CN108292635B

CN108292635B - 具有包封外壳的电设备

Info

Publication number: CN108292635B
Application number: CN201680069325.2A
Authority: CN
Inventors: A.哈策尔; G.黑吉特曼; S.欣德贝格尔; T.皮尔克; F.施特温; L.埃普勒; P.施特迪勒
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: JP6639672B2; MY195445A; DE102015223422A1; JP2018536996A; CN108292635A; WO2017089208A1

Abstract

提出了一种具有电构件（12）的电设备（10），所述电构件由具有粘合剂外壳（22）的包封外壳（20）至少部分地包封。在这种情况下，所述包封外壳（20）具有热缓冲颗粒（24），所述热缓冲颗粒布置在所述粘合剂外壳（22）中并且还被构造为在吸收由电构件（12）释放的热量（26）的至少一部分的情况下经历相变。

Description

具有包封外壳的电设备

技术领域

本发明涉及一种具有电构件的电设备，所述电构件由包封外壳至少部分地包封，以及本发明涉及一种用于制造这样的电设备的方法。

背景技术

如今，最重要的是功率电子模块和鲁棒的传感器系统的可靠性和效率的提高以及成本的降低。当前的包封材料（环氧化合物、硅树脂化合物）被限制到低于200℃的温度范围。通过使包封材料的温度范围开拓直至300℃或350℃，可以使现代功率半导体（例如SiC）的工作范围扩展得超过200℃，而不必放弃包封材料的附加功能（例如保护以防周围环境影响、经改善的热流）。

从DE102013112267A1公知一种半导体模块，其具有由不同的粘合剂类型构成的覆盖半导体模块的包封外壳。在这种情况下，包封外壳具有填料，所述填料具有高的导热能力。

发明内容

本发明的主题是一种具有电构件的电设备，所述电构件由具有粘合剂外壳的包封外壳至少部分地包封，其中包封外壳还具有热缓冲颗粒，所述热缓冲颗粒布置在粘合剂外壳中并且还被构造为在吸收由电构件释放的热量的至少一部分的情况下经历相变。

本发明的主题还是一种用于制造具有电构件的电设备的方法，所述电构件由具有粘合剂外壳的包封外壳至少部分地包封，该方法具有如下步骤：

- 提供粘合剂外壳；

- 将热缓冲颗粒混合到粘合剂外壳中，其中所述热缓冲颗粒被构造为在吸收由电构件释放的热量的至少一部分的情况下经历相变；

- 将具有带热缓冲颗粒的粘合剂外壳的包封外壳涂覆到电构件上，使得包封外壳至少部分地包封电构件；而且

- 对包封外壳进行热处理。

本发明的主题还是具有粘合剂外壳和热缓冲颗粒的外壳作为用于电设备的电构件的包封外壳的应用，其中热缓冲颗粒布置在粘合剂外壳中并且还被构造为在吸收由电构件释放的热量的至少一部分的情况下经历相变。

电构件例如可以是半导体器件、传感器元件、电感、电容、电池组电池、电池组模块或整个电路。然而，在本发明的范围内，电构件可以被理解为任何有源的和无源的器件或高功率器件。在这种情况下，该电设备可具有载体衬底，电构件布置在所述载体衬底上。

在本发明的范围内，粘合剂可以被理解为无机的无金属的水合粘结剂。在这种情况下，粘合剂水合地硬化，也就是说与水在形成稳定的不能溶解的化合物的情况下进行化学反应。在这种情况下，粘合剂可以在该方法开始时或在水合作用之前被构造为细磨的粉末，所述细磨的粉末与水或添加物水在形成水合物的情况下发生反应、凝固和硬化。在此，水合物可构造针状物和/或薄板，所述针状物和/或薄板交织在一起并且因此导致粘合剂的强度高。与此相反，磷酸盐粘合剂不是水合地硬化。在形成盐凝胶的情况下进行酸-碱反应，所述盐凝胶稍后凝固成大多无定形的外壳。在酸-碱反应的情况下交换H⁺（氢离子）。

粘合剂主要可以由铝酸钙组成并且在水合作用期间构造铝酸钙水合物。有利的是，粘合剂外壳具有高铝水泥、尤其是由高铝水泥组成。高铝水泥（简称CAC）在欧洲根据DINEN 14647来调节。高铝水泥主要由铝酸一钙（CaO * Al₂O₃）组成。

高铝水泥例如可具有如下成分：

- Al₂O₃：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。

在本发明的范围内，热缓冲颗粒可以被理解为颗粒状的填料。热缓冲颗粒可以在混合到粘合剂外壳中的步骤之前粉末状地来构造。然而，热缓冲颗粒也可以具有液态成分。因此，热缓冲颗粒可以作为溶液或弥散物或悬浮物、例如具有水成分的溶液或弥散物或悬浮物而存在。热缓冲颗粒可以被混合到干燥的粘合剂外壳或粘合剂粉末混合物中，也就是说在必要时混入添加物水之前被混合到干燥的粘合剂外壳或粘合剂粉末混合物中。但是，热缓冲颗粒也可以被混合到湿的粘合剂外壳或粘合剂粉末混合物中，也就是说在必要时已经混入添加物水之后被混合到湿的粘合剂外壳或粘合剂粉末混合物中。热缓冲颗粒可具有在大于或等于0.1μm至小于或等于0.4mm的范围内的颗粒直径D50。

在这种情况下，热缓冲颗粒被构造为在吸收确定的热量的情况下经历相变。在本发明的范围内，相变可以被理解为物态的转换，其中热缓冲颗粒在该转换时没有经历温度变化或只经历小的温度变化。在这种情况下，热缓冲颗粒可以被构造为：在吸收由电构件释放的热量时从固态的物态转变成液态的物态。公知的是：在物质熔化时、也就是说在从固相转变成液相时，消耗、也就是说吸收热量，只要有液态的状态存在，所述热量就隐藏地被储存；而所述隐藏的热量在凝固时、也就是说在从液相转变成固相时重新变得不受约束。

在本发明的范围内，包封外壳可以被理解为任何类型的封装（Packaging）。包封外壳可以被构造为粘合剂复合材料。也就是说，换言之，包封外壳可具有带填充物的粘合剂基质以及热缓冲颗粒。包封外壳可具有如下成分：

- 粘结剂高铝水泥：大于或等于8重量百分比至小于或等于47重量百分比（例如SECAR 71）；

- 反应试剂水：大于或等于10重量百分比至小于或等于28重量百分比；

- 热缓冲颗粒：大于或等于4重量百分比至小于或等于30重量百分比；

- 填充物：大于或等于25重量百分比至小于或等于82重量百分比。

填充物可以从由如此材料组成的组中选择：

- Al₂O₃：细的d50大约1μm至粗的d50大约150-200μm；

- Alpha-Si₃N₄：细的大约1μm至粗的大约100μm；

- Hex. BN：细的大约15μm至粗的大约250μm；

- SiC：细的大约10-50μm至粗的大约600μm；

- AlN：细的大约1μm至粗的大约100μm。

在本发明的范围内，热处理的步骤可包括水合步骤和/或凝固步骤和/或干燥步骤和/或时效硬化步骤。热处理可包括在退火炉中的退火步骤。热处理可以在大于或等于40℃至小于或等于95℃的范围内进行。

因此，按照本发明可能的是：通过添加热缓冲颗粒，根据要求有针对性地调整包封外壳的热特性并且尤其是使包封外壳的吸热能力显著提高，所述热缓冲颗粒被构造为在吸收由电构件释放的热量的至少一部分的情况下经历相变。也就是说，换言之，不是应该提高包封外壳的导热能力以便将电构件的热量尽可能快地释放给周围环境，而是更确切地说，通过借助于相变提高吸热能力来实现高的热缓冲并且借此实现热过载能力。在这种情况下，通过吸收以转换能量的形式的热量、例如熔化热来实现热缓冲。在此，本发明利用了如下效应：在相变时或在相变期间，尽管吸热，热缓冲颗粒的温度仍在很大程度上保持恒定并且因此可以由热缓冲颗粒短时间地吸收很高的脉冲功耗，而在此没有使包封外壳或电构件承受热负荷。

因此，根据时效硬化或者在运行时的负荷，包封外壳的导热能力可以有利于热容量地更低地来构建，以便针对相应的应用实现导热能力与热容量之间的特定的最佳效果并且借此调整或优化工作状态。因此，可以提供如下电设备，所述电设备在运行期间在高功耗峰值的情况下是特别稳健的并且提供对电构件的保护以防过热。

还有利的是：热缓冲颗粒的相变是可逆的，使得热缓冲颗粒被构造为在释放由电构件吸收的热量的至少一部分的情况下经历相变。在这种情况下，固态的热缓冲颗粒例如可以在吸收热量的情况下首先熔化，以便紧接着在缓慢地释放热量的情况下重新凝固。通过该措施，可以重复地相继经历吸热和放热过程，使得可以保证对电构件的长期的过热保护。

还有利的是：热缓冲颗粒具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料具有在大于或等于150℃至小于或等于350℃的范围内、尤其是在大约300℃的相变温度。通过该措施，可以进一步提高包封外壳的吸热能力，并且非常高效地吸收并且重新释放来自电构件的直至最大工作温度为350℃的热量。

也有利的是，热缓冲颗粒具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料从由如下材料构成的组中选择：相变材料、金属、金属合金、尤其是In-Bi-Sn、塑料和玻璃。这些材料具有很高的相变特性。这些材料还具有大约300℃的相变温度。

还有利的是：热缓冲颗粒占包封外壳的总重量的份额在大于或等于4重量百分比至小于或等于30重量百分比的范围内。通过该措施可以进一步提高包封外壳的吸热能力。

也有利的是，热缓冲颗粒布置在粘合剂外壳中。因此，热缓冲颗粒由粘合剂外壳包封。在这种情况下，热缓冲颗粒优选地均匀地分布在粘合剂外壳中。通过该措施，由电构件释放的热量可以很好地通过粘合剂外壳释放给热缓冲颗粒或由热缓冲颗粒吸收。

还有利的是设置电绝缘层，所述电绝缘层布置在包封外壳与电构件之间。在这种情况下，电绝缘层优选地具有高铝水泥或者由高铝水泥组成。优选地，电绝缘层没有热缓冲颗粒，也就是说该电绝缘层不具有热缓冲颗粒。该措施确保了：在导电的热缓冲颗粒的情况下，具有导电的热缓冲颗粒的包封外壳使电构件电绝缘并且由此不形成短路。

还有利的是设置隔离层，所述隔离层布置在粘合剂外壳的表面上并且还被构造为防止热缓冲颗粒的气相的挥发。尤其是在该电设备运行期间，也就是说当热缓冲颗粒经历相变时，形成可以从包封外壳中挥发的气相。为了防止这一点，可以借助于隔离层来密封包封外壳并且防止热缓冲颗粒的气相从包封外壳中蒸发或挥发。热缓冲颗粒的气相的不符合期望的挥发会导致：合金的化学计量以及借此包封外壳的特性会改变，蒸汽可能会液化在包封外壳中或液化在包封外壳上并且还可能会附加地使周围环境承受负担。

也有利的是，隔离层具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料从由如下材料构成的组中选择：单体、聚合物、尤其是硅树脂、和无机材料、尤其是氧化物、氮化物、陶瓷。这些材料特别良好地适合，因为它们具有非常好的隔绝气体或隔绝蒸汽特性。

附图说明

在下文，本发明依据随附的附图示例性地进一步予以阐述。其中：

图1示出了按照本发明的一个实施例的电设备的图示；而

图2示出了按照本发明的另一实施例的电设备的图示。

具体实施方式

在图1中示出了按照本发明的电设备，所述电设备以其整体地配备有附图标记10。

电设备10具有电构件12。电构件12被构造为半导体器件12。电构件12布置在载体衬底14上。在电构件12与载体衬底14之间布置有铜层16。在这种情况下，铜层16具有多个功能，即改善吸热和放热，针对电构件12提供电接触可能性以及必要时作为在涂覆时包封外壳的流动停止。

电构件12通过接合线18与载体衬底14的对置于接合线的侧面连接，由此能够实现电构件12与外部的电接触。在这种情况下，载体衬底14例如可以被构造为平板，用于接触电构件12的印制导线或电触点还可以集成到所述平板中。印制导线也可以布置在载体衬底14的表面上。载体衬底14可以被构造成芯片。

电设备10还具有包封外壳20，所述包封外壳具有粘合剂外壳22。包封外壳20或粘合剂外壳22被构造为圆顶封装体（Glob-Top）。包封外壳20或粘合剂外壳22布置在载体衬底14上。在这种情况下，粘合剂外壳22在未被载体衬底14覆盖的表面上包封电构件12。因此，电构件12被载体衬底14和包封外壳20完全包封。此外，粘合剂外壳22也覆盖载体衬底14的一部分，粘合剂外壳通过所述部分与载体衬底14固定连接。

包封外壳20或粘合剂外壳22具有多个热缓冲颗粒24。热缓冲颗粒24分布在粘合剂外壳22内部中地来布置。因此，热缓冲颗粒24由粘合剂外壳22包封。按照本发明，热缓冲颗粒24具有如下颗粒材料，所述颗粒材料被构造为在吸收由电构件12释放的热量26的至少一部分的情况下经历相变。因此，按照本发明的包封外壳20由于热缓冲颗粒24而具有比例如只具有粘合剂外壳22的包封外壳20更高的吸热能力。因此，由电构件12释放的热量26可以特别高效地由热缓冲颗粒24吸收，其方式是热颗粒24储存该热量并且在此使所述热颗粒的相发生转换，例如从固态出发发生熔化。接着，热缓冲颗粒24可以在相变之后将所吸收的热量26缓慢地释放给电设备10的周围环境。因为在相变期间尽管吸热，热缓冲颗粒24的温度仍在很大程度上保持恒定或只是稍微地升高，因此可以由热缓冲颗粒24短时间地吸收很高的脉冲功耗，而在此没有使包封外壳20或电构件12承受热负荷。因此，按照本发明可能的是：实现很高的热过载能力并且由此尤其是在功耗峰值期间确保电构件12的安全的运行以及确保对电构件12的保护以防过热。

电设备10还具有电绝缘层28。电绝缘层28布置在包封外壳20与电构件12之间。电绝缘层28被构造为圆顶封装体。电绝缘层28包封电构件12并且借此构造对电构件12的电绝缘。经此，如果例如热缓冲颗粒24导电地来构造，那么可以防止电短路。

电设备10还具有隔离层30。隔离层30布置在包封外壳20或粘合剂外壳22的表面32上。隔离层30封闭地来构造，借此构造一种针对包封外壳20的气体隔绝或蒸汽隔绝。经此可以防止热缓冲颗粒24的例如在相变时形成的气相从包封外壳20中挥发。

在图2中示出了按照本发明的另一电设备10'。电设备10'类似于来自图1的设备10地来构造。然而，电设备10'具有电绝缘层28'，所述电绝缘层28'被构造为薄层。电绝缘层28'在包封外壳20与电构件12或载体衬底14之间的整个接触面内延伸。

在制造按照本发明的电设备10、10'时，首先提供例如粉末状的粘合剂外壳22。紧接着将热缓冲颗粒24混合到粘合剂外壳22中，所述热缓冲颗粒例如也可以粉末状地存在。紧接着，使液态的组分、例如水与必要时助熔剂Melflux混合。接着，具有粘合剂外壳22、热缓冲颗粒24和水的湿的包封外壳20被抽气，被涂覆到电构件12上并且被成形、例如借助于注塑或浇注来成形。在这之后，例如在60℃和相对空气湿度为90%的情况下，对包封外壳20进行热处理或退火，由此实现包封外壳22的凝胶化、结晶、缝合以及时效硬化。在这种情况下，该空气湿度预防了水损失（水-粘合剂值）而且该温度造成对所希望的结构的构造。最后，例如在300℃的情况下，具有热缓冲颗粒24的包封外壳20可选地被处理，接着脱模并且进行时效处理。

补充地，在开始制造时，然而附加地可以在没有混合热缓冲颗粒的情况下按照在上文阐述的步骤来提供湿的粘合剂外壳。接着，该湿的粘合剂外壳可以在涂覆具有热缓冲颗粒24的包封外壳20之前作为电绝缘层28被涂覆到电构件12以及必要时载体衬底14上。然而，电绝缘层28也可以以任意的、本领域技术人员公知的方式和方法布置在电构件12与包封外壳20之间，而不脱离本发明的保护范围。

补充地，还可以将隔离层30以任意的、本领域技术人员公知的方式和方法涂覆到包封外壳20或粘合剂外壳22的表面32上，例如通过将隔离层30喷射或浇到包封外壳20上或者通过将包封外壳20浸入到浸渗池来将隔离层30涂覆到包封外壳20或粘合剂外壳22的表面32上。

Claims

1.具有电构件（12）的电设备，所述电构件由具有粘合剂外壳（22）的包封外壳（20）至少部分地包封，其中所述包封外壳（20）具有热缓冲颗粒（24），所述热缓冲颗粒布置在所述粘合剂外壳（22）中并且还被构造为在吸收由电构件（12）释放的热量（26）的至少一部分的情况下经历相变，其特征在于隔离层（30），所述隔离层布置在所述粘合剂外壳（22）的表面（32）上并且还被构造为防止所述热缓冲颗粒（24）的气相的挥发。

2.根据权利要求1所述的电设备（10），其特征在于，所述粘合剂外壳（22）具有高铝水泥或者由高铝水泥组成。

3.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述隔离层（30）具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料从由如下材料构成的组中选择：单体、聚合物、和无机材料、氮化物、陶瓷。

4.根据权利要求3所述的电设备（10），其特征在于，所述聚合物包括硅树脂。

5.根据权利要求3所述的电设备（10），其特征在于，所述无机材料包括氧化物。

6.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）的相变是可逆的，使得所述热缓冲颗粒被构造为在释放由所述电构件（12）吸收的热量（26）的至少一部分的情况下经历相变。

7.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）被构造为：在吸收由所述电构件（12）释放的热量（26）时从固态的物态转变成液态的物态。

8.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料具有在大于或等于150℃至小于或等于350℃的范围内的相变温度。

9.根据权利要求8所述的电设备（10），其特征在于，所述材料具有在大约300℃的相变温度。

10.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）具有如下材料或者由如下材料组成，所述材料从由如下材料构成的组中选择：相变材料、金属合金、塑料和玻璃。

11.根据权利要求10所述的电设备（10），其特征在于，所述金属合金包括In-Bi-Sn。

12.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）占所述包封外壳（20）的总重量的份额在大于或等于4重量百分比至小于或等于30重量百分比的范围内。

13.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述热缓冲颗粒（24）布置在所述粘合剂外壳（22）中。

14.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于电绝缘层（28），所述电绝缘层布置在所述包封外壳（20）与所述电构件（12）之间。

15.根据权利要求14所述的电设备（10），其特征在于，所述电绝缘层（28）具有高铝水泥或者由高铝水泥组成。

16.根据权利要求1或2所述的电设备（10），其特征在于，所述电构件（12）是半导体器件（12）、传感器元件、电感、电容、电池组电池、电池组模块或电路。

17.用于制造具有电构件（12）的电设备（10）的方法，所述电构件由具有粘合剂外壳（22）的包封外壳（20）至少部分地包封，所述方法具有如下步骤：

- 提供所述粘合剂外壳（22）；

- 将热缓冲颗粒（24）混合到所述粘合剂外壳（22）中，其中所述热缓冲颗粒（24）被构造为在吸收由所述电构件（12）释放的热量（26）的至少一部分的情况下经历相变；

- 将具有带所述热缓冲颗粒（24）的粘合剂外壳（22）的包封外壳（20）涂覆到所述电构件（12）上；

- 对所述包封外壳（20）进行热处理；而且

- 将隔离层（30）涂覆到所述粘合剂外壳（22）的表面（32）上，所述隔离层被构造为防止所述热缓冲颗粒（24）的气相的挥发。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述电设备（10）是根据上述权利要求之一所述的电设备（10）。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中对所述隔离层（30）的涂覆通过将所述隔离层（30）喷射或浇到所述包封外壳（20）上或者通过将所述包封外壳（20）浸入到浸渗池来实现。

20.具有粘合剂外壳（22）和热缓冲颗粒（24）的外壳的应用，所述具有粘合剂外壳（22）和热缓冲颗粒（24）的外壳用作电设备（10）的电构件（12）的包封外壳（20），其中所述热缓冲颗粒（24）布置在所述粘合剂外壳（22）中并且还被构造为在吸收由所述电构件（12）释放的热量（26）的至少一部分的情况下经历相变，其中在所述粘合剂外壳（22）的表面（32）上布置隔离层（30），所述隔离层被构造为防止所述热缓冲颗粒（24）的气相的挥发。

21.根据权利要求20所述的应用，其中所述电设备（10）是根据权利要求1至16之一所述的或者根据权利要求17至19之一来制造的电设备（10）。