DE102018010352B4 - Method for encapsulating at least one carrier substrate, electronics module and tool for encapsulating a carrier substrate - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats (10), insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement (5) bestückten Trägersubstrats (10), umfassend- Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats (10), insbesondere in Form eines Metall-Keramik-Substrats, zwischen einer ersten Werkzeughälfte (11) und einer zweiten Werkzeughälfte (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,- Einbringen mindestens eines Stempelelements (13), das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte (11) und/oder zweiten Werkzeughälfte (12) verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7), und- jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements (13) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung (8) des mindestens einen Trägersubstrats (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (13) gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) des Trägersubstrats (1) verlaufenden Richtung schräg verschiebbar gelagert ist.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 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) - 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), Introducing at least one stamp element (13), which is mounted displaceably in particular in the first tool half (11) and / or second tool half (12), into the cavity (7), and at least partially filling the part of the at least one stamp element introduced around it (13) reduced cavity (7) by means of a material for forming an encapsulation (8) of the at least one carrier substrate (10), marked thereby It means that the stamp element (13) is mounted so as to be slidable relative to a direction perpendicular to a main extension plane (HSE) of the carrier substrate (1).

Description

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 electronics module and a tool for encapsulating a carrier substrate.

Elektronikmodule sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise als Leistungselektronikmodule, hinlänglich bekannt. Solche Elektronikmodule nutzen typischerweise schaltbare bzw. steuerbare Elektronikbauteile, die auf einem gemeinsamen Metall-Keramik Substrat über Leiterbahnen miteinander verschaltet sind. Wesentliche 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 vorzugsweise strukturiert und an einer Bauteilseite des Trägersubstrats ausgebildet ist.Electronics modules are sufficiently known from the prior art, for example as power electronics modules. Such electronic modules typically use switchable or controllable electronic components that are interconnected on a common metal-ceramic substrate via conductor tracks. 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 that 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 Trägersubstrat 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 Elektronikbauteile auf dem Trägersubstrat angesteuert bzw. mit einer erforderlichen Betriebsspannung versorgt werden können. Zum Ansteuern der Elektronikbauteile ist es dabei vorgesehen, dass das verkapselte Elektronikbauteil mit der Metallisierung 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 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 equipped carrier substrate is realized in such a way that a massive, i.e. H. a substantially cavity-free, encapsulation is realized, which rests directly on the equipped carrier substrate and at least partially surrounds it. It is also particularly advantageous if a metallization is provided on the outside of the encapsulation that is formed, with which the electronic components on the carrier substrate can be controlled or supplied with a required operating voltage. To control the electronic components, it is provided that the encapsulated electronic component is connected in an electrically conductive manner to the metallization on the outside of the encapsulation. For this purpose, a plated-through hole is typically provided, which is usually embedded in the encapsulation, for example through bores, after 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 Verkapselung und/oder des bestückten Trägersubstrats nur unzureichend berücksichtigen. 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 created by a laser drilling in the encapsulation with a subsequent filling of the laser drilling formed 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 controlled with difficulty or only with great effort. In addition, unevenness in height on the upper side of the encapsulation and / or the populated carrier substrate caused by manufacturing tolerances can only be taken into account inadequately. As a result, there is a risk in the manufacture of the encapsulated carrier substrates that too much material is 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 einem 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 bestückte 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 Hohlraum hineinversetzten, dass das Stempelelement an dem Elektronikbauteil in Anlage 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 beispielsweise in der EP 2 954 550 B1 beschrieben.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 when the cast housing is closed, a cavity is formed around the equipped carrier element. In this case, a stamp element is also provided, which is mounted, for example, displaceably in the first tool half. This stamp element can be moved into the cavity before the cavity is filled 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 filling remains free of material. This method is used, for example, in the EP 2 954 550 B1 described.

Ferner ist die JP H01 - 91 444 A bekannt, die ein Verfahren zum Spritzgießen von mehrlagigen Leiterplatten betrifft. Aus der DE 11 2015 007 004 T5 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Verkapslung mittels Spritzgießen bekannt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verkapseln eines Trägersubstrats bereitzustellen, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert ist.Furthermore, the JP H01-91 444 A known relating to a method of injection molding multilayer printed circuit boards. From the DE 11 2015 007 004 T5 a further method for producing an encapsulation by means of injection molding is known. 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 9 sowie durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren, angegeben.The object is achieved according to the invention by a method according to claim 1 and an electronics module according to claim 9 and by a tool according to claim 10. 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 Trägersubstrats, insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement bestückten Trägersubstrats, vorgesehen, umfassend

  • • 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,
  • • Einbringen mindestens eines Stempelelements, das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte und/oder zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gelagert ist, insbesondere verschwenk- und/oder verschiebbar und/oder drehbar und/oder entfaltbar und/oder aufblasbar gelagert ist, in den Hohlraum und
  • • jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindestens einen Stempelelements reduzierten Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung des mindestens einen Trägersubstrats.
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
  • • Positioning of 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,
  • • Introducing at least one punch element, which is in particular mounted displaceably in the first tool half and / or second tool half, in particular pivotable and / or displaceable and / or rotatably and / or deployable and / or inflatable is mounted in the cavity and
  • • In any case, partial filling of the cavity reduced by the incorporated part of the at least one stamp element by means of a material for forming 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 freigehalten 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 leitende 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 Ausbildung einer Durchkontaktierung nach dem Aushärten der Verkapselung mit einem elektrisch leitenden Material verfüllt werden. Insbesondere hat es sich in überraschender Weise herausgestellt, dass diese Art der Verkapselung für ein Trägersubstrat nutzbar ist und dass sich so Durchkontaktierungen bilden lassen.In contrast to the prior art, an area which is provided for the formation of an electrically conductive connection is kept free or exposed by means of the stamp element, so that after the cavity has been filled and the encapsulation has been formed from it, a channel is provided which in can advantageously be filled in such a way that an electrically conductive connection to the outside of the encapsulation can be established. As a result, it is advantageously possible to dispense with a complex laser drilling, with which the free space otherwise required for the plated-through hole would have to be realized. Instead, the exposed area can be filled with an electrically conductive material to form a via 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 plated-through holes 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 besteht, an einer Außenseite des mindestens einen Trägersubstrats zu verstehen, d. h. die Verkapselung liegt zumindest bereichsweise unmittelbar flächig am Trägersubstrat an und es wird kein lichter Bereich bzw. Hohlraum zwischen dem mit den Elektronikelementen bestückten Trägersubstrat und der Verkapselung ausgebildet. 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 vorgesehen, dass mit der hergestellten elektrisch leitenden Verbindung von der Außenseite der Verkapselung die Anschlüsse (wie z. B. ein Source-, ein Gate- und/oder ein Drain-Anschluss) des Elektronikelements an dessen Oberseite kontaktiert werden.In particular, the at least one carrier substrate with the at least one electronic element is embedded in the encapsulation. “Embedding” or “being embedded” is to be understood as meaning, in particular, a direct adjoining of the encapsulation or the material of the encapsulation, which preferably consists of a plastic, to an outside of the at least one carrier substrate, ie. H. the encapsulation is at least partially in direct contact with the carrier substrate and no clear area or cavity is formed between the carrier substrate equipped with the electronic elements and the encapsulation. The at least one carrier substrate does not have to be encased or surrounded on all sides by the encapsulation. It is also provided that the encapsulation is solid, i.e. free of cavities. In particular, it is provided that the electrically conductive connection established from the outside of the encapsulation makes contact with the connections (such as, for example, a source, a gate and / or a drain connection) of the electronic element on its upper side.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Trägersubstrat um ein Metall-Keramik-Substrat, dessen Isolationsschicht aus einer Keramik gefertigt ist und an dessen Außenseite eine Metallisierung, insbesondere durch ein AMB- oder DCB-Verfahren hergestellt, ausgebildet ist. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Isolationsschicht aus einem organischen Material gefertigt ist, wobei dem organischen Material beispielsweise ein Füllstoff zugesetzt ist.
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 Verkapselung zu den Anschlüssen an der Oberseite des Trägersubstrats bzw. des Elektronikelements realisieren. Besonders bevorzugt liegt das Stempelelement hierzu während des Verfüllens an einer Oberseite des Elektronikelements und/oder der Oberseite des Trägersubstrats an.The carrier substrate is particularly preferably a metal-ceramic substrate, the insulation layer of which is made from a ceramic and on the outside of which a metallization, in particular produced by an AMB or DCB process, is formed. Alternatively, it is conceivable that the insulation layer is made of an organic material, with a filler, for example, being added to the organic material.
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 can be made from the outside of the encapsulation to the connections on the top of the carrier substrate or the electronic element. 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 the filling process.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats bemessener Abstand zwischen einer an der Außenseite der Verkapselung ausgebildeten weiteren Metallisierungsschicht und der Metallisierungsschicht 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 µm, beispielsweise etwa 300µm, beträgt, also möglichst gering ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Abstand kleiner als 200 µm oder 100 µm ist. Es ist besonders bevorzugt vorstellbar, dass sich der Abstand auf einen Wert zwischen 100 und 200 µm bemisst. Entsprechend stellt sich in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung ein sehr kurzer Abstand zwischen 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 nasschemisch, durch eine Paste, eine Gasphasenabscheidung, ein Siebdruckverfahren, ein 3D-Druckverfahren mechanisch und/oder galvanisch realisiert werden.It is preferably provided that a distance measured perpendicular to a main plane of extent of the carrier substrate between a further metallization layer formed on the outside of the encapsulation and the metallization layer on the carrier substrate is less than 5 mm, preferably less than 2.5 mm, and particularly preferably less than 1 mm down to less than 400 μm, for example about 300 μm, that is to say is as small as possible. It is particularly preferably provided that the distance is smaller than 200 μm or 100 μm. It is particularly preferably conceivable that the distance is measured at a value between 100 and 200 μm. Correspondingly, in a direction running perpendicular to the main extension plane, a very short distance is established between the electronic element on the carrier substrate or its contact surfaces or points and the encapsulated carrier substrate on the outside. Furthermore, vias are embedded in the encapsulation in the manufactured electronics module, for example. The plated-through holes can be implemented wet-chemically, by means of a paste, a gas phase deposition, a screen printing process, a 3D printing process, mechanically and / or galvanically.

Als Elektronikelemente sind vorzugsweise schaltbare Bauteile bzw. aktive Bauteile zu verstehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Elektronikelement um eines mit einem WBG-Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, 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 Vorverbund bzw. „Prepackaging“ zusammengefasst sein. In einem solchen Vorverbund sind ein oder mehrere Elektronikelemente beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet und in einer Matrix eingebettet. Ein Beispiel für einen Vorverbund findet sich in der Druckschrift DE 10 2014 117 086 A1 als Umverteilungsstruktur, 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 ofEmbedded 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.Electronic elements are preferably to be understood as being switchable components or active components. The at least one electronic element is preferably one with a WBG semiconductor (wide bandgap semiconductors), such as. B. a semiconductor made of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, or silicon semiconductor element. Examples of electronic components are MOSFETs (“metal-oxide-semiconductor field-effect transistors”) or IGBTs (“insulated-gate bipolar transistors”). The electronic elements can also be combined as a pre-assembly or “pre-packaging”. In such a pre-assembly, one or more electronic elements are arranged, for example, on a printed circuit board and embedded in a matrix. An example of a pre-composite can be found in the publication DE 10 2014 117 086 A1 as a redistribution structure in which an electronic element is integrated into a dielectric matrix. On the Revelation content of the DE 10 2014 117 086 A1 explicit reference is hereby made to the pre-group or the redistribution structure. Further examples of a pre-assembly to which reference is explicitly 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 Verkapselung 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-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite und/oder die Metallisierungsschicht des Trägersubstrats oberflächenmodifiziert sind. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.Conceivable materials for the further metallization layer on the outside of the encapsulation or the metallization layer of the carrier substrate are copper, aluminum, molybdenum and / or their alloys, as well as 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, wherein a grain size in the first copper layer differs 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. Sealing with a noble metal, in particular silver and / or gold, or ENIG (“electroless nickel immersion gold”) or edge potting on the first or second metallization layer to suppress crack formation or expansion is conceivable as a surface modification.

Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Verkapselung strukturiert und/oder am gefertigten Elektromodul sind die Elektronikelemente am Trägersubstrat über die Durchkontaktierungen durch weitere Elektronikelemente an der Außenseite der Verkapselung ansteuerbar.The further metallization layer is preferably structured on the outside of the encapsulation and / or on the manufactured electrical module the electronic elements on the carrier substrate can be controlled via the vias by further electronic elements on the outside of the encapsulation.

Insbesondere ist das zumindest eine Trägersubstrat drei- oder fünflagig ausgestaltet. Durch die mehrlagige Ausgestaltung ist es in vorteilhafter Weise möglich, vergleichsweise dicke metallische Zwischenschichten einzusetzen, während zur Stabilisierung mehrere Keramikschichten dienen. Infolgedessen lässt sich der Wärmewiderstand reduzieren und gezielt eine Wärmespreizung einstellen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Schichtdicke der aus Keramik gefertigten Isolationsschicht 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 several 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 insulation layer made of ceramic 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 Trägersubstrat integriert und wird von der Verkapselung nicht umschlossen, d. h. es liegt frei. Die Integration gestattet einen geringen Aufwand beim Verbauen des Elektronikmoduls, da in vorteilhafter Weise auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt, in dem eine Bodenplatte und/oder ein Kühler an das Trägersubstrat angebunden wird, beispielsweise gelötet, gesintert und/oder verklemmt wird, verzichtet werden kann. Die Fluidkühlvorrichtung dient insbesondere dem Heran- und Abführen eines Kühlfluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit. Vorzugsweise umfasst die Kühlstruktur Finnen, die in einen Kanal hineinragen, der von der Kühlstruktur und der Fluidkühlungsvorrichtung ausgebildet wird. Zum Abdichten des Kanals, der zwischen Trägersubstratseitiger 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, insbesondere die Finnen der Kühlstruktur. Vorzugsweise ist das Dichtelement an der Verkapselung angeordnet, beispielsweise in einer hierfür vorgesehenen Nut.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, e.g. B. 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. H. it is exposed. The integration allows little effort when installing the electronic module, since advantageously an additional work step in which a base plate and / or a cooler is connected to the carrier substrate, for example soldered, sintered and / or clamped, can be dispensed with. The fluid cooling device is used in particular to supply and discharge a cooling fluid, in particular a cooling liquid. The cooling structure preferably comprises fins which protrude into a channel which is formed by the cooling structure and the fluid cooling device. To seal the channel, which is formed between the cooling structure on the carrier substrate side and the fluid cooling device, a sealing element is preferably provided which is integrated into the electronics module and which is arranged essentially at the level of the cooling structure, viewed in the stacking direction. The sealing element is preferably designed in the form of a ring or as 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 Al2O3, Si3N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter 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 Wärmwiderstand verwendet.The ceramic layer preferably has Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN, an HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al 2 O 3 matrix which comprises an x percent share of ZrO 2 , for example Al 2 O 3 with 9% ZrO 2 = HPS9 or Al 2 O 3 with 25% ZrO 2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high-density MgO (> 90% of the theoretical density), TSZ (tetragonally stabilized zirconium oxide) or ZTA as the material for the ceramic on. 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 on top of one another and joined together to form an insulation layer in order to combine various desired properties. A highly thermally conductive ceramic is preferably used for the lowest possible thermal resistance.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat eine Primärschicht, eine Sekundärschicht und eine, zwischen der Primärschicht und der Sekundärschicht angeordnete, metallische Zwischenschicht, insbesondere als elektronischer 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 dicker 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 unterstützt die Dicke insbesondere die Wärmespreizung beim Wärmeabtransport, bei dem die Wärme von der Bauteilseite über das Trägersubstrat auf eine der Bauteilseite 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 intermediate layers advantageously act as temporary ones Memory and thus improve the thermal impedance Z th . In this case, the thickness particularly supports the spreading of heat during heat dissipation, 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 let into the primary layer, so that not only the first metallization layer can be used to conduct electricity, 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 Primärschicht, der Sekundärschicht und der metallischen Zwischenschicht als Aufbau aus fünf oder mehr Lagen zusammengesetzt ist. Insbesondere ist für den fünflagigen 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. 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 Keramiken. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise die gewünschten Anforderungen an die Isolationsfestigkeit realisieren. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Sekundärschicht und/oder Tertiärschicht nicht aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt sind, da diese im Wesentlichen zur Versteifung des Trägersubstrats dienen und nicht zur Isolation beitragen. Denkbar wäre hier beispielsweise die Verwendung von Molybdän und/oder Wolfram statt einer Keramik.Furthermore, it is preferably provided that the carrier substrate is composed of the primary layer, the secondary layer and the metallic intermediate layer as a structure of five or more layers. 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. This further reduces the tendency to twist in the event of operational and environmental temperature changes. The primary layer, the secondary layer and / or the tertiary layer are preferably made from a material comprising ceramics, for example from one of the ceramics mentioned above. As a result, the desired insulation strength requirements can be implemented in an advantageous manner. However, it is also conceivable that the secondary layer and / or tertiary layer are not made from a material comprising a ceramic, since these essentially serve to stiffen the carrier substrate and do not contribute to insulation. It would be conceivable here, for example, to use molybdenum and / or tungsten instead of a ceramic.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte 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 einfach 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 Stempelelements mit einer Folie bzw. einem Film bedeckt sind, die bzw. der verhindert, dass die gefertigte Verkapselung an der ersten Werkzeughälfte, der zweiten Werkzeughälfte 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 drafts that allow the encapsulated carrier substrate to be easily removed after the material has been filled and hardened for the encapsulation. Furthermore, it is preferably provided that an inner side of the first tool half, an inner side of the second tool side and / or the part of the at least one stamp element protruding into the cavity are covered with a foil or a film that prevents the manufactured Encapsulation remains adhered to the first tool half, the second tool half and / or the at least one stamp element during demolding. Such a foil or such a film represents an article subject to wear and tear, with which the first tool half and / or the second tool half is preferably re-clad for each encapsulation.

Weiterhin ist es für das Verfahren zweckmäßig, das Trägersubstrat vor dem Verfüllen 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 Stempelelement und der ersten bzw. der zweiten Werkzeughälfte verklemmt ist. Es ist ferner vorstellbar, dass die erste Werkzeughälfte und/oder eine zweite Werkzeughälfte an ihrer Innenseite eine Aufnahme aufweisen, in der das Trägersubstrat eingesetzt 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 sowie das Verfüllen wird explizit und sinngemäß auf den Offenbarungsgehalt der EP 2 954 550 B1 Bezug genommen.Furthermore, it is expedient for the method to fix the carrier substrate in the cavity before it is filled, 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 stamp 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, form-locking with the first and / or second Tool half cooperates. With regard to the basics for the first tool half, the second tool half and the stamp element as well as the filling, the disclosure content of the EP 2 954 550 B1 Referenced.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das mindestens eine Stempelelement an seiner der Trägersubstrat zugewandten Seite strukturiert ist, insbesondere mit mindestens einer Ausnehmung oder Erhebung, wobei beim Verfüllen des Hohlraums ein Kontaktelement am Elektronikelement und/oder das Elektronikelement zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, innerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Kontaktelemente und/oder das Elektronikelement beim Verfüllen des Hohlraums 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 Stempelelement ausgehender Druck wirkt, sodass in vorteilhafter Weise nicht damit zu rechnen ist, dass eine Beschädigung des Elektronikelements während des Verfüllens erfolgt.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, wherein when filling the cavity, a contact element on the electronic element and / or the electronic element at least partially, is preferably arranged completely 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 the cavity is being filled, which is passed 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 from the stamp element acts on them, so that, in an advantageous manner, damage to the electronic element during filling is not to be expected he follows.

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Ausnehmung derart dimensioniert und angeordnet wird, dass das aufgenommene Kontaktelement und/oder das aufgenommene 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, ausgestattet ist, das sich bei der Anlage an das Kontaktelement bzw. das Elektronikelement entsprechend verformt und beispielsweise formschlüssig um das Kontaktelement bzw. das Elektronikelement legt. Ferner ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass an der Oberseite des Trägersubstrats bereits die Kontaktelemente angebunden sind, bevor der Hohlraum verfüllt wird. Dadurch lässt sich vermeiden, 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 anordnen, wo ein einfacher bzw. zweckdienlicher Zugriff für die elektrische, leitende Verbindung mit der Außenseite der Verkapselung realisierbar ist.It is provided in particular that the recess is dimensioned and arranged in such a way that the received contact element and / or the received electronic element is arranged without contact with the stamp element within the recess. It is also conceivable that the stamp element is equipped on its underside with a deformable material, such as a rubber material, which deforms accordingly when it rests on the contact element or the electronic element and, for example, forms a form-fitting around the contact element or the electronic element. 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 create 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 the end thereof can be arranged where simple or expedient access for the electrical, conductive connection to the outside of the encapsulation can be achieved.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Stempelelements insbesondere als Kontaktelement 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 mitverbaut 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 Lötvorgang kann durch bzw. über das Stempelelement erfolgen.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass beim Verfüllen ein Sockelelement im Hohlraum angeordnet wird, wobei auf dem Sockelelement ein weiteres Trägersubstrat und/oder ein weiteres Elektronikelement und/oder eine Zwischenmetallisierung, vorzugsweise eine zentrale Zwischenmetallisierung, angeordnet wird. Dadurch lassen sich Trägersubstrate, Zwischenmetallisierung und/oder Elektronikelemente dreidimensional innerhalb der Verkapslung optimal anordnen und ausrichten. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass auf dem Sockelelement ein Kontaktelement ausgebildet ist, z. B. in Form eines Metallblocks oder Metallblechs, von dem ausgehend mehrere Elektronikelemente 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 Zwischenmetallisierung zu realisieren, beispielsweise durch ein Drahtbonden. Nach der Verkapselung bedarf es dann ausschließlich der Kontaktierung der zentralen Zwischenmetallisierung mit der Außenseite der Verkapselung. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess ebenfalls auf signifikante Weise, da nach dem Ausbilden der Verkapselung ausschließlich zu der zentralen Zwischenmetallisierung eine elektrisch leitende Verbindung von der Außenseite der Verkapselung her geschaffen werden muss, nicht aber zu allen Kontaktstellen der Elektronikelemente.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 manufactured encapsulation. For example, the complete stamp element is left in the encapsulation and later forms the plated-through hole or a part of the plated-through hole. However, it is also conceivable that the stamp element, for example, includes the later plated-through hole in its interior and leaves this within the encapsulation after curing or the formation of the encapsulation. The stamp element or a part of the stamp element thus becomes a sacrificial part that is also built into the encapsulated carrier substrate during the manufacturing process. To connect the sacrificial part to the contact of the electronics module, it can be attached to the contact in an electrically conductive manner, for example by means of ultrasonic or friction welding or soldering. This welding or soldering process can take place through or via the stamp element.
In a further, preferred embodiment it is provided that a base element is arranged in the cavity during filling, with a further carrier substrate and / or a further electronic element and / or an intermediate metallization, preferably a central intermediate metallization, being arranged on the base element. As a result, carrier substrates, intermediate metallization and / or electronic elements can be optimally arranged and aligned three-dimensionally within the encapsulation. It is particularly preferred that a contact element is formed on the base element, e.g. B. in the form of a metal block or sheet metal, starting from which several electronic elements on the carrier substrate, in particular with a supply voltage, can be supplied, so that it is advantageously possible to first establish the electrically conductive connection between the individual electronic elements on the carrier substrate before encapsulation to realize the central intermediate metallization, for example by wire bonding. After the encapsulation, all that is required is the contacting of the central intermediate metallization with the outside of the encapsulation. This also significantly simplifies the manufacturing process, since after the encapsulation has been formed, an electrically conductive connection has to be created from the outside of the encapsulation exclusively to the central intermediate metallization, but not to all contact points of the electronic elements.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Stempelelement gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats verlaufenden Richtung schräg verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist. Dadurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, schräg verlaufende Durchkontaktierungen herzustellen. Diese schräg verlaufenden Durchkontaktierungen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn vorgesehen ist, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite 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 Hohlraum.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Neigungsrichtung des schräg verschiebbar gelagerten Stempelelements gegenüber der senkrecht zur Haupterstreckungsebene 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 the stamp element is mounted so as to be obliquely displaceable or pivotable with respect to a direction running perpendicular to a main plane of extent of the carrier substrate. This makes it possible in a particularly advantageous manner to produce vias running at an angle. These obliquely running vias are particularly advantageous when it is provided that the metallization layer on the outside of the encapsulation is to 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 displaced back out of the cavity after the encapsulation has hardened and before the cavity is opened.
In particular, it is provided that a direction of inclination of the obliquely displaceably mounted stamp element is inclined with respect to the direction running perpendicular to the main plane of extent by an angle which is a value between 5 ° and 65 °, preferably between 10 ° and 45 ° and particularly preferably between 15 ° and 30 ° assumes. This makes it possible to implement vias running at an angle in a particularly expedient manner.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren weiter umfasst:

  • • Ausbildung einer Metallisierung an einer Außenseite der Verkapselung;
  • • Positionieren des verkapselten Trägersubstrats zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werkzeughälfte;
  • • Ausbilden eines insbesondere geschlossenen Hohlraums mittels der weiteren ersten Werkzeughälfte und der zweiten oder der weiteren zweiten Werkzeughälfte, wobei der Hohlraum das verkapselte Trägersubstrat zumindest teilweise umgibt;
  • • Einbringen des Stempelelements oder mindestens eines weiteren Stempelelements, das vorzugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte oder zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum;
  • • jedenfalls teilweises Verfüllen des Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung für das verkapselte Trägersubstrat.
According to a further embodiment of the present invention, it is provided that the method further comprises:
  • • Formation of a metallization on an outside of the encapsulation;
  • • 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 further first tool half and the second or the further second tool half, the cavity at least partially surrounding the encapsulated carrier substrate;
  • • Introducing the stamp element or at least one further stamp element, which is preferably mounted displaceably in the further first tool half or the second or further second tool half, into the cavity;
  • • 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 Verkapselung ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur in der Verkapselung zu realisieren.This sequential or successive implementation of the encapsulation makes it possible in an advantageous manner to implement a three-dimensional conductor track structure in the encapsulation.

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 strukturieren, 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 Verkapselung 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 Widerstand 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 elektronischen Bauelemente, insbesondere inklusive der in die Außenseite integrierte weitere Metallisierungsschicht, sind tiefer gelegt, sodass sich eine glatte Außenfläche 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 in such a way that structuring and / or at least one recess is implemented in the manufactured encapsulation on the outside. 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 allows 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 on the outside. It is also conceivable that the recess is dimensioned in such a way that a resistor and / or a capacitor, for example an RC element, can be integrated in this recess, so that such a design of the outside of the encapsulation enables a flat termination on the outside of the encapsulation . That is, the outside of the encapsulation does not offer any protrusions or the like, but rather all electronic components, in particular including the further metallization layer integrated into the outside, are set deeper, 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 with respect to the deeper further metallization layer.

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 Außenseite der Verkapselung, insbesondere abstehend von der Außenseite der Verkapselung, realisiert werden muss.In a further embodiment, it is preferably provided that a recess or a recess is implemented 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 protruding from the outside the encapsulation, has to be realized.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikmodul, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten analog für das Elektronikmodul und vice versa.Another object of the present invention is an electronic module produced using the method according to the invention. All of the features and advantages described for the method apply analogously to the electronics 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 Merkmale und Vorteile gelten in analoger Weise für das Werkzeug.Another subject matter is a tool with a first tool half, a second tool half and a stamp element for a method according to the invention. All of the features and advantages described for the electronics module and the method 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 emerge from the following description of preferred embodiments of the subject matter according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiment can be combined with one another within the scope of the invention.

Es zeigen (schematisch):

  • 1a/1b: ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2a-2d: ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 3: ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4: ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 5: ein Verfahren gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
It shows (schematically):
  • 1a / 1b: a method according to a first exemplary embodiment of the present invention,
  • 2a-2d : a method according to a second exemplary embodiment of the present invention,
  • 3rd : a method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • 4th : a method according to a fourth exemplary embodiment of the present invention; and
  • 5 : a method according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.

In den 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 Leistungsmoduls. Wesentliche Bestandteile eines solchen Elektronikmoduls 100 sind ein Trägersubstrat 10 und eine Verkapselung 8, wobei das Trägersubstrat 10 zumindest 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, wobei diese Metallisierungsschicht zur Bildung von Leiterbahnen oder Anschlusspads z. B. strukturiert ist (nicht gezeigt).In the 1a and 1b a method according to a first exemplary embodiment of the present invention is illustrated. In particular, the method is used to form an electrical module 100 , especially a power module. Essential components of such an electronic module 100 are a carrier substrate 10 and an encapsulation 8th , the carrier substrate 10 at least partially in the encapsulation 8th is embedded, ie the carrier substrate 10 is at least partially in the encapsulation 8th encapsulated. The carrier substrate 10 has a component side 25th with a component-side metallization layer, this metallization layer for the formation of 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 untereinander verbunden sind. Beispielsweise umfassen die Elektronikelemente 5 Halbleiter, insbesondere WBG -Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, deren 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 Frequenzumrichter im Bereich der elektronischen Antriebstechnik, insbesondere im Bereich der E-mobilität, als Solarwechselrichter und/oder Umrichter für Windkraftanlagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder als Schaltnetzteil bzw. DC-DC-Wandler eingesetzt wird.On the component side 25th are electronic elements 5 connected, which are preferably interconnected to form at least a 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 made of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride, the band gap between a valence band and a conduction band between 2 eV and 4 eV or above it. In particular, the electronics module is 100 a power electronics module and is used, for example, to convert electrical energy with switching electronic elements 5 . Conceivable would be z. B. that the electronics module 100 is used as a DC voltage converter, converter and / or frequency converter in the field of electronic drive technology, especially in the field of e-mobility, as a solar inverter and / or converter for wind turbines to feed regeneratively generated energy into the grid or as a switched-mode power supply or DC-DC converter.

Zur Steuerung der Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 ist an der Außenseite 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.For controlling the electronic elements 5 on the component side 25th is on the outside A. the encapsulation 8th a further metallization layer (not shown) serving in particular as a connection is provided for at least one further electronic component and / or contact points (not shown). The further metallization layer is preferably also structured. For example, it is the further electronic element 5 to a control element such. B. a gate driver, an intermediate capacitor, a load connection, a connection for power supply and / or the like.

Um die Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 durch die weiteren Elektronikelemente (nicht dargestellt) an der Außenseite A der Verkapselung 8 anzusteuern, ist insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen, welche bevorzugt durch die Verkapselung 8 hindurchgreift bzw. innerhalb der Verkapselung 8 verläuft. Bevorzugt ist eine solche elektrisch leitende Verbindung als Durchkontaktierung 16 realisiert. Um für die spätere Durchkontaktierung 16 einen ausreichend großen Freiraum bereitzustellen, der insbesondere oberhalb des Elektronikelements 5 ausgebildet ist, ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine entsprechende Aussparung bei der Verkapselung 8, d.h. während des Verkapselungsvorgangs, realisiert wird. Dabei ist es besondere bevorzugt vorgesehen, dass zur Bildung 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 vorzugsweise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung formschlüssig zusammen.To the electronic elements 5 on the component side 25th by the other electronic elements (not shown) on the outside A. the encapsulation 8th to control, in particular an electrically conductive connection is provided, which is preferably through the encapsulation 8th reaches through or within the encapsulation 8th runs. Such an electrically conductive connection is preferred as a plated-through hole 16 realized. In order for later through-hole plating 16 to provide a sufficiently large free space, in particular above the electronic element 5 is formed, it is preferably provided that a corresponding recess in the encapsulation 8th , ie during the encapsulation process, is realized. It is particularly preferably provided that to form the encapsulation 8th at least one carrier substrate 10 between a first mold half 11 and a second tool half 12th is positioned. This is at least one carrier substrate 10 in the first half of the tool 11 or in the second half of the tool 12th jammed or by the first half of the tool 11 and / or the second tool half 12th fixed. In a particularly preferred embodiment, it is conceivable that the carrier substrate 10 in a receptacle on the inside of the second tool half 12th is positioned so that the carrier substrate 10 when filling or forming the encapsulation 8th does not slip. The second half of the tool works 12th with the carrier substrate 10 preferably in a parallel to the main extension plane HSE running direction together form-fitting.

In einem geschlossenen Zustand formen die erste Werkzeughälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 einen Hohlraum 7, der zumindest teilweise das Trägersubstrat 10 umgibt. Durch ein Verfüllen des Hohlraums 7 mit einem Material, insbesondere einem gussfähigen Kunststoff, und einem anschließenden Aushärten des Materials kann man dann eine entsprechende Verkapselung 8 in Form des Hohlraums 7 um das Trägersubstrat 10 herum ausbilden. Zur gezielten Ausbildung 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 vorgesehen, dass in die erste Werkzeughälfte 11 und/oder zweite Werkzeughälfte 12 zumindest ein Stempelelement 13 eingelassen ist.In a closed state, the first mold half forms 11 and the second half of the tool 12th a cavity 7th , at least partially the carrier substrate 10 surrounds. By backfilling the cavity 7th a corresponding encapsulation can then be achieved with a material, in particular a castable plastic, and subsequent curing of the material 8th in the form of the cavity 7th around the carrier substrate 10 training around. For the targeted formation of a recess, in particular above a connection on an upper side of the electronic element 5 , in the encapsulation 8th which later then lead to the formation of the via 16 can be used, it is preferably provided that in the first tool half 11 and / or second tool half 12th at least one stamp element 13th is let in.

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 Hohlraum 7 einzuführen, so dass beim Verfüllen ausschließlich der um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements 13 reduzierte Hohlraum 7 verfüllt wird. Mit anderen Worten: der Teil des Hohlraums 7, in dem sich das Stempelelement 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 Stempelelements 13 erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil sie es gestattet, fertigungsbedingte Höhenunterschiede bzw. Toleranzen in der Höhe des mit dem Elektronikelement 5 bestückten Trägersubstrats 10 auszugleichen.This stamp element 13th is preferably designed such that it is slidable in the first tool half 11 and / or second tool half 12th is stored. This makes it possible in an advantageous manner, the stamp element 13th into the cavity 7th to be introduced, so that when backfilling only the part of the at least one stamp element that has been introduced 13th reduced cavity 7th is filled. In other words: the part of the cavity 7th , in which the stamp element 13th during the filling of the cavity 7th is arranged remains free of the material of the encapsulation 8th and forms the recess that will later be used to form the via 16 is being used. The use of such a stamp element 13th proves to be particularly advantageous because it allows production-related height differences or tolerances in the amount of the electronic element 5 equipped carrier substrate 10 balance.

Bevorzugt wird das Stempelelement 13 dabei derart weit in den Hohlraum 7 eingeführt, bis es in Anschlag gerät mit der Oberseite des Elektronikelements 5 und/oder mit einer Metallisierung auf einer Bauteilseite 25 des Trägersubstrats 10. In der in 1a dargestellten Ausführungsform ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Stempelelement 13 in der ersten Werkzeughälfte 11 derart verschiebbar 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 Hohlraum 7 eingebrachte Teil des Stempelelements 13 schräg zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich ein Winkel W zwischen einer Längserstreckung des Stempelelements 13 und der senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung 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 is preferred 13th so far into the cavity 7th inserted until it comes into contact with the top of the electronic element 5 and / or with a metallization on one side of the component 25th of the carrier substrate 10 . In the in 1a embodiment shown, it is particularly preferably provided that the stamp element 13th in the first half of the tool 11 is mounted displaceably in such a way that the stamp element 13th opposite one perpendicular to the main plane of extent HSE running direction runs obliquely or is aligned. In other words: when filling around the part of the stamp element that has been introduced 13th reduced cavity 7th runs into the cavity 7th introduced part of the stamp element 13th obliquely to a plane perpendicular to the main extension plane HSE trending direction. In particular, it is provided that an angle W. between a longitudinal extension of the stamp element 13th and that perpendicular to the main extension plane HSE running direction, where the angle W. 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 herausgefahren wird, bevor das ausgeformte oder ausgebildete Elektronikmodul 100 mit dem verkapselten Trägersubstrat 100 aus der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zweiten Werkzeughälfte 12 ausgeformt wird, nachdem wiederum die erste Werkzeughälfte 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 einem elektrisch leitenden Material bildet sich eine Durchkontaktierung 16 aus, wie sie beispielsweise in 1b 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 einem 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 Elektronikelements 5 versteht der Fachmann insbesondere die Seite, die dem Trägersubstrat 10 im Elektronikmodul 100 gegenüberliegend angeordnet ist. Durch die Ausbildung einer schräg verlaufenden Durchkontaktierung 16 ist es in vorteilhafter Weise möglich, die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite A der Verkapselung 8 lateral gegenüber den Anschlüssen an der Oberseite des Elektronikelements 5 zu versetzen.Furthermore, it is provided that after the material from which the encapsulation has hardened 8th is formed, first the stamp element 13th is moved out before the molded or trained electronics module 100 with the encapsulated carrier substrate 100 from the first half of the tool 11 and / or second tool half 12th is formed after again the first tool half 11 and the second half of the tool 12th can be transferred from a closed state to an open state. After filling the during encapsulation 8th through the stamp element 13th caused by a recess with an electrically conductive material, a through-hole is formed 16 from, for example, in 1b is shown, which in particular obliquely to a perpendicular to the main extension plane HSE extending direction is formed. One end of the plated-through hole contacts one end of the via 16 a top of the electronic element 5 , and the other side of the via 16 is in electrically conductive contact with the further metallization layer on the outside A. the encapsulation 8th . In particular, the plated-through hole is sufficient 16 to the outside A. the encapsulation 8th . Under the top of an electronic element 5 the person skilled in the art understands in particular the side facing the carrier substrate 10 in the electronics module 100 is arranged opposite. Through the formation of an obliquely running through-hole 16 it is advantageously possible to have the further metallization layer on the outside A. the encapsulation 8th laterally opposite the connections on the top of the electronic element 5 to move.

Ferner ist es in der Ausführungsform gemäß den 1a und 1b 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.Furthermore, in the embodiment according to FIGS 1a and 1b provided that with encapsulation 8th 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 during operation of the electronic module 100 for example, can be washed around by a cooling liquid.

In den 2a bis 2c ist eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der insbesondere vorgesehen ist, sukzessive hintereinander das Verfahren zum Verkapseln und Ausbilden von Durchkontaktierungen mittels eines Stempelelements 13 durchzuführen, um eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur zu realisieren. Insbesondere ist dabei in einem ersten Schritt vorgesehen, dass mit einem Stempelelement 13 beim Verfüllen des Hohlraums 7 eine Aussparung freigehalten wird, die später als Durchkontaktierung 16 zu dem Elektronikelement 5 auf dem Trägersubstrat 10 dient. Nach dem Entformen des verkapselten Trägersubstrats 10 ist sodann vorgesehen, dass eine weitere Metallisierung 18 an die Außenseite A der Verkapselung 8 angeformt wird bzw. daran ausgebildet wird. In einem anschließend erneuten Verkapselungsprozess ist es vorgesehen, dass eine weitere erste Werkzeughälfte 11' und eine weitere zweite Werkzeughälfte 12' derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie das verkapselte Trägersubstrat 10 mit seiner Verkapselung 8 zumindest teilweise umschließt und einen Hohlraum 7 zwischen der weiteren ersten Werkzeughälfte 11' 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 2c ist eine entsprechende Wiederholung des Verfahrens demonstriert und in 2d ist ein Elektronikmodul 100 beispielhaft dargestellt, in dem durch die realisierten Durchkontaktierungen 16 bzw. weiteren Durchkontaktierungen 16' und Metallisierungsschichten an den jeweiligen Verkapselungen 8 bzw. weiteren Verkapselungen 8' eine dreidimensionale Leiterbahnstruktur gebildet ist.In the 2a to 2c a second, exemplary embodiment of the present invention is shown in which it is provided in particular, successively one after the other, the method for encapsulating and forming vias by means of a stamp element 13th perform in order to realize a three-dimensional conductor track structure. In particular, it is provided in a first step that with a stamp element 13th when filling the cavity 7th a recess is kept free, which will later be used as a via 16 to the electronic element 5 on the carrier substrate 10 serves. After removing the encapsulated carrier substrate from the mold 10 it is then provided that a further metallization 18th to the outside A. the encapsulation 8th is formed or is formed thereon. In a subsequent new encapsulation process, it is provided that a further first tool half 11 ' and another second tool half 12 ' are aligned with one another in such a way that they are the encapsulated carrier substrate 10 with its encapsulation 8th at least partially encloses and a cavity 7th between the other first mold half 11 ' and the other second tool half 12 ' trains. By means of another stamp element 13 ' can then be another through-hole 16 ' in further encapsulation 8th' realize. It is particularly preferably provided that the further stamp element 13 ' opposite the stamp element 13th is arranged laterally offset, ie in a parallel to the main plane of extent HSE trending direction. In the 2c a corresponding repetition of the procedure is demonstrated and in 2d is an electronics module 100 shown by way of example, in that through the implemented vias 16 or further vias 16 ' and metallization layers on the respective encapsulations 8th or further encapsulations 8th' a three-dimensional conductor track structure is formed.

In 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 Zwischenmetallisierung 32, ein Trägersubstrat 10 und/oder ein Elektronikelement 5 angeordnet ist. Mittels des Sockelelements 19, das beispielsweise aus dem Material 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 einem anderen Abstand zum Trägersubstrat 10, anzuordnen. Insbesondere die Ausbildung als Zwischenmetallisierung 32 kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn dadurch mehrere Elektronikelemente 5 durch diese Zwischenmetallisierung 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 angebracht ist als die Oberseite des unmittelbar an dem Trägersubstrat 10 angebrachten Elektronikelements 5, wodurch die Kontaktierung des auf dem Sockelelement 19 angeordneten Elektronikelements 5 signifikant vereinfacht werden kann.In 3rd A third exemplary embodiment of the present invention is shown. It is particularly provided that in the between the first tool half 11 and the second half of the tool 12th formed cavity 7th a base element 19th is arranged, on the base element 19th an intermediate metallization 32 , a carrier substrate 10 and / or an electronic element 5 is arranged. By means of the base element 19th , which is made, for example, from the material that will later be used for encapsulation or for filling the cavity 7th is used, it is advantageously possible to have a further substrate or a further component within the encapsulation 8th at a different height, ie at a different distance from the carrier substrate 10 to arrange. In particular, the training as an intermediate metallization 32 can prove to be particularly advantageous if this results in several electronic elements 5 through this intermediate metallization 32 can be supplied at the same time. As an intermediate metallization 32 For example, a metal block and / or sheet metal is conceivable. In particular, the base element is 19th designed such that the electronic element 5 and / or intermediate metallization 32 closer to the outside A. the encapsulation 8th is attached as the top of the directly on the carrier substrate 10 attached electronic elements 5 , whereby the contacting of the on the base element 19th arranged electronic elements 5 can be significantly simplified.

In 4 ist eine vierte, beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. 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 abstehenden Kontaktelemente 24, die an der Oberseite des Elektronikelements 5 ausgebildet sind, während des Verfüllens aufnimmt und schützt, insbesondere innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung 23. Dies erlaubt, dass bereits vor dem Verfüllen die Kontakte bzw. Anschlüsse an der Oberseite des Elektronikelements 5 angebunden 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 4 dargestellten Ausführungsform sind die Kontaktelemente 24 als stiftartige Elemente 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 entsprechend groß dimensioniert werden.In 4th a fourth exemplary embodiment of the present invention is shown. This exemplary embodiment is characterized in particular by the fact that the stamp element 13th is designed such that there are contact elements 24 , especially pen-like from the top of the electronic element 5 protruding contact elements 24 that are at the top of the electronic element 5 are designed, receives and protects during backfilling, in particular within a corresponding recess 23 . This allows the contacts or connections on the top of the electronic element before the filling process 5 can be connected and do not have to be implemented afterwards after backfilling. This simplifies the manufacturing process, in particular the electrically conductive connection between the outside A. the encapsulation 8th with the connections on the top of the electronic element 5 . In the in the 4th The embodiment shown are the contact elements 24 Shown as pin-like elements that are essentially perpendicular to the main extension plane HSE of the later electronics module 100 run away. In particular, the distance to the contact elements can thereby also be increased 24 to the outside A. the encapsulation 8th Can be significantly reduced if the contact elements 24 be dimensioned accordingly large.

In 5 ist eine fünfte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gegenüber den Ausführungsformen aus den anderen Figuren ist dabei vorgesehen, dass das Stempelelement 13 an seiner Unterseite eine Ausnehmung 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 Elektronikelement 5 übergestülpt, ohne dass das Stempelelement 13 dabei auf das Elektronikelement 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 andernfalls zu Schäden führen könnte.In 5 A fifth exemplary embodiment of the present invention is shown. Compared to the embodiments from the other figures, it is provided that the stamp element 13th a recess on its underside 23 having. This is designed in such a way that it is when the cavity is filled 7th the electronic element 5 at least partially, preferably completely, surrounds. In other words: the stamp element 13th is via the electronic element 5 slipped over without the stamp element 13th while doing so on the electronic element 5 is pressed or on the electronic element 5 hits or even rests. This embodiment is particularly suitable for sensitive electronic elements 5 advantageous, in which, if necessary, from the stamp element 13th Otherwise, the applied pressure could result in damage.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

55
ElektronikelementElectronic element
77th
Hohlraumcavity
88th
Verkapselungencapsulation
8'8th'
weitere Verkapselungfurther encapsulation
99
DrahtbondWire bond
1010
TrägersubstratCarrier substrate
1111
erste Werkzeughälftefirst mold half
11'11 '
weitere erste Werkzeughälftefurther first mold half
1212th
zweite Werkzeughälftesecond mold half
12'12 '
weitere Werkzeughälftefurther tool half
1313th
StempelelementStamp element
13'13 '
weiteres Stempelelementanother stamp element
1616
DurchkontaktierungThrough-hole plating
16'16 '
weitere Durchkontaktierungfurther through-hole plating
1818th
weitere Metallisierungfurther metallization
1919th
SockelelementBase element
2323
AusnehmungRecess
2424
KontaktelementContact element
2525th
BauteilseiteComponent side
3232
ZwischenmetallisierungIntermediate metallization
100100
ElektronikmodulElectronics module
AA.
AußenseiteOutside
WW.
Winkelangle
HSEHSE
HaupterstreckungsebeneMain plane of extent

Claims (10)

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats (10), insbesondere eines mit mindestens einem Elektronikelement (5) bestückten Trägersubstrats (10), umfassend - Positionieren des mindestens einen Trägersubstrats (10), insbesondere in Form eines Metall-Keramik-Substrats, zwischen einer ersten Werkzeughälfte (11) und einer zweiten Werkzeughälfte (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, - Einbringen mindestens eines Stempelelements (13), das insbesondere in der ersten Werkzeughälfte (11) und/oder zweiten Werkzeughälfte (12) verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7), und - jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebrachten Teil des mindestens einen Stempelelements (13) reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung (8) des mindestens einen Trägersubstrats (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Stempelelement (13) gegenüber einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (HSE) des Trägersubstrats (1) verlaufenden Richtung schräg verschiebbar gelagert ist.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 - 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) - 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), Introducing at least one stamp element (13), which is mounted displaceably in particular in the first tool half (11) and / or second tool half (12), into the cavity (7), and - in any case, partially filling the part of the at least one stamp element introduced around it (13) reduced cavity (7) by means of a material for forming an encapsulation (8) of the at least one carrier substrate (10), thereby geke It is indicated that the stamp element (13) is mounted so as to be obliquely displaceable with respect to a direction running perpendicular to a main extension plane (HSE) of the carrier substrate (1). Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Stempelelement (13) an seiner dem Trägersubstrat (10) zugewandten Seite mit mindestens einer Ausnehmung (23) strukturiert ist, wobei beim Verfüllen des Hohlraums (7) ein Kontaktelement (24) am Elektronikelement (5) und/oder das Elektronikelement (5) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb mindestens einer Ausnehmung (23) angeordnet ist.Procedure according to Claim 1 , the at least one stamp element (13) being structured with at least one recess (23) on its side facing the carrier substrate (10), with a contact element (24) on the electronic element (5) and / or the Electronic element (5) at least partially, preferably is completely arranged within at least one recess (23). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempelelement (13) als Kontaktelement zumindest teilweise in der gefertigten Verkapselung (8) belassen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the stamp element (13) is left at least partially in the manufactured encapsulation (8) as a contact element. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Verfüllen 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), vorzugsweise eine zentrale Zwischenmetallisierung (32), angeordnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a base element (19) is arranged in the cavity (7) during filling, with a further carrier substrate (10) and / or a further electronic element (5) and / or an intermediate metallization on the base element (19) (32), preferably a central intermediate metallization (32), is arranged. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Neigungsrichtung des schräg verschiebbar 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.Method according to one of the preceding claims, wherein a direction of inclination of the obliquely displaceably mounted stamp element (13) is inclined with respect to the direction perpendicular to the main extension plane (HSE) by an angle (W) which is a value between 5 ° and 60 °, preferably between 10 ° and 45 ° and particularly preferably between 15 ° and 30 °. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: - Ausbilden einer weiteren Metallisierung (18) an einer Außenseite (A) der Verkapselung (8) - Positionieren des verkapselten Trägersubstrats (10) zwischen einer weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und der zweiten oder einer weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') - Ausbilden eines Hohlraums (7) mittels der weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12'), wobei der Hohlraum (7) das verkapselte Trägersubstrat (10) zumindest teilweise umgibt, - Einbringen mindestens eines weiteren Stempelelements (13'), das vorzugsweise in der weiteren ersten Werkzeughälfte (11') und/oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') verlagerbar gelagert ist, in den Hohlraum (7) - jedenfalls teilweises Verfüllen des um den eingebachten Teil des mindestens einen weiteren Stempelelements (13') reduzierten Hohlraums (7) mittels eines Materials zur Ausbildung einer weiteren Verkapselung (8') für das verkapselte Trägersubstrat (10).The method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Forming a further metallization (18) on an outside (A) of the encapsulation (8) - Positioning of the encapsulated carrier substrate (10) between a further first tool half (11 ') and the second or a further second tool half (12, 12') - Forming a cavity (7) by means of the further first tool half (11 ') and the second or further second tool half (12, 12'), the cavity (7) at least partially surrounding the encapsulated carrier substrate (10), - Introducing at least one further stamp element (13 '), which is preferably mounted displaceably in the further first tool half (11') and / or further second tool half (12, 12 '), into the cavity (7) - In any case, partial filling of the cavity (7) reduced by the incorporated 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). 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the first tool half (11) and / or the second tool half (12) are designed in such a way that structuring and / or at least one recess is realized in the manufactured encapsulation (8) in the outside (A) becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stempelelement (13) und/oder das weitere Stempelelement (13') in der ersten oder weiteren ersten Werkzeughälfte (11, 11') und/oder der zweiten oder weiteren zweiten Werkzeughälfte (12, 12') verschiebbar, drehbar, entfaltbar, verschwenkbar oder aufblasbar gelagert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the stamp element (13) and / or the further stamp element (13 ') in the first or further first tool half (11, 11') and / or the second or further second tool half (12, 12 ') ) is slidable, rotatable, unfoldable, pivotable or inflatable. Elektronikmodul (100) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Electronic module (100) produced using a method according to one of the preceding claims. Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte (11), einer zweiten Werkzeughälfte (12) und einem Stempelelement (13) für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Tool with a first tool half (11), a second tool half (12) and a stamp element (13) for a method according to one of the Claims 1 to 8th .
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