KR20180088816A - 피복 재료를 구비한 전기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트 재료(22)를 포함하는 피복 재료(20)에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품(12)을 포함하는 전기 장치(10)에 관한 것이다. 상기 피복 재료(20)는 또한 열 완충 입자들(24)을 포함하고, 상기 열 완충 입자들(24)은 시멘트 재료 내에 배치되며 상기 시멘트 재료(22)의 시멘트보다 큰 열용량을 가진 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어진다.

Description

피복 재료를 구비한 전기 장치
본 발명은 피복 재료에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품을 포함하는 전기 장치, 및 그러한 전기 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날, 전력 전자 모듈 및 견고한 센서 시스템의 비용을 낮추면서 신뢰성과 효율을 높이는 것은 매우 중요하다. 현재 피복 재료(에폭시 화합물, 실리콘 재료)는 200℃ 미만의 온도 범위로 제한된다. 피복 재료에 대해 최대 300℃ 또는 350℃의 온도 범위의 개발에 의해, 피복 재료의 추가 기능(예를 들면 환경 영향으로부터의 보호, 개선된 열)을 포기하지 않으면서, 최신 전력 반도체(예를 들어 SiC)의 작동 범위가 200℃ 이상으로 확장될 수 있다.
DE102013112267A1에는 반도체 장치를 덮는, 상이한 유형의 시멘트로 이루어진 피복 재료를 구비한 반도체 모듈이 공지되어 있다. 이 경우, 피복 재료는 높은 열 전도율을 갖는 첨가제를 포함한다.
본 발명의 과제는 종래 기술의 단점을 갖지 않는 전기 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 시멘트 재료를 포함하는 피복 재료에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품을 포함하는 전기 장치에 관한 것이며, 상기 피복 재료는 열 완충 입자들을 포함하고, 상기 열 완충 입자들은 시멘트 재료 내에 배치되며 시멘트 재료의 시멘트보다 더 큰 열용량을 갖는 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어진다.
본 발명은 또한 시멘트 재료를 갖는 피복 재료에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품을 포함하는 전기 장치의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 제조 방법은
- 시멘트 재료를 제공하는 단계;
- 시멘트 재료의 시멘트보다 더 큰 열용량을 갖는 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어지는 열 완충 입자들을 시멘트 재료에 혼합하는 단계;
- 피복 재료가 전기 부품을 적어도 부분적으로 덮도록, 열 완충 입자들을 갖는 시멘트 재료를 포함하는 피복 재료를 전기 부품에 도포하는 단계; 및
- 피복 재료를 열 처리하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 전기 장치의 전기 부품용 피복 재료로서 시멘트 재료 및 열 완충 입자들을 포함하는 재료의 용도에 관한 것이며, 상기 열 완충 입자들은 시멘트 재료 내에 배치되고 시멘트 재료의 시멘트보다 더 큰 열용량을 갖는 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어진다.
전기 부품은 예를 들어, 반도체 부품, 센서 소자, 인덕터, 커패시터, 배터리 셀, 배터리 모듈 또는 회로 장치일 수 있다. 그러나 본 발명의 범위에서, 전기 부품은 임의의 능동 및 수동 부품 또는 고성능 부품일 수 있다. 전기 장치는 이 경우 전기 부품이 배치되는 캐리어 기판을 포함할 수 있다.
시멘트는 본 발명의 범위에서, 무기의, 비금속의, 수경성(hydraulic) 결합제를 의미할 수 있다. 이 경우, 시멘트는 수경성이다. 즉, 물과 화학적으로 반응하여 안정한 불용성 화합물을 형성한다. 이 경우, 시멘트는 공정의 초기에 또는 수화 전에 미세하게 분쇄된 분말로서 형성될 수 있으며, 상기 분말은 물 또는 혼합 수와 반응하여 수화물을 형성하며, 응고되고 경화된다. 수화물은, 맞물려 시멘트의 강도를 높이는 니들들 및/또는 작은 판들을 형성할 수 있다. 이와 달리, 인산염 시멘트는 수경성이 아니다. 염 겔을 형성하면서 산-염기 반응이 일어나고, 상기 염 겔은 나중에 응고되어 대부분 비정질 재료를 형성한다. 산 염기 반응에서, H+(수소 이온)가 치환된다.
시멘트는 주로 칼슘 알루미네이트로 이루어질 수 있고, 수화 중에 칼슘 알루미네이트 수화물을 형성한다. 시멘트 재료가 알루미나 시멘트를 포함하는 것이, 특히 알루미나 시멘트로 이루어지는 것이 바람직하다. 알루미나 시멘트(약어 CAC)는 DIN EN 14647 European에 따라 규제된다. 알루미나 시멘트는 주로 모노칼슘 알루미네이트(CaO*Al2O3)로 이루어진다.
알루미나 시멘트는 예를 들어 하기 조성을 가질 수 있다:
- Al203: 67.8 중량% 이상
- CaO: 31.0 중량 % 이하
- SiO2: 0.8 중량 % 이하
- Fe2O3: 0.4 중량 % 이하
열 완충 입자들은 본 발명의 범위에서 입자형 첨가제를 의미할 수 있다. 열 완충 입자들은 이 경우 열처리 동안 그리고 작동 동안의 필요 온도를 안정하게 견디도록 형성된다. 열 완충 입자들은 시멘트 재료에 혼합 단계 전에 분말형으로 형성될 수 있다. 그러나 열 완충 입자들은 액체 성분을 포함할 수도 있다. 따라서, 열 완충 입자들은 용액 또는 분산액 또는 현탁액으로서, 예컨대 물 성분과 함께 존재할 수 있다. 열 완충 입자들은 건조한 시멘트 재료 또는 시멘트 분말 혼합물 내로, 즉 필요한 경우 혼합 수가 혼합되기 전에, 혼합될 수 있다. 그러나 열 완충 입자들은 습한 시멘트 재료 또는 시멘트 분말 혼합물 내로, 즉 필요한 경우 혼합 수가 혼합된 후에, 혼합될 수 있다. 열 완충 입자들은 1 ㎛ 이상 내지 600 ㎛ 이하 범위의 입자 직경 d50을 가질 수 있다.
본 발명의 범위에서, 피복 재료는 임의의 유형의 캡슐화(패키징)를 의미할 수 있다. 피복 재료는 시멘트 복합물로서 형성될 수 있다. 달리 표현하면, 피복 재료는 충전제 및 열 완충 입자들을 갖는 시멘트 매트릭스를 포함할 수 있다. 피복 재료는 하기 조성을 가질 수 있다:
- 결합제 알루미나 시멘트: 8 중량 % 이상 내지 47 중량 % 이하(예를 들면, SECAR 71)
- 반응물 물: 10 중량 % 이상 내지 28 중량 % 이하
- 열 완충 입자: 1 중량 % 이상 내지 13 중량 % 이하
- 충전제: 25 중량 % 이상 내지 82 중량 % 이하.
충전제는
- Al2O3 : 미세 d50 약 1 ㎛ 내지 거친 d50 약 150-200 ㎛
- 알파-Si3N4 : 미세 약 1 ㎛ 내지 거친 약 100 ㎛
- Hex. BN : 미세 약 15 ㎛ 또는 약 250 ㎛ 이하
- SiC: 미세 약 10-50 ㎛ 또는 약 600 ㎛ 이하
- AlN : 미세 약 1 ㎛ 또는 약 100 ㎛ 이하
로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
열처리 단계는 본 발명의 범위에서 수화 단계 및/또는 결합 단계 및/또는 건조 단계 및/또는 경화 단계를 포함할 수 있다. 열처리는 템퍼링 오븐 내에서의 템퍼링 단계를 포함할 수 있다. 열처리는 40 ℃ 이상 내지 95 ℃ 이하의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따라, 시멘트 재료의 시멘트보다 큰 열용량을 갖는 열 완충 입자들을 첨가함으로써, 피복 재료의 열 특성을 필요에 따라 의도적으로 설정하고, 특히 피복 재료의 총 열용량을 현저히 높이는 것이 가능하다. 즉, 달리 표현하면, 전기 부품의 열을 가능한 신속히 주변으로 방출하기 위해, 피복 재료의 열 전도율이 높아져야 하는 것이 아니라, 열용량의 증가에 의해 높은 열 완충 및 그에 따라 열 과부하 용량이 달성된다. 따라서, 피복 재료의 열 전도율은 열 용량을 위해, 경화 또는 작동 중의 부하에 따라, 더 낮게 설계될 수 있어서, 각각의 적용에 대해 열전도율과 열용량 간의 특정 최적 상태가 달성되므로 작동 상태가 조정되거나 최적화된다. 이에 따라, 작동 중에 전력 손실 피크에서 특히 강하며 과열에 대한 전기 부품의 보호를 제공하는 전기 장치가 제공될 수 있다.
또한, RT-350℃의 온도에서 입자 재료의 열 용량이 900 J/kgK 이상의 범위인 것이 바람직하다. 알루미나 시멘트의 열용량은 750-900 J/kgK 이다. 이러한 조치에 의해 피복 재료의 총 용량이 더 증가할 수 있고, 350℃의 최대 작동 온도까지 전기 부품으로부터 나오는 열량이 매우 효과적으로 흡수될 수 있다.
입자 재료는 포르스테라이트(Forsterite), 코디에라이트(Cordierit), 멀라이트(Mullite)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 이 재료들 또는 재료 그룹들은 매우 높은 열용량을 갖는다. 또한, 이들은 소정 적용 온도에서 안정적이다. 그러나 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 세라믹 재료 및 금속 또는 폴리머 재료도 가능하다.
또한, 열 완충 입자의 함량은 피복 재료의 총 중량에 대해 1 중량% 이상 내지 13 중량% 이하의 범위인 것이 바람직하다. 이 조치에 의해, 피복 재료의 열용량은 더욱 증가할 수 있다.
열 완충 입자가 시멘트 재료 내에 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 열 완충 입자가 시멘트 재료에 의해 덮인다. 이 경우, 열 완충 입자는 시멘트 재료 내에 바람직하게는 균일하게 분포된다. 이 조치에 의해, 전기 부품에 의해 방출되는 열량이 매우 양호하게 시멘트 재료를 통해 열 완충 입자로 방출될 수 있거나 또는 열 완충 입자에 의해 흡수될 수 있다.
이하, 본 발명이 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 장치의 예시.
도 1에서, 본 발명에 따른 전기 장치가 전체적으로 도면 부호 10으로 표시되어 있다.
전기 장치(10)는 전기 부품(12)을 포함한다. 전기 부품(12)은 반도체 부품(12)으로서 설계된다. 전기 부품(12)은 캐리어 기판(14) 상에 배치된다. 전기 부품(12)과 캐리어 기판(14) 사이에는 구리 층(16)이 배치된다. 이 경우 구리 층(16)은 다수의 기능, 즉 열 결합 및 열 방출을 개선하는 기능, 전기 부품(12)에 대한 전기 접촉 가능성을 제공하는 기능, 및 필요한 경우 도포 시 피복 재료의 유동 정지부로서의 기능을 한다.
전기 부품(12)은 본딩 와이어(18)를 통해, 상기 전기 부품에 마주 놓인 캐리어 기판(14)의 면에 연결되어, 외부로부터 전기 부품(12)의 전기 접촉이 가능해진다. 이 경우, 캐리어 기판(14)은 예를 들어 플레이트로서 형성될 수 있으며, 전기 부품(12)을 접촉하기 위한 도체 트랙들 또는 전기 콘택들이 상기 플레이트 내에 통합될 수 있다. 도체 트랙들은 캐리어 기판(14)의 표면 상에도 배치될 수 있다. 캐리어 기판(14)은 하나의 칩을 형성할 수 있다.
전기 장치(10)는 시멘트 재료(22)를 포함하는 피복 재료(20)를 포함한다. 피복 재료(20) 또는 시멘트 재료(22)는 글로브 탑(Glob-Top)으로서 형성된다. 피복 재료(20) 또는 시멘트 재료(22)는 캐리어 기판(14) 상에 배치된다. 이 경우 시멘트 재료(22)는 캐리어 기판(14)에 의해 덮이지 않은 면 상에서 전기 부품(12)을 덮는다. 따라서, 전기 부품(12)은 캐리어 기판(14) 및 피복 재료(20)에 의해 완전히 덮인다. 시멘트 재료(22)는 또한 캐리어 기판(14)의 일부를 덮으며, 이를 통해 캐리어 기판(14)에 단단히 연결된다.
피복 재료(20) 또는 시멘트 재료(22)는 다수의 열 완충 입자(24)를 포함한다. 열 완충 입자들(24)은 시멘트 재료(22)의 내부에 분포 배치된다. 그에 따라 열 완충 입자들(24)은 시멘트 재료(22)에 의해 덮인다. 본 발명에 따라 열 완충 입자(24)는 시멘트 재료(22)의 시멘트보다 큰 열용량을 가진 입자 재료를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 피복 재료(20)는 열 완충 입자(24)로 인해 예컨대 시멘트 재료(22)만을 포함하는 피복 재료(20)보다 큰 열용량을 갖는다. 전기 부품(12)에 의해 방출되는 열량(26)은 열 완충 입자(24)에 의해 매우 효율적으로 흡수될 수 있다. 열 완충 입자(24)는 흡수 후에 흡수된 열량(26)을 서서히 전기 장치(10)의 주변으로 방출하므로, 피복 재료(20) 및 전기 부품(12)이 임계 온도에 도달하여 손상되는 것이 방지된다. 본 발명에 따라 매우 높은 열 과부하 용량이 달성됨으로써, 확실한 작동, 및 특히 전력 손실 피크 동안 과열로부터 전기 부품(12)의 보호가 보장될 수 있다.
전기 장치(10)의 제조 시, 먼저 시멘트 재료(22)가 예를 들어 분말 형태로 제공된다. 그리고 나서, 예컨대 분말 형태로 주어질 수 있는 열 완충 입자들(24)이 시멘트 재료(22) 내로 혼합된다. 후속해서, 액체 성분, 예를 들어 물이 선택적으로 Melflux인 플럭스와 함께 혼합된다. 시멘트 재료(22), 열 완충 입자들(24) 및 물을 포함하는 습한 피복 재료(20)는 배기되고, 전기 부품(12)에 도포되고, 예컨대 사출 성형 또는 주형 내에서의 주조에 의해 성형된다. 이어서, 피복 재료(20)가 예를 들어 60 ℃ 및 90 % 상대 습도에서 열처리 또는 템퍼링됨으로써, 시멘트 재료(22)의 겔화, 결정화, 니들링 및 경화가 일어난다. 이 경우, 습도는 물 손실(물-시멘트 값)을 방지하고, 온도는 소정 구조를 형성한다. 최종적으로, 열 완충 입자들(24)을 가진 피복 재료(20)가 선택적으로 처리된 다음, 예를 들어 300 ℃에서 탈형되어(demold) 보관된다.
10 전기 장치
12 전기 부품
20 피복 재료
22 시멘트 재료
24 열 완충 입자

Claims (9)

  1. 시멘트 재료(22)를 포함하는 피복 재료(20)에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품(12)을 포함하는 전기 장치(10)에 있어서,
    상기 피복 재료(20)는 열 완충 입자들(24)을 더 포함하고, 상기 열 완충 입자들(24)은 상기 시멘트 재료(22) 내에 배치되며 상기 시멘트 재료(22)의 시멘트보다 큰 열용량을 가진 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시멘트 재료(22)는 알루미나 시멘트를 포함하거나 또는 알루미나 시멘트로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 입자 재료의 열용량은 900 J/kgK 이상의 범위인 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 재료는 포르스테라이트(Forsterite), 코디에라이트(Cordierit), 멀라이트(Mullite)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 완충 입자들(24)의 함량은 상기 피복 재료(20)의 총 중량에 대해 1 중량% 이상 내지 13 중량% 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 완충 입자들(24)은 상기 시멘트 재료(22) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 부품(12)은 반도체 부품(12), 센서 소자, 인덕터, 커패시터, 배터리 셀, 배터리 모듈 또는 회로인 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
  8. 특히 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른, 시멘트 재료(22)를 갖는 피복 재료(20)에 의해 적어도 부분적으로 덮인 전기 부품(12)을 포함하는 전기 장치(10)의 제조 방법에 있어서,
    - 상기 시멘트 재료(22)를 제공하는 단계;
    - 상기 시멘트 재료(22)의 시멘트보다 더 큰 열용량을 갖는 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어지는 열 완충 입자들(24)을 상기 시멘트 재료(22) 내로 혼합하는 단계;
    - 상기 열 완충 입자들(24)을 갖는 상기 시멘트 재료(22)를 포함하는 피복 재료(20)를 상기 전기 부품(12)에 도포하는 단계; 및
    - 상기 피복 재료(20)를 열 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 장치(10)의 제조 방법.
  9. 특히 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 또는 제 8 항에 따라 제조되는, 전기 장치(10)의 전기 부품(12)용 피복 재료(20)로서 시멘트 재료(22) 및 열 완충 입자들(24)을 포함하는 재료의 용도로서, 상기 열 완충 입자들(24)은 상기 시멘트 재료(22) 내에 배치되며, 상기 시멘트 재료(22)의 시멘트보다 높은 열용량을 갖는 입자 재료를 포함하거나 입자 재료로 이루어지는, 재료의 용도.
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