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Oberflächenschutz für Halbleiterkörper Elektrische Widerstände und
Halbleiterkörper sowie andere elektrisch leitende Bauteile für Elektronik und Radiotechnik
werden zum Schutz vor atmosphärischen Einflüssen mit Lacken, Kunstharzen oder keramischen
Stoffen überzogen. Diese überzöge sollen die elektrischen Bauteile vor Feuchtigkeit
und langsamen Reaktionen der Luftbestandteile mit den Stoffen der leitenden Körper
schützen und auch die Ausbildung von Oberflächenströmen, besonders bei hohen Spannungen,
verhindern. Neben völliger Undurchdringbarkeit muß auch eine ausreichende Kriechstromfestigkeit
und Durchschlagfestigkeit des Isolierstoffes vorhanden sein. Für einen betriebstechnisch
brauchbaren und wirtschaftlich herzustellenden überzog kommt noch die Forderung
nach schneller Verarbeitungsmöglichkeit bei niedriger Temperatur und Eignung für
den Betrieb bei höheren Wärmebeanspruchungen hinzu. Für viele Zwecke, besonders
der Halbleitertechnik, können keine hohen Temperaturen ohne nachteilige Beeinflussung
der elektrischen Eigenschaften angewandt werden, so daß Flammspritzen, Wirbelsintern,
Einbrennlacke und wärmehärtbare Kunstharze bereits aus technischen Gründen ausscheiden,
ganz abgesehen von wirtschaftlichen überlegungen. Für die gebräuchlichsten Anwendungen
genügen Lötübergänge zwischen Zuleitungsdraht und elektrischem Bauteil, die Temperaturen
bis 150° C standhalten. Daher sind höhere Temperaturen für die Lackierung in diesen
Fällen bereits ausgeschlossen. Außer der störend langen Trocknungszeit tritt bei
langsam trocknenden ebenso wie bei schnell trocknenden Lacken der Nachteil auf,
da13 sie gerade Bauteile mit rauher Oberfläche, wie Varistoren auf der Basis von
Siliciumcarbid, nur mangelhaft überziehen, wenn ausgesprochene Tropenfestigkeit
verlangt wird.
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Es ist bekannt (Deutsches Patent 9,69 413), Oberflächenungleichmäßigkeiten
durch Aufbringen von zwei oder mehreren Schichten des gleichen Lackes zu beseitigen.
Die spitzen, vorstehenden Kanten und die glatten Kristallstellflächen von Siliciumcarbidkörnern,
die aus der Oberfläche herausstehen, lassen sich mit Lacken oder Kunststofflösungen
jedoch nur schlecht bedecken. Betrachtungen im Stereomikroskop. zeigten, daß sich
diese Lacke vornehmlich in den tieferen Stellen der Oberfläche angesammelt hatten,
während die vorstehenden Siliciumcarbidkristalle und -kristallite mit ihren spiegelglatten
Flächen nicht oder nur ungenügend überzogen und somit nicht oder nicht ausreichend
geschützt waren, da die aufgebrachten Lacke nicht genügend Haftkraft hatten, diese
Kanten und Flächen zu bedecken, noch die erforderliche Elastizität besaßen, diese
Unebenheiten zu überspannen. Um diesen Ansprüchen zu genügen, verwendet man ZWeikomponentenlacke
mit Haftuntergründen, die aber wiederum deren Nachteil besitzen, daß nach dem Aufbringen
auf die elektrischen Körper diese einer mindest einmaligen Ofenbehandlung unterworfen
werden müssen. Auch überzöge mit erhitzten Kunststofftauchmassen erfordern erhöhte
Temperaturen und bringen den Nachteil mit sich, daß sie stets bei den Temperaturen
verarbeitet werden müssen, denen sie später maximal standhalten können.
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Von diesen Beobachtungen aus gingen die Versuche durch Kombination
handelsüblicher anorganischer und organischer Stoffe in verschiedensten Dispersions-
und Lös;ungszuständen, auf elektrisch leitenden Körpern mit rauher Oberfläche einen
isolierenden, temperaturbeständigen, hammfesten und lufttrocknenden überzog im zweifachen
Tauchverfahren aufzutragen, der im Aussehen und in den elektrischen sowie mechanischen
Eigenschaften Kunststoffüberzügen, die durch Wirbelsintern, Flamrnmspritzen hergestellt
sind, sowie Einbrenn lacken gleichkommt und selbst bei rauhester Oberßäche des elektrischen
Beutedes einen vollständigen Oberflächenschutz gewährleistet. Diese Forderungen
konnten nicht durch mehrmaliges Tauchen in die gleiche Lackfarbe bzw. Kunststoffsuspension
und esschließende Lufttrocknung erfüllt werden. Hier traten bei wirtschaftlich noch
tragbaren Tauchwiederholungen immer noch die Unebenheiten der Oberfläche reit den
SK-Kristallen zutage.
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Die erfindungsgemäßen Überlegungen führten zu einem Oberflächenschutz
für Halbleiterkörper mit rauben Oberflächen, wie z. B. Varistoren, vornehmlich aus
SiC, , der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einer luftgetrockneten, temperaturbeständigen,
in Form eines heterodispersoiden Systems aufgebrachten
Schicht,
vornehmlich aus beispielsweise Pb304 oder A1,03 (also anorganischen Pigmenten) einerseits
und einer luftgetrockneten Deckschicht aus natürlichen und/oder synthetischen Polymeren
andererseits besteht.
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Die Poren und Vertiefungen an der Oberfläche werden durch den ersten
Überzug gefüllt. Das kann beispielsweise mit einer Lackfarbe oder Kunststoffdispersion
von nicht zu geringer Viskosität geschehen. Dabei verwendet man günstigerweise Überzugsstoffe
von geringer Kettenlänge, jedoch möglichst hohem Molekulargewicht. Die geringe Kettenlänge
begünstigt bei großem Molekulargewicht ein Ansammeln in den Porenvertiefungen. Diesen
Effekt unterstützt man zweckmäßigerweise durch die Verwendung eines heterodispersoiden
Systems als Grundlack; disperser Anteil und Dispersionsmittel sind also chemisch
verschieden. Die flüssige Grundsubstanz des Dispersions- bzw. des Lösungsmittels
wird derart gewählt, daß sie bei großer Oberflächenausbreitung des Lackes leicht
verdunstet. Es tritt dann die Ausfällung des dispergierten oder gelösten Stoffes
ein. Nach der Lufttrocknung wird die so vorbehandelte Oberfläche mit einem organischen,
polymeren Stoff, der in Dispersion oder, wenn möglich, in Lösung vorliegt, überzogen.
Dabei wird als Lösungs- oder Dispersionsmittel eine schnell verdunstende Flüssigkeit
bevorzugt. Für diesen Überzug verwendet man, allein oder im Gemisch, Lösungen oder
Dispersionen von Polymeren, die nach dem Entfernen des Lösungsmittels gutes elastisches
Verhalten zeigen, so daß die noch aus der bereits ausgeglichenen Oberfläche (der
erste Überzug hat die Vertiefungen und Poren weitgehend ausgefüllt) vorstehenden
SiC-Kristalle überspannt werden. Hierfür hat sich beispielsweise Chlorkautschuk
als geeignet erwiesen. Dieses Naturkautschukderivat zeigte auch eine für den Betrieb
- speziell der beschriebenen Varistoren - ausreichende Temperaturbeständigkeit.
Im Gegensatz zum deutschen Patent 969 413 befindet sich in der zweiten Deckschicht
kein Füllmaterial.
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Ein ausgeglichener Untergrund als Vorbedingung für eine dichte Deckschicht
konnte durch die Anwendung von Stoffen mit größerem Molekulargewicht bei kleinerem
Molekülvolumen erzielt werden. Hier boten sich zahlreiche anorganische, hochtemperaturbeständige
Verbindungen an. Durch Grundierung mit einem anorganischen, nicht elektrisch leitenden
Piment, wie beispielsweise Pb303 oder A1_,0- das in einem schnell verdunstenden
oder trocknenden Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch dispergiert war, konnte
ein deckender Haftgrund erzeugt werden, der weitgehend alle Oberfl<ichenvz-rtiefungen
ausfüllte, und der nach dem Lufttrccl:nen in kurzer Zeit durch Auftragen einer lufttrocknenden,
temperaturbeständigen Kunststoffdispersion oder -Lösung einen Doppelschichtüberzug
erzielen ließ, der selbst auf einem äußerst rauhen Körper, wie sie Varistorscheiben
aus SiC darstellen, fest und ausgesprochen Luft- und wasserdicht aufliegt. Dabei
zeigten die Versuche, daß die erfindungsgemäßen Schutzisolierungen eine besonders
große Elastizität aufweisen, wenn beispielsweise eine Chlorkautschukdispersion oder
-lösung verwendet wird, um den zweiten Überzug aufzutragen. Der Überzug unterscheidet
sich somit von der Kunststoffummantelung nach der deutschen Auslegeschrift
1018 490, die aus verschiedenen Lack- oder Kunststoffschichten mit oder ohne
Pigment besteht und somit beide als Aufbauprinzip einen oder mehrere Lacke haben
oder beide aus Kunststoffschichten gebildet werden. Im Gegensatz dazu wird im vorliegenden
Falle die eine Schicht erfindungsgemäß aus einem Stoff geringen Molekularvolumens
und relativ hohen Molekulargewichts aufgebaut, der dispergiert auf die rohe Oberfläche
aufgebracht wird, wobei danach das Dispersionsmittel verdunstet oder verdampft.
Lacke enthalten dagegen Lackrohstoffe, Lösungsmittel und möglicherweise Zuschlagstoffe,
wie Farbpigmente und Trockenmittel. Als Lackrohstoffe dienen Naturharze (Schellack,
Kolophonium usw.), Celluloseester und -äther und Kunstharze (Phenolharze, Harnstoffe;
Melaminharze, Polyurethane, Polyamine, PVC, Cumaronharze usw.). Diese Stoffe besitzen
zwar ein großes Molekulargewicht, jedoch ebenfalls ein großes Molekularvolumen.
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Es ist bekannt, daß bei thermoplastischen Isolierstoffen der spezifische
Widerstand temperaturabhängig ist, und zwar unter Umständen mit Werten, die bereits
bei Temperaturen über 100° C zu berücksichtigen sind, während bei Wahl geeigneter
anorganischer Stoffe für den Überzug auf niedermolekularen Verbindungen mit hohem
Molekulargewicht (beispielsweise Zr0,, Ti0,) die Erniedrigung des Widerstandes merklich
erst bei viel höheren Temperaturen auftritt. Außerdem bleibt bei einer Zerstörung
der überzugsschicht aus organischem Material noch immer die untere Schicht aus anorganischem,
temperaturbeständigem Material für den Bauteilschutz erhalten, so daß selbst nach
einer ungewöhnlichen Überbelastung des elektrischen Bauteilschutzes noch ein gewisser
Isolier- und Oberflächenschutz aufrechterhalten wird.
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Der Überzug gemäß vorliegender, auf systematischen Versuchsreihen
beruhender Erfindung bietet somit sowohl wirtschaftlichste Herstellungsmöglichkeit
als auch selbst bei ungünstigsten Oberflächenbeschaffenheiten einen sicheren Schutz
solcher elektrischer Bauteile gegen Feuchtigkeit und sonstige Atmosphärilien.