DE102006017116B4

DE102006017116B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels Moldingtechnik insbesondere mittels eines Transfermoldingprozesses

Info

Publication number: DE102006017116B4
Application number: DE102006017116A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Brunnbauer Markus; Daniel Porwol; Dipl.-Ing. Edward (FH) Fürgut
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: DE102006017116A1; US20070235897A1; US8158046B2; US8394308B2; US20120202319A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Herstellung eines oder mehrerer Gegenstände aus einem Thermoplast oder einem Duroplast mittels Transfermolding, die eine Gießform (1) mit einem oberen Teil (5), einem unteren Teil (9) und mindestens einer Kavität (3) umfasst, wobei die Kavität (3) einen Anguss (4) zum Einbringen des Thermoplasts oder Duroplasts in die Kavität (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass de Vorrichtung eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen (7) und einen Vakuumklemmring (16) aufweist, wobei in einer geschlossenen Gießform (1) die Entlüftungsöffnungen (7) mittels eines Elements (11, 13) des Vakuumklemmrings (16) vollständig oder auch teilweise verschließbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands aus einem Thermoplast oder einem Duroplast mittels Moldingtechnik. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gegenstands und ein Verfahren zum Häusen von Halbleiterbauteilen.
Spritzgießverfahren sind zur Verarbeitung von Kunststoffen weit verbreitet. Mit ihnen lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Gegenstände, beispielsweise aus Thermoplasten oder Duroplasten, herstellen. Besonders häufig angewandt werden die Techniken des Transfermoldings und des Kompressionsmoldings.
Beim Kompressionsmolding wird das Material, dass beispielsweise als Paste oder als eine Menge von Pellets vorliegen kann und im allgemeinen vorgewärmt ist, in eine offene, meist geheizte Kavität eingebracht, die anschließend verschlossen wird. Durch die Einwirkung eines Drucks wird das Gießmaterial in die Gießform gepresst und füllt diese vollständig aus. Das Gießmaterial verbleibt in der Form, bis es fertig ausgehärtet ist.
Beim Transfermolding hingegen wird eine definierte Menge des Gießmaterials, typischerweise ein Duroplast, durch eine Angussöffnung in die ansonsten geschlossene Kavität gefüllt. Die Wände der Gießform sind während des Transfermoldings typischerweise auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Gießmaterials aufgeheizt, um gute Fließeigenschaften des Materials innerhalb der Kavität zu erhalten.
Sowohl für das Kompressionsmolding als auch für das Transfermolding kommt eine Vielzahl verschiedener Thermoplaste und Duroplaste in Frage.
Es ist möglich, sowohl beim Kompressions- als auch beim Transfermolding eine Vielzahl von meist gleichartigen Gegenständen gleichzeitig herzustellen, wenn die Gießform mehr als eine Kavität aufweist, wobei mehrere Kavitäten auch durch schmale Öffnungen miteinander verbunden sein können, in denen sich beim Gießen Gussgrate ausbilden. Beim Transfermolding wird dann üblicherweise das Gießmaterial aus dem Vorhaltebehälter durch eine verzweigte Zuleitung (sprue und runner) in die einzelnen Kavitäten gleichzeitig eingebracht.
Besonders bei der Verwendung von Duroplasten, die mit zunehmender Fließstrecke durch den Kontakt mit der heißen Gießform immer stärker vernetzen, oder von hochviskosen Thermoplasten, insbesondere bei der Verwendung einer nicht geheizten Gießform, kann es durch die Bildung so genannter Voids oder Lunker (blasen- oder spaltähnlicher Luft- bzw. Gaseinschlüsse) zu Fehlern in den hergestellten Gegenständen kommen. Voids bilden sich vor allem in Bereichen innerhalb der Kavität, die besonders verwinkelt und kapillarähnlich sind, sowie bei der Herstellung besonders kleiner Gegenstände.
Voids können Schönheitsfehler darstellen, sie können aber auch zu Fehlfunktionen des hergestellten Gegenstands beispielsweise bei Halbleiterbauteilen führen. Es gibt daher verschiedene Bestrebungen, die Bildung von Voids zu verhindern. So kann beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffgehäusen für Halbleiterbauteile mittels Transfermolding die in der Kavität vorhandene Luft während des Gießprozesses durch Entlüftungsöffnungen oder Ventings entfernt werden. Dabei wird in der Kavität ein Unterdruck von etwa 100 mbar erreicht. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Entlüftungsöffnungen in der der Einspritzöffnung gegenüberliegenden Wand der Kavität angeordnet sind, weil in diesem Fall die Luft aus dem gesamten Fließweg der Gießmasse entfernt werden kann. Typischerweise bestehen die Entlüftungsöffnungen in Spalten zwischen den beiden Teilen des Gießwerkzeugs.
Dieses sogenannte Vakuummolding ist beispielsweise aus der DE 44 30 762 A1 bekannt. Die 85 01 780 U1 offenbart eine evakuierbare Druckgiessform, die insbesondere das Ansaugen von Falschluft verhindern soll.
Das Vakuummolding verbessert das Ergebnis des Gießprozesses und verringert die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Voids. Dafür muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Gießmasse in die Entlüftungsöffnungen eindringt und sich dadurch störende Bleed-Ränder am hergestellten Gegenstand bilden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands aus einem Thermoplast oder einem Duroplast mittels Transfermolding anzugeben, mit der sich einerseits die Voidbildung, andererseits aber auch die Bildung störender Bleed-Ränder unterdrücken lässt.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von möglichst voidfreien Gegenständen anzugeben, die außerdem die im Stand der Technik beim Vakuummolding nicht vermeidbaren Bleed-Ränder nicht zeigen. Zudem soll ein zum Häusen von Halbleiterbauteilen geeignetes Verfahren angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands aus einem Thermoplast oder einem Duroplast mittels Transfermolding weist eine Gießform mit einem oberen Teil und einem unteren Teil und mindestens eine Kavität auf. Für die Kavität ist ein Anguss zum Einbringen des Thermoplasts oder Duroplasts in die Kavität vorgesehen. Im geschlossenen Zustand der Gießform ist ein Vakuumklemmring zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Gießform angeordnet.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollte auf herkömmliche Entlüftungsöffnungen verzichtet werden, weil sich diese mit Gießmasse füllen und dadurch am hergestellten Gegenstand unerwünschte Bleed-Ränder entstehen. Andererseits sollte die Kavität zur Vermeidung von Voids evakuierbar sein. Diese beiden Anforderungen lassen sich dadurch gleichzeitig erfüllen, dass die Kavität nicht über herkömmliche Entlüftungsöffnungen, sondern über einen Vakuumklemmring evakuiert wird, der zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Gießform angeordnet ist, so dass die Gießform zum Entnehmen des hergestellten Gegenstands einfach zu öffnen ist.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in der Kavität auf und die Kavität ist durch die Entlüftungsöffnung im Vakuumklemmring evakuierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entlüftungsöffnung durch eine mechanisch eingeführte Trennvorrichtung verschließbar.
Eine solche Vorrichtung ist auch besonders zum Häusen von Halbleiterbauteilen geeignet. Dabei wird das ungehäuste Halbleiterbauteil einzeln oder im Nutzen in die Kavität eingebracht, die Gießform wird geschlossen und durch die Entlüftungsöffnung im Vakuumklemmring evakuiert. Beim sogenannten Wafermolding weist dabei der Nutzen die Form eines Wafers mit auf einer Vielzahl von Halbleiterbauteilpositionen angeordneten Halbleiterchips auf.
Mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Material in erweichtem Zustand wird die Kavität teilweise gefüllt unter Einbetten des Halbleiterbauteils in das thermoplastische oder duroplastische Material und unter ständigem Aufrechterhalten eines Unterdrucks in der Kavität. Anschließend wird die Entlüftungsöffnung verschlossen und die Kavität vollständig aufgefüllt. Nach dem Aushärten des Kunststoffs wird das gehäuste Halbleiterbauteil aus der Gießform entnommen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Vorteile des Vakuummoldings, nämlich das Vermeiden von Voids und Lunkern, genutzt werden können, ohne dass dessen Nachteile, insbesondere die Ausbildung von Bleed-Rändern durch das Eindringen von Gießmaterial in die Entlüftungsöffnungen, in Kauf genommen werden müssen. Ein aufwendiges Entfernen der beispielsweise bei nachfolgenden Prozessen störenden Bleed-Ränder im Nachhinein kann somit entfallen.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands oder einer Anzahl von Gegenständen aus einem Thermoplast oder Duroplast mittels Transfermolding folgende Schritte: Zunächst wird eine Gießform mit einem oberen Teil und einem unteren Teil und einem im geschlossenen Zustand der Gießform zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil angeordneten Vakuumklemmring, bereitgestellt, wobei die Gießform mindestens eine Kavität mit der Form und den Abmessungen des herzustellenden Gegenstands aufweist. Außerdem wird ein thermoplastisches oder duroplastisches Material in erweichtem Zustand bereitgestellt.
Die geschlossene Kavität wird durch mindestens eine im Vakuumklemmring angeordnete Entlüftungsöffnung evakuiert und teilweise mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Material durch einen Anguss gefüllt. Bevor sie jedoch vollständig gefüllt ist, wird die Entlüftungsöffnung geschlossen und erst anschließend die Kavität vollständig aufgefüllt. Abschließend wird der Thermoplast oder Duroplast ausgehärtet, so dass die Kavität geöffnet und der hergestellte Gegenstand entnommen werden kann.
Um den Herstellungsprozess zu beschleunigen, ist es möglich, die Kavität vor dem Einbringen des thermoplastischen oder duroplastischen Materials mit einem Gasableitungsquerschnitt ρ und während des teilweisen Füllens der Kavität mit einem Gasableitungsquerschnitt ρ' zu evakuieren, wobei ρ ≥ ρ' gilt. Das bedeutet, dass vor Beginn des Moldings, gegebenenfalls durch eine vollständig geöffnete Entlüftungsöffnung, sehr schnell evakuiert wird, wohingegen während des Moldings, gegebenenfalls durch eine teilweise geschlossene Entlüftungsöffnung, nur noch so stark evakuiert wird, wie es notwendig ist, um einen genügend großen Unterdruck zur Vermeidung der Voidbildung in der Kavität zu erhalten. Durch das Evakuieren mit einem großen Gasableitungsquerschnitt vor Beginn des Moldings ist das vorzeitige Verschließen der Entlüftungsöffnung, also das Verschließen, bevor der Gießvorgang vollständig abgeschlossen ist, unproblematisch, da schon früh ein ausreichend gutes Vakuum erzeugt wird.
Mit dem Verfahren ist es möglich, Gegenstände herzustellen bzw. Halbleiterbauteile zu häusen, die weder Voids oder Lunker noch störende Bleed-Ränder aufweisen. Durch das schnelle Evakuieren vor Beginn des Moldings kann der Gießvorgang sogar beschleunigt werden. Zudem entfällt das nachträgliche Entfernen der Bleedränder und auch das Entfernen eventueller Rückstände aus den herkömmlichen Ventings vor einem Wiederverwenden der Gießform. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine Zeitersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung des Ergebnisses.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1a zeigt im Querschnitt schematisch eine Vorrichtung zum Häusen von Halbleiterbauteilen gemäß dem Stand der Technik;
1b zeigt eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1a und
2 zeigt im Querschnittt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Häusen von Halbleiterbauteilen.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1a zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Häusen von Halbleiterbauteilen gemäß dem Stand der Technik, die auch zur Herstellung von anderen Gegenständen mittels Molding geeignet ist. Die Gießform 2 weist einen oberen Teil 5 und einen unteren Teil 9 auf, die zusammen eine Kavität 3 umschließen. Zum Häusen wird eine Anzahl von Halbleiterbauteilen 15 in Bauteilpositionen 10 mit mindestens einem Halbleiterchip 12, die in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet werden sollen, in die Kavität 3 eingebracht. Durch eine oder mehrere Angussöffnungen 4 kann die thermoplastische oder duroplastische Kunststoffgehäusemasse im erweichten Zustand in die Kavität 3 eingebracht werden. Dabei wird das Material, beispielsweise in Form einer verhältnismäßig zähen Paste, in Richtung des Pfeils 6 in die Kavität 3 gespritzt und anschließend ausgehärtet.
Besonders Bereiche im „Windschatten” der Halbleiterbauteile 15 und Bereiche in den Ecken der Kavität 3 sind durch die Bildung von Voids gefährdet, da es vorkommen kann, dass das verhältnismäßig viskose Material die Halbleiterbauteile 15 nicht vollständig umschließt und hinter ihnen Lufteinschlüsse bildet. Aber auch andere, kapillarähnliche Bereiche in der Nähe der Halbleiterbauteile 15 können durch die Bildung von Voids gefährdet sein, wobei die Neigung zur Voidbildung mit dem bereits zurückgelegten Fließweg bzw. mit der bisherigen Dauer des Gießprozesses ansteigt. Zur Vermeidung der Voidbildung wird die Kavität 3 üblicherweise durch eine Anzahl von im Randbereich der Gießform 2 angeordneter Entlüftungsöffnungen 7 evakuiert. Weil dabei Gießmaterial in die Entlüftungsöffnungen fließt und dort erstarrt, bilden sich im Randbereich des gegossenen Gegenstands Bleed-Ränder, die bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten so störend sein können, dass sie gegebenenfalls sogar entfernt werden müssen.
1b eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1a, wobei von dem oberen Teil 5 der Gießform 2 lediglich die Seitenwände dargestellt sind. In dieser Darstellung ist eine mögliche Anordnung von Entlüftungsöffnungen 7 im Bereich der dem Anguss 4 gegenüberliegenden Wand und in Eckbereichen erkennbar.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Häusen von Halbleiterbauteilen. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten, bekannten Vorrichtung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine oder mehrere durch ein Element eines Vakuumklemmrings 16 verschließbare Entlüftungsöffnungen 7 auf. Der Vakuumklemmring 16, der vorteilhafterweise sowohl ein vollständiges als auch ein teilweises Verschließen der Entlüftungsöffnung 7 ermöglicht, weist in der dargestellten Ausführungsform ein dem oberen Teil 5 der Gießform 2 zugeordnetes erstes Element 11 und ein dem unteren Teil 9 der Gießform 2 zugeordnetes zweites Element 13 auf. Das erste Element 11 und das zweite Element 13 können an Federelementen 8 befestigt sein, über die ein Verschließen der Entlüftungsöffnung 7 vorgenommen und gesteuert werden kann. Die Kraftübertragung auf das erste Element 11 und das zweite Element 13 kann aber auch auf andere Weise erfolgen. Das zweite Element 13 ist beispielsweise ein mit einer Dichtung 14 versehener Vakuumabdichtring.
Beim Häusen von Halbleiterbauteilen wird die Gießform 2 zunächst geöffnet, wobei der obere Teil 5 typischerweise von dem unteren Teil 9 heruntergeklappt oder heruntergenommen wird. In die geöffnete Gießform 2 werden die ungehäusten Halbleiterbauteile einzeln oder im Nutzen eingebracht und die Gießform 2 wird geschlossen. Vor dem Einbringen des Thermoplasts oder Duroplasts sind durch den geöffneten Vakuumklemmring 16 eine Anzahl von Entlüftungsöffnungen 7 zugänglich, durch die mit einem verhältnismäßig großen Gasableitungsquerschnitt ρ die Kavität 3 mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe grob evakuiert wird. Anschließend wird durch den Anguss 4 das Kunststoffmaterial in die Kavität 3 eingebracht und die Halbleiterbauteile 15 darin eingebettet. Zunächst wird die Kavität 3 jedoch nur teilweise, typischerweise jedoch größtenteils, gefüllt. Während des teilweisen Füllens der Kavität 3 wird durch die geöffneten oder teilweise durch ein Element des Vakuumklemmrings 16 verschlossenen Entlüftungsöffnungen 7 weiter Luft aus der Kavität 3 abgepumpt, jedoch mit einem Gasableitungsquerschnitt ρ', der kleiner ist als ρ. Dadurch wird ein kontrolliertes Auffüllen der Kavität 3 erzielt.
Wenn die Kavität 3 möglichst vollständig gefüllt ist, jedoch rechtzeitig vor dem Eindringen von Kunststoffmasse in die Entlüftungsöffnungen 7, wird die Entlüftungsöffnung 7 mit einem Element des Vakuumklemmrings 16 vollständig und dicht verschlossen. Sie bleibt bis nach dem Aushärten der Kunststoffmasse verschlossen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Entlüftungsöffnungen 7 frei von Kunststoffmasse bleiben und keine störenden Bleed-Ränder entstehen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gießform
3: Kavität
4: Anguss
5: oberer Teil
6: Pfeil
7: Entlüftungsöffnung
8: Federelement
9: unterer Teil
10: Bauteilposition
11: erstes Element
12: Halbleiterchip
13: zweites Element
14: Dichtung
15: Halbleiterbauteil
16: Vakuumklemmring

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung eines oder mehrerer Gegenstände aus einem Thermoplast oder einem Duroplast mittels Transfermolding, die eine Gießform (1) mit einem oberen Teil (5), einem unteren Teil (9) und mindestens einer Kavität (3) umfasst, wobei die Kavität (3) einen Anguss (4) zum Einbringen des Thermoplasts oder Duroplasts in die Kavität (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass de Vorrichtung eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen (7) und einen Vakuumklemmring (16) aufweist, wobei in einer geschlossenen Gießform (1) die Entlüftungsöffnungen (7) mittels eines Elements (11, 13) des Vakuumklemmrings (16) vollständig oder auch teilweise verschließbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Erzeugen eines Vakuums in der Kavität (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den geöffneten Vakuumklemmring (16) eine Anzahl von Entlüftungsöffnungen (7) zugänglich sind, durch die Luft aus der Kavität (3) mit einer Vakuumpumpe abgepumpt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung (7) durch eine mechanisch eingeführte Trennvorrichtung verschließbar ist.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Häusen von Halbleiterbauteilen.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands oder einer Anzahl von Gegenständen aus einem Thermoplast oder Duroplast mittels Transfermolding, das folgende Schritte auf- weist: – Bereitstellen einer Gießform (2) mit einen oberen Teil (5) und einem unteren Teil (9) und einem im geschlossenen Zustand der Gießform (2) zwischen dem oberen Teil (5) und dem unteren Teil (9) angeordneten Vakuumklemmring (16), wobei die Gießform (2) mindestens eine Kavität (3) mit der Form und den Abmessungen des herzustellenden Gegenstands aufweist; – Bereitstellen eines thermoplastischen oder duroplastischen Materials in erweichtem Zustand; – Evakuieren der Kavität (3) durch Öffnen oder teilweises Öffnen der durch ein Element (11, 13) des Vakuumklemmrings (16) verschlossenen Entlüftungsöffnungen (7) und Abpumpen von Luft aus der Kavität (3); – teilweises Füllen der Kavität (3) mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Material durch einen Anguss (4); – Verschließen der Entlüftungsöffnung (7); – vollständiges Auffüllen der Kavität (3) mit dem thermoplastischen oder duroplastischen Material und – Aushärten des Thermoplasts oder Duroplasts.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (3) vor dem Einbringen des thermoplastischen oder duroplastischen Materials mit einem Gasableitungsquerschnitt ρ und während des teilweisen Füllens der Kavität (3) mit einem Gasableitungsquerschnitt ρ' evakuiert wird, wobei ρ ≥ ρ' gilt.
Verfahren zum Hausen von Halbleiterbauteilen (15), das folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen eines in ein Kunststoffgehäuse einzubettenden Halbleiterbauteils (15); – Einbringen des ungehäusten Halbleiterbauteils (15) in eine Kavität (3) einer Gießform (2), wobei die Gießform (2) einen oberen Teil (5) und einen unteren Teil (9) und einen im geschlossenen Zustand der Gießform (2) zwischen dem oberen Teil (5) und dem unteren Teil (9) angeordneten Vakuumklemmring (16) aufweist; – Bereitstellen eines thermoplastischen oder duroplastischen Materials in erweichtem Zustand; – Evakuieren der Kavität (3) durch Öffnen oder teilweises Öffnen der durch ein Element (11, 13) des Vakuumklemmrings (16) verschlossenen Entlüftungsöffnungen (7) und Abpumpen von Luft aus der Kavität (3); – teilweises Füllen der Kavität (3) mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Material durch einen Anguss (4) unter Einbetten des Halbleiterbauteils (15) in das thermoplastische oder duroplastische Material; – Verschließen der Entlüftungsöffnung (7) mittels eines Elements (11, 13) des Vakuumklemmrings (16); – vollständiges Auffüllen der Kavität (3) mit dem thermoplastischen oder duroplastischen Material; – Aushärten des Thermoplasts oder Duroplasts und – Entnehmen des gehäusten Halbleiterbauteils (15) aus der Gießform (2).