DE102020207322A1 - Verfahren zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils, Verkapselungsmaterialzusammensetzung zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils und verkapseltes elektrisches Bauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils (1), wobei das elektrische Bauteil (2, 2') mit einer Verkapselungsschicht (10) versehen wird, welche mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) umfasst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil (2, 2') eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht (10), und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht (10) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') kontinuierlich abnimmt. Die Erfindung betrifft auch eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) mit einem graduellen Zusammensetzungsverlauf zur Verkapselung eines elektrischen Bauteils (2, 2') sowie ein entsprechend erhaltenes verkapseltes elektrisches Bauteil (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils, eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung mit einem graduellen Zusammensetzungsverlauf zur Verkapselung eines elektrischen Bauteils sowie ein entsprechend erhaltenes verkapseltes elektrisches Bauteil.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Bauteile, wie elektrische Steuergeräte oder Microcontroller, werden zum Schutz der Bauteile vor äußeren Einflüssen, wie mechanischen oder chemischen Einflüssen wie den Kontakt mit umgebenden Medien (z.B. Feuchtigkeit), häufig mit Materialien verkapselt. Typischerweise werden hierfür Polymere wie Silikone, Epoxidharze oder Polyurethane eingesetzt. Ein solches verkapselte elektrische Bauteil ist beispielsweise in DE 10 2015 207 310 offenbart. Auch andere Versieglungsharze sind im Stand der Technik beschrieben, beispielwese in JP 2017-110051 A . Typischerweise werden als Verkapselungsmaterialien Weich- oder Hartvergüsse verwendet.
  • DE 11 2017 005 087 offenbart eine elektrische Steuereinheit, umfassend ein bauteiltragendes Element, das mit mindestens einer elektronischen Komponente versehen ist, wobei eine Verkapselungsschicht aus Laminat mindestens einen Teil eines oder jedes elektronischen Bauteils einkapselt. Die Verkapselungsschicht aus Laminat kann aus einem Klebstoff oder einem anderen Material gebildet werden, das beim Erwärmen biegsam ist und beim Abkühlen weniger biegsam ist oder erstarrt. Abhängig von dem Material, das für das bauteiltragende Element gewählt wird, bewirkt die Bereitstellung der Verkapselungsschicht aus Laminat darauf, dass die beiden Materialien dazu neigen miteinander zu verschmelzen, so dass die Elektronik im Endprodukt effektiv in die Materialien der Struktur eingebettet, verschmolzen oder integriert wird.
  • JP 2016-031301 offenbart eine Sensoreinrichtung umfassend unter anderem eine Elektronikkomponente mit einer Steuereinheit, wobei die Elektronikkomponente durch ein Material mit schichtartigem Aufbau, umfassen eine weiche und eine harte Schicht, geschützt ist. Die weiche Schicht ist beispielsweise aus einem elastischen Silikon gebildet. Die harte Schicht ist beispielsweise aus einem Epoxid-Harz mit einem Füllstoff gebildet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils, wobei das elektrische Bauteil mit einer Verkapselungsschicht versehen wird, welche mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung umfasst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht, und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    1. (a) Bereitstellen mindestens eines ersten Verkapselungsmaterials und mindestens eines zweiten Verkapselungsmaterials;
    2. (b) Bereitstellen mindestens eines zu verkapselnden elektrischen Bauteils, vorzugsweise auf einer Substratoberfläche;
    3. (c) Verkapseln mindestens eines Teils einer Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils mit einer im Wesentlichen flüssigen Verkapselungsmaterialzusammensetzung, wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung durch Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials in situ derart erhalten wird, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung unmittelbar angrenzend an das mindestens eine elektrische Bauteil einen größeren Anteil an dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial umfasst, und wobei der Anteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt,
    4. (d) Härten der Verkapselungsmaterialzusammensetzung auf der Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils, um so ein mit einer Verkapselungsschicht verkapseltes elektrisches Bauteil zu erhalten,
    wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht, und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt.
  • Das Verfahren dient zur Verkapselung elektrischer Bauteile, insbesondere solcher elektrischer Bauteile, die auf Substratoberflächen wie Platinen, Metallsubstraten, Keramiksubstraten oder Wafern angeordnet sind, und mit Verbindungsdrähten (hierin auch als Bonddrähte bezeichnet), zur elektrischen Ansteuerung kontaktiert sind. Gerade solche Bonddrähte sind aufgrund ihrer filigranen Ausgestaltung anfällig für Beschädigungen in Folge mechanischer Krafteinwirkung. Erfindungsgemäß wird eines oder eine Vielzahl elektrischer Bauteile mit dem Verfahren verkapselt. Prinzipiell können sämtliche dem Fachmann bekannte elektrische Bauteile eingesetzt werden. Typische elektrische Bauteile umfassen und Microcontroller, insbesondere elektrische Steuergeräte. Das mindestens eine elektrische Bauteil wird in Verfahrensschritt (b) bereitgestellt, welcher unabhängig vor, während oder nach der Durchführung des Verfahrensschrittes (a) durchgeführt werden kann.
  • Die Verkapselungsmaterialzusammensetzung umfasst mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial eine höhere Elastizität aufweist, als das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial.
  • Das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial umfasst vorzugsweise mindestens ein Polymermaterial, insbesondere ein Polymer und/oder eine Polymermaterialvorstufe wie Monomere und Prepolymere, und/oder mindestens ein keramisches Material sowie Gemische davon. Das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial weist in der Verkapselungsmaterialzusammensetzung eine im Vergleich zu dem mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterial höhere Elastizität auf. Das bedeutet, dass die Elastizität des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials in Verfahrensschritt (a) nicht diese Bedingung erfüllen muss, sofern sich die Elastizitätseigenschaften mindestens eines der Verkapselungsmaterialien während der Verfahrensdurchführung ändert, sodass die Bedingung am Ende des Verfahrens erfüllt ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eines der Verkapselungsmaterialien Polymervorstufen umfasst und während der Verfahrensdurchführung eine Polymerisation oder Vernetzung erfolgt, um so die angestrebte Anpassung der Elastizität zu erzielen.
  • Typischerweise weist das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) ein Elastizitätsmodul von ≥ 0,01 bis ≤ 1 GPa (ermittelt gemäß DIN EN ISO 527) auf.
  • Das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung ebenfalls vorzugsweise mindestens ein Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) und/oder mindestens ein keramisches Material, sowie Gemische davon. Das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial weist nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) eine im Vergleich zum ersten Verkapselungsmaterial geringere Elastizität auf. Es ist vorzugsweise mechanisch und/oder chemisch stabiler und hat zudem gute Barriereeigenschaften gegenüber umgebenden Medien, insbesondere Wasser. Geeignete Polymermaterialien (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) umfassen insbesondere Duroplaste wie Epoxidharze oder vernetzte thermoplastische Polymere wie vernetzte Polyurethane, sowie Gemische davon. Ganz besonders bevorzugt umfasst das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial wenigstens teilweise vernetztes Epoxidharz.
  • Typischerweise weist das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial in dieser Ausführungsform nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) ein Elastizitätsmodul von > 1 bis ≤ 30 GPa (ermittelt gemäß DIN EN ISO 527) auf.
  • Das Polymermaterial im Sinne dieser Erfindung umfasst sowohl Polymere als auch Polymervorstufen wie Monomere und Prepolymere sowie deren Gemische. Geeignete Polymere umfassen insbesondere thermoplastische Polymere und Elastomere wie Polyolefine, Polystyrol, Polyurethane und Polysiloxane, sowie Gemische davon. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials vorzugsweise nicht oder nur gering vernetzte thermoplastische Polymere, welche gegebenenfalls durch Zugabe von Kautschukpartikeln schlagzähmodifiziert sein können. In einer weiteren alternativen, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial wenigstens teilweise vernetztes Polysiloxan (Silikonkautschuk) und oder thermoplastische Elastomere wie thermoplastische Polyamidelastomere, thermoplastische Copolyesterelastomere, thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (z.B. PP/EPDM), thermoplastische Styrol-Blockcopolymere (z.B. SBS, SEBS, SEPS, SEEPS und MBS), thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis, thermoplastische Vulkanisate oder vernetzte thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, (insbesondere gering vernetztes PP/EPDM). Geeignete Polymervorstufen umfassen Monomere und Prepolymere, insbesondere solche der vorgenannten Polymere.
  • Wird ein Elastomer als das mindestens eine erste oder zweite Verkapselungsmaterial eingesetzt, weist dieses typischerweise eine Glasübergangstemperatur TG von ≤ 20°C, stärker bevorzugt ≤ 10°C, insbesondere ≤ 0°C auf.
  • Wird ein thermoplastisches Polymer als das mindestens eine erste oder zweite Verkapselungsmaterial eingesetzt, so ist dieses vorzugsweise nicht vernetzt und stärker bevorzugt mit einer Schlagzähmodifizierung ausgerüstet. Hierzu umfasst das mindestens eine erste oder zweite Verkapselungsmaterial typischerweise neben dem thermoplastisches Polymer Kautschukpartikel, die gleichmäßig im thermoplastischen Polymer verteilt sind.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial ein keramisches Material. Geeignete keramische Materialien umfassen beispielsweise Glimmer.
  • Darüber hinaus kann das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial weitere Additive, wie insbesondere Füllstoffe, Kautschukpartikel, Weichmacher, Härter und/oder Vernetzungsmittel umfassen. Geeignete Additive zur Regulierung der mechanischen Eigenschaften des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials sind dem Fachmann bekannt und werde hinsichtlich der Art und Menge so ausgewählt, dass das gewünschte Eigenschaftsprofil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials erreicht wird, insbesondere hinsichtlich des Unterschieds der Elastizität des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und der Elastizität des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial insbesondere Additive wie Härter, Vernetzungsmittel und/oder Füllstoffe, welche durch Mischen mit Polymermaterialien des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials und /oder des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial und gegebenenfalls chemischer Reaktion der Komponenten miteinander das gewünschte Eigenschaftsprofil der Verkapselungsmaterialzusammensetzung bzw. der Verkapselungsschicht auf der Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) bereitstellen. So kann beispielsweise das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial eine Polymervorstufe umfassen und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial im Wesentlichen aus einem Härter oder Vernetzungsmittel bestehen. Während des Verfahrensschritts (c) wird eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung auf mindestens einen Teil der Oberfläche des elektrischen Bauteils aufgebracht, welche einen Zusammensetzungsgradienten aufweist, der sich mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils durch einen höheren Anteil an dem mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterial auszeichnet. Durch anschließende chemische Reaktion während der Härtung in Verfahrensschritt (d) wird das gewünschte mechanische Eigenschaftsprofil der Verkapselungsschicht erreicht.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial ein keramisches Material.
  • Geeignete keramische Materialien umfassen Korund (Aluminiumoxid), Bornitrid, Siliziumcarbid sowie Gemische davon.
  • Darüber hinaus kann das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial weitere Additive, wie insbesondere Füllstoffe, Kautschukpartikel, Weichmacher, Härter, Polymerisationsinitiatoren und/oder Vernetzungsmittel umfassen. Geeignete Additive zur Regulierung der mechanischen Eigenschaften des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials sind dem Fachmann bekannt und werde hinsichtlich der Art und Menge so ausgewählt, dass das gewünschte Eigenschaftsprofil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials erreicht wird, insbesondere hinsichtlich des Unterschieds der Elastizität des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und der Elastizität des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials. Zudem können weitere Additive eingesetzt werden, beispielsweise bekannte Additive wie Oxidationsinhibitoren oder Nukleierungsmittel.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung und somit auch die Verkapselungsschicht und das verkapselte elektrische Bauteil daher neben dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial und dem mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterial ferner mindestens ein Additiv, insbesondere mindestens einen Füllstoff. Dabei kann das mindestens eine Additiv der Verkapselungsmaterialzusammensetzung direkt und/oder als Bestandteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und/oder des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials zugeführt werden.
  • Das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial unterscheiden sich insbesondere nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften voneinander. Um das zu erreichen, sind das mindestens eine erste mindestens eine erste Verkapselungsmaterial und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial unterschiedlich voneinander. Es ist allerdings im Rahmen der Erfindung möglich, dass das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial aus demselben Grundmaterial besteht, beispielsweise demselben Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) und/oder demselben keramischen Material, welchem jedoch Additive, wie z.B. Härter und/oder Vernetzungsmittel, unterschiedlicher Art und/oder in unterschiedlicher Menge beigemischt werden. So ist es beispielsweise möglich, dass sowohl das erste Verkapselungsmaterial als auch das zweite Verkapselungsmaterial Silikon als Grundmaterial umfasst, diesem aber unterschiedlichen Mengen an Füllstoffen, Härter und/oder Vernetzungsmittel beigemischt werden, wobei das zweite Verkapselungsmaterial den höheren Füllstoffgehalt und dadurch eine höhere mechanische Stabilität und geringere Elastizität aufweist. In einer alternativen Ausführungsform können das erste Verkapselungsmaterial und das zweite Verkapselungsmaterial thermoplastische Polymere umfassen, wobei dem zweiten Verkapselungsmaterial ein geeignetes Vernetzungsmittel beigemischt wurde und das zweite Verkapselungsmaterial so einen höheren Vernetzungsgrad aufweist als das erste Verkapselungsmaterial. Die Vernetzung kann so in situ in der Verkapselungsschicht durchgeführt werden, beispielsweise durch photochemische Initiation. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können das erste Verkapselungsmaterial und das zweite Verkapselungsmaterial thermoplastische Polymere umfassen, wobei dem zweiten Verkapselungsmaterial ein geeignetes Vernetzungsmittel beigemischt wurde und das zweite Verkapselungsmaterial so einen höheren Vernetzungsgrad aufweist als das erste Verkapselungsmaterial. Die Vernetzung kann so in situ in der Verkapselungsschicht durchgeführt werden, beispielsweise durch photochemische Initiation.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft somit ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei sich das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial dadurch voneinander unterscheiden, dass diesen unterschiedliche Mengen und/oder Arten an Additiven, insbesondere Füllstoffen, zugesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft somit auch ein zuvor beschriebenes Verfahren, wobei das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial jeweils ein Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) umfasst, und sich das Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) des ersten Verkapselungsmaterials und das Polymermaterial (d.h. Polymer oder Polymervorstufe) des zweiten Verkapselungsmaterials durch ihren jeweiligen Vernetzungsgrad voneinander unterscheiden.
  • Wie zuvor ausgeführt wurde, wird in Verfahrensschritt (b) das mindestens eine zu verkapselnde elektrische Bauteil bereitgestellt.
  • In Verfahrensschritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens eines Teils einer Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils mit einer im Wesentlichen flüssigen Verkapselungsmaterialzusammensetzung verkapselt, wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung durch Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials in situ derart erhalten wird, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung unmittelbar angrenzend an das mindestens eine elektrische Bauteil eine größeren Anteil an dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial umfasst, und wobei der Anteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt.
  • Das Mischen kann mittels jedem, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, sofern durch das Mischen eine im Wesentlichen flüssige Verkapselungsmaterialzusammensetzung erhalten wird, deren Zusammensetzung kontinuierlich variiert werden kann.
  • „Im Wesentlichen flüssig“ bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung fließfähig (d.h. flüssig oder viskos) ist, während sie jedoch Bestandteile, insbesondere Additive (z.B. Füllstoffe) umfassen kann, welche unter den vorherrschenden Bedingungen nicht flüssig sind.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Verkapselungsschicht bereitgestellt, indem mindestens eine im Wesentlichen flüssige Verkapselungsmaterialzusammensetzung, umfassend mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial, auf mindestens einem Teil einer Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils aufgebracht wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verkapselungsschicht nur auf einen Teil der Oberfläche des elektrischen Bauteils aufgebracht, insbesondere auf einen gegenüber äußeren Einflüssen besonders empfindlichen Teil wie die Bonddrähte des elektrischen Bauteils. In einer alternativen Ausführungsform wird die gesamte Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils mit der Verkapselungsschicht versehen, sodass dieses vorzugsweise vollständig mit der Verkapselungsmaterialzusammensetzung verkapselt ist.
  • Die im Wesentlichen flüssige Verkapselungsmaterialzusammensetzung kann mittels eines bekannten Verfahrens auf mindestens einem Teil einer Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils aufgebracht werden, insbesondere eines Spritzgussverfahrens (Injection Molding), Spritzpressverfahrens (Transfer Molding), Formpressverfahrens (Compression Molding) oder eines Dispersionsverfahrens, und so die Verkapselungsschicht bilden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Verkapselungsschicht in Verfahrensschritt (c) mittels eines Spritzgussverfahrens durchgeführt. Spritzgussverfahren ermöglichen in einfacher Weise die kontinuierliche Variation der Verkapselungsmaterialzusammensetzung, indem die jeweiligen Anteile des eingesetzten mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials sowie gegebenenfalls zugesetzter Additive variiert wird. Vorzugsweise wird die Verkapselungsmaterialzusammensetzung durch Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials sowie gegebenenfalls zugesetzter Additive in Verfahrensschritt (c) in situ in einem Spritzgusswerkzeug erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung daher das zuvor beschriebene Verfahren, wobei das Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials in Verfahrensschritt (c) in situ in einem Spritzgusswerkzeug durchgeführt wird.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt (d) wird die Verkapselungsmaterialzusammensetzung auf der Oberfläche des zu verkapselnden Bauteils gehärtet, um so ein verkapseltes Bauteil zu erhalten. Der Härtungsprozess umfasst dabei physikalische und/oder chemische Härtungsprozesse. Chemische Härtung umfasst insbesondere die Polymerisation und/oder Vernetzung von Polymervorstufen und ggf. Polymeren. Die physikalische Härtung umfasst insbesondere das Erstarren von Polymerschmelzen. Insbesondere wenn die Verkapselungsmaterialzusammensetzung aus einem Gemisch verschiedener Materialien besteht (z.B. Polymere, Polymervorstufen und Additive wie Härter oder Vernetzungsmittel) kann das Härten auch aus einer Kombination aus chemischen und physikalischen Prozessen erfolgen.
  • Das so erhaltene gehärtete Produkt weist das gewünschte Eigenschaftsprofil auf. Das bedeutet, dass die gehärtete Verkapselungsmaterialzusammensetzung bzw.
    die Verkapselungsschicht mindestens nach der Durchführung des Verfahrensschritts (d) einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils eine größere Elastizität aufweist, als die
    Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht, und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt.
  • Vorzugsweise weist die Verkapselungsmaterialzusammensetzung bzw. die Verkapselungsschicht nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) ein maximales Elastizitätsmodul an der Oberfläche des elektrischen Bauteils auf, wobei dieses mindestens einen Wert von mindestens ≥ 0,01 bis ≤ 1 GPa (ermittelt gemäß DIN EN ISO 527) hat.
  • Vorzugsweise weist die Verkapselungsmaterialzusammensetzung bzw. die Verkapselungsschicht nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) ein minimales Elastizitätsmodul an der von dem elektrischen Bauteil abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht auf, wobei dieses einen von mindestens ≥ 0,01 bis ≤ 1 GPa (ermittelt gemäß DIN EN ISO 527) hat.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein verkapseltes elektrisches Bauteil, umfassend mindestens ein elektrisches Bauteil, vorzugsweise mindestens ein Substrat, auf welchem das mindestens eine elektrische Bauteil angeordnet ist und mindestens eine Verkapselungsschicht, wobei die Verkapselungsschicht das mindestens eine elektrische Bauteil ganz oder teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsschicht aus mindestens einer gehärteten Verkapselungsmaterialzusammensetzung besteht, welche mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial umfasst, wobei die mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des mindestens eine elektrische Bauteils eine größeren Anteil an dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial umfasst, und der Anteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des verkapselten elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt. Im Gegenzug nimmt der Anteil des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich zu. Gegenstand der Erfindung ist auch ein verkapseltes elektrisches Bauteil, umfassend mindestens ein elektrisches Bauteil, vorzugsweise mindestens ein Substrat, auf welchem das mindestens eine elektrische Bauteil angeordnet ist und mindestens eine Verkapselungsschicht, wobei die Verkapselungsschicht das mindestens eine elektrische Bauteil ganz oder teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsschicht aus mindestens einer gehärteten Verkapselungsmaterialzusammensetzung besteht, welche mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial umfasst, und die Verkapselungsmaterialzusammensetzung einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht, und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt.
  • Die zuvor hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens getroffenen Definitionen und Erläuterungen sind entsprechend auf diesen Gegenstand der Erfindung übertragbar.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein entsprechendes verkapseltes elektrisches Bauteil, wobei das verkapselte elektrisches Bauteil nach dem zuvor beschriebenen Verfahren erhalten wurde.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung einer Verkapselungsschicht für die Verkapselung elektrischer Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung der Verkapselungsschicht an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht, und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt.
  • Die zuvor hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens getroffenen Definitionen und Erläuterungen sind entsprechend auf diesen Gegenstand der Erfindung übertragbar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Verkapselung empfindlicher elektrischer Bauteile wie insbesondere Steuergeräte und Microcontroller eingesetzt werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es mittels eines einfachen, sehr flexiblen Prozesses elektrische Bauteile jeglicher Art mit einer Verkapselungsschicht zu versehen, welche aufgrund der elastischen Eigenschaften des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials Spannungen des Bauteils durch Verformungen aufgenommen und so mechanische Schädigungen unterbunden werden. Die Eigenschaften des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials bieten einen Schutz des elektrischen Bauteils gegenüber äußerer mechanischer und chemischer Einflüsse wie insbesondere die Diffusion von umgebenden Medien wie Feuchtigkeit. Das Verfahren ist leicht in bestehende Prozesse integrierbar und kann über weite Zusammensetzungsbereiche der Verkapselungsmaterialzusammensetzung und somit auch weite Eigenschaftsprofilbereiche der Verkapselungsschicht variiert werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Spritzgusswerkzeugs;
    • 2 ein Diagramm eines exemplarischen Verlaufs des Volumenstroms aus dem Spritzgusswerkzeug während der Verfahrensdurchführung; und
    • 3 schematisch alternative Ausführungsformen eines verkapselten elektrischen Bauteils.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • In 1 ist schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Spritzgusswerkzeugs 20 dargestellt. Das Spritzgusswerkzeug 20 umfasst eine erste Dosiervorrichtung 21 und eine zweite Dosiervorrichtung 22, sowie eine Mischkammer 23, welche mit der ersten Dosiervorrichtung 21 und der zweite Dosiervorrichtung 22 verbunden ist und durch diese mit einem ersten Verkapselungsmaterial 12 und einem zweiten Verkapselungsmaterial 13 gespeist wird. Die Mischkammer 23 kann einen statischen oder dynamischen Mischer umfassen. Durch das Mischen des ersten Verkapselungsmaterials 12 und des zweiten Verkapselungsmaterials 13 wird in der Mischkammer 23 eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung 11 gebildet, welche über die Dosiervorrichtungen 21, 22 eine variable Zusammensetzung aufweist, die über die gesamte Verfahrensdauer flexibel angepasst werden kann. Über die Austrittsöffnung 24 des Spritzgusswerkzeugs 20 wird die Verkapselungsmaterialzusammensetzung 11 variabler Zusammensetzung auf das zu verkapselnde elektrische Bauteil 2, 2' aufgebracht. Die elektrischen Bauteile 2, 2' sind auf einem Substrat 3 angeordnet und werden vollständig von der Verkapselungsmaterialzusammensetzung 11 umhüllt, welche so die Verkapselungsschicht 10 ausbildet. Man erhält das verkapselte elektrische Bauteil 1. Durch das in 2 näher erläuterte Profil des Volumenstroms 31 während der Verfahrensdurchführung, wird eine Verkapselungsschicht 10 erhalten, welche unmittelbar an der Oberfläche des elektrischen Bauteils 2, 2' vornehmlich aus ersten Verkapselungsmaterial 12 besteht und an der von dem elektrischen Bauteil 2, 2' abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht 10 vornehmlich aus dem zweiten Verkapselungsmaterial 13 besteht.
  • 2 zeigt ein Diagramm eines exemplarischen Verlaufs des Volumenstroms 31 aus dem Spritzgusswerkzeug 20 während der Verfahrensdurchführung. Auf der Abszisse ist die Zeit 32 dargestellt, auf der Ordinate ist der Volumenstrom 31 dargestellt. Mit fortschreitendem Verlauf der Verfahrensdurchführung wird der Volumenstrom 31 des ersten Verkapselungsmaterials 12 kontinuierlich reduziert, während der Volumenstrom 31 des zweiten Verkapselungsmaterials 13 kontinuierlich angehoben wird. Der Volumenstrom 31 der aus dem Mischen des ersten Verkapselungsmaterials 12 und des zweiten Verkapselungsmaterials 13 entstehenden Verkapselungsmaterialzusammensetzung 11 bleibt konstant, weist jedoch eine sich kontinuierlich ändernde Zusammensetzung auf.
  • 3 zeigt schematisch alternative Ausführungsformen eines verkapselten elektrischen Bauteils 1. Diese unterscheiden sich aufgrund der angewendeten Prozesse wie Spritzgussverfahren (Injection Molding), Spritzpressverfahren (Transfer Molding) oder Formpressverfahren (Compression Molding).
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • 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 102015207310 [0002]
    • JP 2017110051 A [0002]
    • DE 112017005087 [0003]
    • JP 2016031301 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN ISO 527 [0010, 0012, 0034, 0035]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines verkapselten elektrischen Bauteils (1), wobei das elektrische Bauteil (2, 2') mit einer Verkapselungsschicht (10) versehen wird, welche mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil (2, 2') eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht (10), und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht (10) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') kontinuierlich abnimmt, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Bereitstellen mindestens eines ersten Verkapselungsmaterials (12) und mindestens eines zweiten Verkapselungsmaterials (13); (b) Bereitstellen mindestens eines zu verkapselnden elektrischen Bauteils (2, 2'), vorzugsweise auf einer Substratoberfläche; (c) Verkapseln mindestens eines Teils einer Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils (2, 2') mit einer im Wesentlichen flüssigen Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11), wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) durch Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials (12) und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials (13) in situ derart erhalten wird, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) unmittelbar angrenzend an das mindestens eine elektrische Bauteil (2, 2') eine größeren Anteil an dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial (12) umfasst, und wobei der Anteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials (12) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils (2, 2') kontinuierlich abnimmt, (d) Härten der Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) auf der Oberfläche des zu verkapselnden elektrischen Bauteils (2, 2'), um so ein mit einer Verkapselungsschicht verkapseltes Bauteil (1)zu erhalten, wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) nach dem Härten gemäß Verfahrensschritt (d) unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil (2, 2') eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht (10), und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht (10) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') kontinuierlich abnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verkapselungsschicht (10) in Verfahrensschritt (c) mittels eines Spritzgussverfahrens bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mischen des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials (12) und des mindestens einen zweiten Verkapselungsmaterials (13) in Verfahrensschritt (c) in situ in einem Spritzgusswerkzeug (20) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial (12) mindestens ein Polymermaterial, insbesondere ein Polymer und/oder eine Polymermaterialvorstufe wie Monomere und Prepolymere, und/oder mindestens ein keramisches Material sowie Gemische davon umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial (13) mindestens ein Polymermaterial, insbesondere ein Polymer und/oder eine Polymermaterialvorstufe wie Monomere und Prepolymere, und/oder mindestens ein keramisches Material sowie Gemische davon umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial (12) und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial (13) dadurch voneinander unterscheiden, dass diesen unterschiedliche Mengen und/oder Arten an Additiven, insbesondere Füllstoffen, Härtern und/oder Vernetzungsmitteln, zugesetzt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine erste Verkapselungsmaterial (12) und das mindestens eine zweite Verkapselungsmaterial (13) jeweils ein Polymermaterial, insbesondere ein Polymer und/oder eine Polymermaterialvorstufe wie Monomere und Prepolymere, umfasst, und sich das Polymermaterial des ersten Verkapselungsmaterials (12) und das Polymermaterial des zweiten Verkapselungsmaterials (13) durch ihren jeweiligen Vernetzungsgrad voneinander unterscheiden.
  8. Verkapseltes elektrisches Bauteil (1), umfassend mindestens ein elektrisches Bauteil (2, 2'), vorzugsweise mindestens ein Substrat (3), auf welchem das mindestens eine elektrische Bauteil (2, 2') angeordnet ist, und mindestens eine Verkapselungsschicht (10), wobei die Verkapselungsschicht (10) das mindestens eine elektrische Bauteil (2, 2') ganz oder teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsschicht (10) aus mindestens einer gehärteten Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) besteht, welche mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial (12) und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial (13) umfasst, wobei die mindestens eine Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des mindestens eine elektrische Bauteils (2, 2') eine größeren Anteil an dem mindestens einen ersten Verkapselungsmaterial (12) umfasst, und der Anteil des mindestens einen ersten Verkapselungsmaterials (12) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des verkapselten elektrischen Bauteils (1) kontinuierlich abnimmt.
  9. Verkapseltes elektrisches Bauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsschicht (10) aus mindestens einer gehärteten Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) besteht, welche mindestens ein erstes Verkapselungsmaterial (12) und mindestens ein zweites Verkapselungsmaterial (13) umfasst, und die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, sodass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) unmittelbar angrenzend an das elektrische Bauteil (2, 2') eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht (10), und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht (10) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils kontinuierlich abnimmt
  10. Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) für eine Verkapselungsschicht (10) elektrischer Bauteile (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) einen graduellen Zusammensetzungsverlauf aufweist, wobei die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des mindestens einen elektrischen Bauteils (2, 2') eine größere Elastizität aufweist, als die Verkapselungsmaterialzusammensetzung (11) der Verkapselungsschicht (10) an der von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') abgewandten Oberfläche der Verkapselungsschicht (10), und wobei die Elastizität der Verkapselungsschicht (10) mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des elektrischen Bauteils (2, 2') kontinuierlich abnimmt.
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