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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vergussmasse. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils unter Verwendung der Vergussmasse und ein elektrisch isoliertes Bauteil, das mittels des Verfahrens hergestellt wird, sowie eine Verwendung der Vergussmasse.
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Stand der Technik
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Für das Packaging und den Schutz sowie zur effektiven Abführung der Verlustwärme elektrischer und elektronischer Bauteile werden standardmäßig organisch gebundene Vergussmassen eingesetzt, die mit keramischen Füllstoffen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit versetzt sind.
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Die
DE 10 2018 214 641 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer auf Magnesiumoxid basierende Vergussmasse, die durch Infiltration mit Polysiloxanharzen ein gegenüber Feuchte unempfindliches Komposit mit angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten bildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Vergussmasse vorgeschlagen, welche als Bestandteile zumindest 5,0 bis 30,0 Gew.%, bevorzugt, 5,0 bis 20,0 Gew.%, besonders bevorzugt 5,0 bis 15,0 Gew.%, reaktive Partikel, 45,0 bis 90,0 Gew.% Füllstoffpartikel und/oder Füllstofffasern und 5,0 bis 20,0 Gew.% Wasser enthält. Diese und alle folgenden Gewichtsprozentangaben beziehen sich jeweils auf 100 Gew.% der gesamten Vergussmasse.
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Die reaktiven Partikel enthalten Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm und kristalline, insbesondere porenfreie, Magnesiumhydroxidoxidpartikel, insbesondere mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 µm, und/oder poröse Magnesiumoxidpartikelagglomerate, insbesondere mit einer Partikelgröße von maximal 75 µm. Diese Partikel werden als erste Partikel bezeichnet. Weiterhin enthalten die reaktiven Partikel Siliziumoxidpartikel, insbesondere amorphe Siliziumoxidpartikel, mit einer Partikelgröße von maximal 0,5 µm und/oder Kieselsäurepartikel mit einer Partikelgröße von maximal 0,5 µm. Diese Partikel werden als zweite Partikel bezeichnet. Die reaktiven Partikel ermöglichen ein Erhärten der Vergussmasse durch Reaktion der reaktiven Partikel mit dem Wasser unter Bildung einer thermisch stabilen Magnesiumsilicathydratphase.
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Das Gewichtsverhältnis zwischen den ersten Partikeln und den zweiten Partikeln liegt bevorzugt im Bereich von 99:1 bis 40:60. Weiter bevorzugt liegt dieses Gewichtsverhältnis zwischen 90:10 und 70:30.
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Das Gewichtsverhältnis zwischen einerseits den Magnesiumoxidpartikeln und/oder porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten und andererseits den Magnesiumhydroxidpartikeln liegt im Bereich von 95:5 bis 70:30. Bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis zwischen 90:10 und 85:15.
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Es wurde festgestellt, dass ein entscheidender Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften einer gemäß dem Verfahren der
DE 10 2018 214 641 B4 hergestellten Vergussmasse von dem Alterungszustand des für die Herstellung verwendeten Magnesiumoxids ausgeht. Eine frische Charge Magnesiumoxid weist eine zu hohe Reaktivität, schnell ansteigende Viskosität in der Mischung mit den anderen Bestandteilen und eine starke Schwindung beim Aushärten auf. Dies bewirkt eine hohe Schwindung der Vergussmasse. Erst eine durch Luftfeuchte auf der Oberfläche der Magnesiumoxidpartikel nach 2 Jahren Lagerung bei Raumtemperatur entstandene kristalline Magnesiumhydroxidschicht bewirkt eine geringere Reaktivität der Vergussmasse bei Raumtemperatur. Diese lässt sich allerdings in einem einfachen künstlichen Prozess auf der Oberfläche von frischem Magnesiumoxid nicht innerhalb weniger Stunden herstellen.
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Das Vorhandensein von Magnesiumhydroxid-Kristallkeimen spielt eine große Rolle bei der Gefügeentwicklung in der erhärtenden Vergussmasse. Es wird ein nadeliges Wachstum angenommen, wobei sich diese Kristallnadeln „verfilzen“ und die Schwindung im Volumen behindern. Es wird vermutet, dass ohne Vorhandensein dieser Kristallkeime zunächst ein amorpher, gelartiger Magnesiumhydroxid-Niederschlag der von den Magnesiumoxidpartikeloberflächen gelösten Magnesiumionen erfolgt, der erst gegen Ende der Aushärtung kristallisiert und eine Schwindung im Volumen bewirkt, da die gesamte Matrix der Vergussmasse davon betroffen ist.
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Das vorliegende Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass, die auf dem gealterten Magnesiumoxid vorhandene kristalline Magnesiumhydroxidschicht durch die Zugabe von kristallinem Magnesiumhydroxidpulver in der Rezeptur mit dem frischen Magnesiumoxid ersetzt werden kann. Dadurch kann auch bei Verwendung von frischem Magnesiumoxid eine sehr niedrige Schwindung der Vergussmasse von 0,1 % - 0,3% realisiert werden, so dass diese für die Anwendung des Vergusses von elektronischen Komponenten eingesetzt werden kann.
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Poröse Magnesiumoxidpartikelagglomerate können mittels Kalzinierens hergestellt werden. Porenfreie Magnesiumoxidpartikel können mittels eines Schmelzprozesses hergestellt werden.
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Die Partikelgröße aller Partikel kann durch Korngrößenmessung mittels Lasergranulometer und Primärpartikelgrößenmessung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) ermittelt werden.
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Unter Füllstoffpartikeln werden Partikel mit einer Partikelgröße, insbesondere einer Primärpartikelgröße, von mehr als 1 µm verstanden. Als Füllstoffpartikel geeignete Materialien sind insbesondere Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Silizium, Alumosilikate, Siliziumcarbid und Bornitrid. Weitere als Füllstoffpartikel geeignete Materialien sind insbesondere Kyanit, Rutil, Quarz und Flussspat. Noch weitere für die Verwendung als Füllstoffpartikel geeignete Materialien sind anorganische Silikate, Metalloxide, Mischoxide, Spinelle, Nitride, Carbide oder Boride. Außerdem können insbesondere auch oberflächlich oxidiertes Siliziumpulver und oberflächlich oxidierte Metallpulver wie beispielsweise Kupferpulver oder Aluminiumpulver als Füllstoffpartikel verwendet werden. Kohlenstoff kann insbesondere in Form von Diamant als Füllstoffpartikel verwendet werden.
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Dabei sind Aluminiumoxid, Kyanit, Quarz, Flussspat, Alumosilikate, oberflächlich oxidiertes Siliziumpulver, oberflächlich oxidiertes Siliciumcarbidpulver und Mischoxide (insbesondere Ferrite) besonders bevorzugt.
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Bei den Füllstofffasern kann es sich insbesondere um Kohlefasern oder um Carbon Nano Tubes handeln. Auch andere organische oder anorganische Fasern wie insbesondere Aramidfasern oder Glasfasern sind als Füllstofffasern geeignet.
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Die Füllstoffpartikel und Füllstofffasern reagieren beim Aushärten der Vergussmasse nicht oder allenfalls oberflächlich mit dem Wasser der Vergussmasse. Im Fall der Verwendung von porenfreien Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von mehr als 5,0 µm als Füllstoffpartikel, wird der Aushärteprozess unterbrochen, bevor eine weitergehende Hydroxidbildung zum Auftreiben der bereits erhärteten Masse führt. Daher wird vorzugsweise auf die Verwendung derartiger Magnesiumoxidpartikel als Füllstoffe verzichtet.
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Der hohe Anteil an Füllstoffpartikeln, der in der Vergussmasse enthalten sein kann, ermöglicht es, sehr hohe Wärmeleitfähigkeiten zu realisieren.
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Je nach Verhältnis zwischen reaktiven Partikeln, Füllstoffpartikeln und Wasser kann die Vergussmasse eine thixotrope bis pastöse Konsistenz aufweisen, die ihre Fließfähigkeit beeinträchtigt. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Vergussmasse weiterhin 0,5 bis 5,0 Gew.% mindestens eines Fließmittels enthält. Geeignete Fließmittel sind insbesondere Polycarboxylatether (PCE), Polykondensate und Benetzungsmittel, wobei Polycarboxylatether bevorzugt sind. Weiterhin enthält das Fließmittel bevorzugt Carboxylgruppen, besonders bevorzugt einen Anteil an Carboxylgruppen entsprechend einer Säurezahl von mindestens 20 mg KOH pro Gramm des Fließmittels. Der saure Charakter derartiger Fließmittel setzt die Reaktivität von frischem Magnesiumoxid herab.
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Weiterhin enthält die Vergussmasse vorzugsweise mindestens einen Entschäumer, um ihre Verarbeitung zu erleichtern. Der Entschäumer ist insbesondere polymerbasiert.
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Außerdem ist bevorzugt, dass die Vergussmasse weiterhin 1,0 bis 15,0 Gew.% mindestens eines vernetzbaren Kunstharzes enthält. Besonders bevorzugt ist dieses Kunstharz ein Polysiloxan. Wenn sich beim Trocknen der Vergussmasse ein Porenraum bildet, so können dessen Porenkanäle von dem Kunstharz verschlossen werden und seine Porenwände von dem Kunstharz überzogen und damit hydrophobisiert werden.
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Die Vergussmasse kann zum elektrischen Isolieren eines Bauteils, insbesondere eines elektrischen oder elektronischen Bauteils, verwendet werden. Als Bauteil sollen hierbei auch Bestandteile von Baugruppen verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei dem elektronischen Bauteil um eine Schaltung mit Hochleistungshalbleitern wie beispielsweise WBG-Halbleitern (Wide-Bandgap Semiconductor) auf einem DBC-Substrat (Direct-Bonded Copper) handeln. Weiterhin kann es sich bei dem Bauteil insbesondere um eine passive Komponente wie beispielsweise eine Drosselspule oder eine Transformatorspule in metallischer Umfassung wie beispielsweise in einem Topftrafo, in einem Kühlkörper mit Aussparungen oder in Rahmenmodulen handeln. Auch Akkumulatorzellen können mittels der Vergussmasse elektrisch isoliert werden. Neben der elektrischen Isolierung wird außerdem eine verbesserte Abführung von Verlustwärme erreicht.
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In einem Verfahren zum elektrischen Isolieren eines Bauteils erfolgt zunächst ein Vergießen des Bauteils mit der Vergussmasse. Anschließend wird das vergossene Bauteil bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 95°C in einer mit Wasser gesättigten Atmosphäre wärmebehandelt. Die Minimaltemperatur ist dabei erforderlich, um eine Reaktion zwischen den reaktiven Partikeln und dem Wasser in der Vergussmasse zu initiieren. Die Maximaltemperatur gewährleistet eine beschleunigte Abbindereaktion zusammen mit der mit Wasser gesättigten Atmosphäre als Verdunstungsschutz. Die Dauer der Wärmebehandlung liegt vorzugsweise im Zeitraum von 30 Minuten bis 10 Stunden. An die Wärmebehandlung schließt sich ein Trocknen des vergossenen Bauteils bei einer Temperatur von bevorzugt maximal 40°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 40°C, an. Erfolgt die Trocknung bei einem Druck von weniger als 100 kPa, so kann sie insbesondere auch bei einer Temperatur von weniger als 30°C durchgeführt werden. Durch diese Art der Trocknung wird eine unerwünschte fortschreitende Magnesiumhydroxidbildung verhindert, die zu einer Expansion der gehärteten Vergussmasse führen würde.
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Die Trocknung führt zu einer Porenbildung in der gehärteten Vergussmasse. Um eine spätere erneute Wasseraufnahme in diese Poren zu verhindern, ist es bevorzugt, die Poren mittels eines Kunstharzes zu verschließen. Enthält die Vergussmasse selbst bereits ein Kunstharz, so ist es bevorzugt, dass das vergossene Bauteil nach dem Trocknen einer weiteren Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 150°C bis 200°C unterzogen wird. Hierbei schmilzt das Kunstharz und die Schmelze wird durch die Kapillarkräfte des in der Bindematrix vom Restwasser hinterlassenen Porenraums in die feinsten Poren mit Durchmessern im Submikrometerbereich eingesaugt. Auf diese Weise verschließt sich das offenporige Gefüge in ein weitgehend dichtes Gefüge oder kleidet zumindest die Kapillaroberfläche mit einer hydrophoben Schicht aus. Im gebildeten Endprodukt wird ein kapillarer Transport von polaren Medien wie beispielsweise Wasser oder wässrigen Lösungen auf diese Weise verhindert.
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Handelt es sich bei dem vernetzbaren Kunstharz um ein Polysiloxan, so reagiert dieses unter der angegebenen Temperatur in Gegenwart der basischen Hydroxide der ausgehärteten Vergussmasse unter Vernetzung zu einem duroplastischen Kunststoff, der bis zu einer Dauertemperatur von 350°C thermisch stabil ist.
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Das Verschließen des Porenraums in der gehärteten Vergussmasse führt typischerweise zu einer Verringerung der Wasseraufnahme der Vergussmasse bei Lagerung unter Wasser, zumindest um den Faktor 10.
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Mittels des Verfahrens ist ein elektrisch isoliertes Bauteil herstellbar, das insbesondere mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 108 Ω x cm isoliert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Ablaufdiagramm von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines elektrisch isolierten Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Der Ablauf eines Vergleichsbeispiels eines Verfahrens gemäß der
DE 10 2018 214 641 B4 und eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
1 dargestellt. Hierin erfolgt zunächst ein Bereitstellen 10 einer Vergussmasse VB1 (Vergleichsbeispiel) oder B1 (erfindungsgemäßes Beispiel), deren Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist: Tabelle 1
| | d | d50 | VB1 | B1 |
| | [µm] | [µm] | [Vol.%] | [Gew.%] | [Vol.%] | [Gew.%] |
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| Al2O3 | 10-200 | 78 | 40,00 | 52,48 | 40,00 | 52,48 |
| Al2O3 | 3-30 | 10 | 6,00 | 7,86 | 6,00 | 7,86 |
| Al2O3 | 1-20 | 7 | 7 | 18,37 | 14,00 | 18,37 |
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| MgO | 0-5 | 1,0 | 8,40 | 9,94 | 7,40 | 8,76 |
| MgOH | 0-9 | 2,0 | | | 1,80 | 1,39 |
| SiO2 | 0-1 | 0,1 | 1,60 | 1,16 | 1,50 | 1,09 |
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| PCE1 | | | 0,80 | 0,81 | 0,45 | 0,46 |
| PCE2 | | | | | 0,65 | 0,47 |
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| H2O | | | 25,00 | 6,16 | 24,00 | 5,83 |
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| Siloxan | | | 4,20 | 3,22 | 4,20 | 3,22 |
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In Tabelle 1 gibt d das Körnungsband der reaktiven Partikel und der Füllstoffpartikel an und d50 gibt ihre mittlere Partikelgröße an.
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Es wurde eine frische, nicht gealterte Charge MgO verwendet.
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Jeder Vergussmasse wurden weiterhin 0,10 Gew.% eines polymerbasierten Entschäumers zusätzlich zu den 100 Gew.% der Vergussmasse hinzugefügt.
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Ein elektronisches Bauteil, bei dem es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen WBG-Halbleiter auf einem DBC-Substrat handelt, wird in einem Schritt 11 mit der jeweiligen Vergussmasse vergossen. In Schritt 12 erfolgt eine erste Wärmebehandlung in wassergesättigter Atmosphäre in einem Härteofen. Die Behandlungstemperatur beträgt 80°C und die Behandlungsdauer beträgt 2 Stunden. In einem Schritt 13 wird das wärmebehandelte vergossene Bauteil getrocknet. Das Trocknen erfolgt bei einer Temperatur von 80°C. Hierzu werden die vergossenen Bauteile jeweils in einem Umluftofen platziert.
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In einem zweiten Wärmebehandlungsschritt 14 erfolgt eine Wärmebehandlung im Umluftofen bei einer Temperatur von 150°C. Hierbei wird das in der ausgehärteten Vergussmasse enthaltene Polysiloxan aufgeschmolzen, durch Kapillarkräfte an die Wände der Poren gezogen und härtet dort unter Vernetzung aus.
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Die ausgehärteten und auf diese Weise behandelten Vergussmassen weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 5 - 10 W/mK auf. Während allerdings Vergussmassen die gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt wurden eine Schwindung von 0,8 - 1,0 % aufweisen, weisen Vergussmassen die gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel hergestellt wurden nur eine Schwindung von 0,1 - 0,3 % auf. Die Schwindung wurde ermittelt, indem die Vergussmasse von Raumtemperatur auf 150°C für 10 Stunden erhitzt und dann wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Die Schwindung entspricht der nach der Abkühlung erfolgten irreversiblen Längenänderung der Vergussmasse in Bezug auf die Länge der Vergussform.
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Das Verfahren endet mit dem Erhalt 15 eines elektrisch isolierten Bauteils 20. Dies ist in 2 dargestellt. Es besteht aus dem elektronischen Bauteil 21 in Form des WBG-Halbleiters auf einem Substrat 22 in Form des DBC-Substrats. Das Bauteil 21 ist von der ausgehärteten Vergussmasse 30 umgeben.