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1. WO2020127949 - VERFAHREN ZUM VERKAPSELN MINDESTENS EINES TRÄGERSUBSTRATS; ELEKTRONIKMODUL UND WERKZEUG ZUM VERKAPSELN EINES TRÄGERSUBSTRATS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, Elektronikmodul und Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersubstrats, ein Elektronikmodul und ein Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats.

Elektronikmodule sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise als Leistungs-elektronikmodule, hinlänglich bekannt. Solche Elektronikmodule nutzen typischer weise schaltbare bzw. steuerbare Elektronikelemente, die auf einem gemeinsa men Trägersubstrat 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.

Statt der üblichen Gehäuse für solche Elektronikmodule hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Trägersubstrat in eine Verkapselung einzubetten. Dazu wird das Trägersubstrat zunächst mit Elektronikelementen bestückt und anschließend wird eine Verkapselung des bestückten Trägersubstrats derart realisiert, dass eine massive, d. h. eine im Wesentlichen hohlraumfreie, Verkapselung ausgebildet wird, die an dem bestückten Trägersubstrat unmittelbar anliegt und diese zumin dest teilweise umgibt. Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn an der Außenseite der gebildeten Verkapselung eine Metallisierung vorgesehen ist, mit der die Elektronikelemente auf dem Trägersubstrat angesteuert bzw. mit einer er forderlichen Betriebsspannung versorgt werden können. Zum Ansteuern und/oder Kontaktieren der Elektronikelemente ist es dabei vorgesehen, dass das verkap selte Elektronikelement mit der Metallisierung an der Außenseite der Verkapse lung elektrisch leitend in Verbindung steht. Hierzu ist beispielsweise eine Durch kontaktierung vorgesehen, die in der Regel nach dem Verkapseln in der Verkap selung, beispielsweise durch Bohrungen, realisiert wird.

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 kontrollieren lässt und insbe sondere keine fertigungstoleranzbedingte Höhenabweichungen an der Oberseite der Verkapselung und/oder des bestückten Trägersubstrats berücksichtigt werden können. 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.

Aus dem Stand der Technik ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit ei nem Halbleiter bestücktes Trägerelement in einem aus einer ersten und einer zweiten Werkzeughälfte bestehenden Gussgehäuse verspannt wird, so dass sich in einem geschlossenen Zustand des Gussgehäuses ein Hohlraum um das be stückte Trägerelement ausbildet. Dabei ist ferner ein Stempelelement vorgesehen, das beispielsweise verschiebbar in der ersten Werkzeughälfte gelagert ist. Dieses Stempelelement lässt sich vor dem Verfüllen des Hohlraums derart in den Hohl raum hineinversetzten, dass das Stempelelement an dem Elektronikelement in Anlage gerät bzw. an das Elektronikelement anschlägt. Bei einem anschließenden Verfüllen des Hohlraums bleibt der Bereich, in dem das Stempelelement während des Verfüllens platziert war, frei von Material. Dieses Verfahren wird beispiels weise in der EP 2 954 550 B1 beschrieben.

Aus der US 2017 0 094 796 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch einen Gussverfahren ein Gehäuse gefertigt wird, in dem mehrere Elektronikkomponen ten eingebettet sind. Dazu werden Werkzeughälften verwendet, die geschlossen und anschließend verfüllt werden. Ferner sieht es die US 2017 0 094 796 A1 vor, dass ein Vorsprung an der Werkzeughälfte ausgebildet ist, der in einen komple mentär ausgestalteten elektrischen Anschluss während des Verfüllens eingreift.

Aus der DE 10 2011 087 328 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer umspritzten Sensorbaugruppe bekannt, bei der Pins verwendet werden. Darüber hinaus kennt das Werkzeug, mit dem im Rahmen eines Gussverfahrens das Gehäuse gebildet wird, an seiner Innenseite eine Positioniervorrichtung.

Aus der US 8, 822,844 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Gehäuse mit ei ner elektrisch leitenden Beschichtung versehen wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verkapseln ei nes Trägersubstrats bereitzustellen, das gegenüber den aus dem Stand der Tech nik bekannten Verfahren verbessert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Elektronikmodul gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Werkzeug gemäß An spruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi gen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zu sammenhang mit den beiliegenden Figuren, angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Verkapseln mindestens eines Trägersub strats, 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, ins besondere verschwenk- und/oder verschiebbar gelagert ist, in den Hohl raum

• Jedenfalls teilweise Verfüllen des um zumindest einen Teil des mindestens einen Stempelelements reduzierten Hohlraums mittels eines Materials zur Ausbildung einer Verkapselung des mindestens einen Trägersubstrats,

wobei vor dem Verfüllen mindestens ein Zwischenelement im Hohlraum, insbe sondere zwischen dem mindestens einen Trägersubstrat und dem mindestens ei nen Stempelelement, angeordnet und das mindestens eine Stempelelement in An lage mit dem mindestens einen Zwischenelement gebracht wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zu sätzlich zu dem in den Hohlraum eingebachten Teil des mindestens einen Stem pelelements das mindestens eine Zwischenelement im Hohlraum zu platzieren.

Mit diesem mindestens einen Zwischenelement lässt sich mit Vorteil verhindern, dass das Stempelelement beim Verfüllen bzw. vor dem Verfüllen unmittelbar an dem Elektronikelement anliegt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass in dem durch den Teil des mindestens einen Stempelelements reduzierten Hohl raums Kanten des Elektronikelements nicht mehr freiliegen und infolgedessen beim Verkapseln bedeckt werden. Dadurch lässt sich mit Vorteil die Wahrschein lichkeit eines Kurzschlusses bzw. eines Durchschlags vermeiden, sobald elektri sche Leitungen in den von dem in den Hohlraum eingebrachten Teil des mindes tens einen Stempelelements freigehaltenen Bereich realisiert werden, die bei spielsweise zum Ansteuern der Anschlüsse des Elektronikelements auf dem zu mindest einen Trägersubstrat vorgesehen sind.

Ferner ist die Verwendung des mindestens einen Zwischenelements von Vorteil, um zu verhindern, dass das Elektronikelement beim Anschlägen des Stempelele ments oder beim Anliegen während des Verfüllens durch das Stempelelement be schädigt wird. Dabei kann das mindestens eine Zwischenelement beispielsweise vor dem Einschieben des Stempelelements auf dem Trägersubstrat bzw. dem Elektronikelement platziert werden. Alternativ ist es vorstellbar, dass das Zwi schenelement beim Einführen des Stempelelements mitgeführt wird, beispiels weise an einer Unterseite des Stempelelements und vorzugsweise nach dem Ver füllen in der Verkapselung von dem Stempelelement gelöst wird. Dazu ist das Zwi schenelement bevorzugt über einen Koppelmechanismus lösbar an dem einen Stempelelement montierbar.

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 Kunststoff besteht, an ei ner Außenseite des mindestens einen Trägersubstrats zu verstehen, d. h. die Ver kapselung liegt zumindest bereichsweise unmittelbar flächig am Trägersubstrat an und es wird kein lichter Bereich bzw. Hohlraum zwischen dem mit den Elektroni kelementen bestückten Trägersubstrat und der Verkapselung ausgebildet. Dabei muss das 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 herge stellten 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.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat als Metall-Kera-mik-Substrat ausgebildet ist, bei der eine Isolationsschicht aus Keramik gefertigt ist. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass das Trägersubstrat statt einer Isolations schicht aus einer Keramik eine Isolationsschicht aus einem organischen Material, beispielswiese ergänzt mit einem geeigneten Füllmaterial, aufweist.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Stempelelement oberhalb eines Elektronikelements und/oder einer Oberseite des Trägersubstrats angeordnet ist. So lassen sich elektrisch leitende Verbindung von der Außenseite der Verkapse lung zu den Anschlüssen an der Oberseite des Trägersubstrats bzw. des Elektro nikelements realisieren. Besonders bevorzugt liegt das Stempelelement hierzu während des Verfüllens an einer Oberseite des Elektronikelements und/oder einer Oberseite des Trägersubstrats an.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein senkrecht zu einer Haupterstreckungs ebene des Trägersubstrats bemessener Abstand zwischen einer an der Außen seite der Verkapselung ausgebildeten weiteren Metallisierungsschicht und der Me tallisierungsschicht am Trägersubstrat kleiner als 5 mm, bevorzugt geringer als 2,5 mm, und besonders bevorzugt geringer als 1 mm bis hin zu weniger als 400 pm, beispielsweise etwa 300pm, beträgt, also möglichst gering ist. Besonders bevor zugt ist es vorgesehen, dass der Abstand kleiner als 200 pm oder 100 pm ist. Es ist besonders bevorzugt vorstellbar, dass sich der Abstand auf einen Wert zwi schen 100 und 200 pm bemisst. Entsprechend stellt sich in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung ein sehr kurzer Abstand zwi schen dem Elektronikelement am Trägersubstrat bzw. dessen Kontaktflächen oder -punkte und dem verkapselten Trägersubstrat an der Außenseite ein. Weiterhin sind beispielsweise im gefertigten Elektronikmodul Durchkontaktierungen in die Verkapselung eingelassen. Dabei können die Durchkontaktierungen nassche misch, durch eine Paste, eine Gasphasenabscheidung, ein Siebdruckverfahren, ein 3D-Druckverfahren, mechanisch und/oder galvanisch realisiert werden.

Als Elektronikelemente sind vorzugsweise schaltbare Bauteile bzw. aktive Bauteile zu verstehen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Elektroni kelement um eines mit einem WBG-Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalli umnitrid, oder Siliziumhalbleiterelement. Beispiele für ein elektronisches Bauteil sind MOSFETs („metal-oxide-semiconductor field-effect transistor“) oder IGBTs („insulated-gate bipolar transistor“). Die Elektronikelemente können auch als Vor verbund bzw.„Prepackaging“ zusammengefasst sein. In einem solchen Vorver bund sind ein oder mehrere Elektronikelemente beispielsweise auf einer Leiter platte angeordnet und in einer Matrix eingebettet. Ein Beispiel für einen Vorver bund findet sich in der Druckschrift DE 10 2014 117 086 A1 als Umverteilungs struktur, bei der ein Elektronikelement in eine dielektrische Matrix integriert ist. Auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2014 117 086 A1 bezüglich des Vorverbunds bzw. der Umverteilungsstruktur wird hiermit explizit Bezug genommen. Weitere Beispiele für einen Vorverbund, auf die explizit Bezug genommen wird, sind in den Artikeln„ Development of Embedded Power Electronics Modules für Automotive Applications“ von L. Boettcher et al. und„Embedding of Power Semiconductors for Innovative Packages and Modules“ von L. Boettcher et al. zu finden.

Als Materialien für die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Ver kapselung bzw. der Metallisierungsschicht des Trägersubstrats sind vorstellbar Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfer-Sandwich struktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unter scheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht an der Außenseite und/oder die Metallisierungsschicht des Trägersubstrats oberflä chenmodifiziert sind. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiege lung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG

(„ electroless nicke I immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -Weitung denkbar.

Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht an der Außenseite der Ver kapselung strukturiert und/oder am gefertigten Elektromodul sind die Elektroni kelemente am Trägersubstrat über die Durchkontaktierungen durch weitere Elekt ronikelemente an der Außenseite der Verkapselung ansteuerbar.

Insbesondere ist das zumindest eine Trägersubstrat drei- oder fünflagig ausgestal tet. Durch die mehrlagige Ausgestaltung ist es in vorteilhafter Weise möglich, ver gleichsweise dicke metallische Zwischenschichten einzusetzen, während zur Sta bilisierung mehrere Keramikschichten dienen. Infolgedessen lässt sich der Wär mewiderstand reduzieren und gezielt eine Wärmespreizung einstellen. Insbeson dere ist es vorgesehen, dass die Schichtdicke der aus Keramik gefertigten Isolati onsschicht an die geforderte Isolationsfestigkeit angepasst ist.

Weiter ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das zumindest eine Trägersubstrat an seiner, der Bauteilseite gegenüberliegenden, Seite eine Kühlstruktur aufweist, wobei das Elektronikmodul vorzugsweise ein Dichtelement und/oder Dichtmaterial, z. B. ein Silikon, für ein fluiddichtes Anbinden an eine Fluidkühlungsvorrichtung aufweist. Insbesondere ist die Kühlstruktur in vorteilhafter Weise in das Trägersub strat integriert und wird von der Verkapselung nicht umschlossen, d. h. es liegt frei. Die Integration gestattet einen geringen Aufwand beim Verbauen des Elektronik moduls, da in vorteilhafter Weise auf einen zusätzlichen Arbeitsschritt, in dem eine Bodenplatte und/oder ein Kühler an das Trägersubstrat angebunden wird, bei spielsweise gelötet, gesintert und/oder verklemmt wird, verzichtet werden kann.

Die Fluidkühlvorrichtung dient insbesondere dem hieran- und Abführen eines Kühl fluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit. Vorzugsweise umfasst die Kühlstruktur Finnen, die in einen Kanal hineinragen, der von der Kühlstruktur und der Fluidküh lungsvorrichtung ausgebildet wird. Zum Abdichten des Kanals, der zwischen Trä gersubstratseitiger Kühlstruktur und Fluidkühlungsvorrichtung ausgebildet wird, ist vorzugsweise ein Dichtelement vorgesehen, das in das Elektronikmodul integriert ist, und welches im Wesentlichen vorzugsweise in Stapelrichtung gesehen auf Höhe der Kühlstruktur angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Dichtelement ringartig oder als Wulst ausgebildet und umläuft vorzugsweise die Kühlstruktur, insbeson dere die Finnen der Kühlstruktur. Vorzugsweise ist das Dichtelement an der Ver kapselung angeordnet, beispielsweise in einer hierfür vorgesehenen Nut.

Vorzugsweise weist die Keramikschicht AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zr02 um fasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zr02 = HPS9 oder AI2O3 mit 25%

Zr02 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Ke ramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund-bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener ge wünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochgradig wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmwider stand verwendet.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Trägersubstrat eine Primärschicht, eine Sekundärschicht und eine, zwischen der Primärschicht und der Sekundär schicht angeordnete, metallische Zwischenschicht, insbesondere als elektroni scher Rückleiter, aufweist, wobei die Zwischenschicht vorzugsweise

dicker als die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht ist und/oder dicker als 1 mm, bevorzugt dicker als 1 ,5 und besonders bevorzugt di cker als 2,5 mm ist.

Derartig dicke metallische Zwischenschichten wirken in vorteilhafter Weise als temporärer Speicher und verbessern so die thermische Impedanz Zth. Dabei unter stützt die Dicke insbesondere die Wärmespreizung beim Wärmeabtransport, bei dem die Wärme von der Bauteilseite über das Trägersubstrat auf eine der Bauteil seite gegenüberliegende Seite des Trägersubstrats geleitet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Zwischenschicht einlagig bzw. einstückig ausgestaltet ist. Die Zwischenschicht kann vorzugsweise als elektrischer Rückleiter dienen, indem eine zusätzliche Durchkontaktierung in der Primärschicht eingelassen ist, sodass nicht nur die erste Metallisierungsschicht zur Stromführung genutzt werden kann, sondern auch die metallische Zwischenschicht. Dabei sind die Primärschicht und/oder die Sekundärschicht aus Keramik.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Trägersubstrat mit der Primär schicht, der Sekundärschicht und der metallischen Zwischenschicht als Aufbau aus fünf oder mehr Lagen zusammengesetzt ist. Insbesondere ist für den fünflagi-gen Aufbau vorgesehen, dass zwei metallische Zwischenschichten zwischen der Primärschicht und der Sekundärschicht vorhanden sind, wobei zwischen den zwei metallischen Zwischenschichten eine Tertiärschicht angeordnet ist. Vorzugsweise weisen mindestens zwei Schichten ein vergleichsweise hohes E-Modul auf.

Dadurch wird die Verwindungsneigung bei betriebs- und umgebungsbedingten Temperaturwechseln weiter reduziert. Vorzugsweise sind die Primärschicht, die Sekundärschicht und/oder die Tertiärschicht aus einem Keramik umfassenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem der weiter oben genannten Kerami ken. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise die gewünschten Anforderungen an die Isolationsfestigkeit realisieren. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Sekun därschicht und/oder Tertiärschicht nicht aus einem eine Keramik umfassenden Material gefertigt sind, da diese im Wesentlichen zur Versteifung des Trägersub strats dienen und nicht zur Isolation beitragen. Denkbar wäre hier beispielsweise die Verwendung von Molybdän und/oder Wolfram statt einer Keramik.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeug hälfte und/oder das zumindest eine Stempelelement derart ausgestaltet sind, dass sie Ausformungsschrägen aufweisen, die es gestatten, nach dem Verfüllen und Aushärten des Materials für die Verkapselung das verkapselte Trägersubstrat ein fach herauszunehmen. Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine Innenseite der ersten Werkzeughälfte, eine Innenseite der zweiten Werkzeugseite und/oder des in den Hohlraum hineinragenden Teils des mindestens einen Stempelele ments mit einer Folie bzw. einem Film bedeckt sind, die bzw. der verhindert, dass die gefertigte Verkapselung an der ersten Werkzeughälfte, der zweiten Werkzeug hälfte und/oder dem mindestens einen Stempelelement beim Entformen haften bleibt. Ein solche Folie bzw. solch ein Film stellt ein Verschleißgegenstand dar, mit dem die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte für jede Ver kapselung vorzugsweise neu verkleidet wird.

Weiterhin ist es für das Verfahren zweckmäßig, das Trägersubstrat vor dem Ver füllen des Hohlraums in diesem zu fixieren, beispielsweise zu verklemmen. Dabei ist es vorstellbar, dass das Trägersubstrat zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte und/oder zwischen dem mindestens einen Stem pelelement und der ersten bzw. der zweiten Werkzeughälfte verklemmt ist. Es ist ferner vorstellbar, dass die erste Werkzeughälfte und/oder eine zweite Werkzeug hälfte an ihrer Innenseite eine Aufnahme aufweisen, in der das Trägersubstrat ein gesetzt werden kann und in der das Trägersubstrat beispielsweise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung formschlüssig mit der ersten und/oder zweiten Werkzeughälfte zusammenwirkt. Hinsichtlich der Grundlagen für die erste Werkzeughälfte, die zweite Werkzeughälfte und das Stempelelement so wie das Verfüllen wird explizit und sinngemäß auf den Offenbarungsgehalt der EP 2 954 550 B1 Bezug genommen.

Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Zwischenelement derart gestaltet ist, dass beim Verfüllen mindestens eine dem mindestens einen Stempe lelement zugewandte Kante des Elektronikelements vom verfüllenden Material be deckt bzw. verkapselt wird. Dies erweist sich insbesondere deshalb als Vorteil, weil die ausgebildete Kapsel dann zumindest teilweise auch das Elektronikele ment umschließt, und dadurch formschlüssig mit dem Elektronikelement in einer zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zusammenwirkt, was sich po sitiv auf den eingebetteten Zustand des Elektronikelements in der Verkapselung auswirkt. Ferner lassen sich Kurzschlüsse und Ähnliches, insbesondere zwischen später gefertigten elektrischen Leitern, verhindern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge sehen, dass das mindestens eine Zwischenelement bevorzugt als Abstandshalter zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material gefertigt ist, bevorzugt vollstän- dig aus einem leitfähigen Material gefertigt ist. Dabei ist es insbesondere vorgese hen, dass das leitfähige Material in elektrisch leitendem Kontakt steht zu einem Anschluss des Elektronikelements. Beispielsweise lässt sich das Zwischenele ment bzw. der elektrisch leitende Teil des Zwischenelements unmittelbar oberhalb (in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung) eines elektrischen Anschlusses und/oder Kontaktfläche an einer Oberseite des Elektro nikelements anordnen. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Kontak tierung des Elektronikelements mit der Außenseite der Verkapselung über das Zwischenelement zu realisieren. Dabei ist man insbesondere frei in der Gestaltung des Zwischenelements, so dass beispielsweise Kontaktflächen und/oder An schlüsse größer gestaltet werden können als diejenigen Kontaktflächen, die an der Oberseite des Elektronikelements vorgesehen sind.

Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass beim Verfüllen das Zwischenelement von der ersten Werkzeughälfte und/oder der zweiten Werkzeughälfte beabstandet ist. Dadurch wird bewirkt, dass das Zwischenelement nicht in Kontakt mit der ers ten und/oder der zweiten Werkzeughälfte gerät, wenn das Zwischenelement wäh rend des Verfüllens im Hohlraum platziert ist. Insbesondere ragt auf diese Weise das Zwischenelement nicht bis zur Oberseite der Verkapselung, sondern ist Teil eines rückspringenden Verlaufs bzw. ist in die Verkapselung integriert, ohne ge genüber der Verkapselung vorzustehen oder mit der Oberseite der Verkapselung bündig abzuschließen. Mit anderen Worten: das Zwischenelement, insbesondere dessen vom Trägersubstrat abgewandte Seite, ist zurückversetzt gegenüber der vom Trägersubstrat abgewandten Außenseite der Verkapselung. Außerdem ist es so möglich einen Formschluss, bevorzugt in einer senkrecht zur Haupterstre ckungsebene verlaufenden Richtung, zwischen der Verkapselung und dem Zwi schenelement zu bewirken, indem der Bereich oberhalb des Zwischenelements verfüllt wird. Insbesondere wird das Zwischenelement von dem mindesten einen Stempelelement während des Verfüllens von der Innenseite der ersten bzw. zwei ten Werkzeuge auf Abstand gehalten, so dass sich ein Bereich zwischen dem Zwi schenelement und der Innenseite der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte zur Ausbildung eines Teils der Verkapselung verfüllt.

Ferner ist es durch die Nutzung von elektrisch leitenden bzw. zumindest teilweise als elektrisch leitend ausgebildeten Zwischenelement möglich, die Zwischenele mente bereits als Teil einer Durchkontaktierung zu sehen, da sich das Zwischen element vor dem Verfüllen bereits derart präzise positionieren lässt, dass eine si chere Kontaktierung zu dem Elektronikelement bzw. dessen Anschlüssen realisiert werden kann. Dieses Vorgehen verbessert die Prozesssicherheit. Durch die Ver wendung eines Zwischenelements wird die elektrisch leitende Verbindung zur Au ßenseite der Verkapselung signifikant verbessert. Es ist aber dabei auch vorstell bar, dass das Zwischenelement entsprechend dimensioniert ist, dass der Abstand in den durch das Abstands- bzw. Zwischenelement neu gebildeten Anschlüs sen/Kontaktflächen zur Außenseite sehr viel kleiner ist, als der Abstand von der Außenseite der Verkapselung bis zur Außenseite des Elektronikelements, insbe sondere der Oberseite des Elektronikelements. Es ist sogar vorstellbar, dass das Zwischenelement bis zur Außenseite der Verkapselung reicht oder beispielsweise im Wesentlichen weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,8 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm gegenüber der Außenseite der Verkapselung zu rückversetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor gesehen, dass das mindestens eine Zwischenelement mitverkapselt wird.

Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, unmittelbar zumindest einen Teil der Durchkontaktierung bzw. der Anschlüsse zu bilden und die, dem mindestens einen Elektronikelement abgewandte, Außenseite des mindestens einen Zwischenele ments als Teil der Verkapselung zur Ausbildung von neuen Anschlüssen/Kontakt flächen bereitzustellen. Diese Anschlüsse liegen vorzugsweise leicht zurückver setzt gegenüber der Außenseite der Verkapselung oder schließen sogar bündig mit der Außenseite der Verkapselung ab. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das mindestens eine Zwischenelement einen Absatz und/oder Vorsprung (beispiels weise in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung vorste hend) aufweist, der im gefertigten Zustand formschlüssig mit der Verkapselung in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zusammen wirkt. Dadurch lässt sich das mindestens eine Zwischenelement sicher in der Ver kapselung einbetten.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das mindestens eine Zwischenelement beim Verfüllen an dem mindestens einen Elektronikelement, das an das mindestens eine Trägersubstrat angebunden ist, anliegt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement zwischen dem mindestens einen Trä gersubstrat und dem mindestens einen Stempelelement angeordnet ist, beispiels weise verklemmt ist. Durch das direkte Anliegen des Zwischenelements am Elekt ronikelement ist insbesondere eine unmittelbare elektronische Kontaktierung oder Ausbildung einer Durchkontaktierung durch das Zwischenelement zu dem Elektro nikelement möglich.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass durch das Zwischen element nach der Ausbildung der Verkapselung eine Kontaktfläche bereitgestellt wird, die insbesondere größer ist als eine Anschlussfläche eines Anschlusses an dem, insbesondere mitverkapselten, mindestens einen Elektronikelement, insbe sondere an dessen Oberseite. Dadurch wird das Anschließen einer elektrisch lei tenden Verbindung, die insbesondere von der Außenseite der Verkapselung kommt, signifikant vereinfacht, da die Kontaktfläche vergrößert ist, wodurch sich eine Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Anbindung einer Durchkontaktierung und/oder elektrisch leitenden Verbindung erhöht.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass nach Ausbildung der Verkapselung eine Durchkontaktierung und/oder eine elektrisch leitende Verbin dung zu einer Außenseite der Verkapselung in dem durch den Teil des mindes tens einen Stempelelements freigehaltenen Bereich realisiert wird. Dabei ist es beispielsweise vorstellbar, dass zumindest der elektrisch leitende Teil des Zwi schenelements zur Realisierung der Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Verbindung bzw. der Durchkontaktierung und dem Anschluss an der Oberseite

des mindestens einen Elektronikelements genutzt wird. Dabei ist es beispiels weise vorstellbar, dass der elektrisch leitende Bestandteil des Zwischenelements während des Anbindungsprozesses schmilzt und/oder derart modifiziert wird, dass eine stoffschlüssige Bindung zwischen der elektrisch leitenden Verbindung bzw. der Durchkontaktierung und dem Anschluss an der Oberseite des mindestens ei nen Elektronikelements ausgebildet wird.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement eine Isolationsfolie mit mindestens einer durch die Isolationsfolie durchgreifenden Metallisierung und/oder mindestens eine Lötperle, vorzugsweise als„Ball Grid Array“, oder ein Metallkörper und/oder eine vorstrukturierte Metallschicht, insbesondere ein vor strukturiertes Metallblech, und/oder mindestens einen Drahtbond umfasst. Insbe sondere die Ausbildung als Isolationsfolie mit durchgreifender Metallisierung er weist sich als vorteilhaft, weil durch das Anbringen einer einzelnen Isolationsfolie bereits die Ausrichtung der elektrischen Durchkontaktierung bzw. der durchgrei fenden Metallisierung über mehrere Anschlüsse am mindestens einen Elektroni kelement festgelegt werden kann. Ferner ist es vorstellbar, dass die Isolationsfolie Teil der verkleidenden Folie bzw. des verkleidenden Films ist, die bzw. der ohne hin zur Verkleidung der ersten oder der zweiten Werkzeughälfte zur Abformung und sicheren Ablösung von den Werkzeughälften genutzt wird. Bei der Nutzung von Lötperlen ist es in vorteilhafter weise bereits möglich, als ein solches Element zu nutzen, das dann später beim Verbindungsprozess die Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Verbindung, beispielsweise der Durchkontaktierung und/o der dem Drahtbond, und dem an der Oberseite ausgebildeten Anschluss des Elektronikelements im Sinne eines Abstandshalters realisiert. Entsprechend wird eine Lötperle vor dem Einbringen des bestückten Trägersubstrats an dem An schluss des mindestens einen Elektronikelements angeordnet.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mehrere Lötperlen bzw. eine Lötperle an der Oberseite des Elektronikelements anordnen lassen und beim Verfüllen des Hohl raums mit dem füllenden Material die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lötperlen bzw. die Bereiche um die einzelnen Lötperle herum mitverfüllt werden, und die Lötperlen jedenfalls teilweise quasi eingekapselt werden. Grundsätzlich ist für eine Lötperle jede beliebige, insbesondere für den Anwendungsfall optimierte, Geometrieform vorstellbar, insbesondere kann die Lötperle eine kugelförmige,, quaderförmige, eine pyramidale Form, eine zylindrische Form und/oder eine ähnli che Form einnehmen. Es ist sogar ein Drahtbond vorstellbar, der im Vorfeld an das Elektronikelement angebunden ist, und vor dem Absenken des Stempelele ments auf Länge geschnitten wird. Als Lötperlen sind vorzugsweise auch mit einer Lotbeschichtung versehene Metallkörper zu verstehen.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Lötperlen für einen einzelnen Anschluss angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Kontaktfläche, für den späteren Anschluss an die Metallisierung, an der Außenseite der Verkapselung, vergrößern. Es ist auch vorstellbar, dass mehrere Lötperlen für mehrere Anschlüsse vorgesehen sind, um in entsprechender Weise jeweils die Kontaktfläche zu vergrößern.

Insbesondere bei der Verwendung einer Isolationsfolie mit einer festgelegten Di cke ist es in vorteilhafter weise möglich, die Aussparungen in der Isolationsfolie für eine spätere Durchkontaktierung auch im Nachgang, also nach der Verkapse lung, zu realisieren, da die definierte Dicke eine einfache Prozesskontrolle, bei spielsweise beim Realisieren der Aussparungen mittels Laserlichts, zulässt. Fer ner ist es möglich, in die Isolationsfolie Durchkontaktierungen mittels für Leiterplat ten üblicher Verfahren zu realisieren.

Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass in eine Metallschicht, beispielsweise eine Kupferfolie, oder ein Metallblech eine Strukturierung eingelassen wird. Bei spielsweise wird diese Strukturierung durch ein Stanzen und/oder Ätzen realisiert. Beispielsweise wird ein stufenförmiges Profil in die Metallschicht eingeätzt und/o der eine Seite der Metallschicht wird teilweise mit einer Isolationsschicht bedeckt, um so eine Vergrößerung der Kontaktfläche zu veranlassen. Diese im Vorfeld vor strukturierte Metallschicht wird dann als Zwischenelement auf dem Elektronikele ment platziert, z. B. indem es mit dem mindestens einen Stempelelement auf der

Oberseite des Elektronikelements angeordnet wird. Die auf dem Elektronikelement angeordnete vorstrukturierte Metallschicht dient dabei als Metallisierung an der Oberfläche des Elektronikelements und gestattet beispielsweise die Kontaktfläche im Vergleich zu den an der Oberseite des Elektronikelements ausgebildeten An schlüssen zu vergrößern, insbesondere unter Ausnutzung des gestuften Profils, wobei die Seite mit der größeren Fläche dem Trägersubstrats abgewandt ist. Da bei lässt sich die vorstrukturierte Metallschicht z. B. durch ein Klebemittel, das vor dem Einführen der vorstrukturierten Metallschicht auf der Oberseite des Elektroni kelements aufgebracht wurde, an das Elektronikelement anbinden. Es ist auch vorstellbar, dass die vorstrukturierte Metallschicht durch ein Ultraschallschweißen oder Reibschweißen mittels des Stempelelements an die Oberseite des Elektroni kelements angebunden wird.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement, insbesondere die Lötperle, durch einen anisotrop leitenden Kleber (ACA -„anisotropic conductive adhesive“) oder einen isotrop leitenden Kleber (ICA -„isotropic conductive adhesive“) an das min destens eine Elektronikelement angebunden wird. Insbesondere lassen sich mit dem anisotrop leitenden Kleber oder dem isotrop leitenden Kleber die elektrisch leitenden Bestandteile gezielt über den Anschlüssen des zumindest einen Elektro nikelements anordnen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der anisotrop lei tende Kleber und/oder der isotrop leitende Kleber in einer Folie integriert ist, insbe sondere als Strukturierung in der Folie. Diese Folie wird vor dem Platzieren des Zwischenelements auf dem Elektronikelement platziert und anschließend wird dasZwischenelement auf der Folie angebunden. Dadurch lässt sich über den anisotrop leitenden Kleber und/oder den isotrop leitenden Kleber eine elektrisch leitende Verbindung zu den elektrisch leitenden Bestandteilen des Zwischenele ments realisieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Kupferkugel oder eine Lötperle, auf dem anisotrop leitenden Kleber und/oder dem isotrop leitenden Kleber aufgebracht wird, die dann im gefertigten Elektronikmodul zumindest einen Teil der Durchkontaktierung bildet. Vorstellbar ist ferner, dass sich die Folie über mehrere Elektronikelemente erstreckt.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass mittels des Zwischenelements eine Kon taktfläche für die Anbindung an eine elektrisch leitendende Verbindung bereitge stellt wird, wobei die Kontaktfläche einen zweiten Abstand zum Trägersubstrat und die Oberseite des Elektronikelements einen ersten Abstand aufweist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass durch die Dimensionierung des Zwischenele ments und/oder durch eine Positionierung des Zwischenelements, beispielsweise über ein Sockelelement, der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand ein gestellt bzw. realisiert wird. Vorzugsweise ist der zweite Abstand 1 ,1 bis 10 mal, bevorzugt 1 ,2 bis 5 mal und besonders bevorzugt 1 ,3 bis 3 mal so groß wie der erste Abstand. Beispielsweise lässt sich der zweite Abstand auch durch die Dicke einer Isolationsfolie oder Isolationsschicht oder eine Größe der Lötperle einstellen. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Dicke des Sockelelements so einge stellt wird, dass sich eine für die jeweilige Anwendung erforderliche Isolationsfes tigkeit einstellt. Dadurch lässt sich beispielsweise mitberücksichtigen, dass beim Anschluss mehrerer Kontakte über die vom Zwischenelement bereitgestellte Kon taktfläche eine höhere Isolationsfestigkeit erforderlich ist. Es ist dabei sogar vor stellbar, dass das Zwischenelement derart dimensioniert bzw. positioniert wird, dass dessen Kontaktfläche im Wesentlichen bündig mit der Außenseite der Ver kapselung abschließt. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass eine Zwischenme tallisierung als Kontaktfläche auf einem Sockelelement, insbesondere einem elektrisch isolierenden Sockelelement als Zwischenelement genutzt wird, wobei besonders bevorzugt, dass Sockelelement in einer parallel zur Haupterstreckungs ebene verlaufenden Richtung seitlich versetzt ist zum mindestens einen Elektroni kelement. Ferner ist es dabei vorstellbar, dass die elektrisch leitende Verbindung als Drahtbond ausgebildet ist oder als Bügelelement mit einer geeigneten Lasche, die das Zwischenelement kontaktiert, insbesondere an dessen Oberseite. Weiter ist es auch vorstellbar, dass das Bügelelement als Bestandteil des Zwischenele mentes die Form einer Lasche ausbildet, um beispielsweise das Elektronikelement zu kontaktieren.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikmodul, hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren. Als Elektronikmodul wird insbesondere ein verkapseltes und bestücktes Trägersubstrat verstanden. Alle für das Verfahren beschriebenen Merkmale lassen sich analog übertragen auf das Elektronikmodul und vice versa.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronikmodul mit min destens einem Trägersubstrat, wobei auf dem Trägersubstrat mindestens ein So ckelelement und mindestens ein Elektronikelement angeordnet ist. Mit dem So ckelelement lässt sich eine weitere Ebene im Elektronikmodul realisieren. Dadurch ergeben sich zusätzliche Verschalungsmöglichkeiten, die insbesondere eine Opti mierung Im Hinblick auf parasitäre Induktionen darstellen können. Beispielsweise kann so auch auf Strukturierungen an der Oberseite des Trägersubstrats verzich tet werden. Alle für das Verfahren beschriebenen Merkmale lassen sich analog übertragen auf das Elektronikmodul und vice versa.

Vorzugsweise ist ein elektrisch isolierendes Sockelelement vorgesehen, wobei auf dem elektrisch isolierenden Sockelelement ein Zwischenelement, insbesondere in Form eines Metallblocks, Metallblechs oder einer Metallschicht, angeordnet ist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, über bzw. durch das Sockelelement eine Isolation zwischen der Metallisierung am Trägersubstrat und dem Zwischen element zu sorgen. Insbesondere ist das Sockelelement ausreichend dick ausge staltet, um einen elektrischen Überschlag zwischen der Metallisierung und dem Zwischenelement zu verhindern.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Zwischenelement und das min destens eine Elektronikelement bzw. die Metallisierung am Trägersubstrat über ei nen Drahtbond miteinander unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden sind. Dadurch kann beispielsweise auf Leiterbahnen, die durch Strukturierung der Metallschicht des Trägersubstrats andernfalls hergestellt werden müssten, zumin dest teilweise verzichtet werden.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement gegenüber dem So ckelelement in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung übersteht, so dass das Zwischenelement bereits einen seitlichen bzw. lateralen Abstand zu einer Metallisierung am Trägersubstrat oder zu einem Bauteil am Trä gersubstrat verkürzt. Vorstellbar ist auch, dass das Zwischenelement in der Ver kapselung gebogen ist, um sowohl einen lateralen Abstand als auch einen Höhen unterschied zwischen dem Zwischenelement bzw. dem elektrischen Bauteil zu verkürzen.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine Kontaktfläche in einem senkrecht zur Haupterstreckungsebene bemessenen zweiten Abstand durch das Sockelelement mit dem Zwischenelement ausgebildet ist und wobei eine Oberseite des mindes tens einen Elektronikelements einen senkrecht zur Haupterstreckungsebene be messenen ersten Abstand aufweist, wobei ein Verhältnis des ersten Abstands zum zweiten Abstand einen Wert zwischen 0,3 und 0,9 und bevorzugt zwischen 0,4 und 0,8 annimmt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeug zum Verkapseln eines Trägersubstrats mit einer ersten Werkzeughälfte, einer zweiten Werkzeug hälfte und mindestens einem Stempelelement, wobei das Werkzeug zur Durchfüh rung eines Verfahrens gemäß einem der vorgegebenen Ansprüche vorgesehen ist und Mittel zum Einbringen des Zwischenelements aufweist. Alle für das Elektronik modul und das Verfahren beschrieben Vorteile lassen sich analog übertragen auf das Werkzeug und vice versa.

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.

Es zeigt:

Fig.1a-1c: ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2a-2c: ein Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3a-3c: ein Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4: ein Verfahren gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren 1a bis 1c ist ein Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Aus führungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere dient das Ver fahren der Ausbildung eines Elektromoduls 100, insbesondere eines Leistungsmo duls. Wesentliche Bestandteile eines solchen Elektronikmoduls 100 sind ein Trä gersubstrat 10 und eine Verkapselung 8, wobei das Trägersubstrat 10 zumindest teilweise in die Verkapselung 8 eingebettet ist. Das Trägersubstrat 10 weist eine Bauteilseite 25 mit einer bauteilseitigen Metallisierungsschicht auf, wobei die Me tallisierungsschicht zur Bildung von Leiterbahnen oder Anschlusspads strukturiert ist (nicht gezeigt). An der Bauteilseite 25 sind Elektronikelemente 5 angebunden, die zur Ausbildung zumindest eines Teils eines elektronischen Schaltkreises vor zugsweise untereinander verbunden sind. Beispielsweise umfassen die Elektroni kelemente 5 Halbleiter, insbesondere WBG -Halbleiter (wide bandgap semi-conductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid, deren Bandlücke zwischen einem Valenzband und dem Lei tungsband zwischen 2 eV und 4 eV oder darüber liegt. Insbesondere ist das Elekt ronikmodul 100 ein Leistungselektronikmodul und dient beispielsweise der Umfor mung elektrischer Energie mit schaltenden Elektronikelementen. Denkbar wäre z.

B. dass das Elektronikmodul 100 als Gleichspannungswandler, Umrichter und/o der Frequenzumrichter im Bereich der elektronischen Antriebstechnik, insbeson dere 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.

Zur Steuerung der Elektronikelemente 5 auf der Bauteilseite 25 ist an der Außen seite A der Verkapselung 8 eine insbesondere als externer Anschluss dienende weitere Metallisierungsschicht für mindestens ein weiteres Elektronikelement 5 und/oder ein Kontaktelement zur Versorgung des Elektronikmoduls 100 vorgese hen (nicht gezeigt). Vorzugsweise ist die weitere Metallisierungsschicht an der Au ßenseite A ebenfalls strukturiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem weiteren Elektronikelement um ein Steuerungselement, wie z. B. einen Gate-Treiber, ein Zwischenkondensator, ein Lastanschluss, ein Anschluss zur Energieversorgung und/oder Vergleichbares.

Um die elektronischen Bauteile bzw. das Elektronikelement 5 auf der Bauteilseite 25 bzw. die Metallisierungsschicht an der Bauteilseite 25 des Trägersubstrats 10 anzusteuern, muss eine elektrisch leitende Verbindung 4 zur weiteren Metallisie rungsschicht bzw. den Anschlüssen an der Außenseite A der Verkapselung 8 rea lisiert werden. Insbesondere muss ein entsprechender Freiraum bzw. eine ent sprechende Aussparung innerhalb der Verkapselung 8 bereitgestellt werden, der bzw. die diese elektrisch leitende Verbindung 4 gestattet. Hierzu ist es vorgese hen, dass beim Verkapseln zunächst das Trägersubstrat 10 zwischen einer ersten Werkzeughälfte 11 und einer zweiten Werkzeughälfte 12 positioniert wird. Vor zugsweise wird dabei das Trägersubstrat 10 verklemmt und/oder fixiert, indem es beispielsweise mit einer Innenseite der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder mit ei ner Innenseite der zweiten Werkzeughälfte 12 zusammenwirkt. Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass die zweite Werkzeughälfte 12 an ihrer Innenseite eine Aussparung aufweist, in der das Trägersubstrat 10 formschlüssig platziert werden kann.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte 11 und die zweite Werkzeughälfte 12 in einem geschlossenen Zustand einen zumindest teilweise geschlossenen Hohlraum 7 bilden, wobei der Hohlraum 7 das mindestens eine Trägersubstrat 10 zumindest teilweise umgibt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Drittel der Bauteilseite 25 des Trägersubstrats 10 im Hohl raum 7 freiliegen. Durch das Verfüllen des Hohlraums 7 mit einem geeigneten Ma terial ist es sodann möglich, eine Verkapselung 8 zu realisieren.

Um gezielt einen Bereich oberhalb des Elektronikelements 5 von der Verkapse lung 8 auszunehmen, ist ein Stempelelement 13 vorgesehen. In der in Figur 1 dar gestellten Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass das Stempelelement 13 schiebbar verlagerbar in der ersten Werkzeughälfte 11 angeordnet ist. Mittels ei ner senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Bewegung lässt sich dieses Stempelelement 13 in den Hohlraum 7 einführen, sodass ein Teilbe reich des Hohlraums 7 wiederum mit dem Stempelelement 13 gefüllt wird. Insbe sondere ist es vorgesehen, dass das Stempelelement 13 einen Bereich oberhalb des Elektronikelements 5 blockiert bzw. freihält. In einer parallel zur Haupterstre ckungsebene HSE verlaufenden Richtung bemisst das Stempelelement 13 eine erste Länge L1 , und das Elektronikelement 5 eine zweite Länge L2. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform entspricht die erste Länge L1 der zweiten Länge L2. Es ist allerdings bevorzugt vorgesehen, dass die erste Länge L1 kleiner ist als die zweite Länge L2. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Verhältnis L1 und L2 einen Wert zwischen 0,2 und 0,95, bevorzugt zwischen 0, 5 und 0,92, und be sonders bevorzugt zwischen 0,7 und 0,9 annimmt. Dabei handelt es sich um ein vergleichsweise großes Stempelelement 13. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise ausschließlich der Bereich oberhalb potenzieller Anschlüsse an dem Elekt ronikelement 5 freihalten und der Rest oberhalb des Elektronikelements 5 kann in der Verkapselung 8 aufgenommen werden bzw. darin eingebettet werden. Insbe sondere ist es vorgesehen, dass das Stempelelement 13 derart am Elektronikele ment 5 platziert wird, dass die Kanten K des Elektronikelements 5 nicht in Kontakt geraten mit dem Stempelelement 13. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass die spä ter ausgeformte Verkapselung 8 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene

HSE verlaufenden Richtung zusätzlich formschlüssig mit dem Elektronikelement 5 zusammenwirkt. Das Stempelelement 13 kann auch verschwenkbar und/oder au ßerhalb einer Werkzeughälfte gelagert angeordnet sein.

In der oberen rechten Ecke der Figur 1 ist ein weiteres Beispiel für ein Stempelele ment 13 dargestellt. Im Gegensatz zum Stempelelement 13, das in Figur 1 a ge rade verwendet wird, ist es hier vorgesehen, dass das Stempelelement 13 in einer senkrecht zur Flaupterstreckungsebene FISE verlaufenden Richtung verjüngt, so dass eine vergleichsweise kleine Anlagefläche auf dem Elektronikelement 5 ergibt. Von besonderem Vorteil ist es dabei, dass durch den schrägen Verlauf der Seiten wände an der Stirnseite des Stempelelements 13 eine trichterförmige Aussparung nach dem Aushärten des Materials zum Verkapseln gebildet wird. Hierzu sind die Seitenwände beispielsweise etwa um 45° gegenüber einer senkrecht zur Haupter streckungsebene HSE verlaufenden Richtung geneigt. Der trichterförmige Verlauf an der Oberseite des Elektronikelements 5 wirkt sich dabei nicht nur positiv auf ei nen Galvanisierungsprozess aus, mit dem die Aussparung zur Bildung der Durch kontaktierung verfüllt wird, sondern dient auch dazu, Spannungsüberhöhung an der Oberseite des Elektronikelements 5 zu vermeiden.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass vor dem Verfüllen des Hohlraums 7 zwischen dem Stempelelement 13 und dem Elektronikelement 5 ein Zwischenelement 2, 22, 32 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es bei dem Zwischenelement 2, 22, 32 um eine Lötperle 2, wobei die Lötperle 2 eine parallel zur Haupterstreckungsebene HSE bemessene dritte Länge L3 aufweist. Dabei ist die dritte Länge L3 kleiner als die erste Länge L1 des Stempelelements 13, insbe sondere nimmt ein Verhältnis zwischen der dritten Länge L3 zur ersten Länge L1 einen Wert zwischen 0,01 und 0,5 an, bevorzugt zwischen 0,03 und 0,3, und be sonders bevorzugt zwischen 0,05 und 0,02. Besonderes bevorzugt ist die dritte Länge 0,2 bis 5, bevorzugt 0,3 bis 3 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 mal so groß wie eine kleineste Längskante der Anschlussfläche an der Oberseite des Elektronikelements 5. Insbesondere gelten die angegebenen Verhältnisse vorteil haft für Gate-Anschlüsse bzw. -pads, die beispielsweise einen Kontaktfläche von 400 x 700 pm aufweisen, d. h. vergleichsweise klein sind. Beispielsweise ist die dritte Länge L3 zwischen 200 pm und 2 mm lang.

Durch das Anbringen der Zwischenelement 2, 22, 32 zwischen dem Stempelele ment 13 und dem Elektronikelement 5, insbesondere mittels Lötperlen 2, ist es in vorteilhafter Weise möglich, bereits die aus einem elektrisch leitenden Material ge fertigten Zwischenelemente 2, 22, 32 bzw. Zwischenelement 2, 22, 32 mit etwai gen Kontakten bzw. Anschlüssen an einer Oberseite des Elektronikelements 5 zu verbinden. Dabei versteht der Fachmann unter der Oberseite des Elektronikele ments 5 eine von dem Trägersubstrat 10 abgewandte Außenseite des Elektroni kelements 5. Gleichzeitig gestatten die Zwischenelement 2, 22, 32, die hier als Lötperlen 2 ausgebildet sind, das Verfüllen von größeren Teilen bzw. größeren Bereichen oberhalb des Elektronikmoduls 5 mit dem Material der Verkapselung 8, das insbesondere auch die Bereich zwischen mehreren Lötperlen 2 verfüllt. Insbe sondere werden auch die Kanten K des Elektronikmoduls 5 ausreichend beim Ver füllen mit dem Material für die Verkapselung 8 bedeckt.

Ferner ist es besonders bevorzugt, dass die erste Länge L1 im Wesentlichen der parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Bemaßung der Kontakt fläche an der Oberseite des Elektronikelements 5 und/oder der Kontaktfläche an dem mindestens einen Zwischenelement 2, 22, 32 entspricht.

Nach dem Aushärten des Materials zur Ausbildung der Verkapselung 8 ist es be vorzugt vorgesehen, dass das Elektronikmodul 100 aus der ersten Werkzeughälfte 11 und/oder zweiten Werkzeughälfte 12 entformt wird, so dass das von der Ver kapselung 8 zumindest teilweise umgebene Trägersubstrat 10 derart gestaltet ist, dass die Verkapselung 8 an seiner Außenseite A einen stufenförmigen Verlauf aufweist, insbesondere oberhalb des Elektronikelements 5, wobei im Bereich des Absatzes bzw. des Rücksprunges die Anschlüsse bzw. die Lötperlen 2 zur Kon taktierung freiliegen, insbesondere zum Anschließen an die von der Außenseite A der Verkapselung 8 kommenden elektrisch leitenden Verbindungen 4. Dies gestat- tet dann die unmittelbare Kontaktierung der Elektronikelemente 5 über die Lötper len 2 mit der Metallisierungsschicht bzw. den Elektronikelementen 5 an der Au ßenseite A der Verkapselung 8. In Figur 1c ist entsprechend eine elektrisch lei tende Verbindung 4 dargestellt, die die Außenseite A der Verkapselung 8 elektrisch leitend in Verbindung bringt mit den Lötperlen 2, die an ihrer Außenseite bzw. an ihrer, vom Elektronikelement 5 abgewandten, Außenseite die neuen An schlüsse/Kontaktflächen für die elektrisch leitende Verbindung 4 zur Außenseite A der Verkapselung 8 bereitstellen. Weiterhin ist in der Ausführungsform der Figuren 1 a-1 c bevorzugt vorgesehen, dass das Trägersubstrat 10 an seiner Unterseite von der Verkapselung 8 frei bleibt. Dadurch lässt sich hier in vorteilhafter Weise eine Kühlstruktur integrieren, die beispielsweise im Betrieb mit einem Kühlfluid in Kon takt gebracht werden kann.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Zwischenelement 2, 22, 32 ins besondere eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE bemessene zweite Höhe H2 aufweist und der Verkapselung 8 eine erste Höhe H1 zuzuweisen ist, die sich in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE des Trägersubstrats ver laufenden Richtung zwischen der Oberseite des Elektronikelements 5 und der Au ßenseite A der Verkapselung 8 erstreckt. Dabei ist es besonders bevorzugt vorge sehen, dass ein Verhältnis zwischen der zweiten Höhe H2 und der ersten Höhe H1 einen Wert zwischen 0,2 und 1 , bevorzugt zwischen 0,4 und 0,9, und beson ders bevorzugt zwischen 0,6 und 0,8 annimmt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, mittels des Zwischenelement 2, 22, 32, insbesondere elektrisch leitendes Zwischenelement, 2, 22, 32 , die Kontakte bzw. neuen Anschlüsse durch das Zwischenelement 2, 22, 32 möglichst nah an der Außenseite A der Verklei dung bzw. der Verkapselung 8 anzuordnen, wodurch der spätere Anbindungspro zess an die elektrisch leitende Verbindung 4 signifikant verbessert werden kann. Insbesondere lassen sich Höhentoleranzen einfacher bei der Anbindung der elektrisch leitenden Verbindung 4 ausgleichen bzw. berücksichtigen.

In den Figuren 2a bis 2c ist eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung dargestellt, wobei sich die Ausführungsform der Figuren 2a bis 2c allenfalls dahingehend von dem Verfahren aus den Figuren 1 a bis 1 c unter schiedet, dass eine erste Länge L1 des Stempelelements 13 kleiner ist als eine zweite Länge L2 des Elektronikelements 5. Zur Ausbildung eines vergleichsweise kleinen Stempelelements 13 ist es vorgesehen, dass das Verhältnis L1 und L2 ei nen Wert zwischen 0,1 und 0,9, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5, und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 annimmt. Ferner ist es vorgesehen, dass die dritte Länge L3 kleiner als die erste Länge L1 des Stempelelements 13 ist, insbeson dere nimmt ein Verhältnis zwischen der dritten Länge L3 zur ersten Länge L1 ei nen Wert zwischen 0,8 und 1 an, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,9, und besonders bevorzugt zwischen 0,4und 0,8 an. Insbesondere ist das Stempelelement 13 in ei ner, parallel zur Haupterstreckungsebene HSE bemessenen, ersten Länge L1 der art dimensioniert, dass es beim Verfüllen ausschließlich einen Bereich über einem einzelnen Anschluss oder einem Paar von Anschlüssen des Elektronikelements 5 freilegt. Dabei ist es auch vorstellbar, dass nur eine einzelne Lötperle 1 für den freigestellten Anschluss vorgesehen ist.

In den Figuren 3a bis 3c ist eine dritte, beispielhafte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung dargestellt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass hier als Zwischenelement 2, 22, 32 eine Isolationsfolie 22 vorgesehen ist, wobei die Isola tionsfolie 22 eine durchgreifende Metallisierung 28 aufweist, die insbesondere der art platziert bzw. angeordnet ist, dass sie in Kontakt steht mit mindestens einem Anschluss an der Oberseite des Elektronikelements 5. Durch das entsprechende, gezielte Ausrichten zum Positionieren der Isolationsfolie 22 vor dem Verfüllen ist es möglich, bereits hier den Kontakt zu den Anschlüssen an der Oberseite des Elektronikelements 5 zu realisieren. Nach dem Verfüllen bleibt die Isolationsfolie 22 Bestandteil der Verkapselung 8 bzw. wird ebenfalls mit in die Verkapselung 8 eingebettet, sodass die durchgreifenden Metallisierungen 28 als Anschlussmög lichkeit für die elektrisch leitende Verbindung 4 zu der Außenseite A der Verkapse lung 8 dienen können, wie dies beispielsweise in Figur 3c dargestellt ist. Dabei ist es auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht bzw. Isolationsfolie 22 während des Verfüllens des Hohlraums 4 Löcher aufweist, die vom Stempelelement 13 bedeckt sind. Nach dem Ausbilden der Verkapselung 8 lassen sich diese Löcher verfüllen, beispielsweise beim Galvanisieren, wodurch sich durchgreifende Metallisierungen 28 ausbilden lassen. Entsprechend lassen sich die durchgreifenden Metallisierung 28 auch nach dem Verkapseln realisieren.

In Figur 4 ist eine vierte, beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung dargestellt, wobei es vorgesehen ist, dass das Zwischenelement 2, 22, 32 hier nicht unmittelbar auf dem Trägersubstrat 10 bzw. auf dem Elektronikelement 5 aufliegt, sondern auf einem Sockelelement 15, insbesondere auf einem elektrisch isolierenden Sockelelement 15. Dieses Sockelelement 15 dient zur Po sitionierung des Zwischenelements 2, 22, 32 innerhalb des Hohlraums 7, vorzugs weise in einem ausreichend großen Abstand zu der Oberseite des Elektronikele ments 5 und/oder in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung seitlich versetzt zum Elektronikelement 5. Dabei ist der hier dargestellte Zwischenelement 2, 22, 32 als Zwischenmetallisierung 32 ausgestaltet. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement 2, 22, 32 als Metallblock und/oder Metallblech ausgebildet ist und beispielsweise über einen Drahtbond 9 mit dem Anschluss bzw. den Kontakten an der Oberseite des Elektronikelements 5 verbunden ist. Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass die Zwischenmetalli sierung 32, ausgeformt als Metallblock oder Metallblech, zur Versorgung von meh reren Elektronikelementen 5 auf dem Trägersubstrat 10 dient. Durch die Verwen dung des Sockelelements 15 ist es in vorteilhafterweise möglich, eine Kontaktflä che in einem senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE bemessenen zweiten Abstand A2 vom Trägersubstrat 10 auszubilden. Ferner ist es vorgesehen, dass das Sockelelement 15 in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlau fenden Richtung am Elektronikelement 5 anschlägt, bzw sich in einem Abstand <0,1 mm befindet, um mit der elektrischen Leitung 4 einem möglichst geringen Ab stand überbrücken zu müssen. Vorteilhafter Weise ist es vorgesehen, dass die Oberseite des Sockelelements 15 gegenüber der Oberseite des Elektronikele ments 5 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Rich tung nur leicht vorsteht. Dadurch lässt sich auch ein Bügel, vorzugsweise mit einer geeigneten Lasche, zum Realisieren der elektrischen leitenden Verbindung 4 statt eines Drahtbonds 9 verwenden. Sofern ein Drahtbond 9 verwendet wird, ist es be vorzugt vorgesehen, dass der Drahtbond 9 an einer Oberseite des Zwischenele ments 32 angebunden wird.

Dabei liegt beim Verfüllen das Stempelelement 13 an der Zwischenmetallisierung 32 an, um diese als Kontaktfläche dienende Zwischenmetallisierung 32 freizuhal ten bzw. freizustellen. Besonders vorteilhaft ist es, dass dadurch eine Kontaktflä che realisiert wird, die näher an der Außenseite A der Verkapselung 8 liegt als die Oberseite des verkapselten Elektronikelements 5. Besonders bevorzugt ist es vor-gesehen, wenn ein senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE bemessener ers ter Abstand A1 der Oberseite des Elektronikelements 5 von dem Trägersubstrat 10 kleiner ist als der zweite Abstand A2 von einer Oberseite der Zwischenmetalli sierung 32 von dem Trägersubstrat 10. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn das Verhältnis des ersten Abstands A1 zum zweiten Abstand A2 einen Wert annimmt zwischen 0,2 und 1 , besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,9, und be sonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,8. Insbesondere erweisen sich die angege benen Dimensionen als vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat 10 teilweise auch mit dicken Elektronikelementen 5 bestückt wird.

Bezuqszeichen:

2 Zwischenelement als Lötperle

4 elektrisch leitende Verbindung

5 Elektronikelement

7 Hohlraum

8 Verkapselung

9 Drahtbond

10 Trägersubstrat

1 1 erste Werkzeughälfte

12 zweite Werkzeughälfte

13 Stempelelement

15 Sockelelement

22 Zwischenelement als Isolationsfolie oder -Schicht

25 Bauteilseite

28 durchgreifende Metallisierung

32 Zwischenelement als Metallisierung

100 Elektronikmodul

K Kante

A Außenseite

A1 erster Abstand

A2 zweiter Abstand

H1 erste Höhe

H2 zweite Höhe

L1 erste Länge

L2 zweite Länge

L3 dritte Länge

HSE Haupterstreckungsebene