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Silikongele 100% sicher vergossene Module auch nach 2000 Stunden bei 210 °C

Autor / Redakteur: Dr. Philipp Müller, Dr. Markus Jandke * / Gerd Kucera

Silikongele schützen filigrane Chips und Bondverbindungen etwa vor Feuchtigkeit und hochfrequenter Schwingung. Neue Halbleiter aus SiC und GaN haben besondere Anforderungen an den Verguss.

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Bild 1: Durch den Verguss mit Silikongelen werden empfindliche elektronische Schaltungen wirksam und langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt. Das Gel minimiert außerdem thermomechanische Spannungen und erhöht die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile.
Bild 1: Durch den Verguss mit Silikongelen werden empfindliche elektronische Schaltungen wirksam und langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt. Das Gel minimiert außerdem thermomechanische Spannungen und erhöht die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile.
(Bild: Wacker Chemie AG)

Die sensiblen Elektronikbauteile und Leistungsmodule müssen während ihrer gesamten Lebensdauer wirksam elektrisch isoliert und vor vielfältigen Umgebungseinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Korrosion, Vibration geschützt werden, um eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb sicherzustellen. Dazu werden Power-Module mit geeigneten Vergussmassen versiegelt. Silikone kommen in diesen Anwendungen bereits seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz. Durch den Verguss mit Silikongel werden empfindliche elektronische Schaltungen langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt, thermomechanische Spannungen minimiert und die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile erhöht.

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Im Vergleich zu organischen Vergussmassen besitzt Silikonkautschuk einen äußerst niedrigen Ionengehalt (kleiner 2 ppm), eine niedrige Wasseraufnahme (kleiner 0,1%), eine Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm (Volumendurchgangswiderstande von größer 1014 Ωcm). Die dielektrischen Eigenschaften von Silikon sind über einen breiten Temperatur- und Frequenzbereich (10 bis 106 Hz) konstant. Vergussmassen wie beispielweise WACKER SilGel und SEMICOSIL des Münchner WACKER-Konzerns sind deshalb in solchen Anwendungen prädestiniert für den Einsatz als dielektrischer Isolator.

Im Aufbau von Leistungshalbleitern und -modulen werden eine Reihe verschiedener Materialien miteinander kombiniert, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Temperaturunterschiede während des Betriebs und zur Umgebung bewirken, insbesondere an empfindlichen Bauteilen wie Bonddrähten oder Halbleiterelementen, thermische Spannungen. Die Minimierung solcher Spannungen und Kräfte ist deshalb von großer Bedeutung, um die Ausfallsicherheit, Robustheit und Lebensdauer des Systems zu erhöhen.

Obwohl die Temperaturausdehnung typischer Silikon-Vergussmassen mit rund 300 x 10-6 m/mK fünf bis sieben Mal höher ist als bei organischen Vergussmassen, sind die thermischen Spannungen (aufgrund des um Dimensionen geringeren Elastizitätsmoduls von Silikon-Vergussmassen) signifikant kleiner. Der Elastizitätsmodul (kurz E-Modul) und damit auch die am Bauteil auftretenden Kräfte und Spannungen von WACKER SilGel und SEMICOSIL sind im Vergleich zu typischen organischen Vergussmassen um den Faktor 105 bis 106 niedriger. Der sehr geringe E-Modul in der Größenordnung von typischerweise kleiner 100 kPa (für Shore-00-Materialien) bzw. <10 kPa (weiche Silikongele) minimiert Spannungen, die in Folge von Temperaturwechseln, aber auch Vibrationen in den vergossenen Strukturen potenziell auftreten können (und das konstant über einen sehr breiten Temperaturbereich von -50 bis +180 °C).

Auch dies hebt WACKER SilGel und SEMICOSIL von typischen organischen Vergussmassen ab. Ihr E-Modul ist nicht nur um Größenordnungen höher. Bei organischen Vergussmassen liegen die Phasenübergänge üblicherweise im Anwendungstemperaturbereich, was wiederum den E-Modul unterhalb der Übergangstemperatur sprunghaft ansteigen lässt.

Zu den Anwendungen im Automobil- und Transportbereich gehören Steuergeräte für die Automobilelektronik, beispielsweise für die Motor-, Getriebe-, Lenkungssteuerung, aber auch innovative Fahrassistenz- und Bremssysteme oder komplette Leistungshalbleitermodule für Elektromotoren.

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