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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 einen Zuschlagstoff auf, welcher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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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 Wärmepufferpartikel aufweist, welche in der Zementmasse angeordnet sind und ein Partikelmaterial aufweisen oder aus einem Partikelmaterial bestehen, das eine höhere Wärmekapazität als der Zement der Zementmasse 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 Wärmepufferpartikeln in die Zementmasse, wobei die Wärmepufferpartikel ein Partikelmaterial aufweisen oder aus einem Partikelmaterial bestehen, das eine höhere Wärmekapazität als der Zement der Zementmasse aufweist;
- – Aufbringen der die Zementmasse mit den Wärmepufferpartikeln aufweisenden 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 und Wärmepufferpartikel als Umhüllmasse für ein elektrisches Bauteil einer elektrischen Vorrichtung, wobei die Wärmepufferpartikel in der Zementmasse angeordnet sind und ein Partikelmaterial aufweisen oder aus einem Partikelmaterial bestehen, das eine höhere Wärmekapazität als der Zement der Zementmasse aufweist.
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Das elektrische Bauteil kann bspw. ein Halbleiterbauelement, ein Sensorelement, eine Induktivität, eine Kapazität, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul oder eine Schaltungsanordnung 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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Unter Wärmepufferpartikeln kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein partikelförmiger Zuschlagstoff verstanden werden. Die Wärmepufferpartikel sind hierbei ausgebildet, die Anforderungstemperaturen bei der Wärmebehandlung sowie im Betrieb stabil auszuhalten. Die Wärmepufferpartikel können vor dem Schritt des Einmischens in die Zementmasse pulverförmig ausgebildet sein. Die Wärmepufferpartikel können jedoch auch einen flüssigen Anteil aufweisen. Demnach können die Wärmepufferpartikel als Lösung oder Dispersion oder Suspension, bspw. mit einem Wasseranteil vorliegen. Die Wärmepufferpartikel können in eine trockene Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. bevor ggf. das Zugabewasser beigemengt wird. Die Wärmepufferpartikel können aber auch in die nasse Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. nachdem ggf. das Zugabewasser beigemengt wurde. Die Wärmepufferpartikel können einen Partikeldurchmesser d50 im Bereich von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 600 µm aufweisen.
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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 Wärmepufferpartikeln 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.-%
- – Wärmepufferpartikel: größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 13 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 oder bis ca. 250 µm
- – SiC: fein ca. 10–50 µm oder bis 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 95°C erfolgen.
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Demnach ist es erfindungsgemäß möglich, durch die Zugabe von Wärmepufferpartikeln mit einer höheren Wärmekapazität bzw. thermischen Kapazität als die des Zements der Zementmasse die thermischen Eigenschaften der Umhüllmasse je nach Anforderung gezielt einzustellen und insbesondere die thermische Gesamtkapazität der Umhüllmasse deutlich zu steigern. D.h., mit anderen Worten, dass nicht die Wärmeleitfähigkeit der Umhüllmasse erhöht werden soll, um die Wärme von dem elektrischen Bauteil schnellstmöglich an die Umgebung abzugeben, sondern vielmehr durch eine Erhöhung der Wärmekapazität eine hohe Wärmepufferung und damit thermische Überlastfähigkeit erreicht wird. Die Wärmeleitfähigkeit der Umhüllmasse kann somit zu Gunsten der thermischen Kapazität niedriger gestaltet werden, abhängig von Aushärtung oder Belastung im Betrieb, um ein spezifisches Optimum zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität für die jeweilige Anwendung zu erreichen und damit den Betriebszustand zu trimmen bzw. zu optimieren. Demnach kann eine elektrische Vorrichtung bereitgestellt werden, welche besonders robust bei hohen Verlustleistungsspitzen während des Betriebes ist und einen Schutz des elektrischen Bauteils vor Überhitzung bietet.
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Vorteilihaft ist es ferner, wenn die Wärmekapazität des Partikelmaterials bei einer Temperatur von RT-350°C in einem Bereich von größer oder gleich 900 J/kgK liegt. Die Wärmekapazität von Tonerdezement liegt bei 750–900 J/kgK. Durch diese Maßnahme kann die Gesamtkapazität der Umhüllmasse weiter gesteigert und die Wärmemenge aus dem elektrischen Bauteil bis zu einer maximalen Betriebstemperatur von 350°C sehr effizient aufgenommen werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das Partikelmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Forsterit, Cordierit, Mullit. Diese Materialien bzw. Materialgruppen weisen eine sehr hohe Wärmekapazität auf. Zudem sind sie bei der gewünschten Anwendungstemperatur stabil. Es sind jedoch auch anderen keramische Materialien sowie metallische oder polymere Materialien denkbar, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Anteil der Wärmepufferpartikel in einem Bereich von größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 13 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Umhüllmasse liegt. Durch diese Maßnahme kann die Wärmekapazität der Umhüllmasse weiter gesteigert werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Wärmepufferpartikel in der Zementmasse angeordnet sind. Demnach sind die Wärmepufferpartikel von der Zementmasse umhüllt. Hierbei sind die Wärmepufferpartikel bevorzugt homogen in der Zementmasse verteilt. Durch diese Maßnahme kann die von dem elektrischen Bauteil abgegebene Wärmemenge sehr gut über die Zementmasse an die Wärmepufferpartikel abgegeben bzw. von den Wärmepufferpartikeln aufgenommen werden.
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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. der Zementmasse 22 weist eine Vielzahl von Wärmepufferpartikeln 24 auf. Die Wärmepufferpartikel 24 sind im Inneren der Zementmasse 22 verteilt angeordnet. Demnach sind die Wärmepufferpartikel 24 von der Zementmasse 22 umhüllt. Erfindungsgemäß weisen die Wärmepufferpartikel 24 ein Partikelmaterial auf, das eine höhere Wärmekapazität als der Zement der Zementmasse 22 aufweist. Somit weist die erfindungsgemäße Umhüllmasse 20 aufgrund der Wärmepufferpartikel 24 eine höhere Wärmekapazität auf als eine Umhüllmasse 20 mit bspw. nur der Zementmasse 22. Eine von dem elektrischen Bauteil 12 abgegebene Wärmemenge 26 kann folglich besonders effizient von den Wärmepufferpartikel 24 aufgenommen werden. Die Wärmepufferpartikel 24 können nach der Aufnahme die aufgenommene Wärmemenge 26 langsam an die Umgebung der elektrischen Vorrichtung 10 abgeben, so dass verhindert wird, dass die Umhüllmasse 20 und das elektrische Bauteil 12 eine kritische Temperatur erreichen und dadurch beschädigt werden. Demnach ist es erfindungsgemäß möglich, eine sehr hohe thermische Überlastfähigkeit zu erreicht und dadurch einen sicheren Betrieb und einen Schutz des elektrischen Bauteils 12 vor Überhitzung, insbesondere während Verlustleistungsspitzen, zu gewährleisten.
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Bei der Herstellung der elektrischen Vorrichtung 10 wird zunächst die Zementmasse 22, bspw. in Pulverform bereitgestellt. In die Zementmasse 22 werden anschließend die Wärmepufferpartikel 24, welche bspw. auch pulverförmig vorliegen können, eingemischt. Im Anschluss wird eine flüssige Komponente, bspw. Wasser mit ggf. dem Flussmittel Melflux beigemischt. Die feuchte Umhüllmasse 20 aufweisend die Zementmasse 22, die Wärmepufferpartikel 24 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. Schließlich wird die Umhüllmasse 20 mit den Wärmepufferpartikeln 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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