CN108292633A

CN108292633A - 具有包封料的电设备

Info

Publication number: CN108292633A
Application number: CN201680069309.3A
Authority: CN
Inventors: T.皮尔克; F.施特温; P.施特迪莱
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: DE102015223467A1; CN108292633B; KR102578323B1; KR20180088816A; WO2017089209A1

Abstract

介绍了一种电设备（10），其具有电器件（12），所述电器件被具有粘合料（22）的包封料（20）至少部分包封。所述包封料（20）在此情况下还具有热缓冲颗粒（24），所述热缓冲颗粒设置在所述粘合料中并且具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料（22）的粘合剂相比具有更高的热容。

Description

具有包封料的电设备

技术领域

本发明涉及一种具有电器件的电设备，所述电器件由包封料（Umhüllmasse）至少部分包封，以及本发明涉及一种用于制造这种电设备的方法。

背景技术

提高可靠性和效率以及降低功率电子模块和稳健的传感器系统的成本目前最为重要。当前的包覆材料（环氧化合物，硅酮料）限于200℃之下的温度范围。通过针对包封材料开拓高达300℃或350℃的温度范围，现代的功率半导体（例如SiC）的运行范围可以扩展超过200℃，而不必放弃包覆材料的附加功能（例如保护免受环境影响、改善的热学特性）。

从DE102013112267A1已知一种半导体模块，其具有覆盖半导体组件的包覆料，所述包覆料由不同的粘合类型（Zementarten）构成。包覆料在此具有添加料，该添加料具有高的导热性。

发明内容

本发明的主题是一种电设备，其具有电器件，所述电器件被具有粘合料的包封料至少部分包封，其中包封料还具有热缓冲颗粒，所述热缓冲颗粒设置在粘合料中并且具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料的粘合剂相比具有更高的热容。

此外，本发明的主题是一种用于制造电设备的方法，该电设备具有电器件，所述电器件被具有粘合料的包封料至少部分包封，所述方法具有如下步骤：

- 提供粘合料；

- 将热缓冲颗粒混入到粘合料中，其中热缓冲颗粒具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料的粘合剂相比具有更高的热容；

- 将具有带有热缓冲颗粒的粘合料的包封料施加到电器件上，使得包封料至少部分包封电器件；以及

- 对包封料进行热处理。

此外，本发明的主题是将具有粘合料和热缓冲颗粒的材料用作电设备的电器件的包封料的应用，其中所述热缓冲颗粒设置在粘合料中并且具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料的粘合剂相比具有更高的热容。

电器件例如可以是半导体部件、传感器元件、电感、电容、电池单元、电池模块或电路装置。然而在本发明的范围中，电器件可以理解为任何有源的和无源的部件或高功率部件。电设备在此情况下可以具有载体衬底，在该载体衬底上设置电器件。

粘合剂在本发明的范围中可以理解为无机的、无金属的、液压的结合剂。粘合剂在此情况下以液压方式（hydraulisch）固化，即在形成稳定的不脱离的连接情况下与水发生化学反应。在此情况下，粘合剂在该方法开始时或在水合作用之前构成为精细研磨的粉末，所述粉末与水或添加水在形成水合作用的情况下反应、硬化和固化。水合物在此可以构成针形物和/或小板，它们彼此啮合并且因此导致粘合剂的高强度。与此不同，磷酸盐粘合剂并不以液压方式固化。在形成盐凝胶（Salzgel）的情况下进行酸碱反应，所述盐凝胶稍后硬化成大部分无定形的材料。在酸碱反应时，交换H+（氢离子）。

粘合剂主要可以由铝酸钙构成并且在水合作用期间构成铝酸钙水合物。有利的是，粘合料具有矾土粘合剂，尤其是由矾土粘合剂组成。矾土粘合剂（简称CAC）按照DIN EN14647以欧洲方式来调节。矾土粘合剂主要由铝酸一钙（CAO*Al2O3）构成。

矾土粘合剂例如可以具有如下组成成分：

- Al203：大于或等于67.8%重量百分比

- CaO：小于或等于31.0%重量百分比

- SiO2：小于或等于0.8%重量百分比

- Fe2O3：小于或等于0.4%重量百分比。

在本发明的范围中，热缓冲颗粒可以理解为颗粒状的添加料。热缓冲颗粒在此情况下构成为在热处理时以及在运行中稳定地经受住要求温度。热缓冲颗粒可以在混入到粘合料中之前粉末状地构成。然而，热缓冲颗粒也可以具有流体成分。因此，热缓冲颗粒可以作为例如带有水成分的溶液或分散液或悬浮液存在。热缓冲颗粒可以被混入到干的粘合料或粘合剂粉末混合物中，即在必要时掺合添加水之前。但热缓冲颗粒也可以被混入到湿的粘合料或粘合剂粉末混合物中，即在必要时掺合添加水之后。热缓冲颗粒可以具有在大于或等于1μm至小于或等于600μm的范围中的颗粒直径d50。

包封料在本发明的范围中可以理解为任意类型的封装（Packaging）。包封料可以构成为粘合剂合成物。即换言之，包封料可以具有粘合剂基质，所述粘合剂基质具有填充材料以及热缓冲颗粒。包封料可以具有如下的组成成分：

- 结合剂矾土粘合剂：大于或等于8%重量百分比到小于或等于47%重量百分比（例如SECAR 71）

- 反应剂水：大于或等于10%重量百分比到小于或等于28%重量百分比

- 热缓冲颗粒：大于或等于1%重量百分比到小于或等于13%重量百分比

- 填充材料：大于或等于25%重量百分比到小于或等于82%重量百分比。

填充材料可以选自如下材料构成的组：

- Al203：精细d50大约1μm到粗糙d50大约150-200μm

- Alpha-Si3N4：精细大约1μm到粗糙大约100μm

- Hex.BN：精细大约15μm或到大约250μm

- SiC：精细大约10-50μm或到大约600μm

- AIN：精细大约1μm或到大约100μm。

热处理的步骤在本发明的范围中可以包括水合作用步骤和/或凝结步骤和/或干燥步骤和/或固化步骤。热处理可以包括在退火炉中的退火步骤。热处理可以在大于或等于40℃到等于或等于95℃的温度范围中进行。

因此，根据本发明可能的是，根据要求通过添加具有比粘合料的粘合剂更高的热容或热容量的热缓冲颗粒有目的地调节包封料的热学特性并且尤其是明显提高包封料的总热容量。即换言之，并不应当提高包封料的导热性来将电器件的热尽可能快地向周围环境散发，而是更确切地说，通过提高热容实现高的热缓冲并且由此实现热过载能力。包封料的导热性因此可以与运行中的固化或负荷有关地为了有利于热容量而被设计得较低，以便针对相应的应用实现在导热性与热容之间的特定的优化，并且由此微调或者优化运行状态。因此，可以提供一种电设备，该电设备在运行期间在高的损耗功率尖峰时特别稳健并且提供了对电器件的保护以防过热。

此外有利的是，颗粒材料的热容在RT-350℃的温度时在大于或等于900J/kgK的范围中。矾土粘合剂的热容在750-900 J/kgK。通过该措施可以进一步提高包封料的总容量并且来自电器件的热量非常高效地被吸收，直至350℃的最大运行温度。

也有利的是，颗粒材料选自如下材料构成的组：镁橄榄石、堇青石、莫来石。这些材料或材料组具有非常高的热容。此外，这些材料或材料组在所期望的应用温度下是稳定的。然而也可以考虑其他陶瓷材料以及金属或聚合物材料，而在此并不脱离本发明的范围。

此外有利的是，相对于所述包封料的总重量，热缓冲颗粒的份额在大于或等于1%重量百分比到小于或等于13%重量百分比的范围中。通过这些措施可以进一步提高包封料的热容。

也有利的是，热缓冲颗粒设置在粘合料中。因此，热缓冲颗粒被粘合料包封。在此情况下，热缓冲颗粒优选均匀地分布在粘合料中。通过该措施可以将从电器件散发的热量非常良好地经由粘合料向热缓冲颗粒散发或被热缓冲颗粒吸收。

附图说明

以下参照所附的附图示例性地详细阐述本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的电设备的视图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的电设备，该电设备以其整体配有附图标记10。

电设备10具有电器件12。电器件12构成为半导体部件12。电器件12设置在载体衬底14上。在电器件12与载体衬底14之间设置铜层16。铜层16在此情况下具有多种功能，即改善热连接和散热，提供针对电器件12的电接触可能性和必要时作为在涂覆时包封料的流动停止部。

电器件12经由接合线18与载体衬底14的同该电器件12相对置的侧连接，由此实现从外部电接触电器件12。在此情况下，载体衬底14例如可以构成为板，此外用于接触电器件12的印制导线或电接触部可以集成到该板中。印制导线也可以设置在载体衬底14的表面上。载体衬底14可以构成为芯片。

此外，电设备10具有包封料20，该包封料20具有粘合材料22。包封料20或粘合料22构成为球顶。包封料20或粘合料22设置在载体衬底14处。粘合料22在此情况下在未被载体衬底14覆盖的面处包封电器件12。因此，电器件12完全通过载体衬底14和包封料20包封。此外，粘合料22覆盖载体衬底14的一部分，所述粘合料经由该部分与载体衬底14牢固连接。

包封料20或粘合料22具有许多热缓冲颗粒24。热缓冲颗粒24分布式地设置在粘合料22的内部中。因此，热缓冲颗粒24被粘合料22包封。根据本发明，热缓冲颗粒24具有颗粒材料，所述颗粒材料与粘合料22的粘合剂相比具有更高的热容。因此，根据本发明的包封料20由于热缓冲颗粒24而与具有例如仅粘合料22的包封料20相比具有更高的热容。由电器件12散发的热量26因此可以特别高效地被热缓冲颗粒24吸收。热缓冲颗粒24可以在吸收之后将所吸收的热量26缓慢地向电设备10的周围环境散发，使得防止了包封料20和电器件12达到临界温度并且由此受损。因此根据本发明可能的是，实现非常高的热过载能力并且由此尤其在损耗功率尖峰期间确保安全运行和保护电器件12免受过热。

在制造电设备10时，首先例如以粉末形式提供粘合料22。接着将热缓冲颗粒24混入到粘合料22中，所述热缓冲颗粒24例如也可以粉末状地存在。接着，将流体成分例如水与必要时助熔剂（Flussmittel）Melflux掺合。然后将具有粘合料22、热缓冲颗粒24和水的潮湿的包封料20抽空，施加到电器件12上并且成型，例如借助注塑或铸造成型。随后，例如在60℃和90%的相对空气湿度的情况下对包封料20热处理或退火，由此进行粘合料22的凝胶化、结晶、针刺化和固化。在此情况下，该空气湿度预防了水损耗（水-粘合剂值）并且该温度实现了所期望的结构的构成。最后，可选地对具有热缓冲颗粒24的包封料20进行处理，随后脱模并且取出，例如在300℃下。

Claims

1.电设备，其具有电器件（12），所述电器件被具有粘合料（22）的包封料（20）至少部分包封，其特征在于，所述包封料（20）还具有热缓冲颗粒（24），所述热缓冲颗粒设置在所述粘合料（22）中并且具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与所述粘合料（22）的粘合剂相比具有更高的热容。

2.根据权利要求1所述的电设备（10），

其特征在于，

所述粘合料（22）具有矾土粘合剂或由矾土粘合剂组成。

3.根据权利要求1或2所述的电设备（10），

其特征在于，

所述颗粒材料的热容在大于或等于900J/kgK的范围中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的电设备（10），

其特征在于，

所述颗粒材料选自如下材料构成的组：镁橄榄石、堇青石、莫来石。

5.根据上述权利要求中任一项所述的电设备（10），

其特征在于，

相对于所述包封料（20）的总重量，所述热缓冲颗粒（24）的份额在大于或等于1%重量百分比到小于或等于13%重量百分比的范围中。

6.根据上述权利要求中任一项所述的电设备（10），

其特征在于，

所述热缓冲颗粒（24）设置在所述粘合料（22）中。

7.根据上述权利要求中任一项所述的电设备（10），

其特征在于，

所述电器件（12）是半导体部件（12）、传感器元件、电感、电容、电池单元、电池模块或电路装置。

8.用于制造尤其是根据上述权利要求中任一项所述的电设备（10）的方法，所述电设备具有电器件（12），所述电器件被具有粘合料（22）的包封料至少部分包封，所述方法具有如下步骤：

- 提供粘合料（22）；

- 将热缓冲颗粒（24）混入到粘合料（24）中，其中热缓冲颗粒（24）具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料（22）的粘合剂相比具有更高的热容；

- 将具有带有热缓冲颗粒（24）的粘合料（22）的包封料（20）施加到电器件（12）上；以及

- 对包封料（20）进行热处理。

9.将具有粘合料（22）和热缓冲颗粒（24）的材料用作电设备（10）的电器件（12）的包封料（20）的应用，所述电设备尤其是根据权利要求1至7中任一项所述的电设备或根据权利要求8来制造，其中所述热缓冲颗粒（24）设置在粘合料（22）中并且具有颗粒材料或由颗粒材料组成，所述颗粒材料与粘合料（22）的粘合剂相比具有更高的热容。