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Dokumentenidentifikation DE102005003298A1 27.07.2006
Titel Elektronisches Bauelement für Hochfrequenz-Anwendungen und Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements für Hochfrequenz-Anwendungen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Theuss, Horst, Dr., 93173 Wenzenbach, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 24.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005003298
Offenlegungstag 27.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse H01L 23/29(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/66(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement (1) für Hochfrequenzanwendungen, welches zum Schutz von einem Gehäuse (5) umgeben ist, wobei das Gehäuse (5) aus einem geschäumten Material (6) hergestellt ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement für Hochfrequenz-Anwendungen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektronischen Bauelements für Hochfrequenz-Anwendungen.

In elektronischen Bauelementen, die mit Hochfrequenz beaufschlagt werden, beeinflussen die Materialien in direkter Umgebung der Leiterbahnen, z. B. Materialien, die für Gehäuse von Halbleiterelementen verwendet werden, die elektrische Leistungsfähigkeit des Bauteils signifikant.

Dabei hängen die Verarbeitbarkeit und Integrität hoher Frequenzen entscheidend von den folgenden zwei Faktoren bzw. Größen ab:

  • 1) Der Dielektrizitätskonstante &egr;, welche die Signalausbreitungsgeschwindigkeit über die Beziehung Ausbreitungsgeschwindigkeit ~ 1/&egr;1/2 beeinflusst. Angestrebt werden im Allgemeinen niedrige Werte für &egr;, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und damit "Delays" bzw. Verzögerungen zu vermeiden. Die Wechselstromwiderstände (Impedanzen) wachsen ungefähr linear mit &egr;.
  • 2) Dem Verlustfaktor tan&dgr;, welcher die Dispersion (Verzerrung) eines Signals bestimmt. Ein niedriger Verlustfaktor verhindert das Auseinanderlaufen eines Signals. Zum Beispiel behält bei kleinem tan&dgr; ein Rechteckimpuls seine Form während der Laufzeit über eine gewisse Strecke nahezu unverzerrt bei.

Im Stand der Technik ist derzeit in der Gehäusetechnologie die Verwendung von teilweise gefüllten Kunstoffen, in der Regel sind dies Duroplaste, seltener auch Thermoplaste, mit typischen Werten von &egr; ≈ 3 – 5 und tan&dgr; ≈ 0,01 üblich, wobei diese Werte temperatur- und frequenzabhängig sind und wobei sich die angegebenen Werte auf ca. 1 GHz beziehen.

Die Materialien dienen als Materialien für Gehäuse, die zum Schutz von Schaltkreisen und zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit vorgesehen werden.

Die oben genannten Materialeigenschaften &egr; und tan&dgr; begrenzen die Anwendbarkeit üblicher Gehäusetechnologien auf bestimmte Hochfrequenzanwendungen. Je nach Anwendung wird die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Bauelemente ab einer bestimmten Grundfrequenz eingeschränkt bzw. verschlechtert.

Bisher wurden im Stand der Technik Gehäusematerialien verwendet, die "nach unten optimierte" Materialeigenschaften bezüglich &egr; und tan&dgr; aufweisen, wobei die oben genannten Werte jedoch bereits recht gute Materialien kennzeichnen.

Eine weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Alternative in der Gehäusetechnologie ist es, Hohlraumgehäuse zu verwenden, in welchen z. B. Drahtverbindungen (sogenannte Wirebonds) nicht von Kunststoff, sondern nur von Luft mit einem Wert für &egr; ≈ 1 umschlossen werden. Ein gravierender Nachteil ist bei dieser Alternative jedoch die daraus resultierende Unzuverlässigkeit der Bauelemente.

Eine andere im Stand der Technik bekannter Ansatz zur Lösung des Problems sind Designoptimierungen, z. B. die Minimierung der Hochfrequenzbelasteten Leiterbahnen bzw. Drahtbonds oder kurze Interconnects durch Flip Chip Varianten. Auch diese Lösung ist nicht optimal und es könnte unter Verwendung besserer Materialeigenschaften bezüglich &egr; und tan&dgr; natürlich auch bei solchen Designs ein weiterer Vorteil bzw. eine weitere Verbesserung erzielt werden.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Bauteil für Hochfrequenzanwendungen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektronischen Bauteils zu schaffen, wobei das Gehäusematerial des elektronischen Bauteils nicht oder nicht wesentlich die Verarbeitbarkeit und Integrität der hohen Frequenzen beeinflusst.

Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauteil für Hochfrequenzanwendungen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung zum Herstellen eines elektronischen Bauelements für Hochfrequenzanwendungen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Erfindungsgemäß bereitgestellt wird demnach ein elektronisches Bauelement für Hochfrequenzanwendungen, welches zum Schutz beispielsweise der Schaltkreise von einem Gehäuse umgeben ist, wobei das Gehäuse aus einem geschäumten Material hergestellt ist.

Geschäumte Materialien bzw. Schäume aus polymeren Werkstoffen entstehen durch die Freisetzung gelöster Treibmittel oder durch bei Vernetzungsreaktionen entstehende Gase. Die so entstehende zellige Struktur weist naturgemäß einen hohen Gasanteil auf. Folglich sinkt die effektive Dielektrizitätskonstante auf Werte in der Nähe des theoretisch erreichbaren Wertes 1. Somit tritt eine deutliche Verbesserung der Materialeigenschaften im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Materialien bzw. der damit hergestellten Gehäuse ein. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von geschäumtem Material für das Gehäuse können hervorragende Hochfrequenz-Bedingungen erzielt werden. Außerdem bringt dies zusätzlich eine wesentliche Reduzierung des Gewichts des elektronischen Bauteils mit sich, was ebenfalls wünschenswert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das geschäumte Material ein Kunststoffmaterial.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das geschäumte Material auch ein Elastomer sein.

Vorzugsweise ist das elektronische Bauelement ein diskretes Element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das elektronische Bauelement ein Halbleiterbauelement.

Es ist besonders bevorzugt, wenn das geschäumte Material aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, da sich nahezu alle Thermoplaste prinzipiell aufschäumen lassen.

In noch einer weiteren Ausführungsform ist das geschäumte Material ein harter bzw. hartelastischer Schaum, insbesondere auf der Basis von Polystyrol (PS), Polyurethan (PUR) oder Polyvinylchlorid (PVC), ist. Hartelastische Schäume weisen einen großen Verformungswiderstand auf und können daher für spezielle Anwendungen von Vorteil sein. So ist beispielsweise PVC-Hartschaum ein völlig geschlossenzelliger Schaum in Dichten von 30 bis 80 kg/m3 und Polystyrol-Hartschaum ist z. B. nach dem Extrusionsverfahren in Dichten von 30 bis 120 kg/m3 oder nach dem Blockschäumverfahren von 10 bis 40 kg/m3 herstellbar.

Eine andere bevorzugten Ausführungsform sieht als geschäumtes Material einen weichen oder weichelastischen Schaum mit niedrigem Verformungswiderstand, insbesondere auf der Basis von Polyurethan (PUR) Polyvinylchlorid (PVC), oder Polyethylen (PE) vor.

Es ist besonders bevorzugt, wenn das geschäumte Material Partikel anderer Stoffe, insbesondere metallische Partikel, um die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zu erhöhen bzw. zu verbessern, enthält. Auch kann so eine Abschirmwirkung durch Skin-Effekt erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines elektronisches Bauelements für Hochfrequenzanwendungen bereitgestellt, wobei der Schritt des Herstellens eines Gehäuses, welches das elektronische Bauelement zum Schutz umgibt, einen Schäumungsvorgang zum Aufschäumen eines Materials umfasst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein elektronisches Bauelement hergestellt werden, welches ein Gehäuse aufweist, das bezüglich der Materialeigenschaften &egr; und tan&dgr; deutlich verbessert ist im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusen, wodurch wiederum hervorragende Hochfrequenz-Bedingungen erzielt werden.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren während des Schäumungsvorgangs ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein thermoplastisches Material aufgeschäumt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beim Schäumungsvorgang ein harter oder hartelastischer Schaum mit hohem Verformungswiderstand, insbesondere auf der Basis von Polystyrol (PS), Polyurethan (PUR) oder Polyvinylchlorid (PVC), verwendet.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beim Schäumungsvorgang eine weicher oder weichelastischer Schaum mit niedrigem Verformungswidderstand, insbesondere auf der Basis von Polyurethan (PUR) Polyvinylchlorid (PVC), oder Polyethylen (PE) verwendet.

Durch die optionale Verwendung von Hartschaum oder Weichschaum sind die mechanischen Eigenschaften des Gehäuses anpassbar.

Vorzugsweise wird ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitergehäuse aus aufgeschäumten Kunststoffmaterial hergestellt.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren beim Einkapseln bzw. Enkapsulieren von Halbleiterchips oder Halbleitermodulen eingesetzt, z. B. beim Umspirtzen nach den Prozessen des Die-/Wirebondens auf Substraten.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse durch ein Sprühverfahren, durch ein Spritzgießverfahren oder durch Extrudieren hergestellt.

Es ist besonders bevorzugt, wenn dem geschäumten Material Partikel anderer Stoffe, insbesondere metallische Partikel zugesetzt werden, um die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zu erhöhen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

1 einen schematischen Querschnitt durch ein elektronisches Bauteil mit aufgeschäumten Gehäuse.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein elektronisches Bauelement 1, hier ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement weist einen Träger 2 auf, auf dem ein Halbleiterchip 3 aufgebracht ist. Der Halbleiterchip 3 ist über Leitungen 4 an den Träger 2 gebondet. Der Halbleiterchip 3 ist zum Schutz von einem Gehäuse 5 umgeben bzw. eingekapselt. Das Gehäuse 5 ist aus einem geschäumten Material 6, hier aus Polyurethan (PUR)-Hartschaum gebildet. Der PUR-Hartschaum ist ein überwiegend geschlossenzelliger, zähharter Schaumstoff. Es kann hier z. B. ein PUR-Hartschaum verwendet werden, der hochtemperaturbeständig ist und unter dem Namen Eccostock® SH vertrieben wird. Dieser Hartschaum ist einsetzbar in einem Temperaturbereich von – 70 °C bis + 135 °C und weist eine typische thermische Leitfähigkeit um 0, 03 Watt·m–1·K–1 auf. Weiterhin weist Eccostock® eine extrem niedrige dielektrische Konstante auf.

Die typischen Eigenschaften dieses Polyurethans sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Weitere Standardmaterialien, die zum Herstellen des Gehäuses 5 des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils 1 bzw. Halbleiterbauelements verwendet werden können sind u. a. KMC 180-7 oder UK-KAA-C/97 ShA. UK-KAA-C/97 ShA ist ein Polyurethan-Elastomer und vereinigt als gummielastischer Chemiewerkstoff besondere günstige Kombinationen von physikalischen und chemischen Eigenschaften und ist besonders leistungsstark.

Jedoch können die wesentlichen Änderungen der Materialeigenschaften bezüglich &egr; und tan&dgr; mit jedem anderen geschäumten Thermoplast erzielt werden, wobei die Änderungen der elektrischen Eigenschaften beim Übergang vom Vollmaterial zum geschäumten Material in der folgenden Tabelle dargestellt sind. Die angegebenen Werte beziehen sind dabei auf den niedrigen GHz-Bereich.

Im folgenden wird das Schäumverfahren beschrieben. Schäume aus polymeren Werkstoffen entstehen dadurch, dass im Kunststoff gelöste Treibmittel oder bei der Vernetzungsreaktion entstehende Gase freigesetzt werden. Bei Thermoplasten wird der Schäumvorgang durch Erhitzen ausgelöst. Hierbei verdampfen in die Formmassen eingearbeitete relativ niedrigsiedende Substanzen wie Monomere oder Lösemittel oder mechanisch beigemengte Treibmittel zersetzen sich unter Gasentwicklung. Wie bereits erwähnt, können nahezu alle Thermoplaste nach solchen Verfahren zu harten oder weichelastischen Schaumstoffen verarbeitet werden. Permanente Gase, meist Stickstoff, werden mit einem Druck von etwa 200 bar im Airex Verfahren in PVC und im UCC-Verfahren in PE-Schmelzen in Extrudern mit Akkumulatoren eingearbeitet. Anschließend wird die Formmasse frei (AirexvErfahren) oder in einer Form (UCC-Verfahren) aufgeschäumt.

Ein weiteres Schäumverfahren, das für die genannten Zwecke anwendbar ist, ist das MuCell® Microzellulare Schaum-Spritzgießverfahren, welches sich durch eine hohe Produktivität und Qualitätsverbesserung auszeichnet. Das Verfahren verwendet superkritische Fluide (SCF) von inerten Gasen, typischerweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, um gleichmäßig verteilte und in der Größe einheitliche Zellen über das gesamte Polymermaterial hinweg zu bilden. Dieses Verfahren ist geeignet für Spritzgießverfahren, aber auch für Extrusionsverfahren und Blasformverfahren.

Viele Module bestehen aus verschiedenen Komponenten (z. B. Gehäuse, Chips und/oder passive Bauelemente), die auf einem kleinen Substrat bzw. einer Leiterplatte bestückt sind. Für solche Anwendungen eignen sich Sprühverfahren zur Realisierung eines flächigen Schutzes. Beim Sprühverfahren werden z. B. Spritzpistolen benutzt, die mit Hilfe eines Preßluftstromes den flüssigen Kunststoff aus einem Behälter ansaugen und in feinverteilter Form (Nebel) versprühen. Eine Abwandlung des Sprühverfahrens wird zur Herstellung von PUR-Schaumstoffen und -Elastomeren eingesetzt, bei dem die entsprechenden Rohstoffe meist unter dem Mischungsdruck, aber auch unter Luftdruck auf die zu beschichtenden Oberflächen aufgenebelt werden.

Weiterhin kann, wie bereits erwähnt, ein herkömmliches Spritzgießverfahren zum Herstellen des Gehäuses eingesetzt werden, oder aber das Gehäuse wird durch Extrudieren hergestellt.

1elektronisches Bauelement 2Träger 3Halbleiterchip 4Leitungen 5Gehäuse 6geschäumtes Material

Anspruch[de]
  1. Elektronisches Bauelement (1) für Hochfrequenzanwendungen, welches zum Schutz von einem Gehäuse (5) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) aus einem geschäumten Material (6) hergestellt ist.
  2. Elektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) ein Kunststoffmaterial ist.
  3. Elektronisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) ein Elastomer ist.
  4. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (1) ein diskretes Element ist.
  5. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (1) ein Halbleiterbauelement ist.
  6. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist.
  7. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) ein harter oder hartelastischer Schaum, insbesondere auf der Basis von Polystyrol (PS), Polyurethan (PUR) oder Polyvinylchlorid (PVC), ist.
  8. Elektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) ein weicher oder weichelastischer Schaum, insbesondere auf der Basis von Polyurethan (PUR) Polyvinylchlorid (PVC), oder Polyethylen (PE) ist.
  9. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Material (6) Partikel anderer Stoffe, insbesondere metallische Partikel, um die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zu erhöhen, enthält.
  10. Verfahren zum Herstellen eines elektronisches Bauelements (1) für Hochfrequenzanwendungen, wobei der Schritt des Herstellens eines Gehäuses (5), welches das elektronische Bauelement (1) zum Schutz umgibt, einen Schäumungsvorgang zum Aufschäumen eines Materials umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei beim Schäumungsvorgang ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein thermoplastisches Material aufgeschäumt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei beim Schäumungsvorgang ein harter bzw. hartelastischer Schaum, insbesondere auf der Basis von Polystyrol (PS), Polyurethan (PUR) oder Polyvinylchlorid (PVC), verwendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei beim Schäumungsvorgang eine weicher bzw. weichelastischer Schaum, insbesondere auf der Basis von Polyurethan (PUR) Polyvinylchlorid (PVC), oder Polyethylen (PE) verwendet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitergehäuse aus aufgeschäumten Kunststoffmaterial hergestellt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Halbleiterchip (3) oder ein Halbleitermodul eingekapselt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Gehäuse (5) durch ein Sprühverfahren, durch ein Spritzgießverfahren oder durch Extrudieren hergestellt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei dem geschäumten Material (6) Partikel anderer Stoffe, insbesondere metallische Partikel zugesetzt werden, um die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zu erhöhen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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