Titel

Vergussmasse, elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil und

Verfahren zu dessen elektrischer Isolierung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vergussmasse. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder elektronischen Bauteils. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisch isoliertes elektrisches oder elektronisches Bauteil, das insbesondere mittels des

Verfahrens hergestellt werden kann.

Stand der Technik

Die Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Effizienz sowie die Senkung der Kosten von Leitungselektronikmodulen und robusten Sensorsystemen sind heutzutage von höchster Bedeutung. Epoxidverbindungen und Silikonmassen als Umhüllmaterialien sind auf einen Temperaturbereich von unter 200°C begrenzt. Zur Erschließung des Temperaturbereichs von bis zum 350°C wurden deshalb anorganische Umhüllmassen vorgeschlagen, die aus einer Tonerdezementmatrix und keramischen Füllstoffen bestehen. Derartige Umhüllmassen sind aus der DE 10 2015 223 422 Al, der DE 10 2015 223 443 Al, der DE 10 2015 223 449 Al, der DE 10 2015 223 466 Al und der DE 10 2015 223 467 Al bekannt. Der pH- Wert derartiger flüssiger Massen liegt bis zum Erhärten allerdings so hoch, dass die Chipmetallisierung der Halbleiter nach dem Vergießen angefressen und teilweise komplett zersetzt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vergussmasse, deren pH-Wert insbesondere weniger als 10 beträgt, eine bessere Verträglichkeit gegenüber der Chipmetallisierung von Halbleitern aufweist, als herkömmliche anorganische Vergussmassen. Die vorgeschlagene Vergussmasse enthält Feststoffkomponenten und Flüssigkeitskomponenten. Die Feststoffkomponenten umfassen Matrixbildner und keramische Füllstoffe. Bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten weisen diese 5 - 30 Gew.-%, bevorzugt 10 - 30 Gew.-% Matrixbildner und 70 - 95 Gew.-%, bevorzugt 70 - 90 Gew.-% keramische Füllstoffe auf.

Die Matrixbildner sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

hydratisierbarem Aluminiumoxid, Magnesiumoxidpartikeln mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 pm, porösen Magnesiumoxidpartikelagglomeraten,

Tonerdezement und Gemischen daraus. Dabei beträgt der Anteil an

hydratisierbarem Aluminiumoxid an den Matrixbildnern mindestens 1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten.

Hydratisierbares Aluminiumoxid, welches auch als reaktives Aluminiumoxid oder als p-Aluminiumoxid bezeichnet wird, besteht aus sogenannten

Übergangstonerden, welche noch geringe Wassermengen beinhalten. Dadurch können sie bei Zugabe von weiterem Wasser hydraulisch abbinden und erhärten. Dies geschieht ähnlich zur Zementhydratation.

Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 pm sind ebenfalls gegenüber Wasser reaktiv und bilden thermisch stabile

Magnesiumhydroxidhydratphasen. Ihre Partikelgröße kann mittels

Rasterelektronenmikroskopie (REM) ermittelt werden.

Magnesiumoxidpartikelagglomerate können mittels Kalzinierens hergestellt werden. Sie sind porös und setzen sich aus kleinen Primärpartikeln zusammen, während die Agglomerate selbst insbesondere Größen von bis zu 75,0 pm erreichen können. Dennoch zeigen sie anders als beispielsweise porenfreie Magnesiumoxidpartikel, die mittels eines Schmelzprozesses hergestellt wurden, dieselbe Reaktivität gegenüber Wasser, die auch Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 pm aufweisen. Die Größe der

Magnesiumoxidpartikelagglomerate kann durch Korngrößenmessung mittels Lasergranulometer ermittelt werden. Tonerdezement besteht vorwiegend aus Monocalciumaluminat (CaA C^). Er wird in einem Sinterprozess aus Kalkstein und Bauxit hergestellt. Je nach

Sinterbedingungen enthält er als weitere Bestandteile CaAI ₄ 0 ₇ und Cai ₂ Ali ₄ 0 ₃₃ . Alle Calciumaluminate können dabei als eine Additionsverbindung aus

Aluminiumoxid und Calcium verstanden werden. Bezogen auf 100 Gew.-% des Tonerdezements enthält dieser insbesondere mindestens 67,8 Gew.-%

Aluminiumoxid und maximal 31,0 Gew.-% Calciumoxid. Als weitere Bestandteile können insbesondere bis zu 0,8 Gew.-% Siliziumoxid und bis zu 0,4 Gew.-% Eisen (III) Oxid enthalten sein. Zusammensetzung, Anforderungen und

Konformitätskriterien des Tonerdezements sind in der Norm DIN EN 14647 geregelt.

Die Vergussmasse weist eine hohe Verträglichkeit und Haftung auf

Halbleiteroberflächen auf. Weiterhin weist sie eine geringe Wahrscheinlichkeit von lonenmigration auf.

Zur Bildung von Mischoxiden von Aluminium und Magnesium in der

ausgehärteten Vergussmasse ist es bevorzugt, dass diese als Anteil an den Matrixbildner bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 1 Gew.-% Magnesiumoxidpartikel mit einer Partikelgröße von maximal 5,0 pm und/oder poröse Magnesiumoxidpartikelagglomerate enthält.

Weiterhin kann die Vergussmasse insbesondere bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 1 Gew.-% Tonerdezement als Anteil an den Matrixbildner enthalten. Der maximale Anteil des Tonerdezements bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten beträgt bevorzugt 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 Gew.-%. Diese Beimischung von Tonerdezement kann erfolgen, ohne den pH-Wert der Vergussmasse deutlich zu heben.

Als keramische Füllstoffpartikel geeignete Materialien sind insbesondere

Aluminiumoxid, Alumosilikate, Siliziumoxid, Siliziumcarbid und Bornitrid.

Aluminiumoxid wird nur dann als Füllstoffpartikel verwendet, wenn es nicht hydratisierbar ist. Insbesondere kann Korund verwendet werden. Aufgrund der hohen Wärmekapazität von Aluminiumoxid ist es bevorzugt, dass die Vergussmasse bezogen auf 100 Gew.-% der Feststoffkomponenten mindestens 45 Gew.-% nicht hydratisierbares Aluminiumoxid als keramische Füllstoffe enthält. Auch wenn g-Aluminiumoxid grundsätzlich als keramischer Füllstoff verwendet werden kann, ist es doch bevorzugt, a-Aluminiumoxid zu verwenden, welches eine besonders vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Des Weiteren enthält die Vergussmasse bezogen auf 100 Gew.-% der

Feststoffkomponenten vorzugsweise 1 - 50 Gew.-% Siliziumoxid als keramische Füllstoffe. Dies bewirkt eine weitere Absenkung des pH-Werts der

Vergussmasse. Außerdem ermöglicht es eine Einstellung ihres

Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dabei ist Siliziumoxid mit einer Partikelgröße von maximal 10 pm besonders bevorzugt.

Zum Abbinden der Vergussmasse wird den Feststoffkomponenten vorzugsweise 5 - 20 Gew.-% Wasser als Flüssigkeitskomponente bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse hinzugefügt. Grundsätzlich ist es allerdings auch möglich, dass einzelne Feststoffkomponenten der Vergussmasse als wässrige Dispersion beigefügt werden. Auch in diesem Fall beträgt der Wasseranteil der gesamten Vergussmasse vorzugsweise 5 - 20 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse.

Je nach Verhältnis zwischen Matrixbildner, keramischen Füllstoffen und Wasser kann die Vergussmasse eine stark scherrverdickende und hochviskose

Konsistenz aufweisen, die ihre Fließfähigkeit beeinträchtigt. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Vergussmasse weiterhin bezogen auf 100 Gew.-% der Vergussmasse 0,5 - 5,0 Gew.-% Fließmittel als Flüssigkeitskomponente oder als Feststoffkomponente enthält. Geeignete Fließmittel sind insbesondere

Polycarboxylatether (PCE), Polykondensate, polymerbasierte Entschäumer und Benutzungsmittel, wobei Polycarboxylatether bevorzugt sind.

In dem Verfahren zum elektrischen Isolieren eines elektrischen oder

elektronischen Bauteils wird das Bauteil mit der Vergussmasse vergossen und anschließend wärmebehandelt, um ein Abbinden der Vergussmasse zu beschleunigen. Die Wärmebehandlung erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 60 - 80°C. Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt vorzugsweise mindestens 1 Stunde. Beim Abbinden bilden die Matrixbildner zusammen mit Wasser eine Matrix aus, in welche die keramischen Füllstoffe eingeschlossen sind.

Soll eine vollständige Entwässerung der Matrix erfolgen, so ist es bevorzugt an den Schritt der Wärmebehandlung einen Entwässerungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 105 - 250°C anzuschließen.

Das elektrisch isolierte elektrische oder elektronische Bauteil, welches insbesondere mittels des Verfahrens herstellbar ist, weist eine elektrische Isolierung mit einer Matrix auf, in die keramische Füllstoffe eingeschlossen sind. Bezogen auf 100 Gew.-% der Matrix enthält diese mindestens 1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 10 Gew.-% Aluminiumoxid.

Es ist bevorzugt, dass die elektrische Isolierung lediglich zu 5 - 40 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der elektrischen Isolierung aus der Matrix besteht. Auf diese Weise steht der Rest der elektrischen Isolierung für die keramischen Füllstoffe zur Verfügung, um dieser so eine gute Wärmeleitfähigkeit zu verleihen.

Die Matrix besteht insbesondere zu mindestens 95 Gew.-% aus Elementen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Calcium,

Magnesium, Silizium und Sauerstoff. Aluminium kann dabei aus dem

hydratisierbaren Aluminiumoxid und aus Tonerdezement stammen, das Calcium kann aus Tonerdezement stammen, das Magnesium kann aus

Magnesiumoxidpartikeln oder Magnesiumoxidpartikelagglomeraten stammen und das Silizium kann ebenfalls aus Tonerdezement stammen. Sauerstoff gelangt sowohl als Bestandteil sämtlicher Matrixbildner als auch durch hinzugefügtes Wasser in die Matrix.

Die Vergussmasse kann außerdem als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines elektrisch isolierten elektronischen Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, mit einem Startschritt 10. Anschließend folgt ein Mischen 11 der

Feststoffkomponenten einer herzustellenden Vergussmasse. Dabei werden hydratisierbares Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Tonerdezement mit a- Aluminiumoxid und Siliziumoxid als keramischen Füllstoffen gemischt.

Anschließend folgt ein Anrühren 12 der Feststoffkomponenten mit Wasser und PCE als Fließmittel. Mit der so erhaltenen Vergussmasse erfolgt ein Vergießen

13 eines elektronischen Bauteils 20. Dieses wird anschließend 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 70°C in einem Trockenschrank getrocknet 14. Mit dem Entnehmen des nun elektrisch isolierten elektronischen Bauteils 20 aus dem Trockenschrank endet das Verfahren 15.

Die Zusammensetzung der in den Schritten 11 und 12 hergestellten

Vergussmasse ist in Tabelle 1 dargestellt:

Tabelle 1

Dabei wurden Produkte der Almatis B.V., der Baikowski SAS, der Heraeus GmbH & Co. KG, der Imerys S.A., der Kerneos Aluminate Technologies und der

Sika GmbH verwendet. Bei Alphabond 300 handelt es sich um ein

hydratisierbares Aluminiumoxid. M30CR ist ein Magnesiumoxid mit einem Körnungsband von 0 - 5 pm und einer mittleren Partikelgröße von 1,35 pm. Bei den Aluminiumoxiden F360, F800, F2000 und CT3000 handelt es sich um a- Aluminiumoxide unterschiedlicher Körnungen, die gemeinsam eine optimale

Packungsdichte der keramischen Füllstoffe in der ausgehärteten Vergussmasse ermöglichen. Zandosil 30 ist ein Siliziumoxid mit einem Körnungsband von 0 - 10 pm und einer mittleren Partikelgröße von 0,1 pm (pyrogene Kieselsäure). Wie in Fig. 2 dargestellt ist, reagiert die Vergussmasse unter Ausbildung einer elektrischen Isolierung 30, welche das elektronische Bauteil 20 umschließt. Sie besteht aus einer Matrix 31, in welche die keramischen Füllstoffe 32

eingeschlossen sind. Die Matrix 31 besteht zu 10,6 Gew.-% aus Aluminiumoxid. 32,1 Gew.-% der elektrischen Isolierung 30 bestehen aus der Matrix 31.

Abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen enthält diese lediglich die

Elemente Aluminium, Calcium, Magnesium, Silizium und Sauerstoff. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird an die Wärmebehandlung 14 noch eine Entwässerung der elektrischen Isolierung 30 bei einer Temperatur von 210°C angeschlossen. Hierdurch wird nicht abreagiertes Wasser aus der Matrix entfernt, was ihren Gewichtsanteil an der elektrischen Isolierung 30 geringfügig senkt.

In noch einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Vergussmasse als Klebstoff zur thermischen Kontaktierung in der elektronischen Anschluss- und Verbindungstechnik verwendet.