DE102015223415A1

DE102015223415A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einer Umhüllmasse

Info

Publication number: DE102015223415A1
Application number: DE102015223415.0A
Authority: DE
Inventors: Tjalf Pirk; Helmut Schmidt; Petra Stedile
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01
Also published as: KR102577381B1; JP6629447B2; MY193405A; CN108352367A; WO2017089211A1; KR20180087258A; CN108352367B; JP2018536997A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Bauteil (12), welches von einer eine Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt wird vorgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
– Bereitstellen der Zementmasse (22);
– Einmischen eines Zusatzstoffes (28) in die Zementmasse (22);
– Aufbringen der die Zementmasse (22) mit dem Zusatzstoff (28) aufweisenden Umhüllmasse (20) auf das elektrische Bauteil (12); und
– Behandeln der Umhüllmasse (20), wobei durch die Behandlung der Zusatzstoff (28) aus der Zementmasse (22) an eine Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) gelangt, und eine Funktionsschicht (26) an dieser Grenzfläche (24) ausbildet und/oder die von der Umhüllmasse (20) benetzte Grenzfläche (24) vergrößert.

Description

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.
Stand der Technik
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.
Aus der DE102013112267A1 ist ein Halbleitermodul mit einer einen Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse aus verschiedenen Zementarten bekannt. Die Umhüllmasse weist hierbei eine haftvermittelnde Schicht auf, welche in einem separaten Fertigungsschritt durch Sprühen auf den Halbleiterbaustein aufgetragen wird.
Offenbarung der Erfindung
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;
– Einmischen eines Zusatzstoffes in die Zementmasse;
– Aufbringen der die Zementmasse mit dem Zusatzstoff aufweisenden Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil derart, dass das elektrische Bauteil zumindest teilweise von der Umhüllmasse umhüllt wird; und
– Behandeln der Umhüllmasse, wobei durch die Behandlung der Zusatzstoff aus der Zementmasse an eine Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangt, und eine Funktionsschicht an dieser Grenzfläche ausbildet und/oder die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche vergrößert.

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 ein Zusatzstoff an einer Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil angeordnet ist, welcher aus dem Inneren der Zementmasse an die Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangt ist, wodurch eine Funktionsschicht aufweisend den Zusatzstoff an dieser Grenzfläche ausgebildet wurde und/oder wodurch die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche vergrößert wurde.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung eines Zusatzstoffes zur Ausbildung einer Funktionsschicht an einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse eines elektrischen Bauteils einer elektrischen Vorrichtung, wobei der Zusatzstoff durch eine Behandlung der Umhüllmasse an eine Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangt und die Funktionsschicht an dieser Grenzfläche ausbildet und/oder die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche vergrößert.
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.
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.
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).
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.-%

Unter einem Zusatzstoff kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Additiv bzw. ein Schicht-Bildner verstanden werden. Der Zusatzstoff kann alternativ oder zusätzlich auch benetzungsfördernde Eigenschaften aufweisen. Der Zusatzstoff kann vor dem Schritt des Einmischens in die Zementmasse pulverförmig ausgebildet sein. Der Zusatzstoff kann jedoch auch einen flüssigen Anteil aufweisen. Demnach kann der Zusatzstoff als Lösung oder Dispersion oder Suspension, bspw. mit einem Wasseranteil vorliegen. Idealerweise ist der Zusatzstoff in dem Anmachwasser eingemischt bzw. gelöst. Der Zusatzstoff kann in eine trockene Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. bevor ggf. das Zugabewasser beigemengt wird. Der Zusatzstoff kann aber auch in die nasse Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. nachdem ggf. das Zugabewasser beigemengt wurde.
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 sowie den Zusatzstoff aufweisen kann. Die Umhüllmasse kann vor und/oder dem Schritt des Behandelns 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.-%
– Zusatzstoff: größer oder gleich 1 bis kleiner oder gleich 25 Gew.-%
– Füllstoff: größer oder gleich 25 bis kleiner oder gleich 82 Gew.-%

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 bis grob ca. 100 µm

Durch den Schritt des Behandelns kann der Zusatzstoff ferner angeregt werden, um Der Schritt des Behandeln kann eine Vielzahl von Teilschritten umfassen. Der Schritt des Behandelns kann einen Hydratationsschritt und/oder Abbindeschritt und/oder Trocknungsschritt und/oder Aushärtungsschritt umfassen. Der Schritt des Behandelns kann auch einen Warteschritt umfassen, um bspw. einen „spontanen“ Prozess abzuwarten bzw. ablaufen zu lassen. Durch den Schritt des Behandelns kann der Zusatzstoff aus dem Inneren der Zementmasse an eine Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil „getrieben“ werden. Durch den Schritt des Behandelns kann jedoch auch abgewartet werden, bis der Zusatzstoff weiteres ohne Zutun aus dem Inneren der Zementmasse an die Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangt. D.h., mit anderen Worten, dass im Schritt des Behandeln abgewartet werden kann, bis der Zusatzstoff bspw. aufgrund der Gravitation an die Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangt. Durch den Schritt des Behandelns kann der Zusatzstoff ferner angeregt werden, um eine Funktionsschicht an dieser Grenzfläche auszubilden und/oder die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche zu vergrößert. Die Grenzfläche umfasst hierbei bevorzugterweise auch die Kontaktfläche zwischen der Umhüllmasse und dem Trägersubstrat, auf dem ggf. das elektrische Bauelement angeordnet ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nunmehr möglich, durch Zugabe eines geeigneten Zusatzstoffes in die Zementmasse vorteilhafterweise bei bzw. während der Behandlung der Umhüllmasse, d.h. in ein und demselben Fertigungsschritt gleichzeitig zusätzlich eine Funktionsschicht an der Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil zu erzeugen und/oder die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche zu vergrößern. D.h., mit anderen Worten, dass bspw. beim Abbinden bzw. Trocknen der Umhüllmasse eine Grenzschicht an der Grenzfläche hervorgerufen wird, welche sich an dem elektrischen Bauteil ablagert bzw. absetzt, dort erhärtet und dadurch bereits während dieser Phase einen Schutz für das elektrischen Bauteil und ggf. weitere Komponenten bietet. Alternativ oder zusätzlich setzt sich bspw. beim Abbinden bzw. Trocknen der Umhüllmasse der Zusatzstoff an der Grenzfläche ab und vergrößert aufgrund seiner Eigenschaften die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche. Demnach entfällt zum einen der zusätzliche Bearbeitungsschritt der Beschichtung des elektrischen Bauteils vor dem Aufbringen der Zementmasse auf das elektrische Bauteil gänzlich. Zum anderen wird die (Schutz-)Funktion der Funktionsschicht bereits während der Behandlung der Umhüllmasse bereitgestellt und nicht erst nach der Fertigstellung.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Funktionsschicht als elektrische und/oder chemische Isolationsschicht und/oder als Haftvermittlerschicht ausgebildet ist. Demnach kann die Funktionsschicht elektrisch und/oder chemisch isolierende und/oder haftvermittelnde Eigenschaften aufweisen. Durch die elektrisch isolierende Funktionsschicht bzw. die elektrische Isolationsschicht an der Grenzfläche können elektrische Kurzschlüsse durch die noch feuchte Umhüllmasse während des Schritts der Behandlung der Umhüllmasse, d.h. während des Hydratationsprozesses und/oder Abbindeprozesses und/oder Trocknungsprozesses und/oder Aushärtungsprozesses verhindert werden. Durch die chemisch isolierende Funktionsschicht bzw. die chemische Isolationsschicht an der Grenzfläche können (empfindliche) Metalle bzw. Komponenten während des Schritts der Behandlung der Umhüllmasse, d.h. während des Hydratationsprozesses und/oder Abbindeprozesses und/oder Trocknungsprozesses und/oder Aushärtungsprozesses vor der stark basischen Zementmasse geschützt werden. Ferner bietet eine derartige Funktionsschicht auch nach der Fertigstellung bzw. während des Betriebs der elektrischen Vorrichtung eine zusätzliche Absicherung des elektrischen Bauteils vor eindringenden Fremdstoffen in die Umhüllmasse. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktionsschicht auch haftvermittelnde bzw. haftverbessernde Eigenschaften aufweisen, um eine optimale Haftung der Umhüllmasse an dem elektrischen Bauteil sowie ggf. dem Trägersubstrat und damit auch verbesserte Dichtigkeitseigenschaften zu gewährleisten.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Schritt des Behandelns der Umhüllmasse zumindest eine der folgenden Behandlungen umfasst:

– Beaufschlagung der Umhüllmasse mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen;
– Wärmebehandlung der Umhüllmasse;
– Aussetzen der Umhüllmasse in einer definierten Gasatmosphäre;
– Beaufschlagung der Umhüllmasse mit einem definierten Druck;
– Beaufschlagung der Umhüllmasse mit elektromagnetischer Strahlung einer definierten Wellenlänge und Intensität, bspw. UV-Strahlung, Infrarot-Strahlung, sichtbarem Licht.

Durch das Beaufschlagen der Umhüllmasse mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen kann der Zusatzstoff sehr einfach entmischt werden, um so an die Grenzfläche zu gelangen.
Die Wärmebehandlung kann einen Temperschritt in einem Temperofen umfassen. Die Wärmebehandlung kann in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 40°C bis kleiner oder gleich 95°C erfolgen.
Die Gasatmosphäre kann bspw. als Atmosphäre bzw. Luft mit einer erhöhten Luftfeuchtigkeit von bis zu 100% ausgebildet sein. Die Gasatmosphäre kann auch Katalysator- oder Beschleuniger-Moleküle aufweisen.
Durch diese Maßnahme können die Parameter zur Aktivierung der Funktionalität des Zusatzstoffes auf einfach Art und Weise angepasst werden, so dass der Zusatzstoff zuverlässig und effizient an die Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil gelangen und die Funktionsschicht an dieser Grenzfläche ausbilden bzw. die von der Umhüllmasse benetzte Grenzfläche vergrößern kann.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn durch den Schritt des Behandelns der Umhüllmasse der Zusatzstoff an die Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil sedimentiert oder aufschwimmt. Hierbei kann der Zusatzstoff sich an der Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil verdichten und/oder an der Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil reagieren, um die Funktionsschicht auszubilden und/oder die benetzte Grenzfläche zu vergrößern. Demnach kann der Zusatzstoff derart ausgebildet sein, dass er bei bestimmten Rahmenbedingungen (Temperatur, UV-Bestrahlung, pH-Wert) reagiert. Besonders bevorzugt sind Materialien bzw. Partikel, welche im Zement-Schlicker, z.B. durch Graviation gut zur Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauelement sinken bzw. sedimentieren und sich dort verdichten. Hierbei muss die Grenzfläche unterhalb der Umhüllmasse liegen, damit der Zusatzstoff aufgrund des Dichtunterschiedes sinken kann. Durch Drehen der Anordnung um 180°, d.h. durch Anordnen der Umhüllmasse derart, dass die Grenzfläche oberhalb der Umhüllmasse liegt, können auch Materialien bzw. Partikel verwendet werden, welche im Zement-Schlicker aufschwimmen und sich schnell zu einer Schicht zusammenfügen. Es ist auch denkbar, dass der Zusatzstoff zwei Reaktanden aufweist, welche beim Auftragen der Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil unterkritisch dicht in der Zementmasse gelöst sind und sich bei der Behandlung verdichten. Durch diese Maßnahme kann der Zusatzstoff einfach an die Grenzflächen gelangen, um dort die Funktionsschicht auszubilden und/oder die benetzte Grenzfläche zu vergrößern.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der folgende zusätzliche Schritt durchgeführt wird: Anordnen einer Reaktionsschicht an der Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil, so dass der Zusatzstoff an der Grenzfläche mit der Reaktionsschicht zu der Funktionsschicht reagieren kann. D.h., mit anderen Worten, dass vor dem Aufbringen der Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil, eine Reaktionsschicht auf das elektrische Bauteil aufgebracht wird. Die Reaktionsschicht kann z.B. als monomolekulare Polymerschicht ausgebildet sein. Die Reaktionsschicht kann Hexamethyldisilazan (HMDS) aufweisen. Da an der Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil nun die Reaktionsschicht angeordnet ist, kann der Zusatzstoff an der Grenzfläche mit der Reaktionsfläche zu der Funktionsschicht reagieren, so dass die Schichtbildung optimiert und die Isolations- und Haftungseigenschaften weiter verbessert weder können.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Zusatzstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Monomere, Polymere, insbesondere Silikon, und anorganische Stoffe, insbesondere Oxide, Nitride, Silane, Keramiken. Hierbei müssen die ausgewählten Materialien ausgebildet sein, die Anforderungstemperaturen bei der Behandlung bzw. beim Tempern sowie ggf. im Betrieb stabil auszuhalten. Der Zusatzstoff kann insbesondere Vinylalkohol oder Mischungen daraus aufweisen oder daraus bestehen. Diese Materialien bzw. Materialgruppen weisen sehr gute elektrische und chemische Isolationseigenschaften auf und eignen sich somit besonders gut für den Schutz des elektrischen Bauteils sowie der empfindlichen Metalle und weiterer Komponenten vor Kurzschlüssen und der aggressiven stark basischen Zementmasse.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Funktionsschicht und der Zusatzstoff ausgebildet sind, sich nach dem Schritt des Behandelns zu zersetzen bzw. aufzulösen. Dies kann bspw. aufgrund der Wärme von bspw. über 250°C, welche im Betrieb entsteht, erfolgen. D.h., mit anderen Worten, dass die Funktionsschicht nur für die „kritische Phase“, nämliche den Trocknungs- und Aushärtungsprozess vorgesehen ist, um elektrische Kurzschlüsse in der feuchten Zementmasse zu verhindern sowie einen chemischen Schutz vor der aggressiven stark basischen Zementmasse zu bieten, und sich im Anschluss auflöst. Dies bietet den Vorteil, dass eine sehr dünne Funktionsschicht, welche keine langfristige Isolationswirkung bieten muss, ausreichend ist. Da trockener Zement gut isoliert, muss die Funktionsschicht hierbei nur gegen geringe Ströme isolieren, bis die Zementmasse trocken ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Zusatzstoff ferner im Inneren der Zementmasse angeordnet ist. Hierbei können auch nur Spuren des Zusatzstoffes in der Zementmasse vorhanden sein. Durch einen „Überschuss“ an Zusatzstoff in der Zementmasse bleibt nach der Schichtbildung ein gewisser Restanteil in der Zementmasse übrig, wodurch gewährleistet ist, dass die anfängliche Menge an Zusatzstoff ausreichend für die Ausbildung einer vorzugsweise geschlossen ausgebildeten Funktionsschicht war.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Zusatzstoff ein Benetzungshelfer ist. Der Benetzungshelfer oder Haftvermittler bzw. Primer kann hierbei bevorzugt ein Silan-Haftvermittler sein. Durch diese Maßnahme kann die Haftung des Zements durch Vergrößerung der benetzten Grenzfläche weiter verbessert werden.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung dargestellt, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen ist.
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.
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.
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.
Die elektrische Vorrichtung 10 weist zwischen der Umhüllmasse 20 bzw. der Zementmasse 22 und dem elektrischen Bauteil eine Grenzfläche 24 auf. Die Grenzfläche 24 umfasst hierbei auch die Kontaktfläche zwischen der Umhüllmasse 20 und dem Trägersubstrat 14. An der Grenzfläche 24 ist eine Funktionsschicht 26 angeordnet. Erfindungsgemäß weist die Funktionsschicht 26 einen Zusatzstoff 28 auf. Der Zusatzstoff 28 ist hierbei durch bzw. während der Behandlung der Umhüllmasse 24, insbesondere beim Abbinden der Zementmasse 22 aus dem Inneren der Zementmasse 22 an die Grenzfläche 24 zwischen der Umhüllmasse 20 und dem elektrischen Bauteil 12 gelangt. Dies kann bspw. durch eine Sedimentierung und/oder ein Aufschwimmen des Zusatzstoffes 28 an die Grenzfläche 24 zwischen der Umhüllmasse 20 und dem elektrischen Bauteil 12 erfolgt sein. Durch die Ansammlung und Erhärtung des Zusatzstoffes 28 und ggf. einer chemischen Reaktion an der Grenzfläche 24 hat sich dann erfindungsgemäß die Funktionsschicht 26 gebildet. Die Funktionsschicht 26 ist hierbei bevorzugterweise elektrisch und chemisch isolierend sowie haftvermittelnd ausgebildet, um während des Aushärtungsprozesses elektrische Kurzschlüsse durch die noch feuchte Umhüllmasse 20 zu verhindern und einen Schutz der Bauteile vor der basischen Zementmasse 22 zu bieten sowie die Haftung der Umhüllmasse 20 an dem elektrischen Bauteil 12 und ggf. dem Trägersubstrat 14 zu verbessern.
Es ist jedoch durchaus auch denkbar, dass der Zusatzstoffe 28 an der Grenzfläche 24 keine Funktionsschicht ausbildet, sondern die von der Umhüllmasse 20 benetzte Grenzfläche 24 vergrößert, wodurch ebenfalls eine Haftverbesserung der Umhüllmasse 20 an dem elektrischen Bauteil 12 und ggf. dem Trägersubstrat 14 erzielt werden kann. Im Anschluss daran kann sich der Zusatzstoff 28 in der basischen Gelphase der Umhüllmasse 22 auflösen.
Bei der Herstellung der elektrischen Vorrichtung 10 wird zunächst die Zementmasse 22, bspw. in Pulverform bereitgestellt. In die Zementmasse 22 wird anschließend der Zusatzstoff 28, welcher bspw. auch pulverförmig vorliegen kann, eingemischt. Im Anschluss wird eine flüssige Komponente, bspw. Wasser mit ggf. dem Flussmittel Melflux beigemischt. Die feuchte Umhüllmasse 20 aufweisend die Zementmasse 22, den Zusatzstoff 28 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 behandelt, insbesondere 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. Bei bzw. während der Behandlung, d.h. von der Gelbildung bis zur Aushärtung gelangt erfindungsgemäß der Zusatzstoff 28 aus dem Inneren der aufgetragenen Umhüllmasse 20 an die Grenzfläche 24 zwischen der Umhüllmasse 20 und dem elektrischen Bauteil 12, bspw. durch Sedimentierung oder Aufschwimmen, und bildet an dieser Grenzfläche 24 eine Funktionsschicht 26 aus, bspw. indem er an der Grenzfläche 24 reagiert und erhärtet. Alternativ oder zusätzlich kann der Zusatzstoff 28 die von der Umhüllmasse 20 benetzte Grenzfläche 24 auch vergrößern. Schließlich wird die Umhüllmasse 20 mit der Schutzschicht 26 optional behandelt, dann entformt und ausgelagert, bspw. bei 300°C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013112267 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 14647 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Bauteil (12), welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt wird, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen der Zementmasse (22); – Einmischen eines Zusatzstoffes (28) in die Zementmasse (22); – Aufbringen der die Zementmasse (22) mit dem Zusatzstoff (28) aufweisenden Umhüllmasse (20) auf das elektrische Bauteil (12); und – Behandeln der Umhüllmasse (20), wobei durch die Behandlung der Zusatzstoff (28) aus der Zementmasse (22) an eine Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) gelangt, und eine Funktionsschicht (26) an dieser Grenzfläche (24) ausbildet und/oder die von der Umhüllmasse (20) benetzte Grenzfläche (24) vergrößert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zementmasse (22) Tonerdezement aufweist, insbesondere aus Tonerdezement besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (26) als Isolationsschicht (26) und/oder als Haftvermittlerschicht (26) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Behandelns der Umhüllmasse (20) zumindest eine der folgenden Behandlungen umfasst: – Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen; – Wärmebehandlung der Umhüllmasse (20); – Aussetzen der Umhüllmasse (20) in einer definierten Gasatmosphäre; – Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit einem definierten Druck; – Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit elektromagnetischer Strahlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schritt des Behandelns der Umhüllmasse (20) der Zusatzstoff (28) an die Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) sedimentiert oder aufschwimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) sich an der Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) verdichtet und/oder an der Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) reagiert, um die Funktionsschicht (26) auszubilden und/oder um die benetzte Grenzfläche (24) zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: – Anordnen einer Reaktionsschicht an der Grenzfläche (28) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12), so dass der Zusatzstoff (28) an der Grenzfläche mit der Reaktionsschicht zu der Funktionsschicht (26) reagieren kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Monomere, Polymere, insbesondere Silikon, und anorganische Stoffe, insbesondere Oxide, Nitride, Silane, Keramiken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) ein Benetzungshelfer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (26) und/oder der Zusatzstoff (28) ausgebildet sind, sich nach dem Schritt des Behandelns zu zersetzen.
Elektrische Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Bauteil (12), insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches von einer eine Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzstoff (28) an einer Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) angeordnet ist, welcher aus dem Inneren der Zementmasse (22) an die Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) gelangt ist, wodurch eine Funktionsschicht (26) aufweisend den Zusatzstoff (28) an dieser Grenzfläche (24) ausgebildet wurde und/oder die von der Umhüllmasse (20) benetzte Grenzfläche (24) vergrößert wurde.
Elektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) in der Zementmasse (22) eingemischt war und aus dem Inneren der Zementmasse (22) an die Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) sedimentiert und/oder aufgeschwommen ist, wodurch die Funktionsschicht (26) an dieser Grenzfläche (24) ausgebildet wurde.
Elektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) ferner im Inneren der Zementmasse (22) angeordnet ist.
Elektrische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (12) ein Halbleiterbauelement (12), ein Sensorelement, eine Induktivität, eine Kapazität, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul oder eine Schaltung ist.
Verwendung eines Zusatzstoffes (28) zur Ausbildung einer Funktionsschicht (26) an einer eine Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) eines elektrischen Bauteils (12) einer elektrischen Vorrichtung (10), insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Zusatzstoff (28) durch eine Behandlung der Umhüllmasse (20) an eine Grenzfläche (24) zwischen der Umhüllmasse (20) und dem elektrischen Bauteil (12) gelangt und die Funktionsschicht (26) an dieser Grenzfläche (24) ausbildet und/oder die von der Umhüllmasse (20) benetzte Grenzfläche (24) vergrößert.