(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント材（２２）を含む被覆材（２０）により少なくとも部分的に被覆された電気構成部品（１２）を備える電気装置において、
前記被覆材（２０）は、熱緩衝粒子（２４）を含み、前記熱緩衝粒子（２４）は、前記セメント材（２２）内に配置されていると共に、さらに、前記電気構成部品（１２）から放出される熱量（２６）の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成されており、
前記熱緩衝粒子（２４）は、１５０℃以上３５０℃以下の範囲内の相転移温度を有する物質を含む、
ことを特徴とする、電気装置。
【請求項２】
前記セメント材（２２）は、アルミナセメントを含む、請求項１に記載の電気装置（１０）。
【請求項３】
前記熱緩衝粒子（２４）の相転移は可逆的であり、前記熱緩衝粒子は、前記電気構成部品（１２）により吸収される熱量（２６）の少なくとも一部を放出しつつ相転移が進行するように形成されている、請求項１又は２に記載の電気装置（１０）。
【請求項４】
前記熱緩衝粒子（２４）は、前記電気構成部品（１２）から放出される熱量（２６）を吸収すると、固体から液体の凝集状態へ移行するように形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項５】
前記熱緩衝粒子（２４）は、３００℃の相転移温度を有する物質を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項６】
前記熱緩衝粒子（２４）は、相転移物質、金属合金、プラスチック及びガラスから成る群から選択された物質を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項７】
前記金属合金は、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎである、請求項６に記載の電気装置（１０）。
【請求項８】
前記被覆材（２０）の総重量に対して、前記熱緩衝粒子（２４）の量は、４重量％以上３０重量％以下の範囲内にある、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項９】
前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間には、電気絶縁層（２８）が配置されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項１０】
前記電気絶縁層（２８）は、アルミナセメントを含む、請求項９に記載の電気装置（１０）。
【請求項１１】
前記セメント材（２２）の一方の表面（３２）に配置されており、さらに、前記熱緩衝粒子（２４）の気相の漏出を防止するように形成された遮蔽層（３０）が設けられている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項１２】
前記遮蔽層（３０）は、モノマー、ポリマー、及び、無機物質から成る群から選択された物質を含む、請求項１１に記載の電気装置（１０）。
【請求項１３】
前記ポリマーは、シリコーンであり、前記無機物質は、酸化物、窒化物、セラミックから成る群から選択された物質を含む、請求項１２に記載の電気装置（１０）。
【請求項１４】
前記電気構成部品（１２）は、半導体構成素子（１２）、センサ素子、インダクタンス、キャパシタンス、バッテリセル、バッテリモジュール、又は、回路である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電気装置（１０）。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の、セメント材（２２）を含む被覆材（２０）により少なくとも部分的に被覆された電気構成部品（１２）を備える電気装置（１０）を製造するための方法であって、
‐前記セメント材（２２）を準備するステップと、
‐前記電気構成部品（１２）から放出される熱量（２６）の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成された熱緩衝粒子（２４）を、前記セメント材（２２）に混入するステップと、
‐前記熱緩衝粒子（２４）が混入された前記セメント材（２２）を含む前記被覆材（２０）を前記電気構成部品（１２）に被着するステップと、
‐前記被覆材（２０）を熱処理するステップと、
を有する、方法。
【請求項１６】
セメント材（２２）内に配置されていると共に、さらに、電気構成部品（１２）から放出される熱量（２６）の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成された熱緩衝粒子（２４）とセメント材（２２）とを含む材料の、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電気装置（１０）、又は、請求項１５に記載の方法により製造された電気装置（１０）の電気構成部品（１２）用の被覆材（２０）としての使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆材により少なくとも部分的に被覆された電気構成部品を備える電気装置、及び、このような電気装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
パワーエレクトロニクスモジュール及び丈夫なセンサシステムの信頼性及び効率の向上並びにコストの低下は、今日では最も重要である。現行の被覆材（エポキシ化合物、シリコーン材）は、２００℃未満の温度範囲に限定されている。被覆材に関して最高３００℃乃至３５０℃の温度範囲を開発することにより、被覆材の付加機能（例えば環境条件に対する防護、サーマルの改善）を断念する必要なしに、最新の電力用半導体（例えばＳｉＣ）の動作範囲を２００℃超に拡大することができる。
【０００３】
独国特許出願公開第１０２０１３１１２２６７号明細書（ＤＥ１０２０１３１１２２６７Ａ１）から、半導体部品を被覆する、様々な種類のセメントから成る被覆材を備えた半導体モジュールが公知である。この場合、被覆材は、高い熱伝導率を有する添加剤を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１３１１２２６７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の開示
本発明の対象は、セメント材を含む被覆材により少なくとも部分的に被覆された電気構成部品を備える電気装置であり、被覆材は、さらに熱緩衝粒子を含み、熱緩衝粒子は、セメント材内に配置されていると共に、さらに、電気構成部品から放出される熱量の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成されている。
【０００６】
本発明の対象は、さらに、セメント材を含む被覆材により少なくとも部分的に被覆された電気構成部品を備える電気装置の製造方法であって、
‐セメント材を準備するステップと、
‐電気構成部品から放出される熱量の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成された熱緩衝粒子を、セメント材に混入するステップと、
‐熱緩衝粒子が混入されたセメント材を含む被覆材を電気構成部品に被着して、被覆材が電気構成部品を少なくとも部分的に被覆するようにするステップと、
‐被覆材を熱処理するステップと、
を有する。
【０００７】
本発明の対象は、他に、セメント材と熱緩衝粒子とを含む材料の、電気装置の電気構成部品用の被覆材としての使用であり、この場合、熱緩衝粒子は、セメント材内に配置されていると共に、さらに、電気構成部品から放出される熱量の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成されている。
【０００８】
電気構成部品は、例えば、半導体構成素子、センサ素子、インダクタンス、キャパシタンス、バッテリセル、バッテリモジュール、又は、１つの回路全体であるものとするとよい。ただし、電気構成部品とは、本発明の枠内においては、あらゆる能動的・受動的構成素子又は高出力構成素子を意味し得る。この場合、電気装置は、電気構成部品が配置された支持体基板を有しているものとするとよい。
【０００９】
セメントとは、本発明の枠内においては、無機的で金属を含まないハイドロバインダを意味し得る。この場合、セメントは、水中で硬化する、即ち、水と化学反応して、分解しない安定的な化合物を形成する。この場合、セメントは、当該方法の開始時又は水和前には、水又は添加水と反応して凝結し、硬化して水和物を形成する、微細に粉砕された粉末として形成されているものとするとよい。この場合、水和物は、互いに噛み合い、ひいてはセメントの高い強度をもたらすニードル及び／又は小板を形成しているものとするとよい。これに対して、リン酸セメントは、水中では硬化しない。酸・塩基反応が行われてソルトゲルが形成され、ソルトゲルは、後に凝結して大部分が非晶質の材料になる。酸・塩基反応では、Ｈ＋（水素イオン）が交換される。
【００１０】
セメントは、主にカルシウムアルミネートから成るものとするとよく、水和中にカルシウムアルミネート水和物を形成するものとするとよい。セメント材が、アルミナセメントを含むものとすると、特にアルミナセメントから成るものとすると、有利である。アルミナセメント（略称ＣＡＣ）は、ＤＩＮ  ＥＮ  １４６４７に従って欧州式に調整されている。アルミナセメントは、主にモノカルシウムアルミネート（ＣａＯ＊Ａｌ２Ｏ３）から成る。
【００１１】
アルミナセメントは、例えば、次の組成、即ち、
‐Ａｌ２Ｏ３：６７．８重量％以上
‐ＣａＯ：３１．０重量％以下
‐ＳｉＯ２：０．８重量％以下
‐Ｆｅ２Ｏ３：０．４重量％以下
を有しているものとするとよい。
【００１２】
熱緩衝粒子とは、本発明の枠内においては、粒子状の添加剤を意味し得る。熱緩衝粒子は、セメント材に混入するステップの前は、粉末状に形成されているものとするとよい。ただし、熱緩衝粒子は、液状成分を含んでいるものとしてもよい。よって、熱緩衝粒子は、例えば、水分を含む溶液又は分散液又は懸濁液として存在しているものとしてよい。熱緩衝粒子は、乾いたセメント材又はセメント粉末混合物に、即ち、場合により添加水が加えられる前に混入されてよい。しかしまた熱緩衝粒子は、湿ったセメント材又はセメント粉末混合物に、即ち、場合により添加水が加えられた後に混入されてもよい。熱緩衝粒子は、０．１μｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲の粒子直径Ｄ５０を有しているものとするとよい。
【００１３】
この場合、熱緩衝粒子は、特定の熱量を吸収しながら相転移が進行するように形成されている。相転移とは、本発明の枠内においては、凝集状態の変化を意味してよく、この変化時に熱緩衝粒子の温度が変わることは全く又はごくわずかにしかない。この場合、熱緩衝粒子は、電気構成部品から放出される熱量を吸収すると、固体から液体の凝集状態へ移行するように形成されている。物質が溶融する際には、即ち、固相から液相に転移する際には、熱が消費即ち吸収され、この熱は、液体の状態が存在し続ける限りは潜在的に蓄えられ、この潜在的な熱は、凝結時、即ち、液相から固相への転移時に再び解放されることが知られている。
【００１４】
被覆材とは、本発明の枠内においては、あらゆる種類の密閉手段（パッケージ）を意味し得る。被覆材は、セメント複合材料として形成されているものとするとよい。即ち、換言すると、被覆材は、充填剤及び熱緩衝粒子を含むセメント基質を含むものとするとよい。被覆材は、以下の組成、即ち、
‐バインダ  アルミナセメント：８重量％以上４７重量％以下（例えばＳＥＣＡＲ７１）
‐反応剤  水：１０重量％以上２８重量％以下
‐熱緩衝粒子：４重量％以上３０重量％以下
‐充填剤：２５重量％以上８２重量％以下
を有しているものとするとよい。
【００１５】
充填剤は、
‐Ａｌ２Ｏ３：細ｄ５０  約１μｍ  乃至  粗ｄ５０  約１５０乃至２００μｍ
‐α型Ｓｉ３Ｎ４：細  約１μｍ  乃至  粗  約１００μｍ
‐Ｈｅｘ．ＢＮ：細  約１５μｍ  乃至  粗  約２５０μｍ
‐ＳｉＣ：細  約１０乃至５０μｍ  乃至  粗  約６００μｍ
‐ＡｌＮ：細  約１μｍ  乃至  粗  約１００μｍ
から成る群から選択されているものとするとよい。
【００１６】
熱処理のステップには、本発明の枠内においては、水和ステップ及び／又は凝結ステップ及び／又は乾燥ステップ及び／又は硬化ステップが含まれているものとするとよい。熱処理には、焼戻し炉内での焼戻しステップが含まれているものとするとよい。熱処理は、４０℃以上９５℃以下の温度範囲で行われるものとするとよい。
【００１７】
よって、本発明においては、電気構成部品から放出される熱量の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成された熱緩衝粒子の添加に基づき、被覆材の熱的な特性を要求に応じて的確に調整すると共に、特に被覆材の熱吸収性を大幅に向上させることが可能である。即ち、換言すると、電気構成部品からの熱を可能な限り迅速に周辺環境へ放出するために被覆材の熱伝導率を上げようとするのではなく、むしろ相転移による熱吸収性の向上に基づき、高い熱緩衝ひいては熱的な過負荷能力が達成される。この場合、熱緩衝は、転移エネルギとしての熱、例えば溶融熱の吸収により行われる。この場合、本発明は、相転移時又は相転移中に、熱緩衝粒子の温度が熱吸収にもかかわらず概ね一定に保たれ、ひいては熱緩衝粒子により一時的に極めて高いパルス損失電力を吸収することができ、その際に被覆材又は電気構成部品が熱的に負荷を受けることはない、という作用を利用したものである。
【００１８】
即ち、被覆材の熱伝導率は、硬化又は動作中の負荷に応じて熱容量を有利にするために比較的低く設定されてよく、これにより、その時々の用途に関する熱伝導率と熱容量との間の固有の最適な条件を達成することができ、ひいては動作状態を調整又は最適化することができる。従って、動作中の損失電力ピークが高くても特に丈夫であり、かつ、電気構成部品を過熱から防護する電気装置を提供することができる。
【００１９】
さらに有利なのは、熱緩衝粒子の相転移が可逆的であり、電気構成部品により吸収される熱量の少なくとも一部を放出しつつ相転移が進行するように熱緩衝粒子が形成されている場合である。この場合、固体の熱緩衝粒子は、例えば、熱量を吸収しつつまず溶融してから、この熱量を低速で放出して再度凝結することになる。この手段に基づき、熱吸収プロセスと熱放出プロセスとを順次繰り返して進行させることができるので、電気構成部品の長期の過熱防護が保証され得る。
【００２０】
さらに、熱緩衝粒子が、１５０℃以上３５０℃以下の範囲内、特に約３００℃の相転移温度を有する物質を含むものとすると、又は、このような物質から成るものとすると、有利である。この手段に基づき、被覆材の熱吸収性をさらに向上させることができると共に、最高３５０℃の動作温度までの電気構成部品からの熱量を、極めて効率的に吸収し、かつ、再放出することができるようになる。
【００２１】
熱緩衝粒子が、相転移物質、金属、金属合金、特にＩｎ−Ｂｉ−Ｓｎ、プラスチック及びガラスから成る群から選択された物質を含む、又は、このような物質から成る場合も、有利である。上記各物質は、極めて良好な相転移特性を有している。上記各物質はさらに、約３００℃の相転移温度を有している。
【００２２】
さらに、被覆材の総重量に対して、熱緩衝粒子の量は、４重量％以上３０重量％以下の範囲内にあると有利である。この手段に基づき、被覆材の熱吸収性をさらに向上させることができる。
【００２３】
熱緩衝粒子が、セメント材内に配置されている場合も有利である。これにより、熱緩衝粒子はセメント材により被覆されていることになる。この場合、熱緩衝粒子は、好適にはセメント材内で均一に分散されている。この手段に基づき、電気構成部品から放出された熱量を極めて良好に、セメント材を介して熱緩衝粒子に供給することができ、又は、熱緩衝粒子により吸収することができる。
【００２４】
さらに、被覆材と電気構成部品との間に配置された電気絶縁層を設けることが有利である。この場合、電気絶縁層は、好適にはアルミナセメントを含む、又は、アルミナセメントから成る。電気絶縁層は、好適には熱緩衝粒子を含まない、即ち、熱緩衝粒子を全く有していない。この手段は、熱緩衝粒子が導電性である場合に、導電性の熱緩衝粒子を含む被覆材から電気構成部品を電気的に絶縁し、これにより短絡が生じることはない、ということを保証する。
【００２５】
さらに有利なのは、セメント材の一方の表面に配置されており、さらに、熱緩衝粒子の気相の漏出を防止するように形成された遮蔽層を設けることである。特に、電気装置の動作中、即ち、熱緩衝粒子が相転移を進行させるときに生じる気相は、被覆材から漏出するおそれがある。このことを防止するために、遮蔽層により被覆材を封止して、被覆材からの熱緩衝粒子の気相の蒸発又は漏出を防止することができる。熱緩衝粒子の気相の望ましくない漏出は、合金の化学量論ひいては被覆材の特性を変化させ、被覆材における蒸気が凝縮し、さらに付加的に環境を負荷するおそれがある。
【００２６】
遮蔽層が、モノマー、ポリマー、特にシリコーン、及び、無機物質、特に酸化物、窒化物、セラミックから成る群から選択された物質を含んでいる、又は、このような物質から成る場合も有利である。上記各物質は、極めて良好なガス又は蒸気遮蔽特性を有しているため、特に良好に適している。
【００２７】
以下に例示する添付図面について、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の１つの実施例に基づく電気装置を示す図である。
【図２】本発明の別の実施例に基づく電気装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１には、全体に符号１０が付された、本発明に係る電気装置が示されている。
【００３０】
電気装置１０は、電気構成部品１２を有している。電気構成部品１２は、半導体構成素子１２として形成されている。電気構成部品１２は、支持体基板１４上に配置されている。電気構成部品１２と支持体基板１４との間には、銅層１６が配置されている。この場合、銅層１６は複数の機能、即ち、熱接続及び放熱を改善する機能、電気構成部品１２に対する電気的な接触接続手段を提供する機能、及び、場合により、被着時の被覆材の流れ止めとしての機能を有している。
【００３１】
電気構成部品１２は、ボンディングワイヤ１８を介して、支持体基板１４の、電気構成部品１２とは反対の側に接続されており、これにより、外部から電気構成部品１２に電気的に接触接続することが可能になる。この場合、支持体基板１４は、例えば、内部に電気構成部品１２の接触接続用の導体路又は電気コンタクトがさらに組み込まれ得るプレートとして形成されているものとするとよい。導体路は、支持体基板１４の一方の表面上に配置されているものとしてもよい。支持体基板１４は、チップを成すように形成されているものとするとよい。
【００３２】
電気装置１０はさらに、セメント材２２を含む被覆材２０を有している。被覆材２０又はセメント材２２は、グロブトップ（Ｇｌｏｂ−Ｔｏｐ）として形成されている。被覆材２０又はセメント材２２は、支持体基板１４に配置されている。この場合、セメント材２２は、電気構成部品１２を、支持体基板１４により覆われていない方の面において被覆している。よって、電気構成部品１２は、全体的に、支持体基板１４と被覆材２０とにより被覆されている。セメント材２２はさらに、支持体基板１４の一部をも被覆しており、この部分を介して、セメント材２２は、支持体基板１４と固く結合されている。
【００３３】
被覆材２０又はセメント材２２は、多数の熱緩衝粒子２４を含んでいる。これらの熱緩衝粒子２４は、セメント材２２の内部に分散されて配置されている。よって、熱緩衝粒子２４は、セメント材２２により被覆されている。本発明においては、熱緩衝粒子２４は、電気構成部品１２から放出される熱量２６の少なくとも一部を吸収しつつ相転移が進行するように形成された粒子物質を含んでいる。よって、本発明に係る被覆材２０は、熱緩衝粒子２４に基づいて、例えばセメント材２２しか有さない被覆材２０よりも高い熱吸収性を有している。従って、熱粒子２４が電気構成部品１２から放出される熱量２６を蓄え、その際に熱粒子２４の相が転移し、例えば、固形状態を起点として溶融することにより、上記熱量を熱緩衝粒子２４により、特に効率的に吸収することができるようになっている。この場合、熱緩衝粒子２４は、相転移後に、吸収した熱量２６を電気装置１０の周辺環境へ低速で放出してよい。相転移中は、熱緩衝粒子２４の温度は、熱吸収にもかかわらず概ね一定に保たれる、又は、ごくわずかにしか上昇しないため、一時的に熱緩衝粒子２４により極めて高いパルス損失電力が吸収されるが、その際に、被覆材２０又は電気構成部品１２が熱的に負荷を受けることはない。よって、本発明においては、極めて高い熱的な過負荷能力を達成すること、及び、これにより、特に損失電力ピーク中の過熱に対する電気構成部品１２の確実な動作及び防護を保証することが可能である。
【００３４】
電気装置１０はさらに、電気絶縁層２８を有している。電気絶縁層２８は、被覆材２０と電気構成部品１２との間に配置されている。電気絶縁層２８は、グロブトップとして形成されている。電気絶縁層２８は電気構成部品１２を被覆しており、ひいては電気構成部品１２の電気的な絶縁手段を形成している。これによって、例えば、熱緩衝粒子２４が導電性に形成されている場合における電気的な短絡を防止することができるようになっている。
【００３５】
電気装置１０はさらに、遮蔽層３０を有している。遮蔽層３０は、被覆材２０又はセメント材２２の一方の表面３２に配置されている。遮蔽層３０は、閉じられて形成されており、これにより、被覆材２０用の一種のガスシールド又は蒸気シールドを形成している。これにより、例えば、相転移時に生じる熱緩衝粒子２４の気相が、被覆材２０から漏出することが防止され得る。
【００３６】
図２には、本発明に係る別の電気装置１０’が示されている。電気装置１０’は、図１に示した装置１０と同様に構成されている。ただし、電気装置１０’が有する電気絶縁層２８’は、薄膜として形成されている。電気絶縁層２８’は、被覆材２０と電気構成部品１２又は支持体基板１４との間の境界面全体を覆って延在している。
【００３７】
本発明に係る電気装置１０，１０’の製造時には、まず、セメント材２２が、例えば粉末形態で準備される。次いで、セメント材２２に、例えば、やはり粉末状であってよい熱緩衝粒子２４が混入される。次に液状成分、例えば水が、場合により溶剤メルフラックスと共に混合される。次いで、セメント材２２、熱緩衝粒子２４及び水を含む湿った被覆材２０が真空状態にされ、例えば、型に射出又は注型することによって、電気構成部品１２に被着されかつ成形される。次いで、被覆材２０は、例えば、６０℃で９０％の相対空気湿度において熱処理又は可鍛化され、これによりセメント材２２のゲル形成、結晶化、ニードリング及び硬化が行われる。この場合、空気湿度が水分損失（水・セメント比）を防止し、熱が所望の構造体の形成を生ぜしめる。最後に、被覆材２０に熱緩衝粒子２４が任意で施され、次いで離型され、例えば３００℃で出庫させられる。
【００３８】
補足的に、製造開始時に追加的に、熱緩衝粒子が混入されていない湿ったセメント材を上述したステップに従って準備してもよい。この場合、このセメント材は、熱緩衝粒子２４を含む被覆材２０の被着前に、電気絶縁層２８として、電気構成部品１２及び場合によっては支持体基板１４に被着することができる。ただし、電気絶縁層２８は、当業者に周知の任意の形式で、本発明の枠を逸脱することなく、電気構成部品１２と被覆材２０との間に配置されてもよい。
【００３９】
さらに補足的に、遮蔽層３０を被覆材２０又はセメント材２２の表面３２に、当業者に周知の任意の形式で、例えば、被覆材２０に対する遮蔽層３０の射出又は流し込みにより、又は、浸漬湯に被覆材２０を浸漬させることにより、被着してもよい。
【図１】
0006639672.tif 000002
【図２】
0006639672.tif 000003