(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント材を含む被覆材（２０）により少なくとも部分的に被覆される電気構成部品（１２）を備えた電気装置（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、
‐前記セメント材（２２）に添加剤（２８）を混入するステップと、
‐前記添加剤（２８）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）を処理するステップであって、当該処理により、前記添加剤（２８）が、前記セメント材（２２）から前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の境界面（２４）に到達して、前記境界面（２４）において機能層（２６）を形成する及び／又は前記被覆材（２０）により濡らされる前記境界面（２４）を拡大するようにする、ステップと、
を有する、方法。
【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に記載の方法。
【請求項３】
前記機能層（２６）は、絶縁層（２６）及び／又は付着仲介層（２６）として形成されている、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記被覆材（２０）を処理するステップに、以下の各処理、即ち、
‐前記被覆材（２０）に振動、揺動運動及び／又は遠心運動を加える処理、
‐前記被覆材（２０）を熱処理する処理、
‐前記被覆材（２０）を所定のガス雰囲気中に曝露する処理、
‐前記被覆材（２０）に所定の圧力を加える処理、
‐前記被覆材（２０）に電磁線を照射する処理
のうちの少なくとも１つが含まれる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記被覆材（２０）を処理するステップにより、前記添加剤（２８）が、前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の前記境界面（２４）に沈降又は浮上する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記添加剤（２８）は、前記機能層（２６）を形成する及び／又は濡らされる前記境界面（２４）を拡大するために、前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の前記境界面（２４）において濃縮され及び／又は前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の前記境界面（２４）において反応する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
付加的なステップにおいて、前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の前記境界面（２４）に反応層を配置し、これにより、前記添加剤（２８）が前記境界面において前記反応層と反応して前記機能層（２６）を形成することを可能にする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記添加剤（２８）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る、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
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、シラン、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８に記載の方法。
【請求項１０】
前記添加剤（２８）は、湿潤助剤である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記機能層（２６）及び／又は前記添加剤（２８）は、前記被覆材（２０）を処理するステップの後に、分解するように形成されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項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）の、セメント材（２２）を含む被覆材（２０）に機能層（２６）を形成するための、添加剤（２８）の使用方法であって、当該添加剤（２８）は、前記被覆材（２０）の処理により、前記被覆材（２０）と前記電気構成部品（１２）との間の境界面（２４）に到達して、前記境界面（２４）に前記機能層（２６）を形成し及び／又は前記被覆材（２０）により濡らされる前記境界面（２４）を拡大する、添加剤（２８）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を製造するための方法及びこのような電気装置に関する。
【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、付着仲介層を有しており、付着仲介層は、別個の製造ステップにおいて吹付けにより、半導体部品に被着される。
【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を製造するための方法であって、当該方法は、
‐セメント材を準備するステップと、
‐セメント材に添加剤を混入するステップと、
‐添加剤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、電気構成部品が少なくとも部分的に被覆材により被覆されるようにするステップと、
‐被覆材を処理するステップであって、当該処理により、添加剤が、セメント材から被覆材と電気構成部品との間の境界面に到達して、当該境界面において機能層を形成する及び／又は被覆材により濡らされる境界面を拡大するようにする、ステップと、
を有する。
【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であり、被覆材と電気構成部品との間の境界面には添加剤が配置されており、当該添加剤が、セメント材の内部から、被覆材と電気構成部品との間の境界面に到達することにより、境界面に添加剤を含む機能層が形成され、及び／又は、被覆材により濡らされる境界面が拡大されることになる。
【０００７】
本発明の対象は他に、電気装置の電気構成部品の、セメント材を含む被覆材に機能層を形成するための添加剤の使用であり、添加剤は、被覆材の処理により、被覆材と電気構成部品との間の境界面に到達して、境界面に機能層を形成する、及び／又は、被覆材により濡らされる境界面を拡大する。
【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】
添加剤とは、本発明の枠内においては、混合剤又は層形成体を意味し得る。添加剤は、選択的又は付加的に、濡れを促進する特性を有しているものとするとよい。添加剤は、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、添加剤は、液体成分を含むものとしてもよい。よって、添加剤は、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するとよい。理想的には、添加剤は混合水に混入されている、又は、溶解している。添加剤は、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。しかしまた添加剤は、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。
【００１３】
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、充填剤及び添加剤を含むセメント基質を含むものとするとよい。被覆材は、処理ステップの前に及び／又は後に、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
‐添加剤：１重量％以上２５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。
【００１４】
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。
【００１５】
処理するステップにより、添加剤をさらに刺激することができる。処理ステップは、多数の部分ステップを含んでいるものとしてもよい。処理ステップには、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。処理ステップには、例えば、「自発的な」プロセスを待つ又は進行させるために、待機ステップが含まれていてもよい。処理するステップにより、添加剤をセメント材の内部から、被覆材と電気構成部品との間の境界面に「追い込む」ことができる。ただし、処理するステップにより、引き続き何もせずに添加剤がセメント材の内部から、被覆材と電気構成部品との間の境界面に到達するまで待ってもよい。即ち、換言すると、処理ステップにおいては、添加剤が、例えば重力に基づき被覆材と電気構成部品との間の境界面に到達するまで待つことができる。処理するステップにより、前記境界面に機能層が形成される、及び／又は、被覆材により濡らされる境界面が拡大されるように、添加剤をさらに刺激することができる。この場合、境界面には好適には、被覆材と、場合により電気構成素子が配置された支持体基板との間の接触面も含まれる。
【００１６】
今や本発明に基づく方法により、有利には被覆材の処理時又は処理中にセメント材に適当な添加剤を添加することにより、即ち、同一製造ステップにおいて同時に付加的に、被覆材と電気構成部品との間の境界面に機能層を形成すること、及び／又は、被覆材により濡らされる境界面を拡大することが可能である。即ち、換言すると、例えば被覆材の凝結又は乾燥時に、境界面に境界層が生ぜしめられ、この境界層は、電気構成部品に堆積又は沈積し、そこで硬化することにより、既にこの段階中に電気構成部材と、場合によっては別のコンポーネントのための防護手段を提供する。選択的又は付加的に、例えば被覆材の凝結又は乾燥時に、添加剤は境界面に沈積すると共に、その特性に基づいて、被覆材により濡らされる境界面を拡大する。よって、一方では、電気構成部品にセメント材を被着する前に電気構成部品をコーティングする追加的な加工ステップが完全に省略される。他方では、機能層の（防護）機能は、完成後に初めて提供されるのではなく、既に被覆材の処理中に提供される。
【００１７】
機能層が、電気的及び／又は化学的な絶縁層として、及び／又は、付着仲介層として形成されていると、さらに有利である。よって、機能層は、電気的及び／又は化学的に絶縁性の、及び／又は、付着を仲介する特性を有しているものとするとよい。境界面に形成された電気的に絶縁性の機能層又は電気的な絶縁層により、被覆材の処理ステップ中、即ち、水和プロセス及び／又は凝結プロセス及び／又は乾燥プロセス及び／又は硬化プロセス中の、まだ湿っている被覆材による電気的な短絡を防止することができる。境界面に形成された化学的に絶縁性の機能層又は化学的な絶縁層により、被覆材の処理ステップ中に、即ち、水和プロセス及び／又は凝結プロセス及び／又は乾燥プロセス及び／又は硬化プロセス中に、（傷みやすい）金属又はコンポーネントを、強い塩基性のセメント材から防護することができる。さらにこのような機能層は、電気装置の完成後又は動作中も、被覆材への異物の侵入から電気構成部品を付加的に防護する手段を提供する。選択的又は付加的に、機能層は、付着を仲介する又は付着を改善する特性をも有しているものとするとよく、これにより、電気構成部品、及び、場合によっては支持体基板における被覆材の最適な付着ひいては改善されたシール特性をも保証することができる。
【００１８】
被覆材の処理ステップに、以下の各処理、即ち、
‐被覆材に振動、揺動運動及び／又は遠心運動を加える処理、
‐被覆材を熱処理する処理、
‐被覆材を所定のガス雰囲気中に曝露する処理、
‐被覆材に所定の圧力を加える処理、
‐被覆材に所定の波長及び強度の電磁線、例えばＵＶ線、赤外線、可視光線を照射する処理
のうちの少なくとも１つが含まれていると、さらに有利である。
【００１９】
被覆材に振動、揺動運動及び／又は遠心運動を加えることにより、添加剤を境界面に到達させるために、極めて簡単に混合分離させることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
ガス雰囲気は、例えば最高１００％に高められた空気湿度を有する大気又は空気として形成されているものとするとよい。ガス雰囲気は、触媒分子又は促進分子を含むものとしてもよい。
【００２２】
この手段により、添加剤の機能を活性化させるためのパラメータを簡単に適合させることができるので、添加剤は、被覆材と電気構成部品との間の境界面に確実かつ効率的に到達して、この境界面に機能層を形成することができる、又は、被覆材により濡らされる境界面を拡大することができる。
【００２３】
さらに、被覆材の処理するステップにより、添加剤が、被覆材と電気構成部品との間の境界面に沈降又は浮上すると有利である。この場合、添加剤は、機能層を形成する、及び／又は、濡らされる境界面を拡大するために、被覆材と電気構成部品との間の境界面において濃縮され及び／又は被覆材と電気構成部品との間の境界面において反応するものとするとよい。よって、添加剤は、特定の条件枠（温度、ＵＶ照射、ｐＨ値）において反応するように形成されているものとするとよい。特に好適なのは、セメントスラリ内で例えば重力により被覆材と電気構成部品との間の境界面に向かって良好に沈下又は沈降し、そこで濃縮される物質又は粒子である。この場合、添加剤が密度差に基づき沈下可能であるようにするために、境界面は、被覆材の下側に位置していなければならない。配置を１８０°だけ回動させることにより、即ち、境界面が被覆材の上側に位置するように被覆材を配置することにより、セメントスラリ内で浮上して迅速にまとまって１つの層を形成する物質又は粒子が使用されるものとするとよい。添加剤が、電気構成部品に対する被覆材の被着時にはセメント材に臨界未満で密に溶解していて、処理時には濃縮される２つの反応物を含んでいることも考えられる。この手段により、添加剤は簡単に境界面に到達し、そこで、機能層を形成する、及び／又は、濡らされる境界面を拡大することができる。
【００２４】
さらに、以下の付加的なステップが実施されると有利である。即ち、被覆材と電気構成部品との間の境界面に反応層を配置し、これにより、添加剤が境界面において反応層と反応して機能層を形成することができるようにするステップである。即ち、換言すると、電気構成部品に被覆材を被着する前に、電気構成部品に反応層が被着される。反応層は、例えば単分子ポリマー層として形成されているものとするとよい。反応層は、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）を含むものとするとよい。今や被覆材と電気構成部品との間の境界面には反応層が配置されているので、添加剤は境界面において反応面と反応して機能層を形成することができ、これにより、層形成が最適化されると共に、絶縁特性及び付着特性をさらに改善することができる。
【００２５】
また、添加剤が、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、シラン、セラミック、から成る群から選択されている場合も有利である。この場合、選択された各物質は、処理又は可鍛化時、及び、場合によっては動作中の要求温度を安定的に保持するように形成されている必要がある。添加剤は、特にビニルアルコール又はビニルアルコールから成る混合物を含むものとするとよい、又は、ビニルアルコールから成っているものとするとよい。前記各物質又は物質群は、極めて良好な電気的及び化学的絶縁特性を有しており、ひいては電気構成部品並びに傷みやすい金属及び別のコンポーネントを、短絡や、腐食作用を有する強い塩基性のセメント材から防護するために、特に良好に適している。
【００２６】
さらに、機能層及び添加剤は、処理ステップ後に分解又は溶解するように形成されていると有利である。このことは、例えば、動作中に生じる例えば２５０℃超の熱により行われるものとするとよい。即ち、換言すると、機能層は、湿ったセメント材における電気的な短絡を防止すると共に、腐食作用を有する強い塩基性のセメント材からの化学的な防護手段を提供するために、「臨界段階」、即ち、乾燥プロセス及び硬化プロセスのためだけに設けられた後に溶解する。このことは、長期の絶縁作用をもたらす必要のない、極めて薄い機能層で十分である、という利点をもたらす。乾燥したセメントは良好な絶縁性を有しているので、この場合、機能層はセメント材が乾くまで、極小さな電流だけを絶縁すれば済む。
【００２７】
また、添加剤がさらに、セメント材の内部に配置されている場合も有利である。この場合は、セメント材内に微量の添加剤しか存在していなくてもよい。セメント材内の「余剰」添加剤により、層形成後にセメント材内にはある程度の残留量が残存しており、これにより、添加剤の当初量が、好適には閉鎖式に形成される機能層を形成するために十分であることが保証されている。
【００２８】
さらに、添加剤が湿潤助剤であると有利である。この場合、湿潤助剤又は付着仲介体又はプライマは、好適にはシラン付着仲介体であるものとするとよい。この手段により、セメントの付着を、濡らされる境界面の拡大により大幅に改善することができる。
【００２９】
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】
【００３０】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
電気装置１０は、被覆材２０又はセメント材２２と電気構成部品との間に、境界面２４を有している。この場合、境界面２４には、被覆材２０と支持体基板１４との間の接触面も含まれる。境界面２４には、機能層２６が配置されている。本発明においては、機能層２６は添加剤２８を含む。この場合、添加剤２８は、被覆材２０の処理により又は処理中に、特にセメント材２２の凝結時に、セメント材２２の内部から、被覆材２０と電気構成部品１２との間の境界面２４に到達する。このことは例えば、被覆材２０と電気構成部品１２との間の境界面２４に対する添加剤２８の沈降及び／又は浮上により行われているものとするとよい。この場合、添加剤２８の堆積及び硬化と、場合によっては境界面２４における化学反応とにより、本発明においては、機能層２６が形成されることになる。この場合、機能層２６は、好適には電気的かつ化学的に絶縁性であると共に付着を仲介するように形成されており、これにより、硬化プロセス中に、まだ湿った被覆材２０による電気的な短絡を防止すると共に、塩基性のセメント材２２から構成部品を防護する手段を提供することができ、さらに、電気構成部品１２及び場合により支持体基板１４における被覆材２０の付着を改善することができる。
【００３６】
ただし、添加剤２８は、境界面２４に機能層を形成するのではなく、被覆材２０によって濡らされる境界面２４を拡大することも十分に考えられ、これによって、やはり、電気構成部品１２、及び、場合により支持体基板１４における被覆材２０の付着改善を得ることができる。次いで、添加剤２８は、被覆材２０の塩基性のゲル相において溶解可能である。
【００３７】
電気装置１０の製造に際しては、まず、セメント材２２が、例えば粉末状で準備される。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添加剤２８が混入される。次いで、液体成分、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、添加剤２８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処理され、特に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。処理時又は処理中に、即ち、ゲル形成から硬化に到るまで、本発明においては、添加剤２８が例えば沈降又は浮上により、被着された被覆材２０の内部から被覆材２０と電気構成部品１２との間の境界面２４に到達し、かつ、この境界面２４において反応して硬化することにより、境界面２４において機能層２６を形成する。選択的又は付加的に、添加剤２８は、被覆材２０により濡らされる境界面２４を拡大することもできる。最後に、被覆材２０に防護層２６が任意に施されてから離型され、例えば３００℃で出庫させられる。
【図１】
0006629447.tif 000002