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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen 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 Zementarten bekannt. Die Umhüllmasse weist hierbei zur Erhöhung der Zugfestigkeit elektrisch nicht-leitende anorganische Fasern auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt ist, wobei die Umhüllmasse ferner Metall aufweisende Fasern und/oder Kohlenstoff aufweisende Nanoröhren aufweist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner 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 von Metall aufweisenden Fasern und/oder Kohlenstoff aufweisenden Nanoröhren in die Zementmasse;
- – Aufbringen der die Zementmasse mit den Metall aufweisenden Fasern und/oder den Kohlenstoff aufweisenden Nanoröhren aufweisende Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil derart, dass die Umhüllmasse das elektrische Bauteil zumindest teilweise umhüllt; und
- – Wärmebehandeln der Umhüllmasse.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung einer Masse aufweisend eine Zementmasse als Umhüllmasse für ein elektrisches Bauteil einer elektrischen Vorrichtung, wobei die Umhüllmasse ferner Metall aufweisende Fasern und/oder Kohlenstoff aufweisende Nanoröhren aufweist.
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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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Die Fasern weisen erfindungsgemäß ein Metall auf. Die Fasern können vorzugsweise auch aus dem Metall bestehen. Das Metall kann bspw. ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silber, Kupfer, Kupfer-Legierungen, Gold, Aluminium. Die Fasern können einen Durchmesser im Bereich von größer oder gleich 0,1 µm bis kleiner oder gleich 300 µm aufweisen. Die Fasern können eine Länge im Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 300µm aufweisen. Die Fasern können eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von größer oder gleich 5 W/(m.K) bis kleiner oder gleich 429 W/(m.K) aufweisen.
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Die Nanoröhren (auch Nanotubes genannt) weisen erfindungsgemäß Kohlenstoff auf. Die Nanoröhren können vorzugsweise auch aus Kohlenstoff bestehen. Die Nanofasern können einen Durchmesser im Bereich von größer oder gleich 0,4 nm bis kleiner oder gleich 50 nm aufweisen. Die Fasern können eine Länge im Bereich von größer oder gleich 0,5 µm bis kleiner oder gleich 3 mm aufweisen. Die Nanoröhren können eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von größer oder gleich 1500 W/(m.K) bis kleiner oder gleich 6000 W/(m.K) aufweisen.
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Die Fasern und/oder die Nanoröhren können in eine trockene Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. bevor ggf. das Zugabewasser beigemengt wird. Die Fasern und/oder die Nanoröhren können aber auch in die nasse Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. nachdem ggf. das Zugabewasser beigemengt wurde.
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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 sowie den Fasern und/der Nanoröhren aufweisen kann. Die Umhüllmasse kann folgende Zusammensetzung aufweisen:
- – Bindemittel Tonerdezement: größer oder gleich 8 Gew.-% bis kleiner oder gleich 47 Gew.-% (bspw. SECAR 71)
- – Reaktionsmittel Wasser: größer oder gleich 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich 28 Gew.-%
- – Fasern und/oder Nanoröhren: größer oder gleich 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 85 Gew.-%
- – Füllstoff: größer oder gleich 25 Gew.-% 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 bis grob 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 95 °C erfolgen.
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Zement weist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 1W/(m.K) auf. Es ist bekannt, dass sowohl Metalle als auch Kohlenstoffnanoröhren eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch das Vorsehen von Fasern, welche ein Metall aufweisen, und/oder Nanoröhren, welche Kohlenstoff aufweisen, ist es nun möglich, die Wärmeleitfähigkeit der Umhüllmasse deutlich zu steigern und damit die Wärmeableitung von dem elektrischen Bauteil erzeugten Wärme zu erhöhen. Hierdurch kann das elektrische Bauteil sehr effizient gekühlt, wodurch wiederum höhere Betriebstemperaturen ermöglicht werden. Dies führt ferner zu einer Effizienzsteigerung und einer Bauraumreduzierung der elektrischen Vorrichtung.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Fasern und/oder die Nanoröhren in der Zementmasse angeordnet sind. Demnach sind die Fasern und/oder die Nanoröhren von der Zementmasse umhüllt. Hierbei sind die Fasern und/oder die Nanoröhren bevorzugt homogen in der Zementmasse verteilt. Durch diese Maßnahme kann die von dem elektrischen Bauteil abgegebene Wärmemenge sehr effizient über die Zementmasse an die Fasern und/oder die Nanoröhren geleitet, um dann von den Fasern und/oder den Nanoröhren an die Umgebung abgegeben zu werden.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Fasern und/oder die Nanoröhren eine Art Netzwerk bilden. D.h., mit anderen Worten, dass die Fasern und/oder die Nanoröhren ein dreidimensionales Geflecht in der Zementmasse ausbilden können. Hierdurch kann die Anzahl der Berührungspunkte zwischen den Fasern und/oder den Nanoröhren und damit die Anzahl Wärmeleitungspfade erhöht werden, wodurch die Wärmeableitung weiter gesteigert werden kann.
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Vorteilhaft ist es außerdem, wenn eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist, welche zwischen der Umhüllmasse und dem elektrischen Bauteil angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann vorzugsweise Parylene HT oder Zement (ohne Fasern) aufweisen oder daraus besteht. Diese Maßnahme wird gewährleistet, dass im Falle von elektrisch leitenden Fasern und/oder Nanoröhren, das elektrische Bauteil von der Umhüllmasse mit den elektrisch leitenden Fasern und/oder Nanoröhren elektrisch isoliert wird und dadurch keine Kurzschlüsse entstehen.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der folgende Schritt zusätzlich vorgesehen ist: Ausrichten der Fasern und/oder der Nanoröhren nach dem Schritt des Aufbringens der Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil. Durch diesen Schritt können die Fasern und die Nanoröhren gezielt vom elektrischen Bauteil weg nach außen ausgerichtet werden. Durch diesen Schritt können die Fasern und die Nanoröhren auch derart ausgerichtet werden, dass sie wie vorangehend erläutert eine Art Netzwerk bilden. Durch die gerichteten Wärmepfade bzw. die erhöhte Zahl an Wärmepfaden kann die erzeugte Wärmemenge schnell und effizient an die Umgebung abgeleitet werden.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einem weiteren 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. der Zementmasse 22 weist eine Vielzahl von Nanoröhren 24 auf. Demnach sind die Nanoröhren 24 von der Zementmasse 22 umhüllt. Die Nanoröhren 24 sind in der Zementmasse 22 verteilt angeordnet. Die Nanoröhren 24 sind bevorzugt homogen verteilt angeordnet. Die Nanoröhren 24 sind ferner von dem elektrischen Bauteil 12 aus im Wesentlichen radial nach außen gerichtet angeordnet. Erfindungsgemäß weisen die Nanoröhren 24 Kohlenstoff auf, weshalb sie eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Eine von dem elektrischen Bauteil 12 abgegebene Wärmemenge 26 kann folglich besonders effizient über die Kohlenstoffnanoröhren 24 an die Umgebung abgeleitet werden.
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In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung 10‘ dargestellt. Die elektrische Vorrichtung 10‘ ist analog zu der Vorrichtung 10 aus 1 aufgebaut. Die elektrische Vorrichtung 10‘ weist jedoch anstatt von Nanoröhren eine Vielzahl von Fasern 28 auf. Demnach sind die Fasern 28 von der Zementmasse 22 umhüllt. Die Fasern 28 sind in der Zementmasse 22 verteilt angeordnet. Die Fasern 28 sind bevorzugt homogen verteilt angeordnet. Die Fasern 28 sind ferner als eine Art dreidimensionales Netzwerk angeordnet, um die Anzahl der Wärmepfade und damit die Wärmeableitung zu steigern. Erfindungsgemäß weisen die Fasern 28 ein Metall auf, weshalb sie eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Eine von dem elektrischen Bauteil 12 abgegebene Wärmemenge 26 kann folglich besonders effizient über die metallischen Fasern 28 an die Umgebung abgeleitet werden.
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Da die metallischen Fasern 28 elektrisch leitend sind und somit ungewollte Kurzschlüsse entstehen können, weist die elektrische Vorrichtung 10‘ ferner eine elektrisch isolierende Schicht 30 auf. Die elektrisch isolierende Schicht 30 ist zwischen der Umhüllmasse 20 und dem elektrischen Bauteil 12 angeordnet. Die elektrisch isolierende Schicht 30 ist als dünne Schicht ausgebildet. Die elektrisch isolerende Schicht 30 erstreckt sich über die gesamte Grenzfläche zwischen der Umhüllmasse 20 dem elektrischen Bauteil 12 bzw. dem Trägersubstrat 14. Die elektrisch isolierende Schicht 30 umhüllt demnach das elektrische Bauteil 12 und bildet damit eine elektrische Isolierung vor den metalischen Fasern 28 aus.
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Bei der Herstellung der elektrischen Vorrichtung 10 aus 1 wird zunächst die Zementmasse 22, bspw. in Pulverform bereitgestellt. In die Zementmasse 22 werden anschließend die Nanoröhren 24 eingemischt. Im Anschluss wird eine flüssige Komponente, bspw. Wasser mit ggf. dem Flussmittel Melflux beigemischt. Die feuchte Umhüllmasse 20 aufweisend die Zementmasse 22, die Nanoröhren 24 und das Wasser wird dann evakuiert, auf das elektrische Bauteil 12 aufgebracht und in Form gebracht, bspw. mittels Spritzgießen oder Vergießen in Formen. Anschließend werden die Nanoröhren ausgerichtet, bspw. durch Rüttern und/oder Verpressen. 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. Schließlich wird die Umhüllmasse 20 mit den ausgerichteten Nanofasern 24 optional behandelt, dann entformt und ausgelagert, bspw. bei 300°C.
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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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