DE102021202222A1 - Verbundmaterial - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial zum Schutz von elektronischen Komponenten, umfassend zumindest einen ersten Materialanteil und einen zweiten Materialanteil, wobei der erste Materialanteil zumindest ein Hybridpolymer, wobei das zumindest eine Hybridpolymer zumindest einen der Stoffe- Sol-Gel-Mischung mit einem organischen Gesamtanteil, TOC, von unter 75 Gew.-%,- Silikonharz, und/oder- Polysilsesquioxan, und/oder Kombinationen hiervon umfasst und wobei der zweite Materialanteil einen Partikelfüllstoff umfasst.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verkapselungsmaterial, ein Formmaterial, ein Vergussmaterial, ein Unterfüllmaterial, ein Klebematerial und/oder ein Beschichtungsmaterial umfassend ein Verbundmaterial.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine elektronische und/oder Halbleiterkomponente umfassend ein Verbundmaterial.
• Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verwendung eines Verbundmaterials zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Präkursorpaste für ein Verbundmaterial.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Verkapselungsmasse, eine Formmasse, eine Vergussmasse, eine Unterfüllmasse, eine Klebemasse und/oder eine Beschichtungsmasse umfassend eine Präkursorpaste.
• Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verwendung einer Präkursorpaste zum Bereitstellen eines Verbundmaterials zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente.
• Obwohl allgemein auf beliebige Komponenten anwendbar wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf elektronische und/oder Halbleiterkomponenten erläutert.
• In der Elektronikindustrie ist es üblich, die empfindlichen elektronischen, halbleiterbasierten Bauteile, beispielsweise Chips, Speicherelemente oder dergleichen, zu deren - insbesondere - mechanischem Schutz sowie zu deren besseren Handhabbarkeit beim Verbau in die integrierten Schaltungen, beispielsweise Leiterplatten, Printed Circuit Boards, PCBs, mit einer Vergussmasse zu versehen. Üblicherweise kommen hierfür Dispersionen und Pasten zum Einsatz, die eine flüssige Harzvorstufe oder Thermoplasten und in der Regel mindestens einen partikulären Füllstoff, zum Beispiel SiO₂, Al₂O₃, etc., aufweisen. Diese werden in der Regel mit einer geeigneten Vorrichtung um das Bauteil herum oder auf oder unter das Bauteil appliziert und in einem Folgeschritt zu einem festen Verbundmaterial ausgehärtet.
• Häufig sind die Harzvorstufen oder Thermoplaste rein organisch basiert. Beispielsweise ist die Anwendung von bifunktionellen Epoxidharzen in der US 9,045,585 B2 oder der US 10,043,782 B2 gezeigt und die Verwendung von Polyurethanen ist in der US 10,674,612 B2 gezeigt. Diese Materialien werden üblicherweise mit in der Regel ebenfalls bifunktionellen Härtern versetzt. Beide Komponenten werden nach Applikation der Vergussmasse thermisch zur Reaktion gebracht und unter Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerks vernetzt.
• Es ist weiter bekannt geworden, dass Verguss-, Klebe- und Unterfüllmassen, bei denen organobasierte Harze zum Einsatz kommen, nur bei Temperaturen von maximal 200 °C dauerhaft belastbar sind. Werden die Massen über eine längere Betriebsdauer höheren Temperaturen ausgesetzt, kommt es zur Degradation des Polymernetzwerks, die bis zur vollständigen Veraschung führen kann. Die gewünschte Funktion als Schutz vor mechanischer Belastung oder vor Feuchtigkeitseinwirkung geht dann verloren.
• Kommende Generationen elektronischer Komponenten werden jedoch zukünftig voraussichtlich bei Temperaturen von mehr als 200 °C betrieben, zum Beispiel basierend auf neuen Materialien wie SiC, da diese höhere Leistungen/Schaltfrequenzen ermöglichen. Entsprechend besteht auch an die bei deren Integration verwendeten Verguss-, Klebe- und Unterfüllmassen die Anforderung, Temperaturen oberhalb von 200 °C dauerhaft standhalten zu können, ohne eine nennenswerte Degradation zu zeigen. Aus der US 7,352,045 B2 ist ein Glas als Verkapselungsmaterial bekannt geworden, dessen Verarbeitungstemperaturen jedoch sehr hoch sind und für manche Komponenten im elektronischen Bauteil nicht tragbar sind.
• Weiterhin ist es bekannt geworden, organische Massen, beispielsweise Polymere, welche als Vergussmasse, Klebstoff und zum Füllen von Spalten in elektronischen Anwendungen eingesetzt werden können, mit gering ausdehnenden Füllstoffen zu versehen. Organische Verbindungen, insbesondere Polymere, weisen in der Regel eine sehr hohe thermische Ausdehnung auf. Sollen solche Polymere zur Einhausung, zur Verklebung oder zum Füllen von Spalten eingesetzt werden, insbesondere zur Einhausung, Verklebung oder Unterfüllung von anorganischen Materialien, wie dies im Bereich der Chip-Industrie, aber auch bei optischen Anwendungen der Fall ist, kann es hierbei zu Schwierigkeiten kommen, wenn der Klebeverbund größeren thermischen Schwankungen ausgesetzt ist. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Polymers und der zu verklebenden, anorganisch ausgebildeten Materialien werden zwischen den zu klebenden Materialien thermomechanische Spannungen induziert, welche im schlimmsten Falle sogar zu einem mechanischen Versagen des geklebten Bauteils führen können, beispielsweise durch Rissbildung oder Schichtablösung oder dergleichen.
• Ausführungsformen der Erfindung befassen sich daher mit dem Problem eines Verbundmaterials zum Schutz von insbesondere elektronischen Komponenten, das eine verbesserte Temperaturstabilität aufweist, insbesondere stabil bei Temperaturen oberhalb von 200 °C ist.
• Ausführungsformen der Erfindung befassen sich mit dem weiteren Problem eines Verbundmaterials zum Schutz von insbesondere elektronischen Komponenten, das eine sehr niedrige thermische Ausdehnung aufweist, insbesondere weniger als 50 ppm.
• Ausführungsformen der Erfindung befassen sich mit dem weiteren Problem der Bereitstellung eines alternativen Verbundmaterials, einer alternativen Verkapselungsmasse, einer alternativen Formmasse, einer alternativen Vergussmasse, einer alternativen Unterfüllmasse, einer alternativen Klebemasse und/oder einer alternativen Beschichtungsmasse, einer alternativen elektronischen und/oder Halbleiterkomponente und einer alternativen Verwendung eines Verbundmaterials.
• In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verbundmaterial zum Schutz von elektronischen Komponenten bereit, umfassend zumindest einen ersten Materialanteil und einen zweiten Materialanteil, wobei der erste Materialanteil zumindest ein Hybridpolymer aufweist, wobei das zumindest eine Hybridpolymer zumindest einen der Stoffe
• - Sol-Gel-Mischung mit einem organischen Gesamtanteil, TOC, von unter 75 Gew.-%,
• - Silikonharz, und/oder
• - Polysilsesquioxan,
und/oder Kombinationen hiervon aufweist und wobei der zweite Materialanteil einen Partikelfüllstoff umfasst.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Verkapselungsmasse, eine Formmasse, eine Vergussmasse, eine Unterfüllmasse, eine Klebemasse und/oder eine Beschichtungsmasse umfassend ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15 bereit.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine elektronische und/oder Halbleiterkomponente umfassend ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15 und/oder eine Masse gemäß Anspruch 16 bereit.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Verbundmaterials gemäß einem der Ansprüche 1-15 zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente bereit, vorzugsweise einen RFID-Chip.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Präkursorpaste für ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15 zum Schutz von elektronischen Komponenten bereit, wobei die Präkursorpaste zumindest einen ersten Materialanteil und einen zweiten Materialanteil umfasst, wobei der erste Materialanteil zumindest ein chemisch reaktives Hybridpolymer umfasst, wobei das zumindest eine chemisch reaktive Hybridpolymer zumindest einen der Stoffe
• - reaktive Sol-Gel-Mischung mit einem organischen Gesamtanteil, TOC, von unter 85 Gew.-%,
• - reaktives oder inertes Silikonharz, und/oder
• - reaktives Polysilsesquioxan,
und/oder Kombinationen hiervon umfasst und wobei der zweite Materialanteil einen Partikelfüllstoff umfasst.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Verkapselungsmasse, eine Formmasse, eine Vergussmasse, eine Unterfüllmasse, eine Klebemasse und/oder eine Beschichtungsmasse umfassend eine Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-29 bereit.
• In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-29 zum Bereitstellen eines Verbundmaterials zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente, vorzugsweise eines RFID-Chips bereit.
• Eine Sol-Gel-Mischung kann beispielsweise auf einem Metalloxid- oder metallischem Netzwerk basieren, vorzugsweise einem SiO₂-Netzwerk. Wie in der WO 2014/086619 A2 , die hiermit durch Verweis mit einbezogen ist, beschrieben ist, werden Metallalkoholate vorzugsweise als Sol-Gel-Startmaterialien für die Sol-Gel-Mischung oder Sol-Gel-Matrix benutzt, vorzugsweise in Form von Alkoxysilanen. Ein Tetraalkoxysilan, beispielsweise Tetraethoxysilan (TEOS) in Kombination mit einem Trialkoxysilan, welches eine organische Vernetzungsfähigkeit aufweist, kann bevorzugt werden.
• Um einen hohen Grad an Vernetzungsfähigkeit mit der Hybridpolymer Sol-Gel Matrix sicherzustellen, können Alkoxysilane mit den folgenden Eigenschaften benutzt werden: Epoxy-, Acrylat-, Methacrylat-, Vinyl- oder Allylsilane. Stabile oder flexible Netzwerkstrukturen können je nach Einstellung der Reste aufgebaut werden. Geeignet sind beispielsweise Glycidoxypropyltriethoxysilan (GPTES), Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MEMO oder MPTMS), Methacryloxypropyltriethoxysilan (MPTES) oder Vinyltriethoxysilan (VTES).
• Die Herstellung des Hydrolysats erfolgt durch die gezielte Umsetzung der Monomere mit Wasser. Bevorzugt wird dies in Gegenwart eines Katalysators, insbesondere einer Säure, durchgeführt, beispielsweise HCl oder para-Toluolsulfonsäure, jedoch erfolgt in einer speziellen Ausführungsform die Hydrolyse mit einer wässrigen Nanopartikeldispersion. Der anorganische Vernetzungsgrad des Hydrolysates wird über das Verhältnis Wasser zu Monomeren eingestellt, wobei der anorganische Vernetzungsgrad dabei bevorzugt zwischen 11 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 % liegt.
• Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil eines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials verwirklichen, das heißt der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient für das gesamte Verbundmaterial ist niedriger verglichen mit bekannten Verbundmaterialien zum Schutz elektronischer Komponenten.
• Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil einer hohen Temperaturstabilität verwirklichen, insbesondere für Temperaturen oberhalb von 200 °C, beispielsweise im Temperaturbereich zwischen 60 °C und mindestens 300 °C, insbesondere bis zu 400 °C.
• Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil eines günstigen und einfach zu benutzenden Verbundmaterials verwirklichen.
• Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil eines einfach herzustellenden Verbundmaterials verwirklichen.
• Ausführungsformen der Erfindung können den Vorteil eines Verbundmaterials mit erhöhter Flexibilität in Bezug auf die Anpassbarkeit der Eigenschaften, beispielsweise dielektrische Eigenschaften, thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, elektromagnetische Abschirmung, Viskosität, Farbe oder dergleichen, verwirklichen.
• Der Begriff „Hybridpolymer“ soll im weitesten Sinne verstanden werden und bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf Polymermaterialien, die Struktureinheiten verschiedener Materialklassen auf molekularer Ebene kombinieren. Im Unterschied zu Verbundwerkstoffen mit definierten Phasengrenzen und schwachen Wechselwirkungen zwischen den Phasen und Nanokompositen unter Verwendung nanoskaliger Füllstoffe sind die Struktureinheiten von Hybridpolymeren auf molekularer Ebene miteinander verknüpft. Beispiele für Hybridpolymere sind Sol-Gel-Zusammensetzungen, Silikonharze und Polysesquisiloxane.
• Die Formulierung „Partikel des Partikelfüllmaterials“ kann sich, insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf alle Partikel des Partikelfüllmaterials beziehen oder kann alle Partikel des Partikelfüllmaterials bedeuten.
• Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von +20 ppm/K oder niedriger auf, vorzugsweise von +15 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +10 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +5 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +2 ppm/K oder niedriger. Einer der Vorteile ist, dass ein niedriger CTE bereitgestellt wird, der es ermöglicht, Verbundmaterialien zum Schutz von Komponenten in einem größeren Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erste Materialanteil eine Alkaliionen-Störstellendichte von weniger als 10 ppm, vorzugsweise weniger als 5 ppm, vorzugsweise weniger als 3 ppm auf. Einer der Vorteile kann sein, dass die Funktionalität der Halbleiterkomponenten auf lange Sicht nicht beeinträchtigt wird und folglich ihre Zuverlässigkeit garantiert ist.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verbundmaterial einen Glühverlust von weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 25 Gew.- %, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-% für Temperaturen unterhalb von 400 °C, vorzugsweise unterhalb von 450 °C auf. Einer der Vorteile kann sein, dass eine hohe Temperaturstabilität bereitgestellt wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₉ ≤ 70 µm, vorzugsweise ≤ 40 µm, vorzugsweise ≤ 25 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm auf und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₅ ≤ 65 µm, vorzugsweise ≤ 35 µm, vorzugsweise ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 8 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₅₀ ≤ 30 µm, vorzugsweise ≤ 7 µm, vorzugsweise ≤ 3 µm aufweisen. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache und schnelle Homogenisierung der Partikel im Verbundmaterial erhalten werden kann, da das Kollektiv der Partikel eine niedrige spezifische Oberfläche SSA hat und damit eine geringe Neigung zur Agglomeration.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen ein Kollektiv von Partikeln des Partikelfüllmaterials eine spezifische Oberfläche SSA < 3 m²/g, vorzugsweise < 2 m²/g, vorzugsweise < 1 m²/g, vorzugsweise < 0,5 m²/g auf. Dies stellt eine geringe Neigung der Partikel zur Agglomeration sicher.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Partikel des Partikelfüllmaterials einen Polydispersionsindex von mehr als 3,0, vorzugsweise mehr als 3,5, vorzugsweise mehr als 4,0, vorzugsweise mehr als 4,5 auf. Dies ermöglicht einen hohen Füllgrad. Der Begriff „Polydispersionsindex“, der sich auf die Partikelgrößenverteilung bezieht, ist als dekadischer Logarithmus (Logarithmus zur Basis 10) des Quotienten aus dem d₉₀- and d₁₀-Wert der Durchmesserverteilung PI = log(d₉₀/d₁₀) zu verstehen.
• Der Begriff „d-Wert“ als Basis für den d₉₀- and d₁₀-Wert wird wie folgt bestimmt:
• Unabhängig von der tatsächlichen Sphärizität werden Partikel eines Pulvers allgemein mit Hilfe eines volumenäquivalenten Kugeldurchmessers unterschieden, der gemessen werden muss, wobei diese dann in ausgewählte Klassen entsprechend ihrer Größe eingeteilt werden. Um eine Partikelgrößenverteilung zu repräsentieren, wird eine Ermittlung der Mengenteile vorgenommen, mit denen die entsprechenden Klassen in dem Pulver vorhanden sind.
• Dies wird anhand verschiedener Mengenarten vorgenommen. Wenn die Partikel gezählt werden, ist der Mengentyp die Anzahl. Im Falle von Wägungen es ist umgekehrt die Masse, oder im Fall einer homogenen Dichte Q_r das Volumen. Andere Arten können von Längen, Projektionsflächen und Oberflächen abgeleitet werden.
• Dabei werden die folgenden unterschieden:

  Mengentyp:	Index r:
  Anzahl	0
  Länge	1
  Fläche	2
  Volumen (Masse)	3

• Ein übliches Mengenmaß zur Beschreibung der Partikelgrößenverteilung in Pulvern ist die kumulative Verteilung Q_r. Der Index r bezeichnet dabei den Mengentyp gemäß der obigen Tabelle.
• Die kumulative Verteilungsfunktion Q_r (d) bezeichnet die standarisierte Menge aller Partikel, die einen äquivalenten Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich d ist. Explizit sind weiter unten kumulative Verteilungen der zwei am meisten üblichen Mengentypen definiert.
  Partikelanzahl (r = 0).
• Wenn N_i die Anzahl aller Partikel ist, die mit einem Durchmesser d von kleiner oder gleich dem betrachteten Durchmesser d_i untersucht wurden und wenn N die Gesamtanzahl aller untersuchten Partikel ist, ist in diesem Fall $$Q_0\left(d_i\right)=\frac{N_i}{N}$$

  

  
  Partikelmasse (r = 3).
• Wenn m_i die Masse aller Partikel ist, die mit einem Durchmesser d kleiner oder gleich dem betrachteten Durchmesser d_i untersucht wurden und wenn m die Gesamtmasse aller untersuchten Partikel ist, ist in diesem Fall $$Q_3\left(d_i\right)=\frac{m_i}{m}$$

  
• Im Sinne der Erfindung sind die d_i-Werte als äquivalente Durchmesserwerte zu verstehen, für die die Q₃ (d_i) kumulative Verteilungsfunktion die folgenden Werte annimmt:
• - d₁₀: Q₃ (d₁₀) = 10%, das heißt 10 Gew.-% der Partikel haben einen Durchmesser weniger oder gleich d₁₀.
• - dso: Q₃ (d₅₀) = 50%, das heißt 50 Gew.-% der Partikel haben einen Durchmesser weniger oder gleich d₅₀.
• - d₉₀: Q₃ (d₉₀) = 90%, das heißt 90 Gew.-% der Partikel haben einen Durchmesser weniger oder gleich d₉₀.
• - d₉₉: Q₃ (d₉₉) = 99%, das heißt 99 Gew.-% der Partikel haben einen Durchmesser weniger oder gleich d₉₉.
• - d₁₀₀: Q3 (d₁₀₀) = 100%, das heißt 100 Gew.-% der Partikel haben einen Durchmesser weniger oder gleich d₁₀₀.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „Polydispersionsindex“ synonym zum Begriff „Polydispersion-Index“ zu verstehen.
• In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials eine kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _real(d) und eine Abweichung einer zufälligen Probe von n Partikeln definiert als $${\delta }^2=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{v=1}^n\left[Q_{\mathrm{3,}real}\left(d\right)-Q_{\mathrm{3,}Andreassen}\left(d\right)\right]}}^2$$

  

  von weniger als 0,030, vorzugsweise von weniger als 0,020, besonders vorzugsweise von weniger als 0,015 von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) auf, wobei die ideale Andreasson kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) erfüllt $$Q_3\left(d\right)={\left(\frac{d}{D}\right)}^q$$

  

  wobei d die Partikelgröße, D die maximale Partikelgröße und q ein Verteilungskoeffizient ist, wobei der Verteilungskoeffizient q zwischen 0,2 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,22 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,24 und 0,38 liegt.
• Eine kleine Abweichung von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion, wie in der Nichtpatentliteratur A. H. M. Andreassen et al., Kolloid-Zeitschrift 50 (1930) 17-228, beschrieben, ermöglicht eine hohe Packungsdichte der Partikel, das heißt hohe Volumenfüllgrade neben ihrem üblicherweise kleinen CTE, was ein reduziertes Schrumpfen bei Erhitzen bewirkt. Beispielsweise, wenn die obere Partikelgröße, repräsentiert durch den d₉₀ -Wert, auf wenige 10 µm oder sogar noch kleiner aus anwendungsbezogenen Gründen beschränkt wird, müssen Nanopulver als ultrafeine Anteile, repräsentiert durch den d₁₀-Wert, verwendet werden, um die obige Bedingung zu erfüllen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt das Verbundmaterial eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm, vorzugsweise mehr als 35 kV/mm, vorzugsweise mehr als 40 kV/mm bereit. Einer der Vorteile kann sein, dass die Integrität der Halbleiterkomponente im Fall von unerwünschten Spannungsbelastungen erhalten bleibt.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphitpartikel, auf mit einem Anteil von 10 Gew.-% oder weniger bezogen auf alle Partikel. Einer der Vorteile kann sein, dass ein niedriger Glühverlust oder Kohleausbeute entsprechend erhalten wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 1 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise einen negativen thermischen Ausdehnugskoeffizienten auf. Einer der Vorteile kann sein, dass ein sehr niedriger Gesamt-CTE für das Verbundmaterial erhalten wird. Ein anderer Vorteil kann eine verbesserte Flexibilität in Bezug auf die Anpassung des CTE an den zugrundeliegenden CTE der Halbleiterkomponente sein, die mittels des Verbundmaterials geschützt wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Partikel zumindest einen der Stoffe amorphes Siliziumdioxid oder Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat in der α, β und/oder γ-Konfiguration. Einer der Vorteile kann sein, dass Partikel mit einem sehr niedrigen oder gar negativen CTE benutzt werden, die einen sehr niedrigen Gesamt-CTE des Verbundmaterials ermöglichen, insbesondere für kristallines Zirkoniumwolframat in der α, β und/oder Υ-Konfiguration.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der zweite Materialanteil einen Volumenanteil von mehr als 10 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 20 Vol.- %, vorzugsweise mehr als 30 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 35 Vol.-%, insbesondere mehr als 40 Vol.-% des Gesamtvolumens des Verbundmaterials auf. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache und flexible Anpassung des Gesamt-CTE ermöglicht wird, insbesondere ein niedriger Gesamt-CTE für das Verbundmaterial.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verbundmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von +50 ppm/K oder weniger, insbesondere +30 ppm/K oder weniger, vorzugsweise +20 ppm/K oder weniger, insbesondere zwischen +1 und +20 ppm/K, vorzugsweise zwischen +2 und +18 ppm/K, vorzugsweise zwischen +2 und +16 ppm/K, vorzugsweise zwischen +4 und +16 ppm/K oder zwischen +2 und +5 ppm/K auf. Einer der Vorteile kann sein, dass ein niedriger Gesamt-CTE für das Verbundmaterial erhalten werden kann, welches gut mit der Halbleiterkomponente eingesetzt werden kann, als auch mit dem anderen Substrat oder Gehäusekomponenten, mit denen das Verbundmaterial in Kontakt sein kann.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verbundmaterial eine Dichte von weniger als 6 g/cm³, vorzugsweise weniger als 3 g/cm³, vorzugsweise weniger als 2 g/cm³ auf. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache Anwendung des Verbundmaterials ermöglicht wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weist der erste Materialanteil eine Alkaliionen-Störstellendichte von weniger als 9 ppm, vorzugsweise weniger als 4 ppm, vorzugsweise weniger als 2 ppm auf. Einer der Vorteile kann sein, dass die Funktionalität der Halbleiterkomponenten auf lange Sicht durch das Verbundmaterial, welches aus der Präkursorpaste hergestellt wurde, nicht beeinträchtigt wird und folglich ihre Zuverlässigkeit garantiert ist.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Materialanteil einen Volumenanteil von mehr als 9 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 19 Vol.-%, insbesondere mehr als 29 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 34 Vol.-%, insbesondere mehr als 39 Vol.-% des Gesamtvolumens der Präkursorpaste auf. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache und flexible Anpassung des Gesamt-CTE ermöglicht wird, und insbesondere ein niedriger Gesamt-CTE für das Verbundmaterial basierend auf der Präkursorpaste.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₉ ≤ 70 µm, vorzugsweise ≤ 40 µm, vorzugsweise ≤ 25 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm auf und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₅ ≤ 65 µm, vorzugsweise ≤ 35 µm, vorzugsweise ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 8 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₅₀ ≤ 30 µm, vorzugsweise ≤ 7 µm, vorzugsweise ≤ 3 µm aufweisen. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache und schnelle Homogenisierung der Partikel in der Präkursorpaste erhalten werden kann, da die Partikel eine kleine spezifische Oberfläche haben und damit eine lediglich geringe Neigung zur Agglomeration.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Kollektiv von Partikeln des Partikelfüllmaterials eine spezifische Oberfläche SSA < 3 m²/g, vorzugsweise < 2 m²/g, vorzugsweise < 1 m²/g, vorzugsweise < 0,5 m²/g auf. Dies stellt eine geringe Neigung der Partikel zur Agglomeration sicher.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphitpartikel, auf mit einem Anteil von 10 Gew.-% oder weniger bezogen auf alle Partikel. Einer der Vorteile kann sein, dass ein niedriger Glühverlust oder Kohleausbeute entsprechend erhalten wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 1 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Einer der Vorteile kann sein, dass ein niedriger Gesamt-CTE für das Verbundmaterial basierend auf der Präkursorpaste erhalten wird. Ein anderer Vorteil kann eine verbesserte Flexibilität in Bezug auf die Anpassung des CTE an den zugrundeliegenden CTE der Halbleiterkomponente sein, die mittels des Verbundmaterials basierend auf der Präkursorpaste geschützt wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils zumindest einen der Stoffe amorphes Siliziumdioxid oder Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkon-iumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat in der α, β und/oder Υ-Konfiguration. Einer der Vorteile kann sein, dass Partikel mit einem sehr niedrigen oder gar negativen CTE benutzt werden, die einen sehr niedrigen Gesamt-CTE des Verbundmaterials basierend auf der Präkursorpaste ermöglichen.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Präkursorpaste eine Dichte von weniger als 6 g/cm³, vorzugsweise weniger als 3 g/cm³, vorzugsweise weniger als 2 g/cm³ auf. Einer der Vorteile kann sein, dass eine einfache Handhabung der Präkursorpaste ermöglicht wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials einen Polydispersionsindex von mehr als 3,0, vorzugsweise mehr als 3,5, vorzugsweise mehr als 4,0, vorzugsweise mehr als 4,5 auf. Dies ermöglicht einen hohen Füllgrad.
• Gemäß einer Ausführungsform der Präkursorpaste gemäß der vorliegenden Erfindung weisen Partikel des Partikelfüllmaterials eine kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _real(d) und eine Abweichung einer zufälligen Probe von n Partikeln definiert als $${\delta }^2=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{v=1}^n\left[Q_{\mathrm{3,}real}\left(d\right)-Q_{\mathrm{3,}Andreassen}\left(d\right)\right]}}^2$$

  

  von weniger als 0,030, vorzugsweise von weniger als 0,020, besonders vorzugsweise von weniger als 0,015 von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) auf, wobei die ideale Andreasson kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) erfüllt $$Q_3\left(d\right)={\left(\frac{d}{D}\right)}^q$$

  

  wobei d die Partikelgröße, D die maximale Partikelgröße und q ein Verteilungskoeffizient ist, wobei der Verteilungskoeffizient zwischen 0,2 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,22 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,24 und 0,38 liegt.
• Eine kleine Abweichung von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion ermöglicht eine hohe Packungsdichte der Partikel, das heißt hohe Volumenfüllgrade neben ihrem üblicherweise kleinen CTE, was ein reduziertes Schrumpfen bei Erhitzen bewirkt.
• Es gibt mehrere Wege, wie die Lehre der Erfindung auf vorteilhafte Weise ausgebildet und weitergebildet werden kann. Zu diesem Zweck wird einerseits auf die Patentansprüche verwiesen, die von den unabhängigen Ansprüchen abhängig sind, andererseits auf die folgende Erklärung von bevorzugten Beispielen von Ausführungsformen der Erfindung. In Verbindung mit der Erklärung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden allgemein bevorzugte Ausführungsformen und weitere Entwicklungen der Lehre erklärt.
• Im Detail zeigt die folgende Tabelle unten verschiedene Präkursorzusammensetzungen in Form von Pasten zum Erhalten eines Verbundmaterials gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

  Pastenverhältnis
  Material (Matrix)		Lösungsmittel	Additiv(e)		Pigmente			Gesamt (Gew.- %)
  Silikonharz	Sol-Gel Hydrolysat	Diethylenglycol Mono methylether	Entschäumungsmittel	Rheologisches Additiv Aerosil R812	Schwarzes Spinell Schwarz 30C965	Graphit	Schwarzeffektpigment
  50,00	5,00	8,00	0,30		24,7	5,00	7,00	100,00
  50,00	5,00	5,00	0,30		24,7	5,00	10,00	100,00
  48,00	5,00	8,00	0,30	2,00	24,7	5,00	7,00	100,00
  50,0	0	0	0,3	2,00	22,0	5,0	20,7	100,00

  Pastenverhältnis
  Material (Matrix)		Lösungsmittel	Additiv(e) Pigmente					Gesamt (Gew.- %)
  Silikonharz	Sol-Gel Hydrolysat	Diethylenglycol Mono methylether	Entschäumungsmittel	Rheologisches Additiv Aerosil R812	Schwarzes Spinell I Schwarz 30C965	Graphit	Schwarzeffektpigment
  50,0	5,0	0	0,3	0	32,7	5,0	7,0	100,00
  50,0	5,0	0	0	5,0	28,0	5,0	7,0	100,00
  50,0	5,0	0	0	2,0	31,5 I	0	11,5	100,00 I I

  Pastenverhältnis mit SiO 2 Füllmaterial
  Material (Matrix)		Lösungsmittel	Additiv(e)		Pigmente		Füllmaterial	Total (Gew.- % )
  Silikonharz	Sol-Gel Hydrolysat	Diethylen glycol Monomethylether	Entschäumungsmittel	Aerosil R812	Ruß-Schwarz	Graphit	Quarzglaspartikel
  50,00	5,00	8,00	0,30		24,7	5,00	7,00	100,00
  50,00	5,00	5,00	0,30		10,0	5,00	24,7	100,00
  48,00	5,00	800	0	2,00	3,00	5,00	32,0	100,00
  40,0	2,0	8,00	0	0	3,00	5,00	42,0	100,00
  40,0	2,0	5,0	0	0	3,00	0,0	47,0	100,00

  Pastenverhältnis mit SiO 2 Füllmaterial
  Material (Matrix)		Lösungsmittel	Additiv(e)		Pigmente		Füllmaterial	Total (Gew.- %)
  Silikonharz	Sol-Gel Hydrolysat	Diethylen glycol Monomethylether	Entschäumungsmittel	Aerosil R812	Ruß-Schwarz	Graphit	Quarzglaspartikel
  50,0	0	10,0	0,3	2,00	3,0	0,0	34,7	100,00
  50,0	5,0	0	0,3	0	7,0	5,0	32,7	100,00
  50,0	5,0	0	0	5,00	7,0	5,0	28,0	100,00
  50,0	5,0	0	0	2,00	11,5	0	31,5	100,00

• Diese Paste kann immer noch unter Verwendung eines Gießverfahrens wie Spritzgießen, Tauchstreichen, Sieb- oder Tintenstrahldruck, Rakeln, Sprühen, etc. angewendet werden.
• Die Zusammensetzung für die Paste in der obigen Tabelle umfasst jeweils einen Matrixanteil, einen Lösungsmittelanteil, einen Zusatzanteil und einen Pigmentanteil.
• Der Matrixanteil umfasst Silikonharz, beispielsweise „Silikoftal HTT“, „Silres H62C“ der Firma EVONIK oder „Silres MK“ der Firma Wacker und optional ein Sol-Gel-Hydrolysat, beispielsweise Tetraethoxysilan und Methyltriethoxysilan in einem Molaritätsverhältnis von 1:2.
• Der Zusatzanteil umfasst ein Entschäumungsmittel, beispielsweise BYK 301 der Firma BYK. Optional umfasst der Zusatzanteil auch ein rheologisches Additiv, beispielsweise Aerosil^® R812 der Firma EVONIK.
• Der Füllmittelanteil umfasst Quarzglaspartikel mit einem d₅₀ von 20 µm der Firma Denka.
• Der Pigmentanteil umfasst Graphitpartikel und Farbpigmente Schwarz-Spinell 30 C965 der Firma Shepard Pigments und weitere Schwarzpigmente beispielsweise Osixo Black Pearl der Firma Costenoble oder „Flammruß“ der Firma Kremer Pigmente. Wie beispielsweise in der WO 2012/010302 A1 beschrieben, die hiermit per Verweis einbezogen ist, können die Graphitpartikel eine Korngröße zwischen 3 µm und 60 µm aufweisen. Falls Alpha-Bornitrid benutzt wird, können die entsprechenden Partikel eine Korngröße zwischen 1 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 3 µm and 20 µm aufweisen.
• Die Pigmentpartikel können auf einer oder mehreren der folgenden Zusammensetzungen basieren:
• - (Cr, Fe)(Ni, Mn)-Spinelle
• - (Fe, Mn)₂O₃
• - (Fe, Mn)(Fe, Mn)O₄
• - CuCrO₄
• - (Ni, Fe)(Cr, Fe)₂O₄
mit einer Korngröße oder einer Agglomerationsgröße vorzugsweise mit einem dso größer als 0,1 µm und weniger als 3 µm, vorzugsweise unter 2 µm, insbesondere unter 1 µm.
• Zur Einfärbung können CoAl-, CoCrAI-, CoCrMgTiZnAI-, CoNiZnTi-, NiSbTi-, CrSbTi- und/oder FeAlTi-basierte Pigmente verwendet werden. Effektpigmente wie Glimmer oder Glasflocken können als plättchenförmige Pigmentteilchen zugesetzt werden. Gut geeignet für diesen Zweck ist plättchenförmiger Glimmer, der zum Beispiel mit SiO₂/TiO₂ oder SiO₂/TiO₂/SnO₂ oder SiO₂/TiO₂/Fe₂O₃ beschichtet ist. Vorzugsweise können die plättchenförmigen Pigmente Durchmesser kleiner als 200 µm, vorzugsweise kleiner als 100 µm, vorzugsweise kleiner als 60 µm aufweisen. Wie bereits erwähnt, kommen auch Absorptionspigmente als Pigmente in Frage, insbesondere plättchen- oder stäbchenförmige Pigmente. Es ist auch möglich, beschichtete Effektpigmente zu verwenden und es können auch Füllstoffe zugesetzt werden, insbesondere: SiO₂-Teilchen, Aluminiumoxid-Teilchen, pyrogene Kieselsäuren, Natronkalk, Alkalialuminiumsilikat- oder Borosilikatglaskugeln, Glashohlkugeln usw., wie in der WO 2013/156622 A1 beschrieben, die hier durch Bezugnahme einbezogen ist.
• Der Lösungsmittelanteil kann anstelle von oder zusätzlich zu Diethylenglykolmonomethylether hochsiedende Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von <5 bar, vorzugsweise <1 bar, besonders bevorzugt <0,1 bar aufweisen. Bevorzugt sind Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von mehr als 120°C und einer Verdunstungszahl von >10. Vorzugsweise wird ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt über 150°C und einer Verdampfung >500, besonders bevorzugt mit einem Siedepunkt über 200°C und einer Verdampfung >1.000 verwendet. Solche hochsiedenden Lösungsmittel sind insbesondere Glykole und Glykolether, Terpene und Polyole sowie Mischungen mehrerer dieser Lösungsmittel. Butylacetat, Methoxybutylacetat, Butyldiglykol, Butyldiglykolacetat, Butylglykol, Butylglykolacetat, Cyclohexanon, Diacetonalkohol, Diethylenglykol, Dipropylenglykolmonomethylether, Dipropylenglykolmonobutylether, Propylenglykolmonobutylether, Propylenglykolmonopropylether, Propylenglykolmonoethylether, Ethoxypropylacetat, Hexanol, Methoxypropylacetat, Monoethylenglykol, Ethylpyrroiidon, Methylpyrroiidon, Dipropylenglykoldimethylether, Propylenglykol, Propylenglykolmonomethylether, Mischungen von paraffinischen und naphthenischen Kohlenwasserstoffen, aromatische Kohlenwasserstoffmischungen, Mischungen von aromatischen alkylierten Kohlenwasserstoffen und Mischungen von n-, i- und Cycloaliphaten und/oder Kombinationen davon können als Lösungsmittel verwendet werden. Insbesondere können Polyethylenglykolether wie Diethylenglykolmonoethylether, Tripropylenglykolmonomethylether und Terpineol und/oder Kombinationen davon als Lösungsmittel verwendet werden. Die Verwendung von Lösungsmittelgemischen ist ebenfalls möglich, wobei der Matrix auf Sol-Gel-Basis Lösungsmittel zugesetzt werden können.
• Die Paste als Vorstufe für den Verbundwerkstoff ist in der Regel noch formbar beziehungsweise geschmeidig, das heißt sie kann plastische Verformbarkeit und ein scherverdünnendes Verhalten mit Viskositätswerten von 10¹ bis 10⁵ oder sogar 10⁶ Pa s bei Scherraten <1 s^-1 (gemessen bei Raumtemperatur) aufweisen, um die Anwendbarkeit in einem Formgebungsverfahren wie Spritzguss, Tauchbeschichtung, Sieb- oder Tintenstrahldruck, Rakeln, Sprühen etc. zu gewährleisten, wie oben erwähnt. Im Gegensatz dazu verhält sich der fertige Verbundwerkstoff wie ein Feststoff, der entweder plastisch oder sogar in einem gewissen Maße spröde ist. Plastische Eigenschaften sind bei ihm nicht erwünscht.
• Zur Herstellung eines Verbundmaterials für die Verkapselung eines elektronischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Schritte durchgeführt:
• In einem ersten Schritt S1 wird der Matrixanteil bereitgestellt, das heißt ein Silikonharz und optional, wie oben erwähnt, ein Sol-Gel-Hydrolysat wird dem Silikonharz zugesetzt.
• In einem weiteren Schritt S2 werden dem Matrixanteil die ein oder mehreren verschiedenen Pigmente des Pigmentanteils zugegeben und mit hohen Kräften gemischt, zum Beispiel mit einem Schnellmischer Typ „DAC 400“ der Firma „Hauschild“.
• Alternativ zu dem Sol-Gel-Hydrolysat oder zusätzlich kann ein Rheologieadditiv, zum Beispiel Aerosil^® R812 der Firma EVONIK, zugesetzt werden. Das Sol-Gel-Hydrolysat und das Rheologieadditiv können eine verbesserte Verarbeitung ermöglichen.
• Die entstandene Paste wird in eine geeignete Form gegeben und bei einer Temperatur von über 250 °C, vorzugsweise über 300 °C mindestens 20 Minuten lang erhitzt. Vor dem Erhitzen kann die Paste einem Trocknungsprozess unterzogen werden.
• Wenn ein Trocknungsprozess durchgeführt wird, werden die flüchtigen Bestandteile durch physikalische Verdunstung entfernt, während beim Erhitzen der Paste zum Härten des Verbundwerkstoffs die flüchtigen Bestandteile durch chemische Reaktion austreten und aus dem härtenden Verbundwerkstoff entweichen.
• Das Verbundmaterial gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird erst nach der oben beschriebenen thermischen Härtung erhalten. Vor diesem Schritt werden im Sol-Gel-Hydrolysat, Silikonharz oder Polysilsesquioxan vorhandene reaktive funktionelle Gruppen in einer chemischen Reaktion umgewandelt. Je nach Art dieser Reaktionen, zum Beispiel einer Additions- oder Kondensationsreaktion, können kleine Moleküleinheiten als Nebenprodukte entstehen, die im Zuge der thermischen Belastung aus der Zusammensetzung in die Umgebung entweichen und zu einem gewissen Gewichtsverlust führen. Das Gleiche gilt für Lösungsmittel, die bei der Herstellung des pastösen Vorprodukts verwendet wurden, was der Fall oder nicht der Fall sein kann: Auch diese entweichen bei der abschließenden Temperaturbehandlung aus der entstandenen Paste.
• Der nach der thermischen Aushärtung erhaltene Verbundwerkstoff ist nicht mehr plastisch verformbar und stellt eine Schutzfunktion bereit. Er kann jedoch mehr oder weniger elastische Eigenschaften aufweisen. Je nach Rezeptur des Vorprodukts kann dieser sogar spröde sein.
• Zur Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die Methode der optischen Dilatometrie verwendet. Im Allgemeinen ist die Dilatometrie eine Methode der thermischen Analyse und wird zur Messung der thermischen Ausdehnung von Materialien, zum Beispiel Metallen, Glas und Baumaterialien usw., bei einer Temperaturerhöhung verwendet. In diesem Zusammenhang wird der Spezialfall der optischen Dilatometrie ohne Kontakt mit der Probe durchgeführt. Es können Dimensionsänderungen im subµm-Bereich bestimmt werden. Eine hochauflösende CCD-Kamera ermöglicht eine visuelle Echtzeitanalyse der Probenausdehnung entweder als Einzelbild oder als Videosequenz. Die berührungslose Messung der optischen Dilatometer vereinfacht die Probenvorbereitung, da die Parallelität zwischen den beiden Endflächen der Probe und die Form der Probe nicht so wichtig sind, wie bei der mechanischen Dilatometrie. Bei einem optischen Dilatometer wird die Probe während der Messung mit einer Referenz verglichen. Das Ergebnis ist die Differenz der Dehnung zwischen den beiden Proben. Auf diese Weise wird der Einfluss des Probenhalters ausgeschaltet.
• Im Einzelnen wird zur Messung des CTE der in der obigen Tabelle aufgeführten Verbundwerkstoffe ein Erhitzungsmikroskop vom Typ „EMI III“ der Firma Hesse Instruments verwendet. Dieses Erhitzungsmikroskop besteht aus einer optischen Bank mit Lampe, Stativ und Kamera, einem Ofensystem mit Ofensteuerung, Ofen und Transformator sowie einem Messplatzrechner zur Analyse einer Probe des Verbundwerkstoffs. Grundlage für die Ermittlung des CTE unter Verwendung des Erhitzungsmikroskops sind die Normen DIN 51730:2007, ISO 540:2008-06, CEN/TS 15370-1:2006 und CEN/TR 15404:2006.
• Verschiedene Proben wurden untersucht und es wurde ein CTE von weniger als +50 ppm/K, insbesondere für eine Reihe von Proben ein CTE von weniger als +30 ppm/K erhalten.
• Zusammenfassend können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verbundmaterial bereitstellen oder ermöglichen, das vorzugsweise die folgenden Eigenschaften aufweist:
• - Thermische Stabilität: -60 °C bis 300 °C oder sogar bis zu 400 °C.
• - Geringe Belastung der Alphastrahler (<0,1 Ereignisse/cm²/h).
• - Geringe Mobilität bestimmter Ionen: zum Beispiel Alkali <10 ppm, Halogene <10 ppm, Cu, Fe <10 ppm.
• - Wärmeleitfähigkeit >0,2 W/mK, vorzugsweise >0,5 W/mK, vorzugsweise >1,0 W/mK.
• - Widerstandsfähigkeit gegen Dampf: > 85 h bei 85°C, beständig gegen Säuren, Basen, Alkohole, Mineralöle.
• - Elektrische Isolierung: etwa 40 kV/mm.
• - Niedrige Dichte: < 2,8 g/cm.
• - Primärteilchengröße der Füllstoffe: d₉₉ <100 µm, vorzugsweise d₉₉ <70 µm, vorzugsweise d₉₉ <50 µm, vorzugsweise d₉₉ <25 µm, vorzugsweise d₉₉ <10 µm, vorzugsweise d₉₉ <5 µm.
• - Partikelform: nahezu, vorzugsweise ideal, kugelförmig.
• Der Verbundwerkstoff gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist hochbeständig gegen Säuren, Basen und wässrige Medien sowie gut klimatisch beständig, zum Beispiel 85 % relative Luftfeuchtigkeit bei 85 °C. Er ist beständig gegen die Einwirkung von UV-Strahlung und hat ein verbessertes Flammverhalten. Durch die Zusammensetzung des Partikelfüllstoffanteils kann es in vielen Eigenschaften modifiziert und angepasst werden, zum Beispiel
• - Hohe UV-Absorption, so dass darunterliegende Bauteile geschützt werden können.
• - Einstellung der dielektrischen Eigenschaften.
• - Einstellung der Wärmeleitfähigkeit.
• - Einstellung der elektromagnetischen Abschirmung.
• Auch die Verarbeitbarkeit des Verbundwerkstoffs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in einem weiten Bereich eingestellt werden, zum Beispiel Anwendung als spritzgussfähiges Gemisch.
• Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der hierin dargelegten Erfindung werden dem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, einfallen, wenn er die in der vorstehenden Beschreibung dargelegten Lehren nutzt. Daher ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, die offenbart sind, und Modifikationen und andere Ausführungsformen sollen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche einbezogen werden. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht zum Zwecke der Einschränkung 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
• US 9045585 B2 [0009]
• US 10043782 B2 [0009]
• US 10674612 B2 [0009]
• US 7352045 B2 [0011]
• WO 2014/086619 A2 [0023]
• WO 2012/010302 A1 [0076]
• WO 2013/156622 A1 [0078]

Claims (31)

1. Verbundmaterial zum Schutz von elektronischen Komponenten, umfassend zumindest einen ersten Materialanteil und einen zweiten Materialanteil, wobei der erste Materialanteil zumindest ein Hybridpolymer, wobei das zumindest eine Hybridpolymer zumindest einen der Stoffe - Sol-Gel-Mischung mit einem organischen Gesamtanteil, TOC, von unter 75 Gew.-%, - Silikonharz, und/oder - Polysilsesquioxan, und/oder Kombinationen hiervon umfasst und wobei der zweite Materialanteil einen Partikelfüllstoff umfasst.
2. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von +20 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise von +15 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +10 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +5 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise +2 ppm/K oder niedriger aufweisen.
3. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Materialanteil eine Alkaliionen-Störstellendichte von weniger als 10 ppm, vorzugsweise weniger als 5 ppm, vorzugsweise weniger als 3 ppm aufweist.
4. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei das Verbundmaterial einen Glühverlust von weniger als 30 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 20 Gew.-% für Temperaturen unterhalb von 400 °C, vorzugsweise unterhalb von 450 °C aufweist.
5. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₉ ≤ 70 µm, vorzugsweise ≤ 40 µm, vorzugsweise ≤ 25 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₅ ≤ 65 µm, vorzugsweise ≤ 35 µm, vorzugsweise ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 8 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße dso ≤ 30 µm, vorzugsweise ≤ 7 µm, vorzugsweise ≤ 3 µm aufweisen.
6. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei ein Kollektiv von Partikeln des Partikelfüllmaterials eine spezifische Oberfläche SSA < 3 m²/g, vorzugsweise < 2 m²/g, vorzugsweise < 1 m²/g, vorzugsweise < 0,5 m²/g aufweist.
7. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials einen Polydispersionsindex von mehr als 3,0, vorzugsweise mehr als 3,5, vorzugsweise mehr als 4,0, vorzugsweise mehr als 4,5 aufweisen.
8. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials eine kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _real(d) und eine Abweichung einer zufälligen Probe von n Partikeln definiert als $${\delta }^2=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{v=1}^n\left[Q_{\mathrm{3,}real}\left(d\right)-Q_{\mathrm{3,}Andreassen}\left(d\right)\right]}}^2$$

   

   von weniger als 0,030, vorzugsweise von weniger als 0,020, besonders vorzugsweise von weniger als 0,015 von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) aufweisen, wobei die ideale Andreasson kumulative Verteilungsfunktion Q3, _Andreassen, (d) erfüllt $$Q_3\left(d\right)={\left(\frac{d}{D}\right)}^q$$

   

   wobei d die Partikelgröße, D die maximale Partikelgröße, und q ein Verteilungskoeffizient ist, wobei der Verteilungskoeffizient zwischen 0,2 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,22 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,24 und 0,38 liegt.
9. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei das Verbundmaterial eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm, vorzugsweise mehr als 35 kV/mm, vorzugsweise mehr als 40 kV/mm bereitstellt.
10. Verbundmaterial gemäß Anspruch 9, wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphitpartikel aufweisen mit einem Anteil von 10 Gew.-% oder weniger bezogen auf alle Partikel.
11. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 1 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
12. Verbundmaterial gemäß Anspruch 11, wobei die Partikel zumindest einen der Stoffe amorphes Siliziumdioxid oder Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat in der α, β und/ oder Υ-Konfiguration umfassen.
13. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-12, wobei der zweite Materialanteil einen Volumenanteil von mehr als 10 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 20 Vol.- %, vorzugsweise mehr als 30 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 35 Vol.-%, insbesondere mehr als 40 Vol.-% des Gesamtvolumens des Verbundmaterials aufweist.
14. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-13, wobei das Verbundmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von +50 ppm/K oder weniger, insbesondere +30 ppm/K oder weniger, vorzugsweise +20 ppm/K oder weniger, insbesondere zwischen +1 and +20 ppm/K, vorzugsweise zwischen +2 und +18 ppm/K vorzugsweise zwischen +2 und +16 ppm/K, vorzugsweise zwischen +4 und +16 ppm/K oder zwischen +2 und +5 ppm/K aufweist.
15. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-14, wobei das Verbundmaterial eine Dichte von weniger als 6 g/cm³, vorzugsweise weniger als 3 g/cm³, vorzugsweise weniger als 2 g/cm³ aufweist.
16. Verkapselungsmasse, Formmasse, Vergussmasse, Unterfüllmasse, Klebemasse und/oder Beschichtungsmasse umfassend ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15
17. Elektronische und/oder Halbleiterkomponente umfassend ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15 und/oder eine Masse gemäß Anspruch 16.
18. Verwendung eines Verbundmaterials gemäß einem der Ansprüche 1-15 zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente, vorzugsweise einen RFID-Chip.
19. Präkursorpaste für ein Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-15 zum Schutz von elektronischen Komponenten, wobei die Präkursorpaste zumindest einen ersten Materialanteil und einen zweiten Materialanteil umfasst, wobei der erste Materialanteil zumindest ein chemisch reaktives Hybridpolymer umfasst, wobei das zumindest eine chemisch reaktive Hybridpolymer zumindest einen der Stoffe - reaktive Sol-Gel-Mischung mit einem organischen Gesamtanteil, TOC, von unter 85 Gew.-%, - reaktives oder inertes Silikonharz, und/oder - reaktives Polysilsesquioxan, und/oder Kombinationen hiervon umfasst und wobei der zweite Materialanteil einen Partikelfüllstoff umfasst.
20. Präkursorpaste gemäß Anspruch 19, wobei der erste Materialanteil eine Alkaliionen-Störstellendichte von weniger als 9 ppm, vorzugsweise weniger als 4 ppm, vorzugsweise weniger als 2 ppm aufweist.
21. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-20, wobei der zweite Materialanteil einen Volumenanteil von mehr als 9 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 19 Vol.- %, insbesondere mehr als 29 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 34 Vol.-%, insbesondere mehr als 39 Vol.-% des Gesamtvolumens der Präkursorpaste aufweist.
22. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-21, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₉ ≤ 70 µm, vorzugsweise ≤ 40 µm, vorzugsweise ≤ 25 µm, vorzugsweise ≤ 10 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße d₉₅ ≤ 65 µm, vorzugsweise ≤ 35 µm, vorzugsweise ≤ 20 µm, vorzugsweise ≤ 8 µm aufweisen und/oder wobei die Partikel des Partikelfüllmaterials eine Partikelgröße dso ≤ 30 µm, vorzugsweise ≤ 7 µm, vorzugsweise ≤ 3 µm aufweisen.
23. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-22, wobei ein Kollektiv von Partikeln des Partikelfüllmaterials eine spezifische Oberfläche SSA < 3 m²/g, vorzugsweise < 2 m²/g, vorzugsweise < 1 m²/g, vorzugsweise < 0,5 m²/g aufweisen.
24. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-23, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphitpartikel aufweisen mit einem Anteil von 10 Gew.-% oder weniger bezogen auf alle Partikel.
25. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-24, wobei ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 1 ppm/K oder niedriger, vorzugsweise einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
26. Präkursorpaste gemäß Anspruch 25, wobei ein Teil der Partikel des zweiten Materialanteils zumindest einen der Stoffe amorphes Siliziumdioxid oder Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat, vorzugsweise kristallines Zirkoniumwolframat in der α, β und/oder Υ-Konfiguration umfassen.
27. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-26, wobei die Präkursorpaste eine Dichte von weniger als 6 g/cm³, vorzugsweise weniger als 3 g/cm³, vorzugsweise weniger als 2 g/cm³ aufweist.
28. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-27, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials einen Polydispersionsindex von mehr als 3,0, vorzugsweise mehr als 3,5, vorzugsweise mehr als 4,0, vorzugsweise mehr als 4,5 aufweisen.
29. Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-28, wobei Partikel des Partikelfüllmaterials eine kumulative Verteilungsfunktion Q₃, _real(d) und eine Abweichung einer zufälligen Probe von n Partikeln definiert als $${\delta }^2=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{v=1}^n\left[Q_{\mathrm{3,}real}\left(d\right)-Q_{\mathrm{3,}Andreassen}\left(d\right)\right]}}^2$$

    

    von weniger als 0,030, vorzugsweise von weniger als 0,020, besonders vorzugsweise von weniger als 0,015 von der idealen Andreasson kumulativen Verteilungsfunktion Q₃, _Andreassen, (d) aufweisen, wobei die ideale Andreasson kumulative Verteilungsfunktion Q_{3, Andreassen,} (d) erfüllt $$Q_3\left(d\right)={\left(\frac{d}{D}\right)}^q$$

    

    wobei d die Partikelgröße, D die maximale Partikelgröße, und q ein Verteilungskoeffizient ist, wobei der Verteilungskoeffizient zwischen 0,2 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,22 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,24 und 0,38 liegt.
30. Verkapselungsmasse, Formmasse, Vergussmasse, Unterfüllmasse, Klebemasse und/oder Beschichtungsmasse umfassend eine Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-29.
31. Verwendung einer Präkursorpaste gemäß einem der Ansprüche 19-29 zum Bereitstellen eines Verbundmaterials zum Verkapseln, Formen, Vergießen, Unterfüllen, Kleben und/oder Beschichten einer elektronischen und/oder Halbleiterkomponente, vorzugsweise eines RFID-Chips.