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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt wird sowie eine derartige elektrische Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Die Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Effizienz sowie die Senkung der Kosten von Leistungselektronikmodulen und robusten Sensorsystemen sind heutzutage von höchster Bedeutung. Die aktuellen Umhüllmaterialien (Epoxid-Verbindungen, Silikonmassen) sind auf einen Temperaturbereich von unter 200°C begrenzt. Durch die Erschließung des Temperaturbereiches von bis zu 300°C bzw. 350°C für Umhüllmaterialien kann der Betriebsbereich von modernen Leistungshalbleitern (z.B. SiC) über 200°C hinaus erweitert werden, ohne das auf die Zusatzfunktion eines Umhüllmaterials (z.B. Schutz vor Umwelteinflüssen, verbesserte Thermik) verzichtet werden muss.
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Aus der
DE102013112267A1 ist ein Halbleitermodul mit einer einen Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse aus verschiedenen Zementmassen bekannt. Die Umhüllmasse weist hierbei eine feuchtebeständige Schutzschicht auf, welche in einem separaten Fertigungsschritt nach dem Abbinden der Zementmasse aufgetragen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt wird, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen der Zementmasse;
- – Aufbringen der die Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil derart, dass die Umhüllmasse das elektrische Bauteil zumindest teilweise umhüllt; und
- – Aufbringen eines Reaktionsstoffes auf eine Oberfläche der Zementmasse, wobei der Reaktionsstoff aufgrund einer chemischen Reaktion mit der Zementmasse zu einer Schutzschicht chemisch reagiert.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine elektrische Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt ist, wobei an einer Oberfläche der Zementmasse eine Schutzschicht angeordnet ist, wobei die Schutzschicht aufgrund einer chemischen Reaktion eines auf die Oberfläche der Zementmasse aufgetragenen Reaktionsstoffes mit der Zementmasse ausgebildet wurde.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung eines Reaktionsstoffes zur Ausbildung einer Schutzschicht an einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse eines elektrischen Bauteils einer elektrischen Vorrichtung, wobei der Reaktionsstoff aufgrund einer chemischen Reaktion mit der Zementmasse zu der Schutzschicht chemisch reagiert.
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Das elektrische Bauteil kann bspw. ein Halbleiterbauelement, ein Sensorelement, eine Induktivität, eine Kapazität, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul oder eine ganze Schaltung sein. Unter einem elektrischen Bauteil kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch jegliches aktive und passive Bauelement bzw. Hochleistungs-Bauelement verstanden werden. Die elektrische Vorrichtung kann hierbei ein Trägersubstrat aufweisen, auf dem das elektrische Bauteil angeordnet ist.
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Unter einem Zement kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein anorganisches, metallfreies, hydraulisches Bindemittel verstanden werden. Der Zement erhärtet hierbei hydraulisch, d.h. es findet eine chemische Reaktion mit Wasser statt unter Bildung stabiler, unlöslicher Verbindungen. Hierbei kann der Zement zu Beginn des Verfahrens bzw. vor der Hydratation als feingemahlenes Pulver ausgebildet sein, welches mit Wasser bzw. Zugabewasser unter der Bildung von Hydraten reagiert, erstarrt und erhärtet. Die Hydrate können dabei Nadeln und/oder Plättchen ausbilden, welche sich verzahnen und somit zu einer hohen Festigkeit des Zementes führen. Im Gegensatz dazu erhärtet ein Phosphatzement nicht hydraulisch. Es findet eine Säure-Basen-Reaktion unter Bildung eines Salzgels statt, welches später zu einer meist amorphen Masse erstarrt. Bei der Säure-Base-Reaktion werden H+ (Wasserstoff-Ionen) ausgetauscht.
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Der Zement kann überwiegend aus Calciumaluminaten bestehen und während der Hydratation Calciumaluminathydrate ausbilden. Es ist vorteilhaft, wenn die Zementmasse Tonerdezement aufweist, insbesondere aus Tonerdezement besteht. Tonerdezement (Kurzzeichen CAC) ist nach DIN EN 14647 europäisch geregelt. Tonerdezement besteht vorwiegend aus Monocalciumaluminat (CaO·Al2O3).
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Der Tonerdezement kann bspw. folgende Zusammensetzung aufweisen:
- – Al2O3: größer oder gleich 67,8 Gew.-%
- – CaO: kleiner oder gleich 31,0 Gew.-%
- – SiO2: kleiner oder gleich 0,8 Gew.-%
- – Fe2O3: kleiner oder gleich 0,4 Gew.-%
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Der Reaktionsstoff kann hierbei als niedrig-viskose Masse ausgebildet sein. Er kann streich-, tropf- oder sprühfähig sein.
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Unter einer Umhüllmasse kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche Art von Verkapselung (Packaging) verstanden werden. Die Umhüllmasse kann als Zementkomposit ausgebildet sein. D.h., mit anderen Worten, dass die Umhüllmasse eine Zementmatrix mit einem Füllstoff aufweisen kann. Die Umhüllmasse kann folgende Zusammensetzung aufweisen:
- – Bindemittel Tonerdezement: größer oder gleich 8 bis kleiner oder gleich 47 Gew.-% (bspw. SECAR 71)
- – Reaktionsmittel Wasser: größer oder gleich 10 bis kleiner oder gleich 28 Gew.-%
- – Füllstoff: größer oder gleich 25 bis kleiner oder gleich 82 Gew.-%
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Der Füllstoff kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus:
- – Al2O3: fein d50 ca. 1 µm bis grob d50 ca. 150–200 µm
- – Alpha-Si3N4: fein ca. 1 µm bis grob ca. 100 µm
- – Hex. BN: fein ca 15 µm bis grob ca. 250 µm
- – SiC: fein ca. 10–50 µm bis grob ca. 600 µm
- – AlN: fein ca. 1 µm oder bis ca. 100 µm
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Der Schritt des Wärmebehandels kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Hydratationsschritt und/oder Abbindeschritt und/oder Trocknungsschritt und/oder Aushärtungsschritt umfassen. Die Wärmebehandlung kann einen Temperschritt in einem Temperofen umfassen. Die Wärmebehandlung kann in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 40 °C bis gleicher oder gleich 300 °C erfolgen.
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Der Schritt des Aufbringens des Reaktionsstoffes auf die Oberfläche der Zementmasse kann vor oder nach der Wärmebehandlung der Umhüllmasse erfolgen. Der Schritt des Aufbringens kann auch einen Imprägnierschritt umfassen.
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Bei der Reaktion des Reaktionsstoffes mit der Zementmasse kann der Reaktionsstoff in die Oberfläche, bspw. in die obere Materialoberfläche der Zementmasse eindringen, sich verdichten und mit dem Zement der Zementmasse zu einer Schutzschicht chemisch reagieren. Der Reaktiosstoff kann hierbei beim Eindringen in die Oberfläche der Zementmasse die Poren der Zementmasse füllen. Bei der Reaktion des Reaktionsstoffes mit der Zementmasse reagiert der Reaktionsstoff mit der Zementmasse vorzugsweise zu einer neuen chemischen Verbindung.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nunmehr möglich, durch Auftragen eines geeigneten Reaktionsstoffes auf die Oberfläche der Zementmasse vorteilhafterweise eine besonders dichte und harte Schutzschicht an der Oberfläche der Zementmasse zu erzeugen. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die Schutzschicht nicht einfach auf die Oberfläche auftragen wird und damit lediglich die Kapillaren der Zementmasse abdichtet, sondern vielmehr aufgrund einer Reaktion mit dem Reaktionsstoff, vorzugsweise zu einer neuen chemischen Verbindung, entsteht.
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Demnach wird eine elektrische Vorrichtung mit einer stark erhöhten Dichtigkeit und Abriebfestigkeit bereitgestellt, welche besonders robust gegenüber Umwelteinflüssen (Säure, Base, Feuchtigkeit) ist.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Reaktionsstoff auf Zement basiert oder Zement aufweist. Der Reaktionsstoff ist hierbei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Betonhärter, Betonimprägnierung und anorganische Vergussmasse ist. Diese Stoffe reagieren gut mit dem Zement und eignen sich somit besonders gut zur Ausbildung einer dichten und harten Schutzschicht.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn im Schritt des Aufbringens des Reaktionsstoffes auf die Zementmasse der Reaktionsstoff auf die Zementmasse aufgetropft, aufgegossen, aufgepinselt oder aufgewalzt wird oder die Zementmasse in den Reaktionsstoff eingetaucht wird. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise der Reaktionsstoff vollflächig auf die Oberfläche der Zementmasse aufgetragen werden.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Schutzschicht gasundurchlässig ausgebildet ist. Die Schutzschicht kann auch wasserdampfundurchlässig ausgebildet sein. Die gasundurchlässige Schutzschicht bzw. Gas-Sperr-Schicht auf der Oberfläche der Zementmasse verhindert das Eindringen von Gasen, Wasserdampf oder Flüssigkeiten aus der Umgebung in die Umhüllmasse und bietet somit einen optimalen Feuchteschutz für das elektrische Bauteil.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung dargestellt, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen ist.
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Die elektrische Vorrichtung 10 weist ein elektrisches Bauteil 12 auf. Das elektrische Bauteil 12 ist als Halbleiterbauelement 12 ausgebildet. Das elektrische Bauteil 12 ist auf einem Trägersubstrat 14 angeordnet. Zwischen dem elektrischen Bauteil 12 und dem Trägersubstrat 14 ist eine Kupferschicht 16 angeordnet. Die Kupferschicht 16 hat hierbei mehrere Funktionen, nämlich die Wärmeanbindung und -abfuhr zu verbessern, eine elektrische Kontaktierungsmöglichkeit für das elektrische Bauteil 12 bereitzustellen und ggf. als Fließstop der Umhüllmasse beim Auftragen.
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Das elektrische Bauteil 12 ist über Bonddrähte 18 mit der ihm gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 14 verbunden, wodurch eine elektrische Kontaktierung des elektrischen Bauteils 12 von außen ermöglicht wird. Hierbei kann das Trägersubstrat 14 beispielsweise als eine Platte ausgebildet sein, in die ferner Leiterbahnen bzw. elektrische Kontakte zum Kontaktieren des elektrischen Bauteils 12 integriert sein können. Die Leiterbahnen können auch auf einer Oberfläche des Trägersubstrats 14 angeordnet sein. Das Trägersubstrat 14 kann zu einem Chip ausgebildet sein.
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Die elektrische Vorrichtung 10 weist ferner eine Umhüllmasse 20 auf, welche eine Zementmasse 22 aufweist. Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 ist als Glob-Top ausgebildet. Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 ist an dem Trägersubstrat 14 angeordnet. Die Zementmasse 22 umhüllt hierbei das elektrische Bauteil 12 an den Flächen, welche von dem Trägersubstrat 14 unbedeckt sind. Demnach ist das elektrische Bauteil 12 vollständig durch das Trägersubstrat 14 und die Umhüllmasse 20 umhüllt. Die Zementmasse 22 bedeckt ferner auch einen Teil des Trägersubstrats 14, über den sie fest mit dem Trägersubstrat 14 verbunden ist.
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Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 weist eine Oberfläche 24 auf, an der eine Schutzschicht 26 angeordnet ist. Erfindungsgemäß wurde die Schutzschicht aufgrund einer chemischen Reaktion eines auf die Oberfläche 24 der Zementmasse 22 aufgetragenen Reaktionsstoffes mit der Zementmasse 22 ausgebildet. Die Schutzschicht 26 ist hierbei bevorzugterweise gasundurchlässig ausgebildet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reaktion zwischen dem Reaktionsmittel und dem Zement der Zementmasse 22 weist die Schutzschicht 26 eine stark erhöhte Dichtigkeit und Abriebfestigkeit auf, wodurch die elektrische Vorrichtung 10 besonders robust gegenüber Umwelteinflüssen (Säure, Base, Feuchtigkeit) geschützt ist.
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Bei der Herstellung der elektrischen Vorrichtung 10 wird zunächst die Zementmasse 22, bspw. in Pulverform bereitgestellt. Anschließend wird eine flüssige Komponente, bspw. Wasser mit ggf. dem Flussmittel Melflux beigemischt. Die feuchte Umhüllmasse 20 aufweisend die Zementmasse 22 und das Wasser wird dann evakuiert, auf das elektrische Bauteil 12 aufgebracht und in Form gebracht, bspw. mittels Spritzgießen oder Vergießen in Formen. Darauf folgend wird die Umhüllmasse 20 wärmebehandelt bzw. getempert, bspw. bei 60°C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit, wodurch eine Gelbildung, Kristallisation, Vernadelung und Aushärtung der Zementmasse 22 erfolgt. Hierbei beugt die Luftfeuchte einem Wasserverlust (Wasser-Zement-Wert) vor und die Temperatur bewirkt eine Ausbildung der gewünschten Strukturen. Im Anschluss wird der Reaktionsstoff auf die Zementmasse 22 aufgetragen. Der Reaktionsstoff kann auf die Zementmasse 22 aufgetropft, aufgegossen, aufgepinselt oder aufgewalzt werden oder die Zementmasse 22 kann auch in den Reaktionsstoff eingetaucht werden. Hierbei reagiert der Reaktionsstoff an der Oberfläche 24 der Zementmasse 22 mit dem Zement zu einer neuen chemischen Verbindung und bildet aufgrund dieser chemischen Reaktion die Schutzschicht 26 aus. Schließlich wird die Umhüllmasse 20 mit der Schutzschicht 26 optional behandelt, dann entformt und ausgelagert, bspw. bei 300°C.
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Alternativ kann der Reaktionsstoff auch vor der Wärmebehandlung der Umhüllmasse 20 auf die Oberfläche 24 der Zementmasse 22 aufgebracht werden. Es ist ferner auch möglich, den Reaktionsstoff zwischen den Schritten des Entformens und des Auslagerns der Umhüllmasse 20 aufzutragen. Des Weiteren kann der Reaktionsstoff auch erst nach dem Schritt des Auslagerns der Umhüllmasse 20 aufgebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013112267 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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