阅读说明：本技术 用于制造具有包裹物料的电气装置的方法 (Method for producing an electrical device with a packaging material ) 是由 M.哈默-阿尔特曼 于 2018-04-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造具有电气或电子构件(12)的电气装置(10)的方法,其中该构件(12)被具有水泥的包裹物料(14)至少部分地包裹,所述方法具有以下步骤：-将包裹物料(14)施加到电气或电子构件(12)上；和-如此处理包裹物料(14),使得在包裹物料(14)的表面(28)上有针对性地进行水泥的碳化。(The invention relates to a method for producing an electrical device (10) having an electrical or electronic component (12), wherein the component (12) is at least partially encased by a casing compound (14) having cement, comprising the following steps: -applying a wrapping material (14) onto the electrical or electronic component (12); and-treating the packaging material (14) in such a way that the cement is specifically carbonized on the surface (28) of the packaging material (14).)

用于制造具有包裹物料的电气装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有电气或电子构件的电气装置的方法，其中该构件被具有水泥的包裹物料至少部分地包裹，和本发明涉及一种这样的电气装置以及用于实施该方法的设备。

背景技术

目前，功率电子装置（LE）模块和牢固的传感器系统的可靠性和效率的提高以及其成本的降低具有极其重要的意义。当前的包裹材料（环氧化合物、硅酮物料）受限于低于200℃的温度范围。通过开拓温度范围为至多300℃或350℃的包裹材料，可以将现代的功率半导体（例如SiC）的运行范围进一步扩展到超过200℃，而不必放弃包裹材料的附加功能（例如保护免受环境影响、改进的热流）。

LE模块由许多陶瓷和金属的材料组合组成，这些材料组合可以在特定条件下相互反应。尤其是湿气、气体和升高的温度，使得化学反应优选进行。可能的腐蚀会损害功能性能。在此，腐蚀是指通过与其环境的反应而对材料的侵蚀，其中材料性能劣化。

对于布置在水泥包裹物料或基于水泥的包裹物料中的金属有损害的反应之一是包裹物料中的水泥在固化或水化之后的碳化。碳化被理解为是指通过在空气中含有的二氧化碳使水泥石料中的Ca(OH)₂和碱性成分（和NaOH和KOH）化学转化成碳酸钙：

Ca(OH)2+ CO2+ H2O → CaCO3 + 2H2O 和 2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O

碳化阶段：

1. 将结晶的羟钙石溶解在水泥物料孔壁上的湿气膜中。同时，二氧化碳从空气扩散到毛细管孔中

Ca(OH)2→ Ca2+ + 2OH−

2. CO2与一小部分水反应生成碳酸，碳酸又在水中分解为H+和CO2−

CO2+ H2O → H2CO3 → 2H+ + CO2−3

3. Ca(OH)2被H2CO3中和

Ca(OH)2+ H2CO3→ CaCO3+ 2H2O

（CaCO3为方解石的形式，和很少为球霰石（高碱度）或文石（低碱度）的形式 → CaCO3-变型）

4. 将碱金属氢氧化物NaOH和KOH碳化，和进一步反应成碳酸钙和碱金属氢氧化物

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O 和 Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH。

由于从孔溶液（即孔壁上的溶液）碳化，缺乏溶解的Ca(OH)2，从而使得结晶的羟钙石溶解。只要存在Ca(OH)2和碱，孔溶液的高pH值（大约12.5）就会保持。在pH值大于10的情况下，例如对于与水泥接触的钢表面上的钢筋混凝土，会形成钝化层（2至20 nm）以保护钢免受腐蚀。然而，在导致孔溶液中和的因素的情况下，pH值降低至大约9，从而存在腐蚀的风险。因此，碳化导致pH值从12.5降低至大约9。原因在于Ca(OH)2的“消耗”：

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O。

因此，由于碳化引起的碱度降低会导致钢以及特定其他金属的腐蚀，这进而对这些金属的稳定性产生影响。然而，另一方面，碳化也导致碳化水泥的密度增加。

水泥碳化的前提是：

- 水泥与二氧化碳，例如与空气（空气中二氧化碳的含量为0.04％）接触

- 存在二氧化碳可以穿透的毛细管孔

- 充足的湿气条件（水没有完全填充孔，没有完全干燥）。

对此，以下内容适用于碳化深度：

- 在较高的相对空气湿度或降雨下的户外，由于通过降水吸收的水阻止了CO2通过毛细管孔的传输，因此碳化进行得更加缓慢；

- 随着w/z-值（水/水泥-值）的增加，毛细管孔含量增加，从而水泥石料的透气性也增加；

- 在波特兰水泥的水化过程中，尤其是熟料相C3S和C2S被水化为硅酸钙水合物，并形成Ca(OH)2。Ca(OH)2的量越高，结合的CO2越多，这会减小碳化深度。此外，在碳化中新形成的相占据更大的体积，这降低了碳化区中的孔隙率并增加了扩散阻力；

- 相比于波特兰水泥，矾土水泥具有2至3倍更大的碳化深度，因为在水化过程中没有形成Ca(OH)2。

因此，碳化深度随着更高的Ca(OH)2含量、更低的w/z-值和增加的水泥密度而降低。

此外，通过以下方法可以进一步降低pH值：

- 提高空气中的二氧化碳浓度

- 完全消耗孔溶液中的Ca(OH)2

- 通过例如硅酸SiO2·nH2O（SiO2在水中的溶解性仅非常低）从孔溶液中进一步沉淀碱

2KOH + SiO2 + n H2O K2SiO3·n H2O。

现有技术中公开了多种用于防止碳化或最小化碳化深度的补救措施，例如用保护层在外面涂覆水泥物料以防止CO2和湿气渗入，以及用于实现水泥的尽可能完全水化的热处理。

此外，推荐优选使用具有高C3S-和C2S含量的波特兰水泥（例如CEM I），因为如上所述，它们表现出的碳化过程比熟料含量降低的水泥（例如矾土水泥）更慢。此外，碳化深度随着碱含量的增加而降低，即，抑制了碳化进程。原因在于富碱水泥的初期水化较快，这导致早期致密的结构。

在DE 102013112267A1中已知一种具有包裹物料的半导体模块，该包裹物料由不同类型的水泥构成并且覆盖半导体单元。所述包裹物料在此具有耐湿的覆盖层（保护物料或漆），该覆盖层在所述水泥物料凝固之后在单独的制造步骤中施涂，从而防止湿气渗入水泥中。

在EP 0084951 A2中提出了，对水泥施加碳-和湿气阻挡层，以减少水泥的碳化，从而基本上保持水泥中的碱度和由此保护水泥中的铁或钢。

本发明的主题是一种用于制造具有电气或电子构件的电气装置的方法，其中该构件被具有水泥的包裹物料至少部分地包裹，所述方法具有以下步骤：

- 将包裹物料施加到电气或电子构件上；和

- 如此处理包裹物料，使得在包裹物料的表面上有针对性地发生或进行水泥的碳化。

本发明的主题还是一种用于实施上述方法的设备。

此外，本发明的主题是一种具有电气或电子构件的电气装置，其中该构件被具有水泥的包裹物料至少部分地包裹，其中包裹物料的表面具有碳化的水泥，特别是其中包裹物料的表面是包裹物料的整个外表面，其可经受来自围绕装置的气氛的流体。

所述电气装置可以形成为功率电子装置模块。

所述电气或电子构件可以选自：半导体结构元件，传感器元件，电感器，电容器，电池组电池，电池组模块，电路。然而，在本发明中，电气或电子构件可以理解为是指任何有源和无源的结构元件或高性能结构元件。对此，电气装置可以具有至少一个另外的元件，该另外的元件选自：电极，构件接触件，载体衬底，连接元件，特别是构件连接元件和/或载体衬底连接元件。

在本发明中，水泥可以理解为是指无机的、无金属的、水硬的粘合剂。对此，水泥水硬固化，即它与水进行化学反应而形成稳定的、不溶解的化合物。对此，水泥可以在所述过程的开始时或者在水化之前形成为磨细的粉末，该粉末与水或添加水反应而形成水合物，凝结并且固化。对此，所述水合物可以形成针状物和/或小片，这些针状物和/或小片相互结合并且因此得到水泥的高硬度。与此相反地，磷酸盐水泥则不是水硬固化的。它进行酸碱反应以形成盐凝胶，该盐凝胶随后凝结成大多无定形的物料。在酸碱反应中交换出H+（氢离子）。

水泥主要可以由铝酸钙组成，并且在水化过程中形成铝酸钙水合物。在水化之前，水泥可以具有大约0.35（对于矾土水泥）至大约0.4（对于波特兰水泥）的w/z-值（水/水泥-值）。

在本发明中，包裹物料可以理解为是指任何类型的包封（包装）。所述包裹物料具有水泥。所述包裹物料优选基于水泥。所述包裹物料可以形成为水泥复合材料。也就是说，所述包裹物料可以具有带有填料和添加剂的水泥基体。在处理步骤之前和/或之后，所述包裹物料可以具有以下组成：

- 粘合剂矾土水泥：大于或等于8至小于或等于47重量%（例如SECAR 71）

- 反应剂水：大于或等于10至小于或等于28重量%

- 添加剂：3至20重量%

- 填料：大于或等于25至小于或等于82重量%。

所述填料可以选自：

- Al2O3：细d50大约1μm至粗d50大约150-200μm

- α-Si3N4：细大约1μm至粗大约100μm

- Hex. BN：细大约15μm或至大约250μm

- SiC：细大约10-50μm或至大约600μm

- AlN：细大约1μm或至大约100μm。

所述包裹物料可以在施加步骤中邻近构件和任选地邻近另外的元件布置。因此，所述包裹物料可以具有与构件和任选地与另外的元件的接触面。

所述处理步骤可以包括多个子步骤。所述处理步骤可以包括水化步骤和/或凝固步骤和/或干燥步骤和/或固化步骤。

对此，所述包裹物料的表面具有毛细管壁或毛细管孔。所述包裹物料的表面可以有利地是包裹物料的整个外表面，其可经受来自围绕装置的气氛的流体，其中在处理包裹物料时，将水泥在整个表面上有针对性地碳化。因此，所述包裹物料的表面不是指包裹物料与电子构件或结构元件之间的界面。

在本发明中，有针对性地碳化可以理解为是指有针对性控制或调节的碳化。对此，有针对性地碳化在限定的气氛下进行。对此，有针对性地碳化是期望和有意识地进行的，其中调节地发生或进行该过程。对此，如此处理包裹物料的表面，使得有针对性地碳化的表面基本上均匀地反应。因此，整个有针对性地碳化的表面具有基本上面状均匀的碳化分布。也就是说，整个表面在其纵向和横向上平均地或均匀地碳化。然而，碳化分布也可以在包裹物料的深度方向上变化。

与目前已知的防止水泥或钢筋混凝土中的碳化或最小化水泥或钢筋混凝土中的碳化深度以防止由于pH降低引起的铁或钢的腐蚀的方法和努力不同，在本发明中有针对性地进行和促进在包裹物料中的水泥的碳化，其中对此有意识地接受不期望的pH降低。因此，可以通过根据本发明的方法利用碳化的优点，从而在有针对性地进行碳化的包裹物料表面上

- 由于新形成的碳酸钙引起的体积增加（V）而使得水泥结构的密度增加

Ca(OH)2→ CaCO3 V = +11%

- 通过将总孔体积减少20％至28％而提高对水和气体的密封性，以及

- 根据水泥类型而将水泥强度提高20至50％。

因此，通过所述方法制造的电气装置具有这样的包裹物料，该包裹物料具有在表面上或在边缘区域上对湿气和气体（例如来自燃烧废气的SO2气体，该气体在湿气存在下可以转化为亚硫酸并且通过氧化转化为硫酸）提高的密封性。对此，这进而会导致混凝土受到酸侵蚀，这导致pH值降低和随后的腐蚀

S + O2 → SO2

SO2 + ½ O2 + H2O → H2SO4。

此外，通过提高密封性而提高强度。为了防止由于包裹物料中pH值降低而造成的金属腐蚀的风险和因此确保电气装置或功率电子装置模块的功能性能，对此必须根据设定的pH范围而相应地选择与包裹物料有接触面的金属，或者该金属在该pH范围内具有耐腐蚀性。

此外有利的是，处理包裹物料以在表面上有针对性地进行水泥的碳化的步骤包括以下步骤：

- 对包裹物料进行第一热处理；

- 在包裹物料的表面上形成湿气膜；和

- 在二氧化碳含量大于0.039体积%或二氧化碳分压大于0.039 kPa或等于0.039 kPa至小于0.01 KPa的限定气氛下对包裹物料进行第二热处理。

对此，特别有利的是，在包裹物料的水泥完全水化之前，停止第一热处理的步骤，从而可以有效地进行碳化。在水化之前，水泥的w/z-值（水/水泥-值）可以为大约0.35（对于矾土水泥）至大约0.4（对于波特兰水泥）。第一热处理可以包括在限定的气氛下在退火炉中的退火步骤。第一热处理可以在大于或等于40℃至小于或等于300℃的温度范围内进行。限定的气氛可以是例如具有至多100%的提高的空气湿度的空气。限定的气氛还可以具有催化剂-或促进剂分子。此外，特别有利的是，在形成湿气膜的步骤中包括在相对湿度或相对空气湿度大于或等于60％至小于或等于80％，优选基本上为65％的限定气氛下将包裹物料冷却，特别是冷却至大约室温（20℃），或将水施加到包裹物料的表面上。第二热处理可以包括在限定的气氛下在退火炉中的退火步骤。第二热处理可以在大于或等于95℃至小于或等于300℃的温度范围内进行。限定的气氛的相对湿度或相对空气湿度可以为大于或等于60％至小于或等于80％，优选基本上65％。限定的气氛还可以包括催化剂-或促进剂分子。通过该措施，可以以简单的方式在包裹物料的表面上有针对性地地引发或有针对性地进行水泥的碳化。一方面，由于在第一热处理中水泥的水化停止（即，不完全）和随后在限定的湿度或空气湿度下冷却至大约室温，可以在表面上或表面的毛细管壁上形成湿气膜。在随后的在限定的二氧化碳含量下的第二热处理中，在表面上从外部到内部发生碳化，其中同时使得水泥的或来自水泥的过量水的一部分蒸发。因此，水泥在表面上缓慢地失去过量的孔水（“变干”），并且水泥结构变得更致密，从而借助该“保护区域”防止了湿气和气体的进一步渗入。同时，剩余的孔溶液的碱性降低。在大于或等于60％至小于或等于80％的相对空气湿度下实现最大的碳化速率。

此外有利的是，水泥物料具有矾土水泥，特别是由矾土水泥组成。矾土水泥（缩写为CAC）根据DIN EN 14647的欧洲规定。矾土水泥主要由铝酸单钙（CaO*Al2O3）组成。

矾土水泥可以例如具有以下组成：

- Al2O3：大于或等于67.8重量%

- CaO：小于或等于31.0重量%

- SiO2：小于或等于0.8重量%

- Fe2O3：小于或等于0.4重量%。

相比于例如波特兰水泥，矾土水泥具有2至3倍更大的碳化深度，因为在水化过程中没有形成Ca(OH)2。由于期望和有针对性地进行水泥的碳化，因此可以通过使用矾土水泥在包裹物料的表面上更快、更容易和更有效地发生或进行碳化。

此外有利的是，所述构件和/或另外的元件在与包裹物料的接触面上具有金属区域，其中该金属区域不含在pH值大于或等于 7至小于或等于9的环境或溶液中基本上不耐腐蚀的金属。也就是说，所述金属区域仅具有在pH值大于或等于7至小于或等于9的环境或溶液中基本上耐腐蚀的金属，或者所述金属区域仅具有在pH中性至弱碱性的环境或溶液中基本上耐腐蚀的金属。对此有利的是，所述构件和/或另外的元件在与包裹物料的接触面上具有金属区域，其中该金属区域仅具有选自以下的金属：铜（Cu），铜合金，铜锡合金（CuSn合金）和/或铜镍合金（CuNi合金）。对此特别有利的是，所述接触面是构件与包裹物料之间以及另外的元件与包裹物料之间的整个接触面。也就是说，具有与包裹物料的接触面的所有金属区域都不含在pH值大于或等于7到小于或等于9的环境中基本上不耐腐蚀的金属，例如选自以下的金属：铜，铜合金，铜锡合金和/或铜镍合金。对此，金属区域是指具有至少一种金属或由至少一种金属组成的区域。然而，所述金属区域也可以具有其他不易腐蚀的非金属。由于通过碳化使得pH值降低至中性至弱碱性的值，因此可以通过该措施防止包裹物料中所有易损坏金属的腐蚀，从而可以确保电气装置或功率电子装置模块的功能性能。铜和铜合金，例如铜锡合金和/或铜镍合金是好的导电体，并且在中性和碱性环境或溶液中具有好的耐腐蚀性。

附图说明

下面将参考附图示例性地进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的一个

具体实施方式

的电气装置的示意图；

图2a-c示出了用于制造根据本发明的装置的方法的顺序的示意图；和

图3示出了用于制造根据本发明的装置的方法的流程图。

在本发明的优选具体实施例的下面描述中，相同或相似的附图标记用于在不同附图中示出且具有类似作用的元件，其中省略了这些元件的重复描述。

在图1中示出了根据本发明的电气装置，该电气装置整体上设置为标记数字10。

电气装置10具有电气或电子构件12和包裹物料14。

电气或电子构件12形成为半导体结构元件12。电子构件12通过构件连接元件16布置在载体衬底18上或者与其电和机械地接合，其中该构件连接元件16形成为接触层16或焊料层16。载体衬底18形成为板，在该板中集成了用于接触电气构件12的导体轨道或电触点。导体轨道布置在载体衬底18的表面上。

载体衬底18进而通过衬底连接元件20布置到冷却体22（吸热装置）上或者与其电和机械地接合，其中该衬底连接元件20形成为热传导粘合剂20。

为了能够从外部，即从包裹物料14的外部电接触电子构件12，还提供构件接触件24。构件接触件24通过构件连接元件16与电子构件12电和机械地接合并且从包裹物料14的内部延伸到包裹物料14外部的气氛26或环境26，其中该构件连接元件16形成为接触层16或焊料层16。

包裹物料14具有水泥或基于水泥。包裹物料14布置在载体衬底18上或之上。对此，包裹物料14在不用于接触的自由表面上包裹电子构件12。因此，电子构件12完全被载体衬底18和包裹物料14包裹。包裹物料14分别具有与电子构件12，接触层16，载体衬底18，传导粘合剂20和构件接触件24的一个或多个接触面。

包裹物料14还具有表面28。对此，表面28是包裹物料14的整个外表面28，其可经受来自围绕装置10的气氛26的流体。也就是说，外表面28是包裹物料14与气氛26或环境26的接触面。

根据本发明，包裹物料14的表面28具有碳化的水泥30。优选地，包裹物料14的整个外表面28具有碳化的水泥30。如将在下面参考图2a-c进一步阐述的，这通过在包裹物料14的表面上有针对性地进行水泥30的碳化的处理而实现。对此，有针对性地碳化的整个表面28或外表面28具有碳化水泥30的基本上面状均匀的碳化分布。因此，整个表面28或水泥30在其纵向和横向上平均或均匀地碳化。碳化的水泥30使得包裹物料14的表面28具有更高的强度并且更致密，由此防止CO2和O2以及湿气从环境26渗入到包裹物料14中。

然而，通过碳化使得水泥的碱度降低至基本上大于或等于7至小于或等于9的pH范围。由于电子构件12，接触层16，载体衬底18，传导粘合剂20和构件接触件24分别在与包裹物料14的一个或多个接触面上具有金属区域，对此在选择金属时要考虑pH值的降低。为了避免由于水泥的碱度降低而在这些金属区域中金属的腐蚀，所述金属区域不含在pH值大于或等于7至小于或等于9的环境或溶液中基本上不耐腐蚀的金属。因此，所述金属区域在与包裹物料14的接触面上仅具有在pH值大于或等于7至小于或等于9的环境或溶液中，即在pH中性至弱碱性的环境中基本上耐腐蚀的金属。由此，尽管pH值降低，仍可以确保电气装置或功率电子装置模块的功能性能。

电子结构元件12可以例如在与包裹物料14的接触面上的金属区域中仅具有Cu。接触层16可以例如在与包裹材料14的接触面上的金属区域中仅具有SnAgCu（软焊料）和/或Cu（扩散焊料）。载体衬底18可以例如在与包裹物料14的接触面上的金属区域（导体轨道等）中仅具有Cu。传导粘合剂20可以例如在与包裹物料14的接触面上的金属区域中仅具有SnAgCu（软焊料）和/或Cu（扩散焊料）。构件接触件24可以例如在与包裹物料14的接触面上的金属区域中仅具有Cu。

在图2a-c中示出了包裹物料14的表面28的处理或碳化过程的顺序。

图2a示出了，如在对包裹物料14进行第一热处理之后在包裹物料14中的水泥没有完全水化的情况下，在包裹物料14的表面28上形成湿气膜32。对此，在大约65％的气氛26的相对空气湿度下将气氛26或表面28冷却至大约室温，由此在表面28的毛细管壁上形成湿气膜32。

图2b示出了，如在二氧化碳含量大于0.039体积%或二氧化碳分压大于0.039 kPa或等于0.039 kPa至小于0.01 KPa的限定气氛下对包裹物料14进行第二热处理的情况下，在包裹物料14的表面28上有针对性地进行水泥30的碳化。对此，将表面28加热至超过100℃，并且同时将气氛26中的CO2压力略微提高至大于0.039 kPa，从而有针对性地从外部向内部进行水泥30的碳化，并且同时使得来自包裹物料14的过量水的一部分蒸发。

最后，图2c示出了在有针对性地进行水泥30的碳化之后或具有碳化的水泥30的电气装置10。对此，通过有针对性的碳化，在表面28上的水泥30的结构已经致密化（形成CaCO3），并且pH值已降低至中性至弱碱性的值。因此，通过该方法制造的电气装置10具有这样的包裹物料14，该包裹物料14具有在表面28上或在边缘区域上对湿气和气体（例如二氧化碳和氧气）提高的密封性以及提高的强度。由于与现在弱碱性的包裹物料14接触的金属区域仅具有在相应的pH范围内耐腐蚀的金属，所以对此也没有腐蚀的风险。

图3示出了用于制造根据本发明的电气装置10的方法100的流程图。

方法100包括将包裹物料14施加到电气或电子构件12上的步骤102。方法100还包括如此处理包裹物料14，使得在包裹物料14的表面28上有针对性地进行水泥的碳化的步骤104。对此，处理包裹物料14以在表面28上有针对性地进行水泥的碳化的步骤104具有对包裹物料14进行第一热处理的步骤106。步骤104还包括在包裹物料14的表面28上形成湿气膜32的步骤108。最后，步骤104包括在二氧化碳含量大于0.039体积%或二氧化碳分压大于0.039 kPa或等于0.039 kPa至小于0.01 KPa的限定气氛下对包裹物料14进行第二热处理的步骤110。

如果具体实施例在第一特征和第二特征之间以“和/或”链接，则这应理解为，该具体实施例根据一个实施方案具有第一特征和第二特征两者，和根据另一个实施方案仅具有第一特征或仅具有第二特征。