WO2017089210A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrischen vorrichtung mit einer umhüllmasse - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer elektrischen vorrichtung mit einer umhüllmasse Download PDF

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WO2017089210A1
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cement
additive
cement paste
protective layer
compound
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Tjalf Pirk
Helmut Schmidt
Petra Stedile
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrical device with an electrical component, which is at least partially enveloped by a Umhüllmasse and such an electrical device.
  • the current wrapping materials are limited to a temperature range below 200 ° C.
  • the operating range of modern power semiconductors eg SiC
  • the additional function of a wrapping material eg protection from environmental influences, improved Thermal
  • From DE102013112267A1 is a semiconductor module with a a
  • the wrapping material in this case has a moisture-resistant protective layer, which is applied in a separate manufacturing step after the setting of the cement paste.
  • the subject matter of the present invention is a method for producing an electrical device with an electrical component, which is at least partially enveloped by an encapsulation compound having a cement compound, with the following steps:
  • the subject matter of the present invention is furthermore an electrical device with an electrical component, which is at least partially enveloped by a coating compound having a cement compound, wherein on one surface of the
  • Cement composition is disposed a protective layer, wherein the protective layer has an additive which has come from the interior of the cement paste to the surface of the cement paste, whereby the protective layer has been formed on this surface.
  • the present invention also relates to the use of a
  • An additive for forming a protective layer on a coating compound comprising a cement compound of an electrical component of an electrical device, wherein the additive passes through a treatment of Umhüllmasse to a surface of the cement paste and forms the protective layer on this surface.
  • the electrical component may, for example, be a semiconductor component, a sensor element, an inductance, a capacitance, a battery cell, a battery module or an entire circuit.
  • an electrical component can be understood as any active and passive component or high-performance component.
  • the electrical device can in this case a
  • a cement can be understood in the context of the present invention, an inorganic, metal-free, hydraulic binder.
  • the cement hardens in this case hydraulically, ie it takes place a chemical reaction with water instead of forming stable, insoluble compounds.
  • the cement may be formed at the beginning of the process or prior to hydration as finely ground powder, which reacts with water or addition of water with the formation of hydrates, solidifies and hardens.
  • the hydrates can form needles and / or platelets, which interlock and thus lead to a high strength of the cement.
  • a phosphate cement does not harden hydraulically.
  • An acid-base reaction takes place to form a salt gel, which later solidifies to a mostly amorphous mass. In the acid-base reaction, H + (hydrogen ions) are exchanged.
  • the cement may consist predominantly of calcium aluminates and form calcium aluminate hydrates during hydration. It is advantageous if the
  • Cement composition has alumina cement, in particular consists of alumina cement.
  • Alumina cement (abbreviated CAC) is regulated in accordance with DIN EN 14647 European.
  • Alumina cement consists mainly of monocalcium aluminate (CaO * Al 2 O 3).
  • the alumina cement may, for example, have the following composition:
  • AI203 greater than or equal to 67.8% by weight
  • SiO 2 less than or equal to 0.8% by weight
  • Fe203 less than or equal to 0.4% by weight
  • an additive can be understood as meaning an additive or a layer-forming agent.
  • the additive may be powdered before the step of mixing into the cement paste.
  • the additive may also have a liquid content.
  • the additive can be in the form of a solution or dispersion or suspension, for example with a water content.
  • the additive is mixed or dissolved in the mixing water.
  • the additive can be mixed in a dry cement paste or cement powder mixture, ie, if necessary, before the addition of water is added.
  • additive can also be mixed into the wet cement paste or cement powder mixture, ie, if necessary, the addition of water was added.
  • an encapsulation compound can be understood as any type of encapsulation (packaging).
  • the Umhüllmasse can as
  • cement composite be formed. That is, in other words, that the encapsulant may comprise a cement matrix with a filler and the additive.
  • the wrapping compound may be followed before and / or after the step of treating
  • Composition include:
  • Binder alumina cement greater than or equal to 8 to less than or equal to 47% by weight (for example SECAR 71)
  • Filler greater than or equal to 25 to less than or equal to 82% by weight
  • the filler may be selected from the group consisting of:
  • - AIN fine about 1 ⁇ or up to about 100 ⁇
  • the step of treating may include a plurality of substeps.
  • the step of treating may include a hydration step and / or setting step and / or drying step and / or curing step.
  • the step of treating may also include a waiting step to await, for example, a "spontaneous" process
  • the additive may be "driven" from the interior of the cement mass to a surface of the wrapping mass. However, it can also be waited by the step of the treatment until the additive passes further from the interior of the cement paste to the surface of the wrapping mass without any action.
  • the additive may be further excited to form a protective layer on that surface.
  • the additional processing step of coating the cement paste after application to the electrical component is completely eliminated.
  • the protective layer can already develop its protective function during the treatment of the encasing compound and not only afterwards.
  • the protective layer is formed impermeable to water vapor. Accordingly, the protective layer as a vapor-barrier layer or
  • the water-impermeable protective layer or vapor-barrier layer on the material surface of the cement paste prevents the evaporation or evaporation of water from the cement paste during the
  • the steam-impermeable protective layer which forms during or during the treatment step of Umhüllmasse, advantageously the Zemenl / water ratio are kept constant during the crystallization of the cement paste. Furthermore, the water vapor-impermeable protective layer ensures the tightness of the enveloping compound even after the completion of the electrical device, ie during the operation of the electric device. However, since the coating composition also has a fine residual porosity even with optimum water / cement ratio, the water vapor-impermeable protective layer after setting provides an additional seal and thus optimum moisture protection for the coating compound.
  • UV radiation infrared radiation
  • visible light infrared radiation
  • the heat treatment may comprise a tempering step in a tempering furnace.
  • the heat treatment can be carried out in a temperature range of greater than or equal to 40 ° C to the same or equal to 300 ° C.
  • the gas atmosphere can, for example, as an atmosphere or air with an increased
  • the gas atmosphere may also include catalyst or promoter molecules.
  • the parameters for activating the functionality of the additive can be adapted in a simple manner, so that the additive can reliably and efficiently reach the surface of the cement paste and form the protective layer on this surface. Furthermore, it is advantageous if by the step of treating the
  • Enveloping mass of the additive floats on the surface of the cement paste and / or diffused and / or coagulated and / or swelled.
  • the additive may float to the surface of the cement paste in the liquid cement mass during a gelling phase.
  • the additive may alternatively or additionally also to the surface of the cement paste by a
  • Particle size gradients and / or a density gradient in the cement paste during a drying phase diffuse.
  • the additive may alternatively or additionally also to the surface of the cement paste due to its
  • the additive may alternatively or additionally also swell to the surface of the cement paste by a reaction. It is particularly advantageous if the additive swells on the surface of the cement paste, polymerized and cured to the protective layer.
  • the additive can be designed such that it reacts upon contact with a certain atmosphere (ambient air, oxygen, Temperofenatmospreheat) and / or other conditions (temperature, UV irradiation, pH).
  • a certain atmosphere ambient air, oxygen, Temperofenatmospreheat
  • / or other conditions temperature, UV irradiation, pH.
  • materials which float on the cement slurry and quickly assemble into a layer analogous to an oil film on a water surface.
  • dissolved polymers which form a film.
  • the additive is selected from the group consisting of: monomers, polymers, in particular silicone, and inorganic substances, in particular oxides, nitrides, ceramics.
  • the selected materials must be designed to withstand the temperature requirements during treatment or annealing and possibly stable in operation.
  • the additive may in particular be a water-soluble polymer, for example vinyl alcohol or mixtures thereof or consisting thereof. These materials or groups of materials have a high temperature stability and are therefore particularly well suited for the adjustment or increase in the sealing properties of the enveloping composition.
  • the following additional step is carried out: mixing a binder and / or swelling substance into the cement paste, ie before applying the cement paste to the electrical component, to the additive in the step of treating the coating compound on the surface of the cement paste to keep.
  • the additive remains "fixed” during the treatment on the surface, so that the layer formation is optimized and the
  • Leakage properties can be further improved.
  • the additive is further arranged inside the cement paste. In this case, only traces of the additive in the
  • cement mass be present. Due to a "surplus" of additive in the cement paste remains after the formation of a certain residual fraction in the
  • the protective layer is designed to decompose or carbonate after the step of the treatment at a certain temperature, in particular in a range of greater than or equal to 250 ° C.
  • the protective layer is intended only for the "critical phase", namely the drying and curing process, in order to maintain the Zm / water ratio during the crystallization, and then dissolves in a targeted manner, offering the advantage in that a very thin and hence also easy-to-implement protective layer which does not have to offer any long-term impermeability is sufficient, and monomers and polymers are preferred for this application.
  • Fig. 1 is an illustration of an electrical device according to a
  • FIG. 1 an electrical device according to the invention is shown, which is provided in its entirety by the reference numeral 10.
  • the electrical device 10 has an electrical component 12.
  • the electrical component 12 is designed as a semiconductor component 12.
  • the electrical component 12 is arranged on a carrier substrate 14. Between the electrical component 12 and the carrier substrate 14, a copper layer 16 is arranged.
  • the copper layer 16 in this case has several functions, namely to improve the heat connection and removal, an electrical
  • the electrical component 12 is connected via bonding wires 18 with him
  • the carrier substrate 14 may be formed, for example, as a plate, in the further conductor tracks or electrical contacts for contacting the electrical component 12 may be integrated.
  • Conductor tracks can also be arranged on a surface of the carrier substrate 14.
  • the carrier substrate 14 may be formed into a chip.
  • the electrical device 10 also has an encasing compound 20, which has a cement compound 22.
  • the wrapping compound 20 or the cement compound 22 is formed as a glob top.
  • the wrapping compound 20 or the cement compound 22 is arranged on the carrier substrate 14.
  • the cement compound 22 in this case encloses the electrical component 12 on the surfaces which are uncovered by the carrier substrate 14. Accordingly, the electrical component 12 is completely enveloped by the carrier substrate 14 and the encasing compound 20.
  • the cement compound 22 also also covers a part of the carrier substrate 14, via which it is firmly connected to the carrier substrate 14.
  • the encasing compound 20 or the cement compound 22 has a surface 24 on which a protective layer 26 is arranged. According to the invention, the
  • Protective layer 26 an additive 28.
  • the additive 28 is characterized by or during the treatment of the wrapping compound 24, in particular during
  • the protective layer 26 is in this case preferably vapor-impermeable in order to keep the water / cement value constant during the curing process.
  • Cement material 22 for example, provided in powder form.
  • the cement paste 22 is then the Rajustoff 28, which may be, for example, in powder form, mixed.
  • a liquid component for example. Water is mixed with possibly the flux Melflux.
  • the moist wrapping compound 20 comprising the cement paste 22, the additive 28 and the water is then evacuated, applied to the electrical component 12 and brought into shape, for example. By injection molding or casting into molds.
  • the wrapping compound 20 is treated, in particular heat treated or tempered, for example.
  • the humidity prevents water loss (water-cement value) and the temperature causes formation of the desired structures.
  • water loss water-cement value
  • Additive 28 from the interior of the applied wrapping compound 20 to the surface 24 of the cement paste 22 passes, for example, floats and / or diffused and / or coagulated and / or swells and hardens there.
  • the wrapping compound 20 is optionally treated with the protective layer 26, then removed from the mold and removed, for example at 300 ° C.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Bauteil (12), welches von einer eine Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt wirdvorgestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: - Bereitstellen der Zementmasse (22); - Einmischen eines Zusatzstoffes (28) in die Zementmasse (22); - Aufbringen der die Zementmasse (22) mit dem Zusatzstoff (28) aufweisenden Umhüllmasse (20) auf das elektrische Bauteil (12); und - Behandeln der Umhüllmasse (20), wobei durch die Behandlung der Zusatzstoff (28) aus der Zementmasse (22) an eine Oberfläche (24) der Zementmasse (22) gelangt und eine Schutzschicht (26) an dieser Oberfläche (24) ausbildet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einer Umhüllmasse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt wird sowie eine derartige elektrische Vorrichtung.
Stand der Technik
Die Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Effizienz sowie die Senkung der Kosten von Leistungselektronikmodulen und robusten Sensorsystemen sind heutzutage von höchster Bedeutung. Die aktuellen Umhüllmaterialien (Epoxid- Verbindungen, Silikonmassen) sind auf einen Temperaturbereich von unter 200°C begrenzt. Durch die Erschließung des Temperaturbereiches von bis zu 300°C bzw. 350°C für Umhüllmaterialien kann der Betriebsbereich von modernen Leistungshalbleitern (z.B. SiC) über 200°C hinaus erweitert werden, ohne das auf die Zusatzfunktion eines Umhüllmaterials (z.B. Schutz vor Umwelteinflüssen, verbesserte Thermik) verzichtet werden muss.
Aus der DE102013112267A1 ist ein Halbleitermodul mit einer einen
Halbleiterbaustein bedeckenden Umhüllungsmasse aus verschiedenen
Zementarten bekannt. Die Umhüllmasse weist hierbei eine feuchtebeständige Schutzschicht auf, welche in einem separaten Fertigungsschritt nach dem Abbinden der Zementmasse aufgetragen wird.
Offenbarung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt wird, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen der Zementmasse;
- Einmischen eines Zusatzstoffes in die Zementmasse;
- Aufbringen der die Zementmasse mit dem Zusatzstoff aufweisenden Umhüllmasse auf das elektrische Bauteil derart, dass das elektrische Bauteil zumindest teilweise von der Umhüllmasse umhüllt wird; und
- Behandeln der Umhüllmasse, wobei durch die Behandlung der Zusatzstoff aus der Zementmasse an eine Oberfläche der Zementmasse gelangt und eine Schutzschicht an dieser Oberfläche ausbildet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine elektrische Vorrichtung mit einem elektrischen Bauteil, welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse zumindest teilweise umhüllt ist, wobei an einer Oberfläche der
Zementmasse eine Schutzschicht angeordnet ist, wobei die Schutzschicht einen Zusatzstoff aufweist, welcher aus dem Inneren der Zementmasse an die Oberfläche der Zementmasse gelangt ist, wodurch die Schutzschicht an dieser Oberfläche ausgebildet wurde.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung eines
Zusatzstoffes zur Ausbildung einer Schutzschicht an einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse eines elektrischen Bauteils einer elektrischen Vorrichtung, wobei der Zusatzstoff durch eine Behandlung der Umhüllmasse an eine Oberfläche der Zementmasse gelangt und die Schutzschicht an dieser Oberfläche ausbildet.
Das elektrische Bauteil kann bspw. ein Halbleiterbauelement, ein Sensorelement, eine Induktivität, eine Kapazität, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul oder eine ganze Schaltung sein. Unter einem elektrischen Bauteil kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch jegliches aktive und passive Bauelement bzw. Hochleistungs- Bauelement verstanden werden. Die elektrische Vorrichtung kann hierbei ein
Trägersubstrat aufweisen, auf dem das elektrische Bauteil angeordnet ist. Unter einem Zement kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein anorganisches, metallfreies, hydraulisches Bindemittel verstanden werden. Der Zement erhärtet hierbei hydraulisch, d.h. es findet eine chemische Reaktion mit Wasser statt unter Bildung stabiler, unlöslicher Verbindungen. Hierbei kann der Zement zu Beginn des Verfahrens bzw. vor der Hydratation als feingemahlenes Pulver ausgebildet sein, welches mit Wasser bzw. Zugabewasser unter der Bildung von Hydraten reagiert, erstarrt und erhärtet. Die Hydrate können dabei Nadeln und/oder Plättchen ausbilden, welche sich verzahnen und somit zu einer hohen Festigkeit des Zementes führen. Im Gegensatz dazu erhärtet ein Phosphatzement nicht hydraulisch. Es findet eine Säure-Basen- Reaktion unter Bildung eines Salzgels statt, welches später zu einer meist amorphen Masse erstarrt. Bei der Säure-Base-Reaktion werden H+ (Wasserstoff-Ionen) ausgetauscht.
Der Zement kann überwiegend aus Calciumaluminaten bestehen und während der Hydratation Calciumaluminathydrate ausbilden. Es ist vorteilhaft, wenn die
Zementmasse Tonerdezement aufweist, insbesondere aus Tonerdezement besteht. Tonerdezement (Kurzzeichen CAC) ist nach DIN EN 14647 europäisch geregelt.
Tonerdezement besteht vorwiegend aus Monocalciumaluminat (CaO * AI203).
Der Tonerdezement kann bspw. folgende Zusammensetzung aufweisen:
- AI203: größer oder gleich 67,8 Gew.-%
- CaO: kleiner oder gleich 31,0 Gew.-%
- Si02: kleiner oder gleich 0,8 Gew.-%
- Fe203: kleiner oder gleich 0,4 Gew.-%
Unter einem Zusatzstoff kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Additiv bzw. ein Schicht-Bildner verstanden werden. Der Zusatzstoff kann vor dem Schritt des Einmischens in die Zementmasse pulverförmig ausgebildet sein. Der Zusatzstoff kann jedoch auch einen flüssigen Anteil aufweisen. Demnach kann der Zusatzstoff als Lösung oder Dispersion oder Suspension, bspw. mit einem Wasseranteil vorliegen. Idealerweise ist der Zusatzstoff in dem Anmachwasser eingemischt bzw. gelöst. Der Zusatzstoff kann in eine trockene Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. bevor ggf. das Zugabewasser beigemengt wird. Der Zusatzstoff kann aber auch in die nasse Zementmasse bzw. Zementpulver-Mischung eingemischt werden, d.h. nachdem ggf. das Zugabewasser beigemengt wurde.
Unter einer Umhüllmasse kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jegliche Art von Verkapselung (Packaging) verstanden werden. Die Umhüllmasse kann als
Zementkomposit ausgebildet sein. D.h., mit anderen Worten, dass die Umhüllmasse eine Zementmatrix mit einem Füllstoff sowie den Zusatzstoff aufweisen kann. Die Umhüllmasse kann vor und/oder nach dem Schritt des Behandeins folgende
Zusammensetzung aufweisen:
- Bindemittel Tonerdezement: größer oder gleich 8 bis kleiner oder gleich 47 Gew.-% (bspw. SECAR 71)
- Reaktionsmittel Wasser: größer oder gleich 10 bis kleiner oder gleich 28 Gew.-%
- Zusatzstoff: 3-20 Gew.-%
- Füllstoff: größer oder gleich 25 bis kleiner oder gleich 82 Gew.-%
Der Füllstoff kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus:
- AI203: fein d50 ca. 1 μηη bis grob d50 ca. 150-200 μηη
- Alpha-Si3N4: fein ca. 1 μηη bis grob ca. 100 μηη
- Hex. BN: fein ca 15 μηη oder bis ca. 250 μηη
- SiC: fein ca. 10-50 μηη oder bis ca. 600 μηη
- AIN: fein ca. 1 μηη oder bis ca. 100 μηη
Der Schritt des Behandeln kann eine Vielzahl von Teilschritten umfassen. Der Schritt des Behandeins kann einen Hydratationsschritt und/oder Abbindeschritt und/oder Trocknungsschritt und/oder Aushärtungsschritt umfassen. Der Schritt des Behandeins kann auch einen Warteschritt umfassen, um bspw. einen„spontanen" Prozess abzuwarten bzw. ablaufen zu lassen. Durch den Schritt des Behandeins kann der Zusatzstoff aus dem Inneren der Zementmasse an eine Oberfläche der Umhüllmasse „getrieben" werden. Durch den Schritt des Behandeins kann jedoch auch abgewartet werden, bis der Zusatzstoff weiteres ohne Zutun aus dem Inneren der Zementmasse an die Oberfläche der Umhüllmasse gelangt. Durch den Schritt des Behandeins kann der Zusatzstoff ferner angeregt werden, um eine Schutzschicht an dieser Oberfläche auszubilden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nunmehr möglich, durch Zugabe eines geeigneten Zusatzstoffes in die Zementmasse vorteilhafterweise bei bzw. während der Behandlung der Umhüllmasse, d.h. in ein und demselben Fertigungsschritt gleichzeitig zusätzlich eine Schutzschicht an der Oberfläche der Zementmasse zu erzeugen. D.h., mit anderen Worten, dass bspw. beim Abbinden bzw. Trocknen der Umhüllmasse eine Art Hautbildung hervorgerufen wird, welche die Poren der Zementmasse an der Oberfläche verschließt und die mechanischen Eigenschaften sowie
Dichtigkeitseigenschaften der Umhüllmasse verbessert. Demnach entfällt zum einen der zusätzliche Bearbeitungsschritt der Beschichtung der Zementmasse nach dem Aufbringen auf dem elektrische Bauteil gänzlich. Zum anderen kann die Schutzschicht ihre Schutzfunktion bereits während der Behandlung der Umhüllmasse und nicht erst danach entfalten.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Schutzschicht wasserdampfundurchlässig ausgebildet ist. Demnach ist die Schutzschicht als Dampf-Sperr-Schicht oder
Dichtigkeitsschicht ausgebildet. Die wasserundurchlässige Schutzschicht bzw. Dampf- Sperr-Schicht auf der Materialoberfläche der Zementmasse verhindert das Verdampfen bzw. Abdampfen von Wasser aus der Zementmasse während des
Hydratationsprozesses und/oder Abbindeprozesses und/oder Trocknungsprozesses und/oder Aushärtungsprozesses, wodurch der Wasser/Zement-Wert konstant bleibt. Der Wasser/Zement-Wert ist kritisch für die Materialeigenschaften, weshalb dieser genau eingestellt werden und auch möglichst konstant bleiben muss. Denn zum einen führt zu wenig Wasser dazu, dass der Zementkorn- Kern nicht durchhydratisiert.
Hierdurch können bei späterem Wasserkontakt Risse in der harten Umhüllmasse aufgrund von Volumenausdehnung hervorgerufen durch eine nachträgliche Hydratation des Zementkorn- Kernes entstehen, welche die Struktur der Umhüllmasse zerstören können. Zum anderen führt zu viel Wasser zur Ausbildung von Kapillarporen durch das überschüssige Wasser, wodurch die Porosität der Umhüllmasse steigt und folglich die Dichtigkeit verringert wird. Somit kann durch die erfindungsgemäße
wasserdampfundurchlässige Schutzschicht, welche sich bei bzw. während des Behandlungsschritts der Umhüllmasse bildet, vorteilhafterweise das Zemenl/Wasser- Verhältnis bei der Kristallisation der Zementmasse konstant gehalten werden. Ferner gewährleistet die wasserdampfundurchlässige Schutzschicht die Dichtigkeit der Umhüllmasse auch nach der Fertigstellung der elektrischen Vorrichtung, also während des Betriebs des elektrischen Vorrichtung. Da die Umhüllmasse jedoch auch bei optimalem Wasser/Zement- Verhältnis eine feine Restporosität aufweist, bietet die wasserdampfundurchlässige Schutzschicht nach dem Abbinden eine zusätzliche Abdichtung und somit einen optimalen Feuchteschutz für die Umhüllmasse.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Schritt des Behandeins der Umhüllmasse zumindest eine der folgenden Behandlungen umfasst:
- Beaufschlagung der Umhüllmasse mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen;
- Wärmebehandlung der Umhüllmasse;
- Aussetzen der Umhüllmasse in einer definierten Gasatmosphäre;
- Beaufschlagung der Umhüllmasse mit einem definierten Druck;
- Beaufschlagung der Umhüllmasse mit elektromagnetischer Strahlung einer
definierten Wellenlänge und Intensität, bspw. UV-Strahlung, Infrarot-Strahlung, sichtbarem Licht.
Durch das Beaufschlagen der Umhüllmasse mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen kann der Zusatzstoff sehr einfach entmischt werden, um so an die Oberfläche zu gelangen.
Die Wärmebehandlung kann einen Temperschritt in einem Temperofen umfassen. Die Wärmebehandlung kann in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 40 °C bis gleicher oder gleich 300 °C erfolgen.
Die Gasatmosphäre kann bspw. als Atmosphäre bzw. Luft mit einer erhöhten
Luftfeuchtigkeit von bis zu 100% ausgebildet sein. Die Gasatmosphäre kann auch Katalysator- oder Beschleuniger-Moleküle aufweisen.
Durch diese Maßnahme können die Parameter zur Aktivierung der Funktionalität des Zusatzstoffes auf einfach Art und Weise angepasst werden, so dass der Zusatzstoff zuverlässig und effizient an die Oberfläche der Zementmasse gelangen und die Schutzschicht an dieser Oberfläche ausbilden kann. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn durch den Schritt des Behandeins der
Umhüllmasse der Zusatzstoff an die Oberfläche der Zementmasse aufschwimmt und/oder diffundiert und/oder koaguliert und/oder aufschwellt. Hierbei kann der Zusatzstoff an die Oberfläche der Zementmasse in der flüssigen Zementmasse während einer Vergelungsphase aufschwimmen. Der Zusatzstoff kann alternativ oder zusätzlich auch an die Oberfläche der Zementmasse durch einen
Partikelgrößengradienten und/oder einen Dichtegradienten in der Zementmasse während einer Trocknungsphase diffundieren. Der Zusatzstoff kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch an die Oberfläche der Zementmasse aufgrund seiner
Konzentration koagulieren und dort verklumpen. Ferner kann der Zusatzstoff alternativ oder zusätzlich auch an die Oberfläche der Zementmasse durch eine Reaktion aufschwellen. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Zusatzstoff an die Oberfläche der Zementmasse schwellt, polymerisiert und zu der Schutzschicht aushärtet.
Demnach kann der Zusatzstoff derart ausgebildet sein, dass er bei Kontakt mit einer bestimmten Atmosphäre (Umgebungsluft, Sauerstoff, Temperofenatmosphäre) und/oder sonstigen Rahmenbedingungen (Temperatur, UV-Bestrahlung, pH-Wert) reagieren. Besonders bevorzugt sind Materialien, welche auf dem Zement-Schlicker aufschwimmen und sich schnell zu einer Schicht zusammenfügen, analog eines Ölfilmes auf einer Wasseroberfläche. Möglich sind auch gelöste Polymere, welche einen Film bilden. Durch diese Maßnahme kann der Zusatzstoff einfach an die
Oberflächen gelangen, um dort die Schutzschicht auszubilden bzw. sich zu der Schutzschicht zusammenzufügen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Zusatzstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Monomere, Polymere, insbesondere Silikon, und anorganische Stoffe, insbesondere Oxide, Nitride, Keramiken. Hierbei müssen die ausgewählten Materialien ausgebildet sein, die Anforderungstemperaturen bei der Behandlung bzw. beim Tempern sowie ggf. im Betrieb stabil auszuhalten. Der Zusatzstoff kann insbesondere ein wasserlösliches Polymer sein, z.B. Vinylalkohol oder Mischungen daraus aufweisen oder daraus bestehen. Diese Materialien bzw. Materialgruppen weisen eine hohe Temperaturstabilität auf und eignen sich somit besonders gut für die Einstellung bzw. Erhöhung der Dichtigkeitseigenschaften der Umhüllmasse. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der folgende zusätzliche Schritt durchgeführt wird: Einmischen eines Binders und/oder Schwellstoffes in die Zementmasse, also vor dem Aufbringen der Zementmasse auf das elektrische Bauteil, um den Zusatzstoff beim Schritt des Behandeins der Umhüllmasse an der Oberfläche der Zementmasse zu halten. Durch diese Maßnahme bleibt der Zusatzstoff während der Behandlung an der Oberfläche„fixiert", so dass die Schichtbildung optimiert und die
Dichtigkeitseigenschaften weiter verbessert werden können.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Zusatzstoff ferner im Inneren der Zementmasse angeordnet ist. Hierbei können auch nur Spuren des Zusatzstoffes in der
Zementmasse vorhanden sein. Durch einen„Überschuss" an Zusatzstoff in der Zementmasse bleibt nach der Schichtbildung ein gewisser Restanteil in der
Zementmasse übrig, wodurch gewährleistet ist, dass die anfängliche Menge an Zusatzstoff ausreichend für die Ausbildung der vorzugsweise geschlossen
ausgebildeten Schutzschicht war.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Schutzschicht ausgebildet ist, sich nach dem Schritt des Behandeins bei einer bestimmten Temperatur, insbesondere in einem Bereich von größer oder gleich 250°C zu zersetzen oder zu carbonatisieren. D.h., mit anderen Worten, dass die Schutzschicht nur für die„kritische Phase", nämliche den Trocknungs- und Aushärtungsprozess vorgesehen ist, um das Zemenl/Wasser- Verhältnis bei der Kristallisation zu wahren, und sich im Anschluss gezielt auflöst. Dies bietet den Vorteil, dass eine sehr dünne und damit auch einfach zu realisierende Schutzschicht, welche keine langfristige Dichtigkeit bieten muss, ausreichend ist. Bevorzugt sind für diese Anwendung Monomere und Polymere Stoffe.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung dargestellt, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen ist.
Die elektrische Vorrichtung 10 weist ein elektrisches Bauteil 12 auf. Das elektrische Bauteil 12 ist als Halbleiterbauelement 12 ausgebildet. Das elektrische Bauteil 12 ist auf einem Trägersubstrat 14 angeordnet. Zwischen dem elektrischen Bauteil 12 und dem Trägersubstrat 14 ist eine Kupferschicht 16 angeordnet. Die Kupferschicht 16 hat hierbei mehrere Funktionen, nämlich die Wärmeanbindung und -abfuhr zu verbessern, eine elektrische
Kontaktierungsmöglichkeit für das elektrische Bauteil 12 bereitzustellen und ggf. als Fließstop der Umhüllmasse beim Auftragen.
Das elektrische Bauteil 12 ist über Bonddrähte 18 mit der ihm
gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 14 verbunden, wodurch eine elektrische Kontaktierung des elektrischen Bauteils 12 von außen ermöglicht wird. Hierbei kann das Trägersubstrat 14 beispielsweise als eine Platte ausgebildet sein, in die ferner Leiterbahnen bzw. elektrische Kontakte zum Kontaktieren des elektrischen Bauteils 12 integriert sein können. Die
Leiterbahnen können auch auf einer Oberfläche des Trägersubstrats 14 angeordnet sein. Das Trägersubstrat 14 kann zu einem Chip ausgebildet sein.
Die elektrische Vorrichtung 10 weist ferner eine Umhüllmasse 20 auf, welche eine Zementmasse 22 aufweist. Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 ist als Glob-Top ausgebildet. Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 ist an dem Trägersubstrat 14 angeordnet. Die Zementmasse 22 umhüllt hierbei das elektrische Bauteil 12 an den Flächen, welche von dem Trägersubstrat 14 unbedeckt sind. Demnach ist das elektrische Bauteil 12 vollständig durch das Trägersubstrat 14 und die Umhüllmasse 20 umhüllt. Die Zementmasse 22 bedeckt ferner auch einen Teil des Trägersubstrats 14, über den sie fest mit dem Trägersubstrat 14 verbunden ist.
Die Umhüllmasse 20 bzw. die Zementmasse 22 weist eine Oberfläche 24 auf, an der eine Schutzschicht 26 angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die
Schutzschicht 26 einen Zusatzstoff 28 auf. Der Zusatzstoff 28 ist hierbei durch bzw. während der Behandlung der Umhüllmasse 24, insbesondere beim
Abbinden der Zementmasse 22 aus dem Inneren der Zementmasse 22 an die Oberfläche 24 der Zementmasse 22 gelangt. Dies kann bspw. durch ein
Aufschwimmen und/oder ein Diffundieren und/oder eine Koagulation und/oder ein Aufschwellen des Zusatzstoffes 28 an die Oberfläche 24 der Zementmasse 22 erfolgt sein. Durch die Ansammlung und Erhärtung des Zusatzstoffes 28 an der Oberfläche 24 hat sich dann erfindungsgemäß die Schutzschicht 26 gebildet. Die Schutzschicht 26 ist hierbei bevorzugterweise dampfundurchlässig ausgebildet, um den Wasser/Zement-Wert während des Aushärtungsprozesses konstant zu halten.
Bei der Herstellung der elektrischen Vorrichtung 10 wird zunächst die
Zementmasse 22, bspw. in Pulverform bereitgestellt. In die Zementmasse 22 wird anschließend der Zusatzustoff 28, welcher bspw. auch pulverförmig vorliegen kann, eingemischt. Im Anschluss wird eine flüssige Komponente, bspw. Wasser mit ggf. dem Flussmittel Melflux beigemischt. Die feuchte Umhüllmasse 20 aufweisend die Zementmasse 22, den Zusatzstoff 28 und das Wasser wird dann evakuiert, auf das elektrische Bauteil 12 aufgebracht und in Form gebracht, bspw. mittels Spritzgießen oder Vergießen in Formen. Darauf folgend wird die Umhüllmasse 20 behandelt, insbesondere wärmebehandelt bzw. getempert, bspw. bei 60°C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit, wodurch eine Gelbildung, Kristallisation, Vernadelung und Aushärtung der Zementmasse 22 erfolgt. Hierbei beugt die Luftfeuchte einem Wasserverlust (Wasser-Zement-Wert) vor und die Temperatur bewirkt eine Ausbildung der gewünschten Strukturen. Bei bzw.
während der Gelbildung bis zur Aushärtung bildet sich erfindungsgemäß die Schutzschicht 26 an der Oberfläche 24 der Zementmasse 22, wobei der
Zusatzstoff 28 aus dem Inneren der aufgetragenen Umhüllmasse 20 an die Oberfläche 24 der Zementmasse 22 gelangt, bspw. aufschwimmt und/oder diffundiert und/oder koaguliert und/oder aufschwellt und dort erhärtet. Schließlich wird die Umhüllmasse 20 mit der Schutzschicht 26 optional behandelt, dann entformt und ausgelagert, bspw. bei 300°C.

Claims

Ansprüche
1 ) Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung (10) mit einem
elektrischen Bauteil (12), welches von einer eine Zementmasse aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt wird, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen der Zementmasse (22);
Einmischen eines Zusatzstoffes (28) in die Zementmasse (22);
Aufbringen der die Zementmasse (22) mit dem Zusatzstoff (28) aufweisenden Umhüllmasse (20) auf das elektrische Bauteil (12); und
Behandeln der Umhüllmasse (20), wobei durch die Behandlung der
Zusatzstoff (28) aus der Zementmasse (22) an eine Oberfläche (24) der Zementmasse (22) gelangt und eine Schutzschicht (26) an dieser Oberfläche (24) ausbildet.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zementmasse (22) Tonerdezement aufweist, insbesondere aus Tonerdezement besteht.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schutzschicht (26) wasserdampfundurchlässig ausgebildet ist.
4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schritt des Behandeins der Umhüllmasse (20) zumindest eine der folgenden Behandlungen umfasst:
Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit Vibrationen, Rüttelbewegungen und/oder Schleuderbewegungen;
Wärmebehandlung der Umhüllmasse (20);
Aussetzen der Umhüllmasse (20) in einer definierten Gasatmosphäre;
Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit einem definierten Druck;
Beaufschlagung der Umhüllmasse (20) mit elektromagnetischer Strahlung.
5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass durch den Schritt des Behandeins der Umhüllmasse (20) der Zusatzstoff (28) an die Oberfläche (24) der Zementmasse (22) aufschwimmt und/oder diffundiert und/oder koaguliert und/oder aufschwellt.
6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) an die Oberfläche (24) der Zementmasse (22)
in der flüssigen Zementmasse (22) während einer Vergelungsphase aufschwemmt; und/oder
durch einen Partikelgrößengradienten und/oder einen Dichtegradienten in der Zementmasse (22) während einer Trocknungsphase diffundiert; und/oder aufgrund seiner Konzentration koaguliert; und/oder
durch eine Reaktion aufschwellt.
7) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zusatzstoff (28) an die Oberfläche (24) der Zementmasse (22) schwellt, polimerisiert und zu der Schutzschicht (26) aushärtet.
8) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Monomere, Polymere, insbesondere Silikon, und anorganische Stoffe, insbesondere Oxide, Nitride, Keramiken.
9) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt:
Einmischen eines Binders und/oder Schwellstoffes in die Zementmasse (22), um den Zusatzstoff (28) beim Schritt des Behandeins der Umhüllmasse (20) an der Oberfläche (24) der Zementmasse (22) zu halten.
10) Elektrische Vorrichtung (10) mit einem elektrischen Bauteil (12), insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches von einer eine
Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) zumindest teilweise umhüllt ist, wobei an einer Oberfläche (24) der Zementmasse (22) eine Schutzschicht (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (26) einen Zusatzstoff (28) aufweist, welcher aus dem Inneren der Zementmasse (22) an die Oberfläche (24) der Zementmasse (22) gelangt ist, wodurch die Schutzschicht (26) an dieser Oberfläche (24) ausgebildet wurde.
1 1 ) Elektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) in der Zementmasse (22) eingemischt war und aus dem Inneren der Zementmasse an die Oberfläche (24) der Zementmasse (22) aufgeschwommen und/oder diffundiert und/oder koaguliert und/oder
aufgeschwollen ist, wodurch die Schutzschicht (26) an dieser Oberfläche (24) ausgebildet wurde.
12) Elektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (28) ferner im Inneren der Zementmasse (22) angeordnet ist.
13) Elektrische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (26) ausgebildet ist, sich bei einer bestimmten Temperatur, insbesondere in einem Bereich von größer oder gleich 250°C zu zersetzen oder zu carbonatisieren.
14) Elektrische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (12) ein Halbleiterbauelement (12), ein Sensorelement, eine Induktivität, eine Kapazität, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul oder eine Schaltung ist.
15) Verwendung eines Zusatzstoffes (28) zur Ausbildung einer Schutzschicht (26) an einer eine Zementmasse (22) aufweisenden Umhüllmasse (20) eines elektrischen Bauteils (12) einer elektrischen Vorrichtung (10), insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Zusatzstoff (28) durch eine Behandlung der Umhüllmasse (20) an eine Oberfläche (24) der Zementmasse (22) gelangt und die Schutzschicht (26) an dieser
Oberfläche (24) ausbildet.
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