WO2015144810A1 - Haftfeste schicht auf keramik und/oder lötstopplack als schutzlack oder vergussmasse - Google Patents

Haftfeste schicht auf keramik und/oder lötstopplack als schutzlack oder vergussmasse Download PDF

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Anton Gschwändler
Katharina HÄRTL
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Definitions

  • the present invention relates to an adhesive layer on a ceramic substrate and / or a solder resist, which acts as a protective coating or potting compound, and a process for their preparation and en pursueend coated components, especially circuit boards.
  • a preferred application is in the field of high-voltage boards.
  • High-voltage boards must be potted to provide protection against physical and / or environmental influences, e.g. to ensure airborne ionic elements, moisture or corrosive atmospheres, in particular to provide protection class IP68 according to DIN EN 60529. This type of protection is known to provide complete protection against dust and temporary or permanent submersion.
  • potting compounds and protective coatings are used.
  • An encapsulant is a mass used to cover, mechanically reinforce and protect components or groups to protect them from chemicals, moisture, dust, mechanical stress or the like.
  • a protective varnish is a varnish which images the contours of the components or groups and protects them from moisture or dust. Such paints are applied only a few to several ⁇ thick.
  • a solder mask is understood to mean a mostly colored organic polymer. This must not dissolve in the (clear) potting compound, but like the ceramics must be hermetically sealed with the potting compound.
  • the casting compounds and protective lacquers known from the prior art and available on the market have the disadvantage that they do not adhere permanently to ceramics or to solder resists and / or turn yellow after a certain time. Thus, over the course of time, these potting compounds and conformal coatings can be peeled off, at least in part, without great expenditure of energy, which leads to moisture being able to penetrate. The degree of protection IP68 is therefore no longer met. In addition, environmental corrosion can occur on the applied LEDs.
  • the present invention is therefore based on the object to compensate for the disadvantages known from the prior art.
  • Suitable ceramic substrates are, for example, those based on AIN or Al 2 O 3. These may contain additives like Y2O3.
  • the ceramic substrate is preferably present as a heat sink or flat body.
  • the ceramic substrates are first roughened in an alkaline or acidic etching bath.
  • a pH of from 10 to 14 and particularly preferably from 1 to 13 is preferably selected in the alkaline.
  • a sulfuric acid environment is preferred.
  • the etching bath preferably has a temperature of from 20 to 200 ° C., more preferably from 40 to 160 ° C., and particularly preferably from 60 to 120 ° C.
  • the ceramic substrates are preferably left in the etching bath for 5 to 75 minutes, more preferably for 10 to 50 minutes, and particularly preferably for 15 to 25 minutes.
  • the Ra value ie the average roughness of the ceramic surface, preferably increases by at least 0.1 ⁇ , preferably by at least 0.2 ⁇ and particularly preferably by at least 0.3 ⁇ at roughening.
  • the optionally roughened ceramic substrates are then metallized by means of a common metal paste.
  • metallizations for example, silver, copper and tungsten-nickel-gold can be used. Preference is given to silver or copper, particularly preferred is silver.
  • the corresponding metal paste is baked at a preferred temperature of 450 to 1300 ° C, more preferably 650 to 1100 ° C, and most preferably 850 to 900 ° C.
  • the metal paste is oxidized. The baking is preferably carried out for 1 to 25 minutes and more preferably for 5 to 15 minutes.
  • the corresponding metallized ceramic supports are then processed in a manner known to those skilled in the art preferably to small ceramic chips with a gehausten LED, ie a cast, drop-shaped applied clear plastic lens, or open LED chips.
  • the gehausten LEDs or the open LED chips are then connected to other electronic components such as resistors on the described (larger) metallized ceramic support, for example by sintering, soldering, bonding and / or gluing.
  • a suitable potting compound or a suitable protective lacquer is applied to the appropriately equipped carrier ceramic. This is preferably done by spraying or potting the potting compound or the protective coating.
  • dosing or coating techniques such as dipping, spinning, brushing, dosing or dropping may also be used.
  • Suitable potting compounds and protective coatings are plastic-based compounds.
  • silicones and / or polyurethanes are used as potting compound or protective varnish.
  • a suitable adhesion promoter is applied to the appropriately equipped carrier ceramic. This is preferably done by spraying the adhesion promoter.
  • alternative dosing or coating techniques such as dipping, spinning, brushing, dosing or dropping may also be used.
  • Suitable Hafvermittler are masses based on plastic.
  • a suitable potting compound or a suitable protective coating is applied as described above.
  • the adherent layer of the ceramic or solder resist thus produced comprises, in addition to the potting compound or the protective varnish on the side of the ceramic or of the solder resist, in addition, a bonding agent.
  • the carrier ceramic which is equipped with components, is first of all cleaned physically-chemically and thereby rendered adherent for a suitable potting compound or a suitable protective lacquer. The potting compound is then applied to the resulting adhesion-promoting surface of the appropriately equipped carrier ceramic.
  • the present invention shall be clarified by the following non-limiting exemplary embodiments.
  • a ceramic substrate of AIN which contains 3% by weight of Y.sub.2 O.sub.3 and is in the form of a heat sink or flat body, is roughened in an alkaline etching bath at a temperature of 60.degree. C. and a pH of 12 for 20 minutes.
  • the Ra value increases from a maximum of 0.6 ⁇ to 0.9 ⁇ .
  • a ceramic substrate which consists of 96% by weight of Al 2 O 3 and is in the form of a heat sink or flat body, is roughened in a sulfuric acid etching bath at a temperature of 120 ° C. for 20 min, the Ra value of not more than 0.6 ⁇ rises to 0.9 ⁇ .
  • the ceramic substrate treated according to Example 1 or Example 2 is metallized with a silver paste and baked oxidatively at a temperature of 870 ° C. for 10 minutes. This gives a corresponding metallized ceramic support.
  • the chopped LED or the open LED chip is then connected to other electronic components such as resistors on the described (larger) metallized ceramic support, for example by sintering, soldering, bonding and / or gluing.
  • a suitable adhesion promoter is applied by spraying onto the appropriately equipped carrier ceramic.
  • the adhesion promoter is one based on plastic.
  • the potting compound is an organic polymer, namely a polyurethane or silicone.
  • Example 3 After mounting the components according to Example 3, the appropriately equipped carrier ceramic is physically-chemically cleaned and thereby made adherent for a suitable potting compound. The potting compound according to Example 5 is then applied to the resulting adhesion-promoting surface.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine haftfeste Schicht auf Keramik und/oder Lötstopplack, welche eine Vergussmasse oder einen Schutzlack umfasst. Dabei handelt es sich bei der Vergussmasse bzw. dem Schutzlack um eine Masse auf Kunststoffbasis. Zudem betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen haftfesten Schicht, bei dem i) ein Keramiksubstrat in einem Ätzbad aufgeraut wird, ii) das so aufgeraute Keramiksubstrat mittels einer Metallpaste metallisiert wird, iii) der so metallisierte keramische Träger zu einem kleinen Keramikchip mit einer gehausten LED oder zu einem offenen LED-Chip verarbeitet wird, iv) die gehauste LED bzw. der offene LED-Chip mit weiteren elektronischen Bauelementen auf dem metallisierten keramischen Träger verbunden wird und v) eine Vergussmasse oder ein Schutzlack, bei der bzw. bei dem es sich um eine Masse auf Kunsstoffbasis handelt, auf die so bestückte Trägerkeramik aufgebracht wird. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung noch eine Bauteil mit einer solchen haftfesten Schicht.

Description

Haftfeste Schicht auf Keramik und/oder Lötstopplack als Schutzlack oder
Vergussmasse
Die vorliegende Erfindung betrifft eine haftfeste Schicht auf einem Keramiksubstrat und/oder einem Lötstopplack, welche als Schutzlack oder Vergussmasse fungiert, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ensprechend beschichtete Bauteile, insbesondere Platinen. Ein bevorzugter Anwendungsbereich liegt auf dem Gebiet der Hochvoltplatinen. Hochvoltplatinen müssen vergossen werden, um einen Schutz vor Berührungen und/oder vor Umwelteinflüssen, z.B. vor durch Luft übertragenen ionischen Elementen, Feuchtigkeit oder korrosiver Atmosphäre, zu gewährleisten, insbesondere um die Schutzart IP68 nach DIN EN 60529 zu ermöglichen. Bei dieser Schutzart handelt es sich bekanntermaßen um einen vollständigen Schutz gegen Staub und zeitweiliges oder dauerhaftes Untertauchen.
Zu diesem Zwecke werden Vergussmassen sowie Schutzlacke verwendet.
Unter einer Vergussmasse versteht man eine Masse, die zur Abdeckung, zur mechanischen Verstärkung und zum Schutz von Bauteilen oder -gruppen eingesetzt wird, um diese vor Chemikalien, Feuchtigkeit, Staub, mechanischer Beanspruchung oder Ähnlichem zu schützen.
Bei einem Schutzlack handelt es sich hingegen um einen Lack, welcher die Konturen der Bauteile oder -gruppen abbildet und diese vor Feuchtigkeit oder Staub schützt. Solche Lacke werden nur wenige bis mehrere μιτι dick aufgetragen.
Unter einem Lötstopplack wird ein meist gefärbtes organisches Polymer verstanden. Dieses darf sich in der (klaren) Vergussmasse nicht lösen, muss aber ebenso wie die Keramik hermetisch dicht mit der Vergussmasse verkleben. Die aus dem Stand der Technik bekannten und auf dem Markt verfügbaren Vergussmassen und Schutzlacke haben allerdings den Nachteil, dass sie nicht dauerhaft auf Keramiken bzw. auf Lötstopplacken haften und/oder sich nach einer gewisser Zeit gelb verfärben. So werden diese Vergussmassen und Schutzlacke im Laufe der Zeit zumindest teilweise ohne hohen Kraftaufwand abschälbar, was dazu führt, dass Feuchte eindringen kann. Die Schutzart IP68 ist daher nicht mehr erfüllt. Zudem kann Umweltkorrosion an den aufgebrachten LEDs eintreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile auszugleichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine haftfeste Schicht gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer solchen haftfesten Schicht nach Anspruch 4 sowie ein mit einer solchen haftfesten Schicht beschichtetes Bauteil nach Anspruch 1 1 .
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich den jeweiligen Unteransprüchen.
Durch den Einsatz geeigneter Haftvermittlern und/oder eine geeigneten Auswahl von Vergussmassen und/oder eine geeignete Modifizierung der Oberfläche der zu behandelnden Keramik und/oder des zu behandelnden Lötstopplacks wird eine dauerhafte dichte Verbindung hergestellt, die alterungsbeständig ist und weder vergilbt noch versprödet.
Geeignete Keramiksubstrate sind beispielsweise solche auf Basis von AIN oder AI2O3. Diese können Zusätze wie Y2O3 enthalten.
Das Keramiksubstrat liegt dabei bevorzugt als Kühlkörper oder Flachkörper vor. Vorzugsweise werden die Keramiksubstrate zunächst in einem alkalischen oder sauren Ätzbad aufgeraut.
Dabei wird im Alkalischen bevorzugt ein pH-Wert von 10 bis 14 und besonders bevorzugt von 1 1 bis 13 gewählt. Im Sauren wird hingegen ein schwefelsaures Milieu bevorzugt.
Das Ätzbad weist vorzugsweise eine Temperatur von 20 bis 200 °C, weiter bevorzugt von 40 bis 160 °C und besonders bevorzugt von 60 bis 120 °C auf. Die Keramiksubstrate werden bevorzugt für 5 bis 75 min, weiter bevorzugt für 10 bis 50 min und besonders bevorzugt für 15 bis 25 min im Ätzbad belassen.
Der Ra-Wert, also die mittlere Rauigkeit der Keramikoberfläche, steigt beim Aufrauen vorzugsweise um mindestens 0,1 μιτι, weiter bevorzugt um mindestens 0,2 μιτι und besonders bevorzugt um mindestens 0,3 μιτι an.
Die gegebenfalls aufgerauhten Keramiksubstrate werden sodann mittels einer gebräuchlichen Metallpaste metallisiert. Als Metallisierungen können beipielsweise Silber, Kupfer sowie Wolfram-Nickel-Gold verwendet werden. Bevorzugt ist dabei Silber oder Kupfer, besonders bevorzugt ist Silber. Nach dem Auftragen wird die entsprechende Metallpaste bei einer bevorzugten Temperatur von 450 bis 1300 °C, weiter bevorzugt von 650 bis 1 100 °C und besonders bevorzugt von 850 bis 900 °C eingebrannt. Vorzugsweise wird die Metallpaste dabei oxidiert. Das Einbrennen erfolgt bevorzugt für 1 bis 25 min und besonders bevorzugt für 5 bis 15 min.
Die entsprechend metallisierten keramischen Träger werden dann auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise vorzugsweise zu kleinen Keramikchips mit einer gehausten LED, d.h. einer aufgegossenen, tropfenförmig aufgebrachte Linse aus klarem Siliconkunststoff, oder zu offenen LED-Chips verarbeitet. Die gehausten LEDs bzw. die offenen LED-Chips werden anschließend mit weiteren elektronischen Bauelementen wie Widerständen auf dem beschriebenen (größeren) metallisierten keramischen Träger verbunden, beispielsweise durch Sintern, Löten, Bonden und/oder Kleben.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Montieren der Bauelemente eine geeignete Vergussmasse oder ein geeigneter Schutzlack auf die entsprechend bestückte Trägerkeramik aufgebracht. Dies geschieht bevorzugt durch Aufsprühen oder Vergießen der Vergussmasse oder des Schutzlackes. Es können jedoch auch alternative Dosier- oder Beschichtungstechniken wie Tauchen, Schleudern, Streichen, Dosieren oder Tropfen verwendet werden.
Geeignete Vergussmassen sowie Schutzlacke sind dabei Massen auf Kunststoffbasis. Vorzugsweise werden Silikone und/oder Polyurethane als Vergussmasse oder Schutzlack eingesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Montieren der Bauelemente zunächst ein geeigneter Haftvermittler auf die entsprechend bestückte Trägerkeramik aufgebracht. Dies geschieht bevorzugt durch Aufsprühen des Haftvermittlers. Es können jedoch auch alternative Dosier- oder Beschichtungstechniken wie Tauchen, Schleudern, Streichen, Dosieren oder Tropfen verwendet werden. Geeignete Hafvermittler sind dabei Massen auf Kunststoffbasis. Anschließend wird eine geeignete Vergussmasse oder ein geeigneter Schutzlack wie zuvor beschrieben aufgebracht.
Die so erzeugte haftfeste Schicht der Keramik bzw. Lötstopplack umfasst dann neben der Vergussmasse bzw. dem Schutzlack auf der Seite der Keramik bzw. des Lötstopplackes zusätzlich einen Hafvermittler. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die mit Bauelementen bestückte Trägerkeramik zunächst physikalisch-chemisch gereinigt und dadurch für eine geeignete Vergussmasse oder einen geeigneten Schutzlack haftfest gemacht. Auf die so entstandene haftvermittelnde Oberfläche der entsprechend bestückten Trägerkeramik wird dann die Vergussmasse aufgetragen.
Die vorliegende Erfindung soll durch die folgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiele verdeutlicht werden.
Beispiel 1 :
Ein Keramiksubstrat aus AIN, welches 3 % Gew.-% Y2O3 enthält und in Form eines Kühlkörper oder Flachkörper vorliegt, wird in einem alkalischen Ätzbad bei einer Temperatur von 60 °C und einem pH-Wert von 12 für 20 min aufgerauht. Dabei steigt der Ra-Wert von maximal 0,6 μιτι auf 0,9 μιτι an.
Beispiel 2:
Ein Keramiksubstrat, welches zu 96 Gew.-% aus AI2O3 besteht und in Form eines Kühlkörpers oder Flachkörpers vorliegt, wird in einem schwefelsauren Ätzbad bei einer Temperatur von 120 °C für 20 min aufgerauht, wobei der Ra-Wert von maximal 0,6 μιτι auf 0,9 μιτι ansteigt.
Beispiel 3:
Das nach Beipiel 1 oder Beispiel 2 behandelte Keramiksubstrat wird mit einer Silberpaste metallisiert und oxidierend bei einer Temperatur von 870 °C für 10 min eingebrannt. So erhält man einen entsprechend metallisierten keramischen Träger.
Dieser wird sodann auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise zu einem kleinen Keramikchip mit einer gehausten LED, d.h. einer aufgegossenen, tropfenförmig aufgebrachte Linse aus klarem Siliconkunststoff, oder zu einem offenen LED-Chip verarbeitet.
Die gehauste LED bzw. der offene LED-Chip wird anschließend mit weiteren elektronischen Bauelementen wie Widerständen auf dem beschriebenen (größeren) metallisierten keramischen Träger verbunden, beispielsweise durch Sintern, Löten, Bonden und/oder Kleben.
Beispiel 4:
Nach dem Montieren der Bauelemente gemäß Beispiel 3 wird durch Sprühen ein geeigneter Haftvermittler auf die entsprechend bestückte Trägerkeramik aufgebracht. Bei dem Haftvermittler handelt es sich dabei um einen solchen auf Kunststoffbasis.
Beispiel 5:
Nach dem Montieren der Bauelemente gemäß Beispiel 3 oder dem Aufbringen des Haftvermittlers gemäß Beispiel 4 wird durch Vergießen eine geeignete Vergussmasse auf die entsprechend bestückte Trägerkeramik aufgebracht. Bei der Vergussmasse handelt es sich dabei um ein organisches Polymer, nämlich um ein Polyurethan oder Silikon.
Beispiel 6:
Nach dem Montieren der Bauelemente gemäß Beispiel 3 wird die entsprechend bestückte Trägerkeramik physikalisch-chemisch gereinigt und dadurch für eine geeignete Vergussmasse haftfest gemacht. Auf die so entstandene haftvermittelnde Oberfläche wird dann die Vergussmasse nach Beispiel 5 aufgetragen.

Claims

Ansprüche
1 ) Haftfeste Schicht auf Keramik und/oder Lötstopplack, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vergussmasse oder einen Schutzlack umfasst, und es sich bei der Vergussmasse bzw. dem Schutzlack um eine Masse auf Kunststoffbasis handelt.
2) Haftfeste Schicht nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse bzw. der Schutzlack ein Silikon- und/oder Polyurethan ist.
3) Haftfeste Schicht nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Seite der Keramik bzw. des Lötstopplackes zusätzlich einen Hafvermittler umfasst und es sich bei dem Haftvermittler um eine Masse auf Kunststoffbasis handelt.
4) Verfahren zur Herstellung einer haftfesten Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: i) ein Keramiksubstrat in einem Ätzbad aufgeraut wird,
ii) das so aufgeraute Keramiksubstrat mittels einer Metallpaste metallisiert wird,
iü ) der so metallisierte keramische Träger zu einem kleinen Keramikchip mit einer gehausten LED oder zu einem offenen LED-Chip verarbeitet wird,
iv) die gehauste LED bzw. der offene LED-Chip mit weiteren elektronischen Bauelementen auf dem metallisierten keramischen Träger verbunden wird und
v) eine Vergussmasse oder ein Schutzlack, bei der bzw. bei dem es sich um eine Masse auf Kunsstoffbasis handelt, auf die so bestückte Trägerkeramik aufgebracht wird. 5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt iv) und v) ein Haftvermittler auf die bestückte Trägerkeramik aufgebracht wird und es sich bei dem Haftvermittler um eine Masse auf Kunsstoffbasis handelt.
6) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt iv) und v) die bestückte Trägerkeramik physikalisch-chemisch gereinigt wird.
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ra-Wert der Keramikoberfläche beim Aufrauen in Schritt i) um mindestens 0,1 μιτι ansteigt.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Metallpaste um eine Silberpaste oder Kupferpaste handelt und diese nach dem Auftragen bei einer Temperatur von 450 bis 1300 °C auf dem Keramiksubstrat eingebrannt und dabei oxidiert wird.
9) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler auf die bestückte Trägerkeramik aufgesprüht wird.
10) Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse bzw. der Schutzlack auf die bestückte Trägerkeramik aufgesprüht wird.
1 1 ) Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer haftfesten Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3 beschichtet ist.
12) Bauteil nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Hochvoltplatine handelt.
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