DE102018215694A1 - Vergussmasse, elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil und Verfahren zu dessen elektrischer Isolierung - Google Patents

Vergussmasse, elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil und Verfahren zu dessen elektrischer Isolierung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vergussmasse, enthaltend Feststoffkomponenten und Flüssigkeitskomponenten. Die Feststoffkomponenten enthalten 5 - 30 Gew.-% Matrixbildner. Diese sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus hydratisierbarem Aluminiumoxid, Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm, porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten, Tonerdezement und Gemischen daraus. Dabei beträgt der Anteil an hydratisierbarem Aluminiumoxid an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten. Weiterhin enthalten die Feststoffkomponenten 70 - 95 Gew.-% keramische Füllstoffe. In einem Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils (20), worin das Bauteil (20) mit der Vergussmasse vergossen (13) und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 60 - 80°C wärmebehandelt (14). Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil (20). Dieses weist eine elektrische Isolierung mit einer Matrix auf, in die keramische Füllstoffe eingeschlossen sind. Die Matrix enthält zu mindestens 1 Gew.-% Aluminiumoxid. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Vergussmasse als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vergussmasse. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil, das insbesondere mittels des Verfahrens hergestellt werden kann.
  • Stand der Technik
  • Die Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Effizienz sowie die Senkung der Kosten von Leitungselektronikmodulen und robusten Sensorsystemen sind heutzutage von höchster Bedeutung. Epoxidverbindungen und Silikonmassen als Umhüllmaterialien sind auf einen Temperaturbereich von unter 200°C begrenzt. Zur Erschließung des Temperaturbereichs von bis zum 350°C wurden deshalb anorganische Umhüllmassen vorgeschlagen, die aus einer Tonerdezementmatrix und keramischen Füllstoffen bestehen. Derartige Umhüllmassen sind aus der DE 10 2015 223 422 A1 , der DE 10 2015 223 443 A1 , der DE 10 2015 223 449 A1 , der DE 10 2015 223 466 A1 und der DE 10 2015 223 467 A1 bekannt. Der pH-Wert derartiger flüssiger Massen liegt bis zum Erhärten allerdings so hoch, dass die Chipmetallisierung der Halbleiter nach dem Vergießen angefressen und teilweise komplett zersetzt werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vergussmasse, deren pH-Wert insbesondere weniger als 10 beträgt, eine bessere Verträglichkeit gegenüber der Chipmetallisierung von Halbleitern aufweist, als herkömmliche anorganische Vergussmassen. Die vorgeschlagene Vergussmasse enthält Feststoffkomponenten und Flüssigkeitskomponenten. Die Feststoffkomponenten umfassen Matrixbildner und keramische Füllstoffe. Bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten weisen diese 5 - 30 Gew.-%, bevorzugt 10 - 30 Gew.-% Matrixbildner und 70 - 95 Gew.-%, bevorzugt 70 - 90 Gew.-% keramische Füllstoffe auf.
  • Die Matrixbildner sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus hydratisierbarem Aluminiumoxid, Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm, porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten, Tonerdezement und Gemischen daraus. Dabei beträgt der Anteil an hydratisierbarem Aluminiumoxid an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten.
  • Hydratisierbares Aluminiumoxid, welches auch als reaktives Aluminiumoxid oder als ρ-Aluminiumoxid bezeichnet wird, besteht aus sogenannten Übergangstonerden, welche noch geringe Wassermengen beinhalten. Dadurch können sie bei Zugabe von weiterem Wasser hydraulisch abbinden und erhärten. Dies geschieht ähnlich zur Zementhydratation.
  • Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm sind ebenfalls gegenüber Wasser reaktiv und bilden thermisch stabile Magnesiumhydroxidhydratphasen. Ihre Partikelgröße kann mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) ermittelt werden. Magnesiumoxidpartikelagglomerate können mittels Kalzinierens hergestellt werden. Sie sind porös und setzen sich aus kleinen Primärpartikeln zusammen, während die Agglomerate selbst insbesondere Größen von bis zu 75,0 µm erreichen können. Dennoch zeigen sie anders als beispielsweise porenfreie Magnesiumoxidpartikel, die mittels eines Schmelzprozesses hergestellt wurden, dieselbe Reaktivität gegenüber Wasser, die auch Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm aufweisen. Die Größe der Magnesiumoxidpartikelagglomerate kann durch Korngrößenmessung mittels Lasergranulometer ermittelt werden.
  • Tonerdezement besteht vorwiegend aus Monocalciumaluminat (CaAl2O4). Er wird in einem Sinterprozess aus Kalkstein und Bauxit hergestellt. Je nach Sinterbedingungen enthält er als weitere Bestandteile CaAl4O7 und Ca12Al14O33. Alle Calciumaluminate können dabei als eine Additionsverbindung aus Aluminiumoxid und Calcium verstanden werden. Bezogen auf 100 Gew.-% des Tonerdezements enthält dieser insbesondere mindestens 67,8 Gew.-% Aluminiumoxid und maximal 31,0 Gew.-% Calciumoxid. Als weitere Bestandteile können insbesondere bis zu 0,8 Gew.-% Siliziumoxid und bis zu 0,4 Gew.-% Eisen (III) Oxid enthalten sein. Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien des Tonerdezements sind in der Norm DIN EN 14647 geregelt.
  • Die Vergussmasse weist eine hohe Verträglichkeit und Haftung auf Halbleiteroberflächen auf. Weiterhin weist sie eine geringe Wahrscheinlichkeit von lonenmigration auf.
  • Zur Bildung von Mischoxiden von Aluminium und Magnesium in der ausgehärteten Vergussmasse ist es bevorzugt, dass diese als Anteil an den Matrixbildner bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 1 Gew.-% Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm und/oder poröse Magnesiumoxidpartikelagglomerate enthält.
  • Weiterhin kann die Vergussmasse insbesondere bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 1 Gew.-% Tonerdezement als Anteil an den Matrixbildner enthalten. Der maximale Anteil des Tonerdezements bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten beträgt bevorzugt 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 Gew.-%. Diese Beimischung von Tonerdezement kann erfolgen, ohne den pH-Wert der Vergussmasse deutlich zu heben.
  • Als keramische Füllstoffpartikel geeignete Materialien sind insbesondere Aluminiumoxid, Alumosilikate, Siliziumoxid, Siliziumcarbid und Bornitrid. Aluminiumoxid wird nur dann als Füllstoffpartikel verwendet, wenn es nicht hydratisierbar ist. Insbesondere kann Korund verwendet werden.
  • Aufgrund der hohen Wärmekapazität von Aluminiumoxid ist es bevorzugt, dass die Vergussmasse bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 45 Gew.-% nicht hydratisierbares Aluminiumoxid als keramische Füllstoffe enthält. Auch wenn γ-Aluminiumoxid grundsätzlich als keramischer Füllstoff verwendet werden kann, ist es doch bevorzugt, α-Aluminiumoxid zu verwenden, welches eine besonders vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Des Weiteren enthält die Vergussmasse bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten vorzugsweise 1 - 50 Gew.-% Siliziumoxid als keramische Füllstoffe. Dies bewirkt eine weitere Absenkung des pH-Werts der Vergussmasse. Außerdem ermöglicht es eine Einstellung ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dabei ist Siliziumoxid mit einer Partikelgröße von maximal 10 µm besonders bevorzugt.
  • Zum Abbinden der Vergussmasse wird den Feststoffkomponenten vorzugsweise 5 - 20 Gew.-% Wasser als Flüssigkeitskomponente bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse hinzugefügt. Grundsätzlich ist es allerdings auch möglich, dass einzelne Feststoffkomponenten der Vergussmasse als wässrige Dispersion beigefügt werden. Auch in diesem Fall beträgt der Wasseranteil der gesamten Vergussmasse vorzugsweise 5 - 20 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse.
  • Je nach Verhältnis zwischen Matrixbildner, keramischen Füllstoffen und Wasser kann die Vergussmasse eine stark scherrverdickende und hochviskose Konsistenz aufweisen, die ihre Fließfähigkeit beeinträchtigt. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Vergussmasse weiterhin bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse 0,5 - 5,0 Gew.-% Fließmittel als Flüssigkeitskomponente oder als Feststoffkomponente enthält. Geeignete Fließmittel sind insbesondere Polycarboxylatether (PCE), Polykondensate, polymerbasierte Entschäumer und Benutzungsmittel, wobei Polycarboxylatether bevorzugt sind.
  • In dem Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils wird das Bauteil mit der Vergussmasse vergossen und anschließend wärmebehandelt, um ein Abbinden der Vergussmasse zu beschleunigen. Die Wärmebehandlung erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 60 - 80°C. Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt vorzugsweise mindestens 1 Stunde. Beim Abbinden bilden die Matrixbildner zusammen mit Wasser eine Matrix aus, in welche die keramischen Füllstoffe eingeschlossen sind.
  • Soll eine vollständige Entwässerung der Matrix erfolgen, so ist es bevorzugt an den Schritt der Wärmebehandlung einen Entwässerungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 105 - 250°C anzuschließen.
  • Das elektrisch isolierte elektrische oder elektronische Bauteil, welches insbesondere mittels des Verfahrens herstellbar ist, weist eine elektrische Isolierung mit einer Matrix auf, in die keramische Füllstoffe eingeschlossen sind. Bezogen auf 100 Gew.-% der Matrix enthält diese mindestens 1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% Aluminiumoxid.
  • Es ist bevorzugt, dass die elektrische Isolierung lediglich zu 5 - 40 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der elektrischen Isolierung aus der Matrix besteht. Auf diese Weise steht der Rest der elektrischen Isolierung für die keramischen Füllstoffe zur Verfügung, um dieser so eine gute Wärmeleitfähigkeit zu verleihen.
  • Die Matrix besteht insbesondere zu mindestens 95 Gew.-% aus Elementen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Calcium, Magnesium, Silizium und Sauerstoff. Aluminium kann dabei aus dem hydratisierbaren Aluminiumoxid und aus Tonerdezement stammen, das Calcium kann aus Tonerdezement stammen, das Magnesium kann aus Magnesiumoxidpartikeln oder Magnesiumoxidpartikelagglomeraten stammen und das Silizium kann ebenfalls aus Tonerdezement stammen. Sauerstoff gelangt sowohl als Bestandteil sämtlicher Matrixbildner als auch durch hinzugefügtes Wasser in die Matrix.
  • Die Vergussmasse kann außerdem als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik verwendet werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines elektrisch isolierten elektronischen Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt, wie in 1 dargestellt ist, mit einem Startschritt 10. Anschließend folgt ein Mischen 11 der Feststoffkomponenten einer herzustellenden Vergussmasse. Dabei werden hydratisierbares Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Tonerdezement mit α-Aluminiumoxid und Siliziumoxid als keramischen Füllstoffen gemischt. Anschließend folgt ein Anrühren 12 der Feststoffkomponenten mit Wasser und PCE als Fließmittel. Mit der so erhaltenen Vergussmasse erfolgt ein Vergießen 13 eines elektronischen Bauteils 20. Dieses wird anschließend 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 70°C in einem Trockenschrank getrocknet 14. Mit dem Entnehmen des nun elektrisch isolierten elektronischen Bauteils 20 aus dem Trockenschrank endet das Verfahren 15.
  • Die Zusammensetzung der in den Schritten 11 und 12 hergestellten Vergussmasse ist in Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1
    Hersteller Produkt Gew.-%
    Al2O3 Almatis Alphabond 300 12,5
    MgO Baikowski M30CR 2,5
    Tonerdezement Kerneos SECAR 71 5,0
    Al2O3 Imerys F360 30,0
    Al2O3 Imerys F800 20,0
    Al2O3 Imerys F2000 20,0
    Al2O3 Almatis CT3000 7,5
    SiO2 Heraeus Zandosil 30 2,5
    Wasser 17,0
    PCE Sika Viscocrete 2810 0,8
  • Dabei wurden Produkte der Almatis B.V., der Baikowski SAS, der Heraeus GmbH & Co. KG, der Imerys S.A., der Kerneos Aluminate Technologies und der Sika GmbH verwendet. Bei Alphabond 300 handelt es sich um ein hydratisierbares Aluminiumoxid. M30CR ist ein Magnesiumoxid mit einem Körnungsband von 0 - 5 µm und einer mittleren Partikelgröße von 1,35 µm. Bei den Aluminiumoxiden F360, F800, F2000 und CT3000 handelt es sich um α-Aluminiumoxide unterschiedlicher Körnungen, die gemeinsam eine optimale Packungsdichte der keramischen Füllstoffe in der ausgehärteten Vergussmasse ermöglichen. Zandosil 30 ist ein Siliziumoxid mit einem Körnungsband von 0 - 10 µm und einer mittleren Partikelgröße von 0,1 µm (pyrogene Kieselsäure).
  • Wie in 2 dargestellt ist, reagiert die Vergussmasse unter Ausbildung einer elektrischen Isolierung 30, welche das elektronische Bauteil 20 umschließt. Sie besteht aus einer Matrix 31, in welche die keramischen Füllstoffe 32 eingeschlossen sind. Die Matrix 31 besteht zu 10,6 Gew.-% aus Aluminiumoxid. 32,1 Gew.-% der elektrischen Isolierung 30 bestehen aus der Matrix 31. Abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen enthält diese lediglich die Elemente Aluminium, Calcium, Magnesium, Silizium und Sauerstoff.
  • In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird an die Wärmebehandlung 14 noch eine Entwässerung der elektrischen Isolierung 30 bei einer Temperatur von 210°C angeschlossen. Hierdurch wird nicht abreagiertes Wasser aus der Matrix entfernt, was ihren Gewichtsanteil an der elektrischen Isolierung 30 geringfügig senkt.
  • In noch einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Vergussmasse als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik verwendet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015223422 A1 [0002]
    • DE 102015223443 A1 [0002]
    • DE 102015223449 A1 [0002]
    • DE 102015223466 A1 [0002]
    • DE 102015223467 A1 [0002]

Claims (14)

  1. Vergussmasse, enthaltend Feststoffkomponenten und Flüssigkeitskomponenten, wobei die Feststoffkomponenten enthalten - 5 - 30 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten Matrixbildner, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus hydratisierbarem Aluminiumoxid, Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm, porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten, Tonerdezement und Gemischen daraus, wobei der Anteil an hydratisierbarem Aluminiumoxid an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten beträgt, und - 70 - 95 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten keramische Füllstoffe (32).
  2. Vergussmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm und/oder porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten beträgt.
  3. Vergussmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Tonerdezement an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten beträgt.
  4. Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 45 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten nicht hydratisierbares Aluminiumoxid als keramische Füllstoffe (32) enthält.
  5. Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1 - 50 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten Siliziumoxid als keramische Füllstoffe (32) enthält.
  6. Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie 5 - 20 Gew.-% Wasser als Flüssigkeitskomponente bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse enthält.
  7. Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,5 - 5,0 Gew.-% Fließmittel als Flüssigkeitskomponente oder als Feststoffkomponente bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse enthält.
  8. Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen pH-Wert von weniger als 10 aufweist.
  9. Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils (20), worin das Bauteil (20) mit einer Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8 vergossen wird (13) und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 60 - 80°C wärmebehandelt wird (14).
  10. Elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil (20), aufweisend eine elektrische Isolierung (30) mit einer Matrix (31) in die keramische Füllstoffe (32) eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (31) enthält zu mindestens 1 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Matrix (31) Aluminiumoxid.
  11. Elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (30) zu 5 - 40 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der elektrischen Isolierung (30) aus der Matrix (31) besteht.
  12. Elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil (20) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (31) zu mindestens 95 Gew.-% aus Elementen besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Calcium, Magnesium, Silizium und Sauerstoff.
  13. Elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil (20) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Verfahren gemäß Anspruch 9 herstellbar ist.
  14. Verwendung einer Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik.
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