DE102005025083B4

DE102005025083B4 - Thermoplast-Duroplast-Verbund und Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material

Info

Publication number: DE102005025083B4
Application number: DE102005025083A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Mahler; Alfred Dr. Haimerl; Wolfgang Dr. Schober; Michael Dipl.-Ing. Bauer; Angela Dr. Kessler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: US8507080B2; DE102005025083A1; WO2006128413A1; US20090280314A1

Abstract

Verbund (10) mit einem ersten Teil (1) aus einem duroplastischen Material (3) und einem zweiten Teil (2) aus einem thermoplastischen Material (7) und einer dazwischen befindlichen Haftvermittlerschicht (5), wobei der erste Teil (1) über die Haftvermittlerschicht (5) mit dem zweiten Teil (2) verbunden ist, und wobei die Haftvermittlerschicht (5) pyrolytisch abgeschiedene Halbleiter- und/oder Metalloxide aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thermoplast-Duroplast-Verbund sowie ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material.

Es besteht häufig die Notwendigkeit, Duroplast-Bauteile, insbesondere Halbleiterbauteile, die mit einem Gehäuse aus einem duroplastischen Material versehen sind, mit Thermoplastmassen wie Polyethylenterephthalat oder Polyphenylensulfid zu verspritzen oder vergießen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Halbleiterbauteil mit einer Halterung aus einem thermoplastischen Material versehen werden soll, um das Bauteil einbaufähig zu machen.

Dabei bzw. beim Verbinden oder Kombinieren von duroplastischen mit thermoplastischen Materialien besteht allgemein das Problem, eine gute Haftung zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien vorzusehen. Eine Möglichkeit bietet eine Verformung der Duroplastoberfläche, um eine verstärkte Haftung zwischen einem Duroplastteil und einem darauf aufzubringenden Thermoplastteil zu schaffen. Dies ist jedoch insbesondere bei Gehäusen von Halbleiterbauteilen nicht möglich.

Auch kann beispielsweise die Möglichkeit des Zweikomponentenspritzgießens, mittels welchem Verfahren Duroplast-Thermoplast-Komposite geschaffen werden können, nicht ange wandt werden, da es sich um eine nachträgliche Anbringung von Bauteilen auf das bereits fertig verarbeitete Halbleiterbauteil handelt.

Die Haftung zwischen einem Duroplast und einem Thermoplast kann durch ein Verschweißen der Komponenten an deren Grenzflächen (Interdiffusion der Molekülketten) entstehen. Dieses Verschweißen kann zum Beispiel beim Kontakt des erhitzten thermoplastischen Materials bzw. der Thermoplast-Schmelze auf dem erkalteten Duroplastmaterial durchgeführt werden. Wird nachträglich ein thermoplastisches Material auf herkömmliche Weise auf ein duroplastisches Material aufgebracht, besteht generell das Problem, dass die Haftung nicht ausreichend ist und es daher oft zu einer Delamination kommt.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material sowie einen Thermoplast-Duroplast-Verbund zu schaffen, mittels welchem eine verbesserte Haftung zwischen den beiden Materialien vorgesehen wird und daher eine nachträgliche Ablösung vermieden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß ist ein Verbund mit einem ersten Teil aus einem duroplastischen Material, einem zweiten Teil aus einem thermoplastischen Material und einer dazwischen befindlichen Haftvermittlerschicht vorgesehen. Das erste Teil ist über die Haftvermittlerschicht mit dem zweiten Teil verbunden. Die Haftvermittlerschicht weist pyrolytisch abgeschiedene Halbleiter- und/oder Metalloxide auf.

Die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht ermöglicht beim Erhitzen des thermoplastischen Materials und des duroplastischen Materials einen festen Verbund zwischen den Materialien. Durch die zwischen dem thermoplastischen Material und dem duroplastischen Material vorgesehene Haftvermittlerschicht wird eine stabile dauerhafte Bindung zwischen dem Thermoplast und dem Duroplast geschaffen.

Auf Grund der pyrolytischen Abscheidung weist die Haftvermittlerschicht Halbleiter- und/oder Metalloxide einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Molekülen auf. Unter metallorganischen Molekülen werden in diesem Zusammenhang organische Moleküle verstanden, die Halbleiterelemente und/oder Metallelemente als Radikale und/oder Zentralatom aufweisen. Zu den metallorganischen Molekülen werden in diesem Zusammenhang auch Silane gezählt, die an Stelle des zentralen Kohlenstoffatoms organischer Verbindungen entsprechende vierwertige Halbleiteratome, wie Silicium, aufweisen.

Die Schichtbildung selbst erfolgt durch die jeweils gewählten Abscheidungsbedingungen auf den Oberflächen des Duroplasts bzw. Thermoplasts. Außerdem können die Reaktionsprodukte der pyrolytischen Abscheidung umweltfreundlich in amorpher Form, die dabei in außerordentlich geringen Mengen entstehen, entsorgt werden.

Die pyrolytische Abscheidung hat den weiteren Vorteil, dass die Oberflächen beschichtet werden können, ohne hohe Temperaturen, zum Beispiel eine Temperatur von weit über 100°C, ein zusetzen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Oberflächen eines Halbleiterbauteilgehäuses beschichtet werden sollen. Der Halbleiterchip des bereits fertig verarbeiteten Halbleiterbauteils wird dadurch nicht beeinträchtigt. Weiterhin kann durch die Einstellung der Abscheidungsbedingungen, die Morphologie der Haftvermittlerschicht eingestellt werden. Die Rauhigkeit und Porosität der Schichtoberfläche kann so eingestellt werden, dass eine verbesserte Verankerung zwischen den Kunststoffmassen der zwei Teile über die Haftvermittlerschicht erreicht werden kann.

Vorteilhafte thermoplastische Materialien sind flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU).

Besonders bevorzugt ist es, wenn das thermoplastische Material ein Hochleistungsthermoplast ist. Auch bestimmte technische Thermoplaste, wie zum Beispiel PET oder Polycarbonat (PC), können eingesetzt werden.

Weiterhin sind vorteilhafte duroplastische Materialien Kunstharze, insbesondere Epoxidharz oder Silikonharz.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Haftvermittlerschicht Halbleiter- und/oder Metalloxide der Elemente Al, B, Ce, Co, Cr, Ge, Hf, In, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl Tm, U, V, W, Yb, Zr oder Zn auf. Diese Halbleiter- und/oder Metallelemente haben den Vorteil, dass von diesen Elementen metallorganische Verbindungen bekannt sind, die für die Bildung einer Haftvermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie geeig net sind. Dabei kann durch Mischung unterschiedlicher metallorganischer Ausgangsmaterialien dieser Halbleiter- und/oder Metallelemente neben den haftvermittelnden Eigenschaften der entstehenden Schichten auch eine farbliche Unterscheidung der Haftvermittlerschicht von der Oberfläche der Halbleiterbauteilkomponenten in vorteilhafter Weise erreicht werden. Dazu können Mischungen unterschiedlicher metallorganischer Verbindungen dieser oben aufgeführten Elemente durch gemeinsame Verbrennung in einer Pyrolyseanlage bzw. Flammpyrolysanlage in vorteilhafter Weise gebildet werden.

Vorzugsweise weist die entstehende Haftvermittlerschicht ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al₂O₃, B₂O₃, Ce₂O₃, CoO, Co₂O₃, GeO₂, HfO₂, In₂O₃, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MoO₂, Mo₂O₅, Nb₂O₃, NbO₂, Nd₂O₃, Ni₂O₃, NiO, PbO, Pr₂O₃, PrO₂, PtO, Pt₃O₄, Rb₂O, ReO₂, ReO₃, RhO₂, Rh₂O₃, RuO₂, SO₃, Sb₂O₄, Sb₄O₆, Sc₂O₃, SiO₂, Sm₂O₃, SnO, SnO₂, SrO, Te₂O₅, TeO₂, TeO₃, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Tl₂O₃ Tm₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, VO, V₂O₃, V₂O₄, V₂O₅, WO₂, WO₃, Yb₂O₃, ZrO₂ oder ZnO oder Mischungen derselben auf. Diese Oxide haben den Vorteil, dass sie als fein verteilte Oxide pyrolytisch abgeschieden werden können. Diese Oxide haben auch ausreichend thermische und mechanische Stabilität, so dass eine stabile und zuverlässige Haftvermittlerschicht entsteht. Eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Duroplast und dem Thermoplast wird somit geschaffen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Haftvermittlerschicht Silikatverbindungen auf. Derartige Silikatverbindungen haben den Vorteil, dass sie eine chemische Bindung zum Kunststoff bilden, wobei die Silikate über Si-C-Bindungen in der Lage sind, hydrolysestabile chemische Bindungen auszubilden. Jedoch ist die Wechselwirkung zwischen Sili katen und Kunststoffmassen von erheblicher Komplexität, wobei auch Wassermoleküle über die Ausbildung von Oxyhydratschichten einer Art flexiblen Bindungszustand bewirken können. Hinzu kommt, dass sich Kopplungen von Silikaten mit Kunststoffen technisch bereits langjährig bewährt haben.

Von den oben aufgeführten anderen Oxiden sind ebenfalls haftverbessernde Effekte zu erwarten. Diese haftverbessernden Effekte liegen jedoch deutlich unter denen von hydrolysierbaren Gruppen, die über die Bildung und Kondensation von Si-OH-Gruppen ein silikatisches Gerüst bilden. Dabei kondensieren die Si-OH-Gruppen untereinander und mit OH-Gruppen des Trägersubstrats. Silikatverbindungen haben somit den Vorteil, dass sie sowohl zu Kunststoffgehäusemassen, sowie zwischen dem Duroplast und dem umgebenden Thermoplast eine stabile Bindung eingehen können. Durch die mikroporöse Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht wird außerdem die Reaktionsfläche vergrößert, und es werden mikroretentive Haftelemente in die Grenzflächen eingeführt.

Eine derartige Silikatschicht hat zudem den Vorteil, dass Silikate mit einer Vielzahl von Elementen und Materialien chemische Bindungen eingehen können, sodass eine Aufbringung des Silikats auch die Ausbildung stabiler Silikatstrukturen in den Grenzflächen zulässt.

Die mittlere Dicke D der Haftvermittlerschicht liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm. Dies ermöglicht eine feste Verbindung zwischen dem Duroplast und dem Thermoplast, ohne dass die Teile während dem Abscheidungsverfahren beeinträchtigend erwärmt werden.

Die Haftvermittlerschicht ist vorzugsweise porös, so dass die Oberfläche zwischen den Teilen erhöht wird und eine verbesserte mechanische Verankerung zwischen dem Duroplast und dem Thermoplast angegeben wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt die Porosität der Haftvermittlerschicht von einer porenfreien Beschichtung auf den Oberflächen eines Teils zu einer mikroporösen Morphologie im Übergangsbereich zu einem zweiten Teil graduell zu. Durch die graduelle Zunahme der Porosität von einer zunächst geschlossenen Haftvermittlerschicht zu einer mikroporösen Morphologie der Oberfläche wird die Verzahnung zwischen dem Thermoplast und dem Duroplast intensiviert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet das duroplastische Material ein Gehäuse eines Halbleiterbauteils und das thermoplastische Material bildet eine Gehäusehalterung auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements, wobei das Gehäuse und die Gehäusehalterung durch die dazwischen angeordneten Haftvermittlerschicht fest miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß weist die Haftvermittlerschicht pyrolytisch abgeschiedene Halbleiter- und/oder Metalloxide auf. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbunds ist vorteilhaft bei Bauteile, die im Hochbelastungsbetriebslagen verwendet werden sollen. Solche Anwendungen sind zum Beispiel Bauelemente für Autos.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunds weisen die folgende Verfahrensschritte auf. Ein erstes Teil, das eine Oberfläche aus einem duroplastischen Material und ein zweites Teil, das eine Oberfläche aus einem thermoplastischen Material aufweist, werden bereitgestellt. Eine Haftvermittlerschicht wird erfindungsgemäß mittels pyrolytischer Abscheidung auf die Oberfläche des ersten Teils und/oder die Oberfläche des zwei ten Teils aufgebracht. Die Haftvermittlerschicht weist pyrolytisch abgeschiedene Halbleiter- und/oder Metalloxide auf. Das erste Teil und das zweite Teil wird zusammengefügt, so dass die Haftvermittlerschicht zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angeordnet ist. Das thermoplastische Material und das duroplastische Material werden erhitzt, damit eine Verbindung zwischen dem thermoplastischen und dem duroplastischen Material erzeugt wird.

Bei der Beschichtung kann eine mikroporöse Morphologie der Halbleitervermittlerschicht entstehen, die Halbleiterund/oder Metalloxide einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Molekülen aufweist. Diese Haftvermittlerschicht wird vorzugsweise in einer mittleren Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm aufgebracht. Bei dieser Beschichtung scheiden sich auf den Oberflächen des Duroplasts bzw. Thermoplasts Halbleiteroxide bzw. Metalloxide ab. Diese Halbleiteroxide bzw. Metalloxide bilden typischerweise nur in unmittelbarer Nähe der zu beschichteten Oberflächen eine wenige nanometerdicke geschlossene Schicht, die gleichzeitig die Oberflächen vor Erosion und Korrosion schützt. Mit dicker werdender Beschichtung nimmt die Porendichte zu, sodass eine mikroporöse Morphologie auftritt, die eine hohe Adhäsion mit dem zweiten Teil ausbilden kann. Der Beschichtungsvorgang selbst kann durch Einleiten von Butan oder Propan mit Sauerstoff in einem Reaktionsraum, dem die metallorganischen Moleküle zugeführt werden, beschleunigt werden.

Vorzugsweise wird beim Beschichten eine flammpyrolytische Abscheidung durchgeführt. Eine flammpyrolytische Abscheidung hat den Vorteil, dass die oben erwähnten Reaktionsprodukte in einem Brenngasstrom entstehen, aus dem sich Halbleiteroxide und/oder Metalloxide der metallorganischen Verbindung auf den Oberflächen des Systemträgers niederschlagen. Prinzipiell kann diese pyrolytische Abscheidung unabhängig vom Material der Oberflächen erfolgen. Somit ist die Flammpyrolyse einfach und universell anwendbar.

Es ist deshalb möglich, das Duroplast oder das Thermoplast oder beide der zu verbindenden Teile zu beschichten. Wenn das Gehäuse eines Halbleiterbauteils duroplastisch ist, ist es von Vorteil das Halbleiterbauteil zu beschichten. Das mit einer Haftvermittlerschicht beschichtete Bauteil kann in einem weiteren getrennten Herstellungsverfahren in ein Thermoplast eingebettet werden. Dieses Verfahren kann direkt bei dem Kunden anstatt beim Bauteilhersteller durchgeführt werden. Es ist auch möglich, die Oberfläche eines thermoplastischen Behälters mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht zu beschichten. Dies hat den Vorteil, dass unbeschichtete Halbleiterbauteile verwendet werden können.

Bei der Flammpyrolyse wird eine metallorganische Verbindung der oben erwähnten Elemente in einer Gas/Luft-Flamme zersetzt. Als Gas für die Gas/Luft-Flamme wird vorzugsweise Methan, Butan oder Propan eingesetzt. In einem optimierten Flammenbereich wird auf die Oberflächen der fertig montierten Halbleiterbauteilkomponenten eine MeO_x-Schicht abgeschieden. Dabei werden unter Me die oben angegebenen Halbleiter- und/oder Metallelemente verstanden.

Die dabei abgeschiedene mittlere Schichtdicke D liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise liegt die mittlere Schichtdicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm. Da nur eine sehr dünne Schicht aufzutragen ist, sind auch die Materialkosten äußerst gering. Dabei lässt sich die Erwärmung der Teile während der Beschichtung insbesondere bei der bevorzugten Variante auf unter 100°C halten. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Beschichtung von Halbleiterbauteilgehäusen.

Weiterhin hat die Flammpyrolyse den Vorteil, dass die Temperatur der Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten nicht wesentlich zunimmt und unter geeigneten Prozessbedingungen vorzugsweise unter 100°C gehalten werden kann, zumal die Oberflächen nur für Sekunden mit der Flamme der Beschichtungsanlage in Berührung kommen.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine deutliche Verbesserung der Haftung zwischen Duroplasten und Thermoplasten erzielt werden.

Vorzugsweise wird als metallorganisches Molekül ein Tetramethylsilan und Derivaten des Tetramethylsilans vorzugsweise Tetraethylensilan, das eine Summenformel von Si(C₂H₅)₄ aufweist, eingesetzt. Unter Zugabe von Propan mit der Summenformel C₃H₈ und Sauerstoff O₂ werden auf den Oberflächen Silikate SiO_x abgeschieden, während sich die flüchtigen Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Wasser bilden und entweichen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden zur flammpyrolytischen Beschichtung eine organometallische Verbindung eines Halbleiterelementes oder eines Metallelementes und Sauerstoff oder eine sauerstoffhaltige Verbindung mit einem Brenngas einer Beschichtungsanlage zugeführt, wobei sich Halbleiter- oder Metalloxide als Reaktionsprodukte der eingeleiteten Verbindungen auf den freiliegenden Oberflächen des Systemträgers allseitig abscheiden. Zur allseitigen Abschei dung werden vorzugsweise ein Ringbrenner eingesetzt, bei dem ein Flammenring erzeugt wird durch den der Systemträger geführt wird.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden vor dem Beschichten der Oberfläche mit Haftvermittler freizuhaltende Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht bedeckt. Nach dem Beschichten kann diese Schutzschicht in vorteilhafter Weise zum Aufquellen gebracht werden, sodass sie mit der sich überlagernden Haftvermittlerschicht an den freizuhaltenden Oberflächenbereichen entfernt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die freizuhaltenden Oberflächenbereiche erst nach dem Beschichten der Oberflächen mit Haftvermittler wieder freigelegt. Bei diesem Verfahren können vor dem Freilegen die Oberflächenbereiche geschützt werden, auf denen der Haftvermittler verbleiben soll. Das Freilegen kann mittels Laserabtrag oder mittels Plasmaätzverfahren erfolgen.

Die Erfindung betrifft auch ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip und einem Kunststoffgehäuse, wobei das Kunststoffgehäuse ein Duroplast und eine Haftvermittlerschicht nach einem der Ausführungsbeispiele auf mindestens der Oberfläche des Duroplasts aufweist.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, das ein Halbleiterbauteil mit einer Oberfläche, die gut mit einem Thermoplast haftet, bereitgestellt wird. Dies ist vorteilhaft, wenn das Halbleiterbauteil bei einem Kunden in einem thermoplastischen Gehäusehalter eingebaut oder in einer thermoplastischen Masse mit weiteren Bauteilen eingebettet werden soll. Dies kann wün schenswert sein, wenn im Betrieb das Bauteil zusätzlichen mechanischen Belastungen oder Umweltbelastungen ausgesetzt ist. Eine verbesserte Haftung und eine zuverlässigere Verbindung zwischen dem duroplastischen Gehäuses und der thermoplastischen Verkapslung ist somit gegeben.

Vorzugsweise werden das Halbleitergehäuse und die Gehäusehalterung miteinander verbunden, so dass dadurch das Halbleiterbauteil einbaufähig gemacht wird.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel findet der Verbindungsprozess zwischen dem Duroplast und dem Thermoplast in Form eines Verkapselungsprozesses bei Temperaturen oberhalb von 260 °C statt, wobei die Temperatur von 260 °C auch der maximalen Löttemperaturspitze für Leistungshalbleitergehäuse entspricht.

Gemäß noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Verkapselungsprozess die Verkapselung eines mit einem duroplastischen Material vergossenen Halbleiterbauteils mit einem thermoplastischen Material.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verbund zwischen einem Thermoplast und einem Duroplast;
2 zeigt ein Reaktionsschema eines flammpyrolytischen Beschichtens von Oberflächen mit einer Haftvermittlerschicht, die Silikate aufweist;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil, dessen Gehäuse eine Haftvermittlerschicht aufweist.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Verbunds 10. Der Verbund hat ein erstes Teil 1 aus einem duroplastischen Material 3 und ein zweites Teil 2 aus einem thermoplastischen Material 7. Der erste Teil 1 ist über eine Haftvermittlerschicht 5 mit dem zweiten Teil 2 verbunden. Die Haftvermittlerschicht 5 weist flammpyrolytisch abgeschiedene Silikate auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil 1 ein duroplastisches Gehäuse eines Halbleiterbauteils 20, das in der 3 zu sehen ist.
Die Haftvermittlerschicht 5 weist eine mittlere Dicke D auf, die zwischen 5 und 300 nm liegt und in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine bevorzugte Dicke, die zwischen 5 und 40 nm schwankt, aufweist. Die unteren 5 bis 10 nm der Haftvermittlerschicht 5 bedecken die Oberfläche 4 des Duroplastgehäuses 1 des Halbleiterbauteils 20 in einer vollständig geschlossenen Morphologie.
Oberhalb dieses Bereichs zwischen 5 und 10 nm nimmt die Porosität der Haftvermittlerschicht 5 zu und weist im obersten Bereich eine mikroporöse Morphologie 6 auf. Diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 unterstützt die Verzahnung mit der thermoplastischen Masse 7. Außerdem sieht diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 das Bilden einer mechanischen Verankerung zwischen der Duroplastgehäusemasse 3 und der thermoplastische Masse 7 vor.
2 zeigt ein Reaktionsschema eines flammpyrolytischen Beschichtens von Oberflächen mit einer Haftvermittlerschicht, die Silikate aufweist. Um derartige Silikate als SiO_x zu bilden, wird einer Flammbeschichtungsanlage eine metallorganische Verbindung in Form eines Tetramethylsilan und Derivaten des Tetramethylsilans vorzugsweise Tetraethylensilan, das eine Summenformel von Si(C₂H₅)₄ aufweist, zugeführt. Dieses Tetraethylensilan weist als zentrales Me-Atom ein Siliciumatom Si auf, das von vier organischen Ethylmolekülen -C₂H₅ umgeben ist, wie es auf der linken Seite der 2 gezeigt wird.
In der Beschichtungsanlage wird das Tetraethylensilan Si(C₂H₅)₄ bspw. mit einem Propangas der Summenformel C₃H₈ und mit Sauerstoff 13 O₂ gemischt und verbrannt, wobei als Reaktionsprodukte flüchtiges Kohlendioxid 7 CO₂ und Wasser 10 H₂O entsteht und sich SiO_x-Silikate, vorzugsweise Siliciumdioxid SiO₂, auf der Oberfläche der zu beschichtenden Teile zum Beispiel eines Duroplasts oder eines Thermoplasts abscheiden. Durch eine strichpunktierte Linie getrennt ist in 2 eine weitere Reaktionsmöglichkeit dargestellt, bei der anstelle des Propans mit einer Summenformel C₃H₈ Butan mit der Summenformel C₄H₁₀ zugeführt wird. In diesem Fall können zwei Tetraethylensilanmoleküle mit zwei Butanmolekülen und neunundzwanzig O₂-Molekülen zu sich abscheidendem SiO_x-Silikat und zu dem flüchtigen Kohlendioxid 16 CO₂, sowie zu flüchtigem Wasser 22 H₂O in der Butanflamme reagieren. Anstelle von Butan C₄H₁₀ kann auch Methan mit der Summenformel CH₄ für die Flammpyrolyse eingesetzt werden.
Mit einer derartigen Flammpyrolyse wird auf den Oberflächen des Duroplastgehäuses eines Halbleiterbauteils eine SiO_x-Schicht als Haftvermittlerschicht abgeschieden. Die notwendige mittlere Schichtdicke beträgt nur 5 bis 40 nm und kann bis zu 300 nm falls erforderlich abgeschieden werden. Eine Erhitzung des Halbleiterbauteils lässt sich durch einen periodischen Prozess der Beschichtung auf weniger als 100°C reduzieren. Die effektive Beflammungszeit liegt im Sekundenbereich. Mit einer derartigen Flammbeschichtung ist auch gleichzeitig eine Oberflächenreinigung und eine Oberflächenaktivierung verbunden, sodass sich die abgeschiedenen Silikate mit der Kunststoffoberfläche, in diesem Fall eine duroplastische Oberfläche, eng verbinden. Die frei gesetzten Reaktionsprodukte, wie Siliciumdioxid in amorpher Form, sowie das flüchtige Wasser und das flüchtige Kohlendioxid können weitestgehend umweltfreundlich entsorgt werden, indem die flüchtigen Komponenten in Wasser eingeleitet werden und das überschüssige Siliciumdioxid aufgefangen oder ausgefällt wird.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 20 mit einem Halbleiterchip 12 und einem Flachleiterrahmen 8, der eine Chipinsel 9 und Flachleiter 13 aufweist. Die Rückseite des Halbleiterchips 12 ist auf der Chipinsel 9 montiert. Die Kontaktfläche 18 des Halbleiterchips 12 sind mit den Kontaktanschlüssen 17 der Flachleiter 13 über Bonddrähte 14 elektrisch verbunden. Der Halbleiterchip 12, Bonddrähte 14, die Chipinsel 9 und die inneren Teile der Flachleiter 13 sind in einer duroplastischen Masse 3 eingebettet. Die äußeren Teile 11 der Flachleiter 13 reichen aus der druoplastischen Masse 3 hinaus. Die Außenoberfläche 4 der duroplastischen Masse 3 bilden die Außenoberfläche des Halbleiterbauteils 20.
Die Außenoberflächen 4 des Gehäuses 1 des Halbleiterbauteils 20 sind mit einer Haftvermittlerschicht 5 beschichtet. Bei diesem Halbleiterbauteil 20 sind zur Verbesserung der Oberflächenhaftung zwischen den Oberflächen 4 des Gehäuses 1 des Halbleiterbauteils 20 und einer thermoplastischen Masse 7 sämtliche Oberflächen 4 mit einer flammpyrolytischen Haftvermittlerschicht 5 versehen worden. Die pyrolytische abgeschiedene Schicht 5 weist Silikate einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Molekülen auf und hat eine Porosität 6 und eine Rauhigkeit, die die Verankerung zwischen der duroplastischen Gehäusemasse 3 und der thermoplastischen Verkapslungsmasse 7 verbessert.
Durch die Haftvermittlerschicht 5 auf den Oberflächen 4 des duroplastischen Gehäuses 1 kann eine deutliche Verbesserung der Haftung zwischen dem Duroplast 3 und einem Thermoplast 7 erreicht werden. Dazu wird eine metallorganische Verbindung oder eine siliciumorganische Verbindung in eine Flamme eingespeist und das entstandene Silikat bzw. Metalloxid aus der Gasphase auf den Oberflächen 4 der Halbleiterbauteile 20 abgeschieden.
Diese gleichmäßige Beschichtung kann in einem Flammrohr oder mittels Hindurchziehen der fertig montierten Halbleiterbauteile 20 durch einen Flammring erfolgen, wobei die Verweildauer im Bereich des Flammrohrs bzw. des Flammrings nur wenige Sekunden beträgt. In dem Fall eines Halbleiterbauteils 20, wie es 3 zeigt, werden die Außenflachleiter 11, die nicht mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden sollen, durch Aufbringen einer Schutzschicht vor einem Beschichten in dem Flammrohr bzw. dem Ringbrenner geschützt.
Das mit der Haftvermittlerschicht 5 beschichtete Halbleiterbauteil 20 kann nach seinem Montieren auf einer Leiterplatte in ein Thermoplast 7 zuverlässig eingebettet werde, damit das Bauteil vor mechanischen Belastungen und beträchtlichen Umweltbedingungen besser geschützt werden kann. Das Montieren und Einbetten in einem Thermoplast kann bei dem Kunden durchgeführt werden, um ein Einbauelement für eine weitere Anwendung zu schaffen.

1: Halbleiterbauteilgehäuse
2: Gehäusebehälter
3: Durolastisches material
4: Oberfläche
5: Haftvermittlerschicht
6: Porosität
7: thermoplastisches Material
8: Flachleiterrahmen
9: Chipinsel
10: Verbund
11: Außenflachleiter
12: Halbleiterchip
13: Flachleiter
14: Bonddraht
15
16
17: Kontaktfläche
18: Chipkontaktfläche
19
20: Halbleiterbauteil

Claims

Verbund (10) mit einem ersten Teil (1) aus einem duroplastischen Material (3) und einem zweiten Teil (2) aus einem thermoplastischen Material (7) und einer dazwischen befindlichen Haftvermittlerschicht (5), wobei der erste Teil (1) über die Haftvermittlerschicht (5) mit dem zweiten Teil (2) verbunden ist, und wobei die Haftvermittlerschicht (5) pyrolytisch abgeschiedene Halbleiter- und/oder Metalloxide aufweist.
Verbund (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (7) ein flüssigkristallines Polymer (LCP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polysulfon (PSU) ist.
Verbund (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (7) ein Hochleistungsthermoplast oder ein technischer Thermoplast ist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Material (3) ein Kunstharz, insbesondere Epoxidharz oder Silikonharz ist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) Halbleiter- und/oder Metalloxide einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und me tallorganischen Molekülen und mindestens einen der Elemente Al, B, Ce, Co, Cr, Ge, Hf, In, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl Tm, U, V, W, Yb, Zr oder Zn aufweist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al₂O₃, B₂O₃, Ce₂O₃, CoO, Co₂O₃, GeO₂, HfO₂, In₂O₃, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MoO₂, Mo₂O₅, Nb₂O₃, NbO₂, Nd₂O₃, Ni₂O₃, NiO, PbO, Pr₂O₃, PrO₂, PtO, Pt₃O₄, Rb₂O, ReO₂, ReO₃, RhO₂, Rh₂O₃, RuO₂, SO₃, Sb₂O₄, Sb₄O₆, Sc₂O₃, SiO₂, Sm₂O₃, SnO, SnO₂, SrO, Te₂O₅, TeO₂, TeO₃, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Tl₂O₃ Tm₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, VO, V₂O₃, V₂O₄, V₂O₅, WO₂, WO₃, Yb₂O₃, ZrO₂ oder ZnO oder Mischungen davon aufweist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) Silikatverbindungen aufweist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) eine mittlere Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufweist.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) porös ist und die Porosität der Haftvermittlerschicht (5) von einer porenfreien Beschichtung auf der Oberfläche des ersten Teils (1) bzw. des zweiten Teils (2) zu einer mikroporösen Morphologie (6) im Übergangsbereich zu der Oberfläche des zweiten Teils (2) bzw. des ersten Teils (1) graduell zunimmt.
Verbund (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Material (3) ein Gehäuse (1) eines Halbleiterbauteils (20) bildet und das thermoplastische Material (7) eine Gehäusehalterung (2) auf dem Gehäuse (1) des Halbleiterbauteils (20) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Verbunds (10), das folgende Verfahrensschritte aufweist, – Bereitstellen eines ersten Teils (1), das zumindest eine Oberfläche (4) aus einem duroplastischen Material (3) aufweist, – Bereitstellen eines zweiten Teils (2), das zumindest eine Oberfläche aus einem thermoplastischen Material (7) aufweist, – Aufbringen einer Haftvermittlerschicht (5) mittels pyrolytischer Abscheidung auf die Oberfläche (4) des ersten Teils (1) und/oder die Oberfläche des zweiten Teils (2), wobei die Haftvermittlerschicht Halbleiterund/oder Metalloxide aufweist, – Zusammenfügen des ersten Teils (1) und des zweiten Teils (2), so dass die Haftvermittlerschicht (5) zwischen dem ersten Teil (1) und dem zweiten Teil (2) angeordnet ist, – Erhitzen des thermoplastischen Materials (7) und des duroplastischen Materials (3) zur Erzeugung einer Verbindung zwischen dem thermoplastischen Material (7) und dem duroplastischen Material (3).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) mittels Flammpyrolyse aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur pyrolytischen Beschichtung eine organometallische Verbindung eines Halbleiterelementes oder eines Metallelementes und eine sauerstoffhaltige Verbindung einer Beschichtungsanlage zugeführt werden und sich Halbleiter- oder Metalloxide als Reaktionsprodukte der eingeleiteten Verbindungen auf freiliegenden Oberflächen (4) allseitig abscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten der Oberfläche (4) mit Haftvermittler (5) freizuhaltende Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht bedeckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten der Oberfläche (4) mit Haftvermittler (5) freizuhaltende Oberflächenbereiche freigelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) in einer Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) auf das duroplastische Material (3) eines Halbleiterbauteilgehäuses (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) auf das thermoplastische Material (7) einer Gehäusehalterung (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteilgehäuse (1) und die Gehäusehalterung (2) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsprozess ein Verkapselungsprozess ist, der bei Temperaturen oberhalb von 260 °C stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verkapselungsprozess die Verkapselung eines mit einem duroplastischen Material (3) vergossenen Halbleiterbauteils (20) mit einem thermoplastischen Material (7) umfasst.
Halbleiterbauteil (20) mit einem Halbleiterchip (12) und einem Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das duroplastische Material (3) ein Gehäuse (1) des Halbleiterbauteils bildet und wobei das thermoplastische Material (7) eine Gehäusehalterung (2) auf dem Gehäuse (1) des Halbleiterbauteils bildet, wobei das Gehäuse (1) und die Gehäusehalterung (2) durch die dazwischen angeordnete Haftvermittlerschicht (5) fest miteinander verbunden sind.