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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil und ein Verfahren
zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung nach dem Oberbegriff
der unabhängigen
Ansprüche.
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Bei
elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen für Kraftfahrzeuganwendungen
ist ein wirksamer Schutz der darin enthaltenen Schaltungselemente
insbesondere vor korrosiven Witterungseinflüssen unabdingbar. Aus diesem
Grund werden elektronische Bauteile beispielsweise mit Gelen auf
der Basis von Polysiloxanen zum Schutz vor korrosiven Umwelteinflüssen versiegelt.
Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Versiegelungen ist beispielsweise
aus der
US 6,210,749 B1 bekannt.
Die dort beschriebenen mehrlagigen Beschichtungen sind elektrisch
isolierend und hitzebeständig
ausgeführt.
Sie umfassen eine erste Schicht auf der Basis eines hydridischen
Silsesquioxans und eine weitere Schicht aus Siliziumdioxid. Die
Schichtdicke der Beschichtungen beträgt weniger als 3 μm.
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Derartige
Gelsysteme erfüllen
jedoch nicht das Anforderungsprofil von Bauteilen, die sowohl starken dynamischen
Belastungen als auch hohen Temperaturdifferenzen ausgesetzt sind.
Um Temperaturwechselbeanspruchungen gerecht zu werden, zeigen handelsübliche Gelsysteme
meist ein Härtefenster
im Penetrationsbereich. Die Penetration ist dabei ein Maß für die Konsistenz
bzw. Verformbarkeit des Gelsystems und gibt an, um welche Strecke
ein Kegel bestimmter Abmessung senkrecht in das betreffende Gel
unter vorgeschriebenen Bedingungen gemäß DIN 51804 eindringt.
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Gelsysteme,
deren Härte
diesem Härtebereich
zuzuordnen ist, neigen bei Schüttelbelastungen
zu starken Gelbewegungen, die die zu schützende Elektronik (Chips, Bonddrähte) schädigt und
speziell bei Bonddrähten
zu sogenannten Fersenbrüchen
führt.
Außerdem
zeigen derartige Gelsysteme unbefriedigende Härtestabilitäten bei auftretenden Hochtemperatur-Beanspruchungen.
Als Konsequenz können
Bauteile mit weichen Gelen, deren Härte im Penetrationsbereich
liegt, nicht vollständig
mit Gel bedeckt werden oder nur mit einer relativ dünnen Gelschicht überzogen
werden. Sie bleiben somit für
korrosive Medien angreifbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Bauteil bereitzustellen,
das einen kostengünstigen
und wirkungsvollen Schutz gegenüber
Umwelteinflüssen
auch bei Temperatur- oder Schüttebelastungen
aufweist.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Bauteil
bzw. das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass korrosionsempfindliche Bereiche
des Bauteils mit einer geeigneten Gelbeschichtung so versiegelt
sind, dass eine Einwirkung von Witterungseinflüssen auf die geschützten Bereiche
verhindert wird und diese Schutzwirkung auch bei hohen thermischen
und mechanischen Belastungen erhalten bleibt. Dies wird erreicht,
indem das erfindungsgemäße Bauteil
eine Gelschicht aufweist, deren Shore00-Härte in einem Bereich angesiedelt
ist, in dem das Gel einerseits keine plastische Verformung unter
mechanischen Einflüssen
zeigt, andererseits jedoch auch nicht so spröde ist, dass Schüttebelastungen
des Bauteils zu Rissen oder Ablösungserscheinungen
führen.
Dies ist insbesondere in einem Shore00-Härtebereich von 40 bis 48 Punkten
der Fall.
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Das
mit der Gelschicht versehene Bauteil wird sowohl hohen dynamischen
Anforderungen als auch Temperaturwechselbelastungen sowie Hochtemperatur-
bzw. Tieftemperaturbeanspruchungen gerecht, ohne dass der Korrosionsschutz
für korrosionsempfindliche
Bauelemente des Bauteils verloren geht. Durch die Einstellung der
Gelhärte
in einem mittleren Härtebereich
wird ein relativ rigides, dreidimensionales Netzwerk erhalten, das
gegenüber
dynamischen Belastungen, wie sie beispielsweise beim Einsatz elektronischer
Reglerbauteile für
Generatoren vorkommen, unempfindlich reagiert und Bonddrahtfersenbrüche bei
Bonddrähten
mit einem Durchmesser von über
50 Mikrometer vermieden werden. Das Gel ist weiterhin unempfindlich
gegenüber üblicherweise
im Motorraum vorkommende Medien wie z. B. Öle, Frostschutzmittel, Benzin,
Diesel, Kaltreiniger oder salzhaltige Ablagerungen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
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So
ist es vorteilhaft, wenn die Gelschicht auf der Basis eines Polydimethylsiloxans,
eines Polyurethans oder eines Epoxidharzes ausgeführt ist,
da diese Materialien besonders robust und medienbeständig sind.
Besonders geeignet sind Gelsysteme auf der Basis von vinylgruppenmodifizierten
Polydimethylsiloxanen.
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Ein
weiterer besonderer Vorteil der anspruchsgemäßen Gelschicht ist es, dass
auch größere Schichtdicken
der Gelschicht von mehr als 3 μm
realisiert werden können,
ohne dass im Dauerbetrieb Risse oder Ablösungserscheinungen auftreten.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem
Substrat und der Gelschicht eine Schicht aus einem Haftvermittler
vorgesehen, sodass es zu einer besonders stabilen Anbindung der
Gelschicht an das zu schützende
Substrat kommt. Vorteilhafter Weise wird die Haftvermittlerschicht
auf der Basis eines Alkylvinylsiloxans mit Glycidoxy- oder Alkoxyterminierung,
eines bifunktionellen Silans wie beispielsweise eines Glycidoxyalkyltrialkoxysilans
oder eines silylierten Polyglycols ausgeführt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigt 1 einen Querschnitt durch ein
erfindungsgemäßes Bauteil,
dessen korrosionsempfindliche Bereiche mit einer Gelschicht geschützt sind, 2 eine
Korrelation zwischen der Konzentration des Härters im Gel in Gew.% und der
resultierenden Shore00-Härte
des ausgehärteten
Gels in Abhängigkeit
von der Verarbeitungstemperatur, 3 eine Korrelation
zwischen der Konzentration des Härters
im Gel in Gew.% und der bei einer Messung des ausgehärteten Gels
mit einem Texture Analyser aufzuwendenden Kraft in Abhängigkeit
von der Verarbeitungstemperatur und 4 eine Korrelation
der mittels eines Texture Analyser ermittelten Kraft und der korrespondierenden
Shore00-Härte
des Gels.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes elektronisches
Bauteil in Form eines Reglers 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Regler 10 umfasst
ein Substrat 12, das beispielsweise aus einem keramischen
Material oder aus einem geeigneten polymeren Werkstoff wie beispielsweise
PET ausgeführ
ist. Das Substrat 12 ist auf einem Kühlkörper 14 angeordnet,
der der Abfuhr entstehender Wärmeenergie
dient und aus einem geeigneten, beispielsweise metallischen Material
ausgeführt ist.
Der Kühlkörper 14 steht
in Kontakt mit einem Gehäuse 16,
das gleichzeitig als Randbegrenzung des Substrates 12 fungiert.
Eine weitere Ausführungsform
besteht darin, dass das Substrat 12 Bestandteil des Gehäuses 16 ist.
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Auf
dem Kühlkörper 14 ist
weiterhin, vorzugsweise in einer Durchbrechung des Substrates 12,
eine wärmeleitende
Schicht 18 vorgesehen, auf der sich eine Schaltung 20,
vorzugsweise eine integrierte Schaltung befindet. Auf dem Substrat 12 sind
weiterhin Kontaktbahnen 22a, 22b vorgesehen, die
der elektrischen Kontaktierung der elektronischen Bauelemente des
Bauteils 10 dienen. Weiterhin ist auf dem Substrat 12 ein Zusatzsubstrat 24 beispielsweise
aus einer Aluminiumoxidkeramik angeordnet, das beispielsweise als
elektronischer Regler oder mikromechanisches Sensorelement ausgeführt ist.
Das mikromechanische Sensorelement kann bspw. als Drucksensor ausgeführt sein.
Die Schaltung 20 und das Zusatzsubstrat 24 sind
beispielsweise durch einen ersten Bonddraht 26a miteinander
kontaktiert. Weiterhin ist das Zusatzsubstrat 24 über einen
zweiten Bonddraht 26b mit der Kontaktbahn 22a elektrisch
kontaktiert. Die Schaltung 20 ist darüber hinaus mit einem dritten
Bonddraht 26c mit der Kontaktbahn 22b verbunden.
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Dabei
dient die Schaltung 20 beispielsweise der Ansteuerung,
Messwerterfassung und -auswertung des elektronischen Bauelements
in Form des Zusatzsubstrats 24.
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Des
Bauteils 10 weist weiterhin eine Gelschicht 28 auf,
die das Substrat 12 auf seiner dem Kühlkörper 14 abgewandten
Seite zumindest bereichsweise bedeckt. Die Gelschicht 28 wird
seitlich durch das Gehäuse 16 sowie
einen Überlauf 30 räumlich in
ihrer Ausdehnung begrenzt. Die Schichtdicke des Gels ist vorzugsweise
so bemessen, dass alle korrosionsempfindlichen elektronischen Bauelemente
wie die Schaltung 20 bzw. das Zusatzsubstrat 24 von
der Gelschicht 28 umschlossen sind. Gleiches gilt für die Bonddrähte 26a–26c.
Die Gelschicht 28 ist vorzugsweise auf der Basis eines
mit Vinylgruppen modifizierten Polydimethylsiloxans ausgeführt. Die
Herstellung der Gelschicht 28 erfolgt vorzugsweise so,
dass ein Gel auf der Basis eines geeigneten Polysiloxans in die
durch das Gehäuse 16,
das Substrat 12 und den Überlauf 30 gebildete
Kavität
eingefüllt wird.
Das Gel enthält
weiterhin einen geeigneten Härter
auf der Basis eines Polysiloxans, das terminale und gegebenenfalls
weitere Hydridgruppen aufweist.
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Das
Gel kann beispielsweise als Zweikomponentensystem ausgeführt sein
und folgende beispielhafte Zusammensetzung aufweisen:
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Das
Gel kann weiterhin Füllstoffe
enthalten, wie beispielsweise hochdisperse Kieselsäure als
Thixotropierungsmittel oder Silikagel bzw. Aluminiumoxide.
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Da
die Gelschicht 28 in direktem Kontakt mit elektronischen
Bauelementen steht, muss das Gel eine hohe Ionenreinheit insbesondere
bezüglich
seines Kalium-, Natrium-, Lithium-, Chlorid- oder Bromidgehaltes aufweisen,
um Kontaktkorrosion und damit verbundene elektrische Fehler zu vermeiden.
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In
einem nachgeschalteten Aushärteschritt
wird das Gel bei Temperaturen von 120 bis 180 °C in einem Ofen über eine
Platin-katalysierte Hydrosilylierungsreaktion vernetzt.
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Um
eine ausreichend schüttelfeste
und temperaturwechselstabile Gelschicht 28 zu erzielen,
wird die Konzentration des Härters
im Gel so gewählt,
dass die resultierende Gelschicht 28 nach der Aushärtung eine Shore00-Härte von
30 bis 50, vorzugsweise von 40 bis 48 Punkten aufweist.
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2 zeigt
eine Auftragung der erzielbaren Shore00-Härte des ausgehärteten Gels über der
im Gel enthaltenen Härterkonzentration
in Gew.%, wenn das Gel eine Stunde bei einer Temperatur von 120 °C ausgehärtet wird
(Kurve 40) bzw. wenn das Gel bei einer Temperatur von 150 °C über zwei
Stunden ausgehärtet wird
(Kurve 42). Dabei wird ersichtlich, dass eine Gelhärte im gewünschten
Härtebereich
erzielt wird, wenn die Konzentration des Härters im Gel zwischen 4,5 und
5,5, insbesondere zwischen 5,2 und 5,8 Gew.% beträgt und die
Aushärtung
eine Stunde bei einer Temperatur von 120 °C durchgeführt wird. Wird die Aushärtung über zwei
Stunden bei einer Temperatur von 150°C durchgeführt, so wird die Konzentration
des Härters
im Gel in einem Bereich von 4,5 bis 5,2, insbesondere in einem Bereich
von 4,7 bis 5,2 Gew.% gewählt.
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Mittels
der in 3 dargestellten Korrelation zwischen der Konzentration
an Härter
im Gel in Gew.% und der Härte
der resultierenden Gelschicht 28, wie sie sich als Kraft über die
Messung an einem Texture Analyser ergibt, kann alternativ eine Gelschicht 28 mit
einer definierten, mit einem Texture Analyser messbaren Härte eingestellt
werden.
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Bei
der Gelhärtemessung über den
Texture Analyser wird die Kraft gemessen, die nötig ist, um einen Probekörper eine
bestimmte Distanz in die zu untersuchende Probe eindringen zu lassen.
Diese Art der Messung der sogenannten Textur des Probekörpers wird
vor allem in der Lebensmittelindustrie eingesetzt und reagiert auf
Unterschiede der Probekörper
wie z.B. Schichtdickenvarianzen, Form und Material sowie Einflüsse durch
Wand- oder Bodeneffekte des Messbehälters sehr sensibel. Zur Vergleichbarkeit
der Messungen müssen
daher die gleichen Probekörper
mit einer einheitlichen Schichtdicke (also Füllmenge) eingesetzt werden.
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Die
Kurve 46 zeigt analog zu Kurve 40 die erreichbare
Härte wenn
die Aushärtung
des Gels über
eine Stunde bei 120 °C
durchgeführt
wird und Kurve 48 analog zu Kurve 42 die erreichbare
Härte,
wenn das Gel über
zwei Stunden bei einer Temperatur von einer 150 °C ausgehärtet wird. 4 zeigt
eine Korrelation der über
einen Texture Analyser gewonnenen Härtewerte mit der entsprechenden
Shore00-Härte.
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Um
eine bessere Anbindung der Gelschicht 28 an das Substrat 12 zu
erzielen, enthält
das verwendete Gel einen Haftvermittler, wobei als Haftvermittler
insbesondere Verbindungen geeignet sind, die zum einen eine Alkoxygruppe
und andererseits Vinyl- oder
Si-H-Gruppen aufweisen, sodass sie den nötigen bifunktionellen Charakter
zeigen, um sowohl in das dreidimensionale polymere Siloxannetzwerk
der Gelschicht 28 fest eingebunden zu werden und gleichzeitig
eine gute Haftung mit den Werkstoffen des Substrates 12 bzw.
des Gehäuses 16 oder
des Überlaufs 30 aufzuweisen.
So sind beispielsweise Alkylvinylsiloxane oder -silane mit Glycidoxy-
oder Alkoxyterminierung, Glycidoxypropyltrialkoxysilane, silylierte
Polyglycole oder Derrivate dieser Verbindungen als Haftvermittler
geeignet. Optional kann das Substrat 12 vor dem Aufbringen
der Gelschicht 28 mit einer Haftvermittlerschicht 32 versehen
werden.
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Die
so erzeugte Gelschicht 28 ist für Einsatztemperaturen zwischen –45 und
150 Grad Celsius geeignet und hält
auch dynamischen Belastungen stand, wie sie beispielsweise bei einer
Sinusschüttelprüfung im Frequenzbereich
von 100 bis 1000 Hz mit einer Amplitude von 0,19 mm und einer maximalen
Beschleunigung von 300 m/s2 auftreten, sowie
auch den Belastungen bei sogenannten Random-Vibration-Untersuchungen
mit einer maximalen Beschleunigung von bis zu 800 m/s2.
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Alternativ
können
anstelle der beschriebenen Siloxangele auch vorzugsweise transparente
Polyurethanvergussmassen oder Epoxidharze eingesetzt werden.
