WO2000002247A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines verbundes zwischen einem trägerkörper und mindestens einer darin enthaltenen komponente - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines verbundes zwischen einem trägerkörper und mindestens einer darin enthaltenen komponente Download PDF

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WO2000002247A1
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holder
composite
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Detlef Krabe
Günter Lang
Martin HAGENBÜCHLE
Alf Springer
Klaus Buschick
Oswin Ehrmann
Wolfgang Scheel
Herbert Reichl
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    • H10W72/071—Connecting or disconnecting
    • H10W72/0711—Apparatus therefor

Definitions

  • the invention relates to the production of basic building blocks on the basis of a composite between a carrier body and at least one component contained therein. Areas of application exist wherever systems are used that contain components at defined positions.
  • the basic building blocks produced with the invention are used in the fields of electronics / electrical engineering, sensor technology, optics, communications technology, biology and medicine.
  • Chip-first technology (0. Ehrmann, K. Buschick, G. Chmiel, A. Paredes, V. Glaw, H. Reichl: 3D multichip modules. Proc. ICEMCM'95, Denver, April 19-21 (1995), 358.).
  • This technique is based on the areas in which the chips are placed in a substrate being structured in a preceding process step, e.g. Laser cutting can be used. After this structuring step, a further process step is necessary to adjust and temporarily fix the components designed as chips. After this, the actual embedding of the component is carried out by gluing in with adhesive dispensing and then curing.
  • solder bumps solder bumps
  • the object of the invention is to reduce the manufacturing outlay when equipping the support body with components to reduce such a technology, which is applicable to a wide variety of component types and which is suitable for designing the component carrier for subsequent process steps in such a way that a simplified and more compact structure of the end product can be achieved.
  • the object is achieved by a method for producing a composite between a support body and at least one component contained therein in that the component is aligned outside the support body in a plane parallel to the surface of the support body, at least partially embossed in the support body and by enclosing it Carrier material is fixed.
  • the components can be embossed to a depth at which the components either form a planar surface with the surface of the carrier body or at which the components project slightly beyond the surface of the carrier body for the lateral connection of connecting elements.
  • Polymeric support material should preferably be used for the support body, but non-organic materials can also be suitable.
  • the components and possibly also additional functional structures are stamped into the carrier material by increasing the temperature and by applying pressure. A hardening of the carrier material fixes the components.
  • the stamping process which is usually completed by cooling the composite of stamped components and carrier material, can be carried out in one process step or in several successive steps be performed. However, it is also possible to subject the composite to a temperature treatment (tempering) after cooling.
  • the basic module is available as a component / carrier material network, it is then further processed into a functional overall system. This includes the application of functional layers, such as conductive, insulating and optical layers. It is also possible to install other components using SMD technology.
  • the components are designed as integrated circuits, they can be electrically connected by wire bonding, flip / chip, TAB technology and / or directly by conductor structures in thin-film technology.
  • Corresponding waveguide structures are suitable for optical components; fluidic connections to the components can be established through channels in the carrier material.
  • the wire bond and / or flip-chip technology can be used for the electrical connection of the overall functional system and optical waveguides can be used for optical connections to the outside.
  • the invention further relates to a device for producing a composite between a support body and at least one component contained therein with holders for the support body and the components used to impress the components in the support body against each other in a direction from which a change in distance of the support body and Components result from each other, are adjustable.
  • the holder for the components has receiving areas which, until the components have been impressed, have an aligned fixation of the components in a plane parallel to the surface of the support body and ensure protection of parts of the components and which release the components after being embossed in the support body.
  • vacuum suction devices are provided in the receiving areas for fixing the components.
  • the fixation can also be done by gluing with a non-permanent adhesive or by mechanical brackets.
  • the use of the non-permanent adhesive allows component holders which are removable from the device to be fitted outside the device.
  • At least one of the holders for the support body or the components with a tempering or. Heater connected. Furthermore, the adjustment of the two brackets against one another can be carried out with an adjustable force.
  • the receiving areas can either lie as flat areas in a common plane or be formed as depressions. Furthermore, it is possible that both brackets contain structures for transfer to the support body. Areas for the components are provided for this purpose adjacent to the receiving areas.
  • a decisive advantage of the present invention is that the additional connecting elements by means of wire bonds, TAB structures and / or solder balls are not absolutely necessary in order to establish electrical connections to the conductor structures on the surface of the carrier body.
  • the electrical conductor structures produced using planar techniques themselves make connections to the embossed components. With insulating intermediate layers, it is also possible to arrange conductor structures on the surface of the embossed components in further levels.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first type of embossing, in which a component holder with a flat receiving area is provided for the components
  • Fig. 2 is an outline representation for a second type of embossing, in which a component holder for receiving the components is provided with depressions
  • FIG 3 shows an outline representation for a third type of embossing, in which a component holder is provided, the receiving region for the components of which has both flat regions and depressions and is additionally provided with structures
  • Fig. 4 shows a cross section through a device with holders for the support body and for the components
  • Fig. 5 shows an enlarged cross section through a first
  • Fig. 6 shows an enlarged cross section through a second embodiment for the component holder, in which the components are inserted in depressions 7 shows an enlarged cross section through a second embodiment for the component holder, the receiving area for the components of which has both flat areas and depressions
  • Fig. 8 is a perspective view for the component holder
  • holders 1, 2 are used for carrying out the method, which are adjustable relative to each other in one direction, from which a mutual change in distance results. While the holder 1 is used to hold components 3, the holder 2 is provided for a support body 4. In the holder 1 3 channels 5 are incorporated for non-permanent fixation of the components, which on the one hand mouth on a surface facing the holder 2 into receiving areas for the components 3, and on the other hand are connected to a poorly illustrated device for generating a vacuum.
  • the brackets 1 differ according to their different structuring of the receiving areas for the components 3.
  • a completely flat receiving area 6 is provided for carrying out the method according to FIG. 1.
  • depressions 7 serving for adjustment are characteristic, the m a adapted to accommodate the components and the holder m are incorporated with a depth m, which nevertheless allows the components 3 to emerge from the surface of the holder 1.
  • the receiving area in Fig. 3 combines both flat areas 8 and depressions 9.
  • the latter holding device 1 contains z. B. raised structures 10, which are to be transferred into the support body 4 as a functional structure 10 '.
  • the structure 10 is neither limited to the type given here by way of example nor to the combination with the flat regions 8 and the depressions 9.
  • additional additional functional structures 12 can be incorporated into the support body 4, for example for waveguides, by means of additional projections 11 using the holder 1.
  • the carrier body 4 is attached to the holder 2 in the form of a disk (FIG. 1).
  • the components 3 are removed with the aid of the holder 1 from a receptacle, not shown, which holds the components 3 m of the desired geometric arrangement in relation to one another.
  • the components 3 are fixed in the flat receiving areas 6 by vacuum suction via the channels 5 led into the receiving areas 6.
  • the components 3 thus adjusted and fixed are now already arranged in the Bracket 1 and are prepared for stamping into the support body 4 (step ⁇ ).
  • step ® the holder 1 is moved together with the components 3 against the holder 2 using a force F until the components 3 come into contact with the support body 4 fastened on the holder 2 by touching their surfaces.
  • the components 3 can either have the same thickness, as a result of which their surfaces are simultaneously placed on the surface of the support body 4, or else their thickness is different from one another, as is the case in FIG. 1.
  • the carrier body 4 and the components 3 are heated + ⁇ T.
  • the pressing force F there is an increase in the pressing force F, with which the two brackets 1, 2 together with the components 3 and the support body 4 are pressed against one another.
  • the components 3 m are embossed into the carrier body 4, the carrier material flowing.
  • the flow process has the result that, on the one hand, superfluous carrier material is displaced and, on the other hand, the carrier material flows around components 3.
  • the holder 1 ensures that the top of the components 3 facing the receiving area 6 with functional areas located thereon for e.g. electrical, optical, thermal or mechanical connections (for example connection pads or light outputs / outputs) are kept free of the flowing material.
  • step ® in which the component and carrier body surfaces form a planar surface and the entire component / carrier material composite has been brought to the desired total thickness.
  • the basic module 13 m in the form of the component / carrier material composite produced by the method according to the invention can now be further processed by subsequent processes.
  • electrical line structures can be built up on the flat surface by means of metallization and photolithographic processes to increase the electrical functionality of the compact overall system.
  • the components 3 to be embossed are placed in the recesses 7 provided in the holder 1 as adjustment troughs when carrying out the method according to FIG. 2 and fixed by means of vacuum.
  • the further procedure for the stamping process corresponds to the process sequence according to FIG. 1.
  • a basic module 14 is created in the form of a component / carrier material composite, in which, during the stamping process, parts of components 3, such as their surfaces 15, are covered by the receiving areas. 16 and parts of the side areas 17, 18, slightly over the Extend the surface of the support body 4. Such an impression of the components 3 is such.
  • the components 3 are designed as optical components in the form of edge emitters, for which the beam exit is then above the surface ⁇ es of the carrier body 4.
  • additional light-guiding layers can be applied adjacent to the side region parts 17, 18, which the edge emitter can couple directly.
  • the method according to FIG. 3 is similar to the method according to FIG. 1, with the difference that the receiving area for the components 3 does not have a uniform area, which the components 3 would impress in an identical surface level, but also contains slightly recessed receiving areas 9 which some of the components 3 protrude slightly from the carrier surface (4).
  • the slight protrusion of e.g. 5 ⁇ m of some of the components 3 can also be used here, in the case of embossed edge emitters, to build up planar waveguides in subsequent process steps, which couple directly to the emitting components 3. (The emitting area of edge emitters is located in the area of the components near the surface - approx. 3 - 10 ⁇ m below the surface.)
  • the functional structure 12 produced with the aid of the projection 11 can also be used for the optical coupling of edge emitters, in that completely embossed edge emitters border on the embossed functional structure 12 with their radiating regions.
  • the functional structure 12 is filled with light-conducting material (core - higher refractive index than the surrounding material Claddmg) in a subsequent process step.
  • the embossed functional structures 12 can be used for fluidic applications, such as, for example, to flow through a means for heat exchange.
  • a device is suitable for carrying out the method according to the invention which, according to FIG. 4, contains mutually adjustable holders 19, 20 for receiving components and support bodies, the adjustment (arrow direction) associated with a change in distance being able to be carried out with adjustable force.
  • the bracket 19 consists of a support plate 21, which is inserted into a recess 22, an exchangeable holding plate 23 and is fastened by means of lugs 24.
  • the easy interchangeability of the holding plate 23 allows it to be fitted outside the device or in a simple manner, for. B. according to Figures 5 to 7 differently designed or transparent holding plates m to use the device.
  • a cutout m of the holding plate 23 forms a channel 25 with the support plate 21 placed above it, from which bores 26 lead to areas for receiving components 27.
  • the channel 25 can also widen a chamber.
  • a bore 28 in the carrier plate 21 opening into the channel 25 with an opening forms part of a connection to a vacuum source, not shown.
  • the holder 20 consists of a receiving plate 31 with laterally arranged spring elements 32 for temporarily fastening a support body 33.
  • Both brackets 19, 20 are connected to temperature control plates 34, 35, via which both heating and cooling can take place. Due to the thermal conductivity of the base plate 30, the interposition thereof between the temperature control plate 34 and the holder 19 poses no problems with the temperature control.
  • FIGS. 5 to 7 contain examples for modifying the receiving areas of a holding plate 23.
  • a first modified holding plate 36 has a flat receiving area 37.
  • a holding plate 38 contains the components 27 inserted into recesses 39 and a holding plate 40 has both flat receiving areas 41 and also such Wells 42 on. Additional raised structures 43 can also be provided on the holding plate for transmission during the stamping process.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Trägerkörper (4) und mindestens einer darin enthaltenen Komponente (3) besteht die Aufgabe, den Herstellungsaufwand bei der Bestückung des Trägerkörpers mit Komponenten durch eine solche Technologie zu verringern, die für eine breite Vielfalt von Komponentenarten anwendbar ist und die geeignet ist, den bestückten Komponententräger für nachfolgende Prozessschritte derart zu gestalten, dass ein vereinfachter und kompakterer Aufbau des Endproduktes erreicht werden kann. Die Komponenten werden ausserhalb des Trägerkörpers (4) in einer zu dessen Oberfläche parallelen Ebene ausgerichtet, zumindest teilweise in den Trägerkörper (4) unter Temperaturerhöhung und Druckanwendung eingeprägt und durch umschliessendes Trägermaterial fixiert. Die Erfindung dient zur Herstellung von Grundbausteinen zum Einsatz in der Elektronik/Elektrotechnik, der Sensorik, der Optik, der Nachrichtentechnik, der Biologie und der Medizin.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Trägerkörper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Grundbausteinen auf der Grundlage eines Verbundes zwischen einem Trägerkörper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente . Anwendungsgebiete sind überall dort gegeben, wo Systeme zur Anwendung kommen, die Komponenten an definierten Positionen enthalten. Die mit der Erfindung hergestellten Grundbausteine finden ihren Einsatz in den Feldern der Elektronik/Elektrotechnik, der Sensorik, der Optik, der Nachrichtentechnik, der Biologie und der Medizin.
Um einen planaren Komponenten/Trägermaterial-Verbund herzustellen, ist gegenwärtig die Chip-First-Technologie (0. Ehrmann, K. Buschick, G. Chmiel, A. Paredes, V. Glaw, H. Reichl: 3D-Multichip Module. Proc . ICEMCM'95, Denver, April 19-21 (1995), 358.) bekannt. Diese Technik basiert darauf, daß die Bereiche, in denen die Chips in ein Substrat eingebracht werden, in einem vorgelagerten Prozeßschritt strukturiert werden, wobei z.B. Laserschneiden zur Anwendung gelangen kann. Nach diesem Strukturierungsschritt ist zunächst ein weiterer Prozeßschritt notwendig, um die als Chips ausgebildeten Komponenten zu justieren und vorläufig zu fixieren. Hiernach wird die eigentliche Einbettung der Komponente durch Einkleben mittels Kleberdispens und anschließendem Aushärten vorgenommen.
Der Nachteil dieser Lösung liegt einerseits in der notwendigen vorgelagerten Strukturierung, die z.B. durch Laserschneiden erfolgen kann. Andererseits ist die Fixierung und das Einkleben der Komponenten nachteilig. Sie stellen aufwendige Prozeßschritte dar, die für jeden einzelnen zu fertigenden Verbund vorgenommen werden müssen.
Typisch ist heute noch der Aufbau der Komponenten auf der Oberflache eines Grundtragers . Dies erfolgt mit den Techniken der SMD- (Surface Mounted Devices Oberflachenmontierte Komponenten), . Scheel (Hrsg.): Baugruppentechnologie der Elektronik. Montage. Kap. 3. Verlag Technik, Berlin 1997, CSP- (Chip Scale Package - Komponenten in Große der Chips mit Umverdrahtung, Lotballen und zusätzlichem Trager), J. Simon, M. Topper, H. Reichl, G. Chmiel : A comperization of flip chip technology with chip size packages oder FC-Technologie (Flip Chip - Chips mit Lotballen und ggf. Umverdrahtung aber ohne zusätzlichen Trager), J. Wolf, G. Chmiel, J. Simon, H. Reichl: Solderbumpmg - A comporization of different technologies . Proc. ITAB Conference, 1994.
Der generelle Nachteil ist bei diesen Verfahren, daß kein planarer Komponenten/Tragermaterial Verbund aufgebaut werden kann. Die Leiterstrukturen befinden sich auf dem Substrat. Der elektrische Anschluß der Komponenten an den
Leiterstrukturen erfolgt bei diesen Systemen über
Verbindungen, die über mehrere Ebenen vorgenommen werden müssen. Als Verbindungen dienen Drahtbonds, TAB-Strukturen
(Tape Automated Bonding) oder Lotballe (Solder Bumps) , mit denen die Niveauunterschiede im mm-Bereich (0,1 bis maximal 4 mm) überwunden werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Herstellungsaufwand bei der Bestückung des Tragerkorpers mit Komponenten durch eine solche Technologie zu verringern, die für eine breite Vielfalt von Komponentenarten anwendbar ist und die geeignet ist, den bestuckten Komponententrager für nachfolgende Prozeßschritte derart zu gestalten, daß ein vereinfachter und kompakterer Aufbau des Endproduktes erreicht werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Tragerkorper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente dadurch gelost, daß die Komponente außerhalb des Tragerkorpers in einer zur Oberflache des Tragerkorpers parallelen Ebene ausgerichtet, zumindest teilweise m den Tragerkorper eingeprägt und durch umschließendes Tragermaterial fixiert wird.
Das Einprägen der Komponenten kann bis zu einer Tiefe erfolgen, bei der die Komponenten mit der Oberflache des Tragerkorpers entweder eine planare Oberflache bilden oder bei der die Komponenten die Oberflache des Tragerkorpers zum seitlichen Anschluß von Verbindungselementen geringfügig überragen.
Für den Tragerkorper sollte vorzugsweise polymeres Tragermaterial verwendet werden, aber auch nichtorganische Materialien können geeignet sein. Das Einprägen der Komponenten und eventuell auch zusätzlicher Funktionsstrukturen m das Tragermaterial erfolgt unter Temperaturerhöhung und durch Druckanwendung. Ein Ausharten des Tragermaterials fixiert die Komponenten.
Der Pragevorgang, der üblicherweise durch ein Abkühlen des Verbundes aus eingeprägten Komponenten und Tragermaterial abgeschlossen wird, kann sowohl in einem Prozeßschritt als auch in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, den Verbund nach dem Abkühlen noch einer Temperaturbehandlung (Tempern) zu unterziehen.
Nach dem Vorliegen des Grundbausteines als Komponenten/Tragermateπal-Verbund schließt sich dessen Weiterverabeitung zu einem funktionellen Gesamtsystem an. Diese beinhaltet das Aufbringen von Funktionsschichten, wie Leit-, Isolier- und optische Schichten. Auch die Montage weiterer Komponenten in SMD-Technik ist möglich.
Sind die Komponenten als integrierte Schaltkreise ausgebildet, so können diese durch Drahtbond-, Flip/Chip-, TAB-Technik und/oder direkt durch Leiterstrukturen in Dunnschichttechnologie elektrisch verbunden werden. Für optische Bauelemente sind entsprechende Wellenleiterstrukturen geeignet, fluidische Verbindungen zu den Komponenten können durch Kanäle m dem Tragermaterial hergestellt werden. Zur elektrischen Verbindung des funktionellen Gesamtsystems sind die Drahtbond- und/oder Flip-Chip-Technik und für optische Verbindungen nach außen Lichtwellenleiter verwendbar.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Tragerkorper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente mit Halterungen für den Tragerkorper und die Komponenten, die zum Einprägen der Komponenten in den Tragerkorper gegeneinander in einer Richtung, aus der eine Abstandsanderung des Tragerkorpers und der Komponenten zueinander resultiert, verstellbar sind. Die Halterung für die Komponenten weist Aufnahmebereiche auf, die bis zur Beendigung des Einpragens der Komponenten m den Tragerkorper eine ausgerichtete Fixierung der Komponenten m einer Ebene parallel zur Oberflache des Tragerkorpers und einen Schutz von Teilen der Komponenten gewahrleisten und die die Komponenten nach dem Einprägen m den Tragerkorper freigeben.
Es ist von Vorteil, wenn m den Aufnahmebereichen Vakuumansaugeinrichtungen zur Fixierung der Komponenten vorgesehen sind. Die Fixierung kann aber auch durch Aufkleben mittels eines nichtpermanenten Klebstoffes oder durch mechanische Halterungen erfolgen. Die Verwendung des nichtpermanenten Klebstoffes gestattet es insbesondere, aus der Vorrichtung herausnehmbare Komponentenhalterungen außerhalb der Vorrichtung zu bestucken.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine der Halterungen für den Tragerkorper oder die Komponenten mit einer Temperierbzw. Heizeinrichtung verbunden. Des weiteren ist die Verstellung der beiden Halterungen gegeneinander mit einer einstellbaren Kraft ausfuhrbar.
Die Aufnahmebereiche können entweder als ebene Bereiche in einer gemeinsamen Ebene liegen oder als Vertiefungen aufgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, daß beide Halterungen Strukturen zur Übertragung auf den Tragerkorper enthalten. In der Halterung f r die Komponenten sind dafür Bereiche benachbart zu den Aufnahmebereichen vorgesehen.
Die Herstellung eines Grundbausteines in Form eines im wesentlichen planaren Verbundes aus Komponenten und Tragermaterial, einschließlich von möglicherweise darin bereits enthaltenen zusätzlichen Funktionsstrukturen, bildet die Voraussetzung dafür, daß für nachfolgende Prozeßschritte zum weiteren Aufbau eines funktionellen Gesamtsystems neben den sonst üblichen Verbindungstechniken (Drahtbonds, TAB-Strukturen und/oder Lotballe) auch rein planare Techniken (Fotolithografie, Sputtern, Bedampfen, galvanische Abscheidung und/oder Folien-Laminieren) eingesetzt werden können. Der Vorteil liegt einerseits m einer Vereinfachung der Herstellungstechnologie, andererseits kann der Aufbau des funktioneilen Gesamtsystems mit einer höheren Dichte im Vergleich zu konventionellen Techniken, wie der SMD- Technik, erfolgen.
Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, daß die zusätzlichen Verbindungselemente durch Drahtbonds, TAB-Strukturen und/oder Lotballe nicht unbedingt notwendig sind, um elektrische Verbindungen zu den Leiterstrukturen auf der Tragerkorperoberflache herzustellen. Die mit Hilfe planarer Techniken hergestellten elektrische Leiterstrukturen stellen selbst Verbindungen zu den eingeprägten Komponenten her. Mit isolierenden Zwischenschichten ist es auch möglich, auf der Flache der eingeprägten Komponenten in weitere Ebenen Leiterstrukturen anzuordnen.
Vorteilhaft gegenüber der heute bekannten "Chip-First"- Technologie ist, daß die Bereiche, m denen d e Komponenten m das Tragermaterial eingebracht werden sollen, nicht m einem vorgelagerten Prozeßschritt, wie z.B. Laserschneiden, strukturiert werden müssen. Diese Aufgabe übernimmt der Prozeßschritt des Einpragens . Ebenfalls nicht notwendig ist das Einbetten der Komponente durch Einkleben mittels Kleberdispens und anschließendem Ausharten. Diese Aufgabe übernimmt das die Komponenten umschließende Tragermaterial. Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung naher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prmzipdarstellung für eine erste Art des Empragens, bei der eine Komponentenhalterung mit einem ebenen Aufnahmebereich für die Komponenten vorgesehen ist
Fig. 2 eine Prmzipdarstellung für eine zweite Art des Empragens, bei der eine Komponentenhalterung zur Aufnahme der Komponenten mit Vertiefungen versehen ist
Fig. 3 eine Prmzipdarstellung für eine dritte Art des Empragens, bei der eine Komponentenhalterung vorgesehen ist, dessen Aufnahmebereich für die Komponenten sowohl ebene Bereiche als auch Vertiefungen aufweist und zusätzlich mit Strukturen versehen ist
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit Halterungen für den Tragerkorper und für die Komponenten
Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch eine erste
Ausfuhrung für die Komponentenhalterung mit einem ebenen Aufnahmebereich für die Komponenten
Fig. 6 einen vergrößerten Querschnitt durch eine zweite Ausfuhrung für die Komponentenhalterung, bei der die Komponenten in Vertiefungen eingesetzt sind Fig. 7 einen vergrößerten Querschnitt durch eine zweite Ausfuhrung für die Komponentenhalterung, deren Aufnahmebereich für die Komponenten sowohl ebene Bereiche als auch Vertiefungen aufweist
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung für die Komponentenhalterung
Der Ablauf des erfmdungsgemaßen Verfahren soll anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert werden, wobei sich das Ergebnis der m diesen Figuren dargestellten Verfahrensablaufe im wesentlichen durch die unterschiedliche Gestaltung einer zur Aufnahme der Komponenten vorgesehenen Halterung bestimmt.
Nach den Figuren 1 bis 3 werden zur Verfahrensdurchfuhrung Halterungen 1, 2 verwendet, die gegeneinander m einer Richtung verstellbar sind, aus der eine gegenseitige Abstandsanderung resultiert. Wahrend die Halterung 1 zur Aufnahme von Komponenten 3 dient, ist die Halterung 2 für einen Tragerkorper 4 vorgesehen. In die Halterung 1 sind zur nichtpermanenten Fixierung der Komponenten 3 Kanäle 5 eingearbeitet, die einerseits an einer der Halterung 2 zugewandten Oberflache in Aufnahmebereiche für die Komponenten 3 munden, andererseits an eine mchtdargestellte Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums angeschlossen sind. Die Halterungen 1 unterscheiden sich nach ihrer unterschiedlichen Strukturierung der Aufnahmebereiche für die Komponenten 3. So ist f r die Verfahrensdurchfuhrung nach Fig. 1 ein vollständig ebener Aufnahmebereich 6 vorgesehen. Für den Aufnahmebereich in Fig. 2 sind zur Justage dienende Vertiefungen 7 charakteristisch, die m einer zur Aufnahme der Komponenten angepaßten Große und mit einer Tiefe m die Halterung 1 eingearbeitet sind, die die Komponenten 3 aus der Oberflache der Halterung 1 dennoch hervortreten laßt. Der Aufnahmebereich in Fig. 3 vereint sowohl ebene Bereiche 8 als auch Vertiefungen 9. Zusätzlich enthalt die letztere Haltevorrichtung 1 z. B. erhabene Strukturen 10, die in den Tragerkorper 4 als Funktionsstruktur 10' übertragen werden sollen. Selbtsverstandlich ist die Struktur 10 weder auf die hier beispielhaft angegebene Art noch auf die Kombination mit den ebenen Bereichen 8 und den Vertiefungen 9 beschrankt. Beispielsweise können mittels zusätzlicher Vorsprunge 11 weitere zusätzliche Funktionsstrukturen 12 mit Hilfe der Halterung 1 in den Tragerkorper 4, wie z.B. für Wellenleiter, eingearbeitet werden.
Für alle drei sich unterscheidenden Aufnahmebereiche ist neben der nichtpermanenten Vakuumfixierung über die in die Aufnahmebereiche mundenden Kanäle 5 auch eine Fixierung mit einem nichtpermanenten Kleber oder mittels hier nicht dargestellter mechanischer Halterungen möglich.
Zur Herstellung eines Verbundes aus den Komponenten 3, die z.B. als integrierte Schaltkreise (ICs) ausgebildet sein können, und einem für den Tragerkorper 4 verwendeten Tragermaterial wird der Tragerkorper 4 Form einer Scheibe auf der Halterung 2 befestigt (Fig. 1) . Die Komponenten 3 werden mit Hilfe der Halterung 1 aus einer nichtdargestellten Aufnahme entnommen, welche die Komponenten 3 m der gewünschten geometrischen Anordnung zueinander bereithalt. Die Fixierung der Komponenten 3 in den ebenen Aufnahmebereichen 6 erfolgt durch Vakuumansaugung über die in die Aufnahmebereiche 6 geführten Kanäle 5. Die so justierten und fixierten Komponenten 3 befinden sich nun bereits geordnet in der Halterung 1 und sind für das Einprägen in den Tragerkorper 4 vorbereitet (Schritt ©) .
Im Schritt ® wird die Halterung 1 unter Anwendung einer Kraft F zusammen mit den Komponenten 3 gegen die Halterung 2 verfahren, bis die Komponenten 3 mit dem auf der Halterung 2 befestigten Tragerkorper 4 durch Berührung ihrer Oberflachen in Kontakt treten. Die Komponenten 3 können entweder eine gleiche Dicke besitzen, wodurch deren Oberflachen gleichzeitig auf die Oberflache des Tragerkorpers 4 aufsetzen oder aber ihre Dicke ist voneinander verschieden, wie das m Fig. 1 der Fall ist. Kurz bevor oder wahrend der Oberflachenberuhrung wird eine Erwärmung +ΔT des Tragerkorpers 4 und der Komponenten 3 vorgenommen. Gleichzeitig erfolgt eine Erhöhung der Andruckkraft F, mit der die beiden Halterungen 1, 2 zusammen mit den Komponenten 3 und dem Tragerkorper 4 gegeneinander gepreßt werden.
Erreichen Aufheiztemperatur und Druck die typischen Werte für das Erweichen des verwendeten Tragermaterials, beginnt das Einprägen der Komponenten 3 m den Tragerkorper 4, wobei ein Fließen des Tragermaterials einsetzt. Der Fließvorgang fuhrt dazu, daß einerseits überflüssiges Tragermaterial verdrangt wird und andererseits die Komponenten 3 von dem Tragermaterial umflossen werden. Die Halterung 1 sorgt hierbei dafür, daß die dem Aufnahmebereich 6 zugewandte Oberseite der Komponenten 3 mit darauf befindlichen Funktionsbereichen für z.B. elektrische, optische, thermische oder mechanische Verbindungen (beispielsweise Anschlußpads oder Lιchtemgange/-ausgange) von dem fließenden Material freigehalten wird.
Durch die Steuerung von Temperatur, Druck, Vorschub (- geschwmdigkeit) und Verfahrweg der Komponenten 3 in Richtung des Tragerkorpers 4 werden die Komponenten 3 m das Tragermaterial eingeprägt. Der Einpragevorgang ist abgeschlossen, wenn sich die Komponenten 3 m der gewünschten Weise in dem Tragerkorper 4 befinden. Ein solcher Abschluß liegt beim Schritt ® vor, bei dem die Komponenten- und Tragerkorperoberflachen eine planare Oberflache bilden und der gesamte Komponenten/Tragermaterial-Verbund auf die gewünschte Gesamtdicke gebracht wurde. Nachdem der Einpragevorgang abgeschlossen ist, werden die Halterungen 1, 2 mit einem definierten Temperaturgradienten abgekühlt und anschließend auseinandergefahren (Schritt @) .
Der durch das erfmdungsgemaße Verfahren (Chip-Imprmtmg- Technology) hergestellte Grundbaustein 13 m Form des Komponenten/Tragermateπal-Verbundes kann nun durch Nachfolgeprozesse weiterverarbeitet werden. Nach dem Zuschnitt der äußeren Geometrie des Komponenten/Tragermaterial-Verbundes (Schritt ©) können elektrische Leitungsstrukturen durch Metallisierungs- und fotolithografische Verfahren auf der ebenen Oberflache zur Erhöhung der elektrischen Funktionalitat des kompakten Gesamtsystems aufgebaut werden.
Im Unterschied zu Fig. 1 werden die einzuprägenden Komponenten 3 bei der Verfahrensdurchfuhrung nach Fig. 2 in die m der Halterung 1 als Justagemulden vorgesehenen Vertiefungen 7 gelegt und mittels Vakuum fixiert. Das weitere Vorgehen beim Einpragevorgang entspricht dem Verfahrensablauf nach Fig. 1. Im Unterschied zu diesem entsteht jedoch ein Grundbaustein 14 in Form eines Komponenten/Tragermateπal-Verbundes, bei dem wahrend des Einpragevorganges durch die Aufnahmebereiche abgedeckte Teile der Komponenten 3, wie deren Oberflachen 15, 16 und Teile der Seitenbereiche 17, 18, leicht über die Oberflache des Tragerkorpers 4 hinausragen. Eine derartiges Einprägen der Komponenten 3 ist z. B. von Vorteil, wenn die Komponenten 3 als optische Bauelemente m Form von Kantenemittern ausgebildet sind, für die der Strahlaustritt dann oberhalb der Oberflache αes Tragerkorpers 4 liegt. In nachfolgenden Prozeßschritten können zusatzliche lichtleitende Schichten benachbart zu den Seitenbereichsteilen 17, 18 aufgebracht werden, m die der Kantenemitter direkt einkoppeln kann.
Auch das Verfahren nach Fig. 3 ähnelt dem Verfahren nach Fig. 1 mit dem Unterschied, daß der Aufnahmebereich fürr d e Komponenten 3 keine einheitliche Flache besitzt, welche die Komponenten 3 in einem gleichen Oberflachenniveau einprägen wurde, sondern auch leicht versenkte Aufnahmebereiche 9 enthalt, durch welche einige der Komponenten 3 leicht aus der Trageroberflache (4) herausragen . Das leichte Herausragen von z.B. 5 μm einiger der Komponenten 3 kann auch hier dazu genutzt werden, bei eingeprägten Kantenemittern in nachfolgenden Prozeßschritten planare Wellenleiter aufzubauen, die direkt an die emittierenden Komponenten 3 ankoppeln. (Der emittierende Bereich von Kantenstrahlern liegt m oberflachennahen Bereich der Komponenten - ca. 3 - 10 μm unter der Oberflache.)
Auch die mit Hilfe des Vorsprunges 11 erzeugte Funktionsstruktur 12 kann zur optischen Ankopplung von Kantenemittern genutzt werden, indem vollkommen eingeprägte Kantenemitter mit ihren strahlenden Bereichen an die eingeprägte Funktionsstruktur 12 grenzen. Die Funktionsstruktur 12 wird mit lichtleitendem Material (Core - hoherbrechend als das umgebende Material Claddmg) m einem nachfolgenden Prozeßschritt gefüllt. Ebenso können die eingeprägten Funktionsstrukturen 12 für fluidische Applikationen, wie z.B. zum Durchfluß eines Mittels zum Wärmeaustausch genutzt werden.
Nachfolgende Prozeßschritte werden dazu benutzt, zusatzliche Funktionsschichten aus Leiter- und Isolationsmateπalien für die Ankontaktierung der eingeprägten Komponenten und eine weitere Bestückung des Komponenten/Tragermaterial-Verbundes, z.B. durch SMD- Techniken, vorzunehmen. Schließlich können auch auf der Halterung 2 für den Tragerkorper 4 Strukturen zur Übertragung in den Tragerkorper 4 enthalten sein.
Zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung, die gemäß Fig. 4 gegeneinander verstellbare Halterungen 19, 20 zur Komponenten- und Tragerkorperaufnahme enthalt, wobei die mit einer Abstandsveranderung verbundene Verstellung (Pfeilrichtung) mit einstellbarer Kraft ausfuhrbar ist. Die Halterung 19 besteht aus einer Tragerplatte 21, m die in eine Vertiefung 22 eine auswechselbare Halteplatte 23 eingelegt und mittels Knaggen 24 befestigt ist. Die leichte Auswechselbarkeit der Halteplatte 23 gestattet es, diese außerhalb der Vorrichtung zu bestucken bzw. in einfacher Weise z. B. nach den Figuren 5 bis 7 verschieden ausgebildete oder auch transparente Halteplatten m der Vorrichtung zu verwenden. Eine Ausfrasung m der Halteplatte 23 bildet mit der darubergelegten Tragerplatte 21 einen Kanal 25, von dem Bohrungen 26 zu Bereichen zur Aufnahme von Komponenten 27 fuhren. Je nach Große und Form der Ausfrasung kann sich der Kanal 25 auch eine Kammer aufweiten. Eine in den Kanal 25 mit einer Öffnung mundende Bohrung 28 in der Tragerplatte 21 bildet einen Teil einer Verbindung zu einer nichtdargestellten Vakuumquelle. Dazu mundet die Bohrung 28 mit ihrer anderen Öffnung m em Kanalsystem 29 einer Grundplatte 30, an der d e Tragerplatte 21 mit ihrer, der Halteplatte 23 abgewandten Seite befestigt ist. Die Halterung 20 besteht aus einer Aufnahmeplatte 31 mit seitlich angeordneten Federelementen 32 zur zeitweisen Befestigung eines Tragerkorpers 33.
Beide Halterungen 19, 20 stehen mit Temperierplatten 34, 35 in Verbindung, über die sowohl eine Beheizung als auch eine Kühlung erfolgen kann. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Grundplatte 30 bereitet deren Zwischenschaltung zwischen die Temperierplatte 34 und die Halterung 19 keine Probleme bei der Temperierung.
Die Figuren 5 bis 7 beinhalten Beispiele zur Modifizierung der Aufnahmebereiche einer Halteplatte 23. Eine erste modifizierte Halteplatte 36 besitzt einen ebenen Aufnahmebereich 37. Eine Halteplatte 38 enthalt die Komponenten 27 in Vertiefungen 39 eingelegt und eine Halteplatte 40 weist sowohl ebene Aufnahmebereiche 41 als auch solche mit Vertiefungen 42 auf. Zusätzliche erhabene Strukturen 43 können auf der Halteplatte ebenfalls zur Übertragung beim Pragevorgang vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Tragerkorper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (3, 27) außerhalb des Tragerkorpers (4, 33) in einer zur Oberflache des Tragerkorpers (4, 33) parallelen Ebene ausgerichtet, zumindest teilweise in den Tragerkorper (4, 33) eingeprägt und durch umschließendes Tragermaterial fixiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen der Komponenten (3, 27) bis zu einer Tiefe erfolgt, bei der die Komponenten (3, 27) mit der Oberflache des Tragerkorpers (4, 33) eine planare Oberflache bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen der Komponenten (3, 27) bis zu einer Tiefe erfolgt, bei der die Komponenten (3, 27) die Oberflache des Tragerkorpers (4, 33) zum seitlichen Anschluß von Verbindungselementen geringfügig überragen .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen der Komponenten (3, 27) in em polymeres Tragermaterial erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen der Komponenten e nichtorganisches Tragermaterial erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen unter Temperaturerhöhung und Druck erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Einprägevorganges ein Aushärten des Trägermaterials erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten des Trägermaterials durch Temperaturerhöhung erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten durch eine weitere Energiezufuhr in Form von UV-Licht unterstützt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägevorgang in einem Prozeßschritt durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägevorgang in mehreren aufeinanderfolgenden Prozeßschritten durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägevorgang durch ein Abkühlen des Verbundes aus eingeprägten Komponenten (3, 27) und Trägermaterial abgeschlossen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund nach dem Abkühlen einer Temperaturbehandlung (Tempern) unterzogen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (3, 27) als integrierte Schaltkreise ausgebildet sind, zu denen eine elektrische Verbindung durch Drahtbond-, Flip/Chip-, TAB-Technik und/oder direkt durch elektrische Leiterstrukturen in Dünnschichttechnologie erfolgt .
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (3, 27) als optische Bauelemente ausgebildet sind, zu denen eine optische Verbindung durch Wellenleiterstrukturen erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine fluidische Verbindung zu den Komponenten (3, 27) durch Kanäle erfolgt, die in das Trägermaterial eingeprägt sind.
17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Komponenten (3, 27) und Trägermaterial durch Aufbringen von Funktionsschichten, wie Leit-, Isolier- und optischen Schichten, für den Aufbau eines funktionellen Gesamtsystems weiterverarbeitet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Komponenten (3, 27) und Trägermaterial mittels SMD-Technik zu einem funktioneilen Gesamtsystem weiterverarbeitet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Komponenten (3,_ 27) und Trägermaterial zu einem funktionellen Gesamtsystem weiterverarbeitet wird, dessen elektrische Verbindung durch Drahtbond- und/oder Flip-Chip-Technik erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus Komponenten (3, 27) und Trägermaterial zu einem funktionellen Gesamtsystem weiterverarbeitet wird, dessen optische Verbindung nach außen durch Lichtwellenleiter erfolgt.
21. Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundes zwischen einem Tragerkorper und mindestens einer darin enthaltenen Komponente, gekennzeichnet durch Halterungen (1, 2, 19, 20) für den Tragerkorper (4, 33) und die Komponenten (3, 27), die zum Einprägen der Komponenten (3, 27) m den Tragerkorper (4, 33) gegeneinander in einer Richtung, aus der eine Abstandsanderung des Tragerkorpers (4, 33) und der Komponenten (3, 27) zueinander resultiert, verstellbar sind, und von denen die Halterung (1, 19) für die Komponenten (3, 27) Aufnahmebereiche (6, 37, 41) aufweist, die bis zur Beendigung des Empragens der Komponenten (3, 27) den Tragerkorper (4, 33) eine ausgerichtete Fixierung der Komponenten (3, 27) in einer Ebene parallel zur Oberflache des Tragerkorpers (4, 33) und einen Schutz von Teilen der Komponenten (3, 27) gewährleisten und die die Komponenten (3, 27) nach dem Einprägen in den Tragerkorper (4, 33) freigeben.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in den Aufnahmebereichen (6, 37, 41) Vakuumansaugeinrichtungen zur Fixierung der Komponenten (3, 27) vorgesehen sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der Komponenten (3, 27) in den Aufnahmebereichen (6, 37, 41) durch Aufkleben mittels eines nichtpermanenten Klebstoffes erfolgt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Komponenten (3, 27) transparent ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Komponenten (3, 27) auswechselbar ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestückung der Halterung für die Komponenten (3, 27) außerhalb der Vorrichtung erfolgt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in den Aufnahmebereichen (6, 37, 41) mechanische Halterungen zur Fixierung der Komponenten (3, 27) vorgesehen sind.
28. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Halterung (19) für den Tragerkorper (33) und/oder die Halterung (20) für die Komponenten (3, 27) mit einer Temperiereinrichtung (34, 35) verbunden ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der beiden Halterungen (1, 2, 19, 20) gegeneinander mit einer einstellbaren Kraft ausfuhrbar ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebereiche (6, 37) für die Komponenten (3, 27) als ebene Bereiche ausgebildet sind und einer gemeinsamen Ebene liegen.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebereiche als Vertiefungen (7, 39, 42) ausgebildet sind.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1, 19) für die Komponenten (3, 27) benachbart zu den Aufnahmebereichen (41) Strukturen (10, 11, 43) zur Übertragung auf den Tragerkorper (4, 33) enthalt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 20) für den Tragerkorper (4, 33) Strukturen zur Übertragung in den Tragerkorper (4, 33) enthalt.
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