of the carrier substrate 10 remains free, on which a cooling structure is particularly preferably formed, for example in the form of fins, which are in operation during the electronics module 100 for example, can be washed around by a cooling liquid. FIGS. 2a to 2c show a second, exemplary embodiment of the present invention, in which provision is made in particular to successively carry out the process for encapsulating and forming vias by means of a stamp element 13 in order to realize a three-dimensional conductor structure. In particular, it is provided in a first step that with a stamp element 13 when filling the cavity 7, a recess is kept free, which later serves as a via 16 to the electronic element 5 on the carrier substrate 10. After the encapsulated carrier substrate 10 has been removed from the mold, it is then provided that a further metallization 18 is integrally formed on or formed on the outside A of the encapsulation 8. In a subsequent renew encapsulation process, it is provided that a further first tool half 1 T and a further second tool half 12 'are aligned with one another in such a way that they at least partially enclose the encapsulated carrier substrate 10 with its encapsulation 8 and a cavity 7 between them trained further first tool half 1 T and the further second tool half 12 '. A further plated-through hole 16 'can then be realized in the further encapsulation 8' by means of a further stamp element 13 '. It is particularly preferably provided that the further stamp element 13 'is laterally offset with respect to the stamp element 13, ie in a direction running parallel to the main extension plane HSE. A corresponding repetition of the method is demonstrated in FIG. 2c and an electronic module 100 is shown by way of example in FIG. 2d, in which through the implemented through-connections 16 or further through-connections 16 ′ and metallization layers on the respective encapsulations 8 or further encapsulations 8 ′ three-dimensional interconnect structure is formed.
In Figur 3 ist eine dritte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass in dem zwischen der ersten Werkzeughälfte 11 und der zweiten Werkzeughälfte 12 ausgebildeten Hohlraum 7 ein Sockelelement 19 angeordnet ist, wobei auf dem Sockelelement 19 eine Zwi schenmetallisierung 32, ein Trägersubstrat 10 und/oder ein Elektronikelement 5 angeordnet ist. Mittels des Sockelelements 19, das beispielsweise aus dem Mate rial gefertigt ist, das später zur Verkapselung bzw. zum Verfüllen des Hohlraums 7 genutzt wird, ist es in vorteilhafter Weise möglich, ein weiteres Substrat bzw. ein weiteres Bauteil innerhalb der Verkapselung 8 in einer anderen Höhe, d. h. in ei nem anderen Abstand zum Trägersubstrat 10, anzuordnen. Insbesondere die Aus bildung als Zwischenmetallisierung 32 kann sich als besonders vorteilhaft erwei sen, wenn dadurch mehrere Elektronikelemente 5 durch diese Zwischenmetallisie rung 32 gleichzeitig versorgt werden können. Als Zwischenmetallisierung 32 ist beispielsweise ein Metallblock und/oder ein Metallblech denkbar. Insbesondere ist das Sockelelement 19 derart gestaltet, dass das Elektronikelement 5 und/oder Zwischenmetallisierung 32 näher an der Außenseite A der Verkapselung 8 ange bracht ist als die Oberseite des unmittelbar an dem Trägersubstrat 10 angebrach ten Elektronikelements 5, wodurch die Kontaktierung des auf dem Sockelelement 19 angeordneten Elektronikelements 5 signifikant vereinfacht werden kann. FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the present invention. In particular, it is provided that in the cavity 7 formed between the first tool half 11 and the second tool half 12 a base element 19 is arranged, wherein an intermediate metallization 32, a carrier substrate 10 and / or an electronic element 5 is arranged on the base element 19. By means of the base element 19, which is made, for example, of the material that is later used for the encapsulation or for filling the cavity 7, it is advantageously possible to have a further substrate or a further component within the encapsulation 8 in another Height, ie at a different distance from the carrier substrate 10 to be arranged. In particular, the formation as an intermediate metallization 32 can prove to be particularly advantageous if several electronic elements 5 can be supplied simultaneously by this intermediate metallization 32. A metal block and / or a metal sheet, for example, is conceivable as the intermediate metallization 32. In particular, the base element 19 is designed such that the electronic element 5 and / or intermediate metallization 32 is brought closer to the outside A of the encapsulation 8 than the upper side of the electronic element 5 attached directly to the carrier substrate 10, as a result of which the contact on the base element 19 arranged electronic elements 5 can be significantly simplified.
In Figur 4 ist eine vierte, beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung dar gestellt. Dieses Ausführungsbeispiel kennzeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Stempelelement 13 derart gestaltet ist, dass es Kontaktelemente 24, insbesondere stiftartige von der Oberseite des Elektronikelements 5 abstehen den Kontaktelemente 24, die an der Oberseite des Elektronikelements 5 ausgebil det sind, während des Verfüllens aufnimmt und schützt, insbesondere innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung 23. Dies erlaubt, dass bereits vor dem Verfül len die Kontakte bzw. Anschlüsse an der Oberseite des Elektronikelements 5 an gebunden werden können und nicht anschließend nach dem Verfüllen realisiert werden müssen. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess, insbesondere die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Außenseite A der Verkapselung 8 mit den Anschlüssen an der Oberseite des Elektronikelements 5. In der in der Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind die Kontaktelemente 24 als stiftartige Ele mente dargestellt, die im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE des späteren Elektronikmoduls 100 verlaufen. Insbesondere kann sich dadurch auch der Abstand zu der Kontaktelemente 24 zu der Außenseite A der Verkapselung 8 deutlich reduzieren lassen, wenn die Kontaktelemente 24 entspre chend groß dimensioniert werden. In Figur 5 ist eine fünfte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung dargestellt. Gegenüber den Ausführungsformen aus den anderen Figuren ist dabei vorgesehen, dass das Stempelelement 13 an seiner Unterseite eine Aus nehmung 23 aufweist. Diese ist dabei derart gestaltet, dass sie beim Verfüllen des Hohlraums 7 das Elektronikelement 5 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, umgibt. Mit anderen Worten: das Stempelelement 13 wird über das Elektronikele ment 5 übergestülpt, ohne dass das Stempelelement 13 dabei auf das Elektroni kelement 5 gedrückt wird oder an dem Elektronikelement 5 anschlägt bzw. sogar anliegt. Diese Ausführungsform ist insbesondere für sensible Elektronikelemente 5 von Vorteil, bei denen ggfs der vom Stempelelement 13 ausgeübte Druck andern- falls zu Schäden führen könnte. FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of the present invention. This exemplary embodiment is characterized in particular by the fact that the stamp element 13 is designed such that it receives contact elements 24, in particular pin-like from the top of the electronic element 5, the contact elements 24, which are formed on the top of the electronic element 5, during filling and protects, in particular within a corresponding recess 23. This allows the contacts or connections to be bonded to the top of the electronic element 5 before filling and does not have to be implemented after filling. This simplifies the manufacturing process, in particular the electrically conductive connection between the outer side A of the encapsulation 8 with the connections on the upper side of the electronic element 5. In the embodiment shown in FIG. 4, the contact elements 24 are shown as pin-like elements which are essentially perpendicular to the Main extension plane HSE of the later electronics module 100 run. In particular, can thereby the distance to the contact elements 24 to the outside A of the encapsulation 8 can be significantly reduced if the contact elements 24 are dimensioned accordingly large. FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of the present invention. Compared to the embodiments from the other figures, it is provided that the stamp element 13 has a recess 23 on its underside. This is designed such that it at least partially, preferably completely, surrounds the electronic element 5 when the cavity 7 is filled. In other words: the stamp element 13 is slipped over the electronics element 5 without the stamp element 13 being pressed onto the electronics element 5 or striking against the electronics element 5 or even being present. This embodiment is particularly advantageous for sensitive electronic elements 5, in which the pressure exerted by the stamp element 13 could otherwise lead to damage.
Bezuqszeichen: Reference sign:
5 Elektronikelement 5 electronic element
7 Hohlraum 7 cavity
8 Verkapselung 8 encapsulation
8‘ weitere Verkapselung 8 ‘further encapsulation
9 Drahtbond 9 wire bond
10 Trägersubstrat 10 carrier substrate
11 erste Werkzeughälfte 11 first half of the tool
11‘ weitere erste Werkzeughälfte 11 ‘another first half of the tool
12 zweite Werkzeughälfte 12 second tool half
12' weitere Werkzeughälfte 12 'additional tool half
13 Stempelelement 13 stamp element
13' weiteres Stempelelement 13 'further stamp element
16 Durchkontaktierung 16 plated-through holes
16' weitere Durchkontaktierung 18 weitere Metallisierung16 'further through-plating 18 further metallizations
19 Sockelelement 19 base element
23 Ausnehmung 23 recess
24 Kontaktelement 24 contact element
25 Bauteilseite 25 component side
32 Zwischenmetallisierung 100 Elektronikmodul 32 Intermediate metallization 100 electronics module
A Außenseite A outside
W Winkel W angle
HSE Haupterstreckungsebene HSE main extension level

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats (10), insbeson dere eines mit mindestens einem Elektronikelement (5) bestückten Trä gersubstrats (10), umfassend 1. A method for encapsulating at least one carrier substrate (10), in particular one with at least one electronic element (5) equipped carrier substrate (10), comprising
- Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats (10), insbesondere in Form eines Metall-Keramik-Substrats, zwischen einer ersten Werkzeughälfte (11 ) und einer zweiten Werkzeughälfte (12) - Positioning the at least one carrier substrate (10), in particular in the form of a metal-ceramic substrate, between a first tool half (11) and a second tool half (12)
- Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der ersten Werkzeughälfte (11 ) und der zweiten Werkzeughälfte (12), wobei der Hohlraum (7) das mindestens eine Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt, - Forming a cavity (7) by means of the first tool half (11) and the second tool half (12), the cavity (7) at least partially surrounding the at least one carrier substrate (10),
- Einbringen mindestens eines Stempelelements (13), das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte (11 ) und/oder zweiten Werkzeughälfte (12) verla gerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7), und - Introducing at least one punch element (13), which is mounted in particular in the first tool half (11) and / or second tool half (12), into the cavity (7), and
- jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebrachten Teil des mindes tens einen Stempelelements (13) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung (8) des mindestens einen Trä gersubstrats (10). - In any case, partial filling of the cavity (7) reduced by the introduced part of the at least one stamp element (13) by means of a material for forming an encapsulation (8) of the at least one carrier substrate (10).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , weiter umfassend: 2. The method of claim 1, further comprising:
- Ausbilden einer weiteren Metallisierung (18) an einer Außenseite (A) der Verkapselung (8) - Forming a further metallization (18) on an outside (A) of the encapsulation (8)
- Positionieren des verkapselten Trägersubstrats (10) zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte (1 T) und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12‘) - Positioning the encapsulated carrier substrate (10) between a further first tool half (1 T) and the second or a further second tool half (12, 12 ')
- Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der weiteren ersten Werkzeughälfte (1 T) und der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12‘), wobei der Hohlraum (7) das verkapselte Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt, - Forming a cavity (7) by means of the further first tool half (1 T) and the second or further second tool half (12, 12 '), the cavity (7) at least partially surrounding the encapsulated carrier substrate (10),
- Einbringen mindestens eines weiteren Stempelelements (13‘), das vor zugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte (1 T) und/oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12‘) verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7) - Introducing at least one further punch element (13 '), which is preferably displaceably mounted in the further first tool half (1 T) and / or further second tool half (12, 12'), into the cavity (7)
- jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindes tens einen weiteren Stempelelements (13‘) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung (8‘) für das ver kapselte Trägersubstrat (10). - In any case, partial filling of the cavity (7) reduced by the inserted part of the at least one further stamp element (13 '') by means of a material for forming a further encapsulation (8 '') for the encapsulated carrier substrate (10).
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das min destens eine Stempelelement (13) an seiner dem Trägersubstrat (10) zuge wandten Seite mit mindestens einer Ausnehmung (23) strukturiert ist, wobei beim Verfüllen des Hohlraums (7) ein Kontaktelement (24) am Elektronikele ment (5) und/oder das Elektronikelement (5) zumindest teilweise, vorzugs weise vollständig, innerhalb mindestens einer Ausnehmung (23) angeordnet ist. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least one stamp element (13) on its side facing the carrier substrate (10) is structured with at least one recess (23), a contact element (24) when filling the cavity (7) ) on the electronics element (5) and / or the electronics element (5) is at least partially, preferably completely, arranged within at least one recess (23).
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempe lelement (13) als Kontaktelement zumindest teilweise in der gefertigten Ver kapselung (8) belassen wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the stem element (13) as a contact element is at least partially left in the manufactured encapsulation (8).
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Verfül len ein Sockelelement (19) im Hohlraum (7) angeordnet wird, wobei auf dem Sockelelement (19) ein weiteres Trägersubstrat (10) und/oder ein weiteres Elektronikelement (5) und/oder eine Zwischenmetallisierung (32), vorzugs weise eine zentrale Zwischenmetallisierung (32), angeordnet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein when filling a base element (19) is arranged in the cavity (7), on the base element (19) a further carrier substrate (10) and / or a further electronic element (5) and / or an intermediate metallization (32), preferably a central intermediate metallization (32), is arranged.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempe lelement (13) gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) des Trägersubstrats (1 ) verlaufenden Richtung schräg verschiebbar gelagert ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the stem element (13) relative to a perpendicular to a main extension plane (HSE) of the carrier substrate (1) extending direction is mounted obliquely.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei eine Neigungsrichtung des schräg ver schiebbar gelagerten Stempelelements (13) gegenüber der senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung um einen Winkel (W) geneigt ist, der einen Wert zwischen 5° und 60°, bevorzugt zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 30° annimmt. 7. The method according to claim 6, wherein an inclination direction of the obliquely slidably mounted stamp element (13) with respect to the direction perpendicular to the main extension plane (HSE) by an angle (W) is inclined, which assumes a value between 5 ° and 60 °, preferably between 10 ° and 45 ° and particularly preferably between 15 ° and 30 °.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Werkzeughälfte (11 ) und/oder die zweite Werkzeughälfte (12) derart gestaltet sind, dass in der gefertigten Verkapselung (8) in der Außenseite (A) eine Strukturierung und/oder zumindest ein Rücksprung realisiert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first tool half (11) and / or the second tool half (12) are designed such that in the finished encapsulation (8) in the outside (A) a structuring and / or at least one Return is realized.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempe lelement (13) und/oder das weitere Stempelelement (13‘) in der ersten oder weiteren ersten Werkzeughälfte (11 , 1 T) und/oder der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12‘) verschiebbar, drehbar, entfaltbar, ver- schwenkbar oder aufblasbar gelagert ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the stem element (13) and / or the further stamp element (13 ') in the first or further first tool half (11, 1 T) and / or the second or further second tool half (12 , 12 ') is displaceable, rotatable, unfoldable, pivotable or inflatable.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dass das mindestens eine Stempelelement (13) und/oder das mindestens eine weitere Stempelelement (13‘) während des Verfüllens fixiert ist. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least one stamp element (13) and / or the at least one further stamp element (13 ') is fixed during the filling.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempe lelement (13) an seine Unterseite mit einem verformbaren Material, wie ei nem Gummimaterial, ausgestattet ist, das sich bei der Anlage an das Kontak telement (24) oder das Elektronikelement (7) entsprechend verformt und bei spielsweise formschlüssig um das Kontaktelement (24) oder das Elektroni kelement (7) legt. 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the stem element (13) is provided on its underside with a deformable material, such as a rubber material, which is in contact with the contact element (24) or the electronic element (7) deformed accordingly and, for example, form-fitting around the contact element (24) or the electronic element (7).
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trä gersubstrat (10) eine Primärschicht, eine Sekundärschicht und eine, zwi schen der Primärschicht und der Sekundärschicht angeordnete, metallische Zwischenschicht, insbesondere als elektronischer Rückleiter, aufweist, wo bei die Zwischenschicht vorzugsweise dicker als die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht ist und/oder dicker als 1 mm, bevorzugt dicker als 1 ,5 und besonders bevorzugt dicker als 2,5 mm ist. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the carrier substrate (10) has a primary layer, a secondary layer and a, between the primary layer and the secondary layer arranged, metallic intermediate layer, in particular as an electronic return conductor, where the intermediate layer is preferably thicker than the primary layer and / or the secondary layer is and / or thicker than 1 mm, preferably thicker than 1.5 and particularly preferably thicker than 2.5 mm.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Oberseite des Trägersubstrats (10) bereits die Kontaktelemente (24) ange bunden sind, bevor der Hohlraum (7) verfüllt wird 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein on the upper side of the carrier substrate (10) the contact elements (24) are already bound before the cavity (7) is filled
14. Elektronikmodul (100) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vor hergehenden Ansprüche. 14. Electronics module (100) produced by a method according to one of the preceding claims.
15. Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte (11 ), einer zweiten Werkzeug- hälfte (12) und einem Stempelelement (13) für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13. 15. Tool with a first tool half (11), a second tool half (12) and a stamp element (13) for a method according to one of claims 1 to 13.
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