Titel

Vergussmasse, Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils und elektrisch isoliertes Bauteil

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 werden kann.

Stand der Technik

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. Eine solche Vergussmasse ist beispielsweise aus der DE 10 2008 045 424 Al bekannt.

Aufgrund der organischen Matrix wird jedoch die thermische Beständigkeit der Vergussmasse durch das gewählte Polymer begrenzt. Für eine ausreichende Fließfähigkeit beim Verguss kann der gut wärmeleitende Feststoffanteil nicht beliebig hoch eingesetzt werden, da die intrinsische Viskosität von Polymeren vor der Vernetzung schon deutlich höher als die Viskosität von Wasser ist und daher in der Regel mit 50 bis 60 Vol.% Füllstoffanteil die Obergrenze für die

Verarbeitbarkeit erreicht wird. Bei bis 200°C temperaturbeständigen

Silikonelastomer-basierten Vergussmassen liegen die erreichbaren

Wärmeleitfähigkeiten bei 2,5 bis 3,0 W/mK.

Auch in der Mischung mit keramischen Füllstoffen weisen polymergebundene Vergussmassen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als elektrische oder elektronische Bauteile. Zwar können elastische Formulierungen mechanische Spannungen, die aus unterschiedlichen Ausdehnungen resultieren, abbauen, jedoch können die Formulierungen bei Einsatztemperaturen über 200°C nachschrumpfen und verspröden. Dies führt dazu, dass eine mechanische Belastung in Form von Scherkräften auf die Bauteile wirken kann.

Die Grenze der Temperaturbeständigkeit kann auf mindestens 300°C angehoben werden und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit weit über 3,0 W/mK angehoben werden, indem Vergussmassen auf Tonerde- oder Phosphatzementbasis verwendet werden. Solche sind beispielsweise aus der WO 2015/067441 Al bekannt. Die dabei verwendete flüssige Phase Wasser hat eine sehr geringe Viskosität, was hohe Füllgrade mit den gut wärmeleitenden keramischen

Partikeln von über 70 Vol.% ermöglicht. Ein Teil des Wassers wird dabei mit dem Zement zu Hydratphasen gebunden, die ihrerseits die Füllstoffpartikel als Bindematrix einschließen und dabei eine bessere Wärmeleitfähigkeit zur Folge haben als organische Polymere. Auch der thermische Ausdehnungskoeffizient ist dabei signifikant niedriger als bei polymergebundenen Massen. Die gebildeten Hydratphasen werden allerdings bis zur angestrebten maximalen

Einsatztemperatur von 300°C wieder vollständig entwässert. Die Folge ist eine deutliche Schrumpfung von 0,4 bis 0,6 % und teilweise auch eine innere

Mikrorissbildung im Gefüge. An der Grenzfläche zu den vergossenen

Komponenten treten hierdurch hohe Scherkräfte auf. Die anfänglich sehr hohen Werte der Wärmeleitfähigkeit werden zudem erheblich reduziert, da aufgrund der Wasserabgabe zusätzlicher Porenraum und Mikrorisse ausgebildet werden.

Offenbarung der Erfindung

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.

Die reaktiven Partikel sind ausgewählt aus Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 pm, porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten, insbesondere mit einer Partikelgröße von maximal 75 mhh, Siliziumoxidpartikeln insbesondere amorphen

Siliziumoxidpartikeln, mit einer Partikelgröße von maximal 0,5 pm,

Kieselsäurepartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 0,5 pm und Gemischen daraus. Sie ermöglichen ein Erhärten der Vergussmasse durch Reaktion der reaktiven Partikel mit dem Wasser unter Bildung einer thermisch stabilen Magnesiumhydroxidhydratphase, einer Silicathydratphase und/oder einer Magnesiumsilicathydratphase.

Poröse Magnesiumoxidpartikelagglomerate können mittels Kalzinierens hergestellt werden. Porenfreie Magnesiumoxidpartikel können mittels eines Schmelzprozesses hergestellt werden.

Die Partikelgröße aller Partikel kann durch Korngrößenmessung mittels

Lasergranulometer und Primärpartikelgrößenmessung mittels

Rasterelektronenmikroskopie (REM) ermittelt werden.

Bevorzugt sind die reaktiven Partikel ein Gemisch von Magnesiumoxidpartikeln als ersten Partikeln mit Siliziumoxidpartikeln und/oder Kieselsäurepartikeln als zweiten Partikeln. Dabei liegt das Gewichtsverhältnis zwischen den ersten Partikeln und den zweiten Partikeln im Bereich von 99:1 bis 40:60. Besonders bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis zwischen 90:10 und 70:30. Hierdurch können thermisch besonders stabile Magnesiumsilicathydratphasen erzeugt werden.

Unter Füllstoffpartikeln werden Partikel mit einer Partikelgröße, insbesondere eine Primärpartikelgröße, von mehr als 1 pm 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.

Dabei sind Aluminiumoxid, Kyanit, Quarz, Flussspat, Alumosilikate, oberflächlich oxidiertes Siliziumpulver oberflächlich oxidiertes Siliciumcarbidpulver, und Mischoxide (insbesondere Ferrite) besonders bevorzugt.

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.

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 pm als Füllstoffpartikel, wird der Aushärteprozess unterbrochen, bevor eine

weitergehende Hydroxidbildung zum Auftreiben der bereits erhärteten Masse führt.

Der hohe Anteil an Füllstoffpartikeln, der in der Vergussmasse enthalten sein kann, ermöglicht es, sehr hohe Wärmeleitfähigkeiten zu realisieren.

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, polymerbasierte Entschäumer und Benetzungsmittel, wobei Polycarboxylatether bevorzugt sind.

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.

Es wurde gefunden, dass sich bei einem molaren Verhältnis von 5 mol% oder weniger Siliziumoxid bzw. Kieselsäure zusammen mit Magnesiumoxid (entspricht 7,4 Gew.% Siliziumoxid bzw. Kieselsäure auf 100 Gew.% der Summe von der reaktiven Partikel) mit Aluminiumoxid- Füllstoffen unter längerer Feuchtelagerung Meixnerit als neue störende Phase ausbildet, die durch Volumenzunahme das Gefüge auftreibt. Deshalb ist es für Vergussmassen, die Aluminiumoxid enthalten bevorzugt, dass der Anteil von Siliziumoxid und Kieselsäure an den reaktiven Partikeln mindestens 8 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 14 Gew.% beträgt.

Die Vergussmasse kann in einem Verfahren zum elektrischen Isolieren 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 des Verfahrens elektrisch isoliert werden. Neben der elektrischen Isolierung wird außerdem eine verbesserte Abführung von Verlustwärme erreicht.

In dem Verfahren 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 bei Einsatz von Magnesiumoxid als Füllstoff verhindert, die zu einer Expansion der gehärteten Vergussmasse führen würde. Bei Vergussmassen, die kein Magnesiumoxid als Füllstoff enthalten, kann die Trocknung auch beschleunigt bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei 80°C stattfinden.

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. Hierzu sehen unterschiedliche Ausführungsformen des Verfahrens Möglichkeiten vor, das Kunstharz in die Vergussmasse einzubringen:

Sofern die Vergussmasse selbst kein Kunstharz enthielt, ist es in einer

Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, dass das vergossene Bauteil nach dem Trocknen einer Druckinfiltration mit einem vernetzbaren Kunstharz unterzogen wird.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt eine Druckinfiltration mit einer Lösung eines festen Kunstharzes in einem organischen Lösungsmittel wie beispielsweise Ethanol oder Xylol in das getrocknete Gefüge der Vergussmasse.

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. Handelt es sich bei dem vernetzbaren Kunstharz um 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.

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.

Mittels des Verfahrens ist ein elektrisch isoliertes Bauteil herstellbar, das insbesondere mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 10 ⁸ W x cm isoliert ist. Selbst wenn eine hydrophobe Porenfüllung erfolgt ist, sind auf

Magnesiumoxid als Füllstoff und ausschließlich auf Magnesiumhydroxid als Bindephase basierende Vergussmassen unter hohen Temperaturen wie beispielsweise Temperaturen von mindestens 80°C und hoher Feuchte wie beispielsweise einer Luftfeuchtigkeit von 95% nicht langzeitstabil. Um dennoch eine Dimensionsstabilität der elektrischen Isolierung zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass das elektrisch isolierte Bauteil von einer gasdichten Kapselung umgeben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm von Ausführungsbeispielen des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines elektrisch isolierten Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 3 zeigt in einem Diagramm die thermische Dehnung und Schrumpfung von elektrischen Isolierungen gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik. Ausführungsbeispiele der Erfindung

Der Ablauf von drei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 1 dargestellt. Hierin erfolgt zunächst ein Bereitstellen 10 einer Vergussmasse Bl, B2 oder B3, deren Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist:

Tabelle 1

In Tabelle 1 sowie in den folgenden Tabellen gibt d das Körnungsband der reaktiven Partikel und der Füllstoffpartikel an und dso gibt ihre mittlere

Partikelgröße an.

Es wurden die folgenden Komponenten verwendet:

AI ₂ O ₃ (d _ö o = 39 pm) Showa Denko K.K. AS10 AI ₂ O ₃ (d _ö o = 9 mhh) Showa Denko K.K, AS50

MgO (d = 0-120 mhh) Magnesia GmbH Magnesia 2837

MgO (d = 0-75 mhh) Magnesia GmbH Magnesia 298

MgO (d = 0-5 mhh) Baikowski SAS M30CR

Si0 ₂ Heraeus GmbH & Co. KG Zandosil 30

PCE Sika Services AG Viscocrete 2810

Das Magnesia 2837 wurde mitels eines Schmelzprozesses hergestellt. Das Magnesia 298 besteht aus mitels Kalzinierung hergestellten offenporigen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten.

Ein elektronisches Bauteil, bei dem es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen WBG-Halbleiter auf einem DBC-Substrat handelt, wird in einem Schrit 11 mit der jeweiligen Vergussmasse vergossen. In Schrit 12 erfolgt eine

Wärmebehandlung in wassergesätigter Atmosphäre in einem Härteofen. Die Behandlungstemperatur beträgt 80°C. Für die Vergussmassen Bl beträgt die Behandlungsdauer eine Stunde, für die Vergussmasse B2 und B3 beträgt die Behandlungsdauer 10 Stunden. In einem Schrit 13 wird das wärmebehandelte vergossene Bauteil getrocknet. Das Trocknen erfolgt für die Vergussmasse Bl bei einer Temperatur von 35°C und für die Vergussmassen B2 und B3 bei einer Temperatur von 80°C. Hierzu werden die vergossenen Bauteile jeweils in einem Umluftofen platziert.

Die ausgehärtete Vergussmasse Bl ist in diesem Stadium unter längerer Feuchtelagerung (mehr als 5 Tage bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 %) durch Bildung von Brucit instabil. Die ausgehärtete Vergussmasse B2 ist unter diesen Bedingungen durch Bildung von Meixnerit instabil. Die ausgehärtete Vergussmasse B3 ist hingegen unter diesen Bedingungen dimensionsstabil.

In einem Schrit 14 erfolgt eine Druckinfiltration mit Methylpolysiloxanharz (Wacker Chemie AG, MSE 100) unter 200 bar Druck über eine Stunde. Dies führt zu einer Infiltration von einer Materialstärke von 12 mm unter einer

Masseaufnahme von 10 bis 11 Gew.%. Hierbei werden im Trocknungsschrit gebildete Poren in der gehärteten Vergussmasse, die eine Porosität von 20 Vol.% ausmachten, vollständig geschlossen.

Die ausgehärteten und auf diese Weise behandelten Vergussmassen weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 5 - 10 W/mK auf.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt im Schritt 14 eine

Druckinfiltration mit einer Lösung von festem Methylpolysiloxanharz in Ethanol. Das Lösungsmittel wird am Ende der Druckinfiltration wieder entzogen, wodurch ein teilweise ungefüllter Porenraum zurückbleibt.

Das Verfahren endet mit dem Erhalt 16 eines elektrisch isolierten Bauteils 20. Dies ist in Figur 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. Um die ausgehärtete Vergussmasse 30 herum wird noch eine gasdichte Kapselung 40 aufgebracht, die aus einem Silikongel besteht. Bei Verwendung der

Vergussmasse B3 kann auf die gasdichte Kapselung 40 verzichtet werden.

In Figur 3 ist die relative Längenänderung DL verschiedener Materialien bei Erhöhung der Temperatur T bis 300°C und erneuter Absenkung der Temperatur T dargestellt. Während die Längenänderung eines Metalls wie beispielsweise Kupfer Cu reversibel ist, folgt auf die Dehnung der anderen dargestellten Materialien eine Schrumpfung, die zu einer irreversiblen Längenänderung führt. Diese ist für gehärtete Vergussmassen Bl, B2, B3 gemäß den

Ausführungsbeispielen der Erfindung jedoch nur gering und liegt unter 0,20 %. Als Vergleichsbeispiel VB ist das Dehnungs- und Schrumpfungsverhalten einer Aluminiumoxidtonerdezementvergussmasse dargestellt, wie sie beispielsweise aus der WO 2015/067441 Al bekannt ist. Es ist ersichtlich, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vergussmassen auf ein damit vergossenes Bauteil erheblich geringere Scherkräfte wirken, als wenn die Vergussmasse gemäß dem Vergleichsbeispiel VB verwendet wird. In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die Vergussmassen B4 und B5 verwendet, deren Zusammensetzung in Tabelle 2 aufgeführt ist:

Tabelle 2

Bei dem„Siloxan“ handelt es sich um ein reaktives Polysiloxan (Wacker Chemie AG, Silres MK).

Die Verwendung der Vergussmassen B4 und B5 beim elektrischen Isolieren von Bauteilen unterscheidet sich von der für die Vergussmassen Bl und B3 beschriebene Vorgehensweise dadurch, dass der Schritt 14 der Druckinfiltration durch einen zweiten Wärmebehandlungsschritt D15 ersetzt wird. In diesem erfolgt eine Wärmebehandlung im Umluftofen bei einer Temperatur von 175°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. Hinsichtlich der Hydrolysestabiliät und des Verwendens der gasdichten Kapselung 40 verhält dich die Vergussmasse B4 wie die Vergussmasse Bl und die Vergussmasse B5 verhält sich wie die Vergussmasse B3.