DE3100536C2

DE3100536C2 - Verfahren zur Herstellung einer Epoxyharz-Einkapselungsmasse

Info

Publication number: DE3100536C2
Application number: DE3100536A
Authority: DE
Inventors: Donald Bosley Swanton Ohio Gore; Earl Rogers Toledo Ohio Hunt; Malcolm Norman Perrysburg Ohio Riddell; Robert K. Toledo Ohio Rosler
Original assignee: PLASKON PRODUCTS Inc TOLEDO OHIO US
Current assignee: PLASKON PRODUCTS Inc TOLEDO OHIO US
Priority date: 1980-01-14
Filing date: 1981-01-10
Publication date: 1985-02-07
Also published as: NL187941C; US4287105A; CH652732A5; NL187941B; JPS646231B2; DE3100536A1; DE3153142C2; JPS56106951A; NL8006198A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer gratbildungsbeständigen Epoxyeinkapselungsmasse besteht darin, daß man ein oder mehrere Gemische eines gratbildungsbeständigen Materials mit wenigstens einem Epoxyharz, wenigstens einem Harzhärtungsmittel und wenigstens einem Katalysator zwischen einer heißen und einer kalten Walze einer Differentialwalzenmühle bearbeitet, wobei die Oberflächentemperatur der heißen Walze nahe der Schmelztemperatur des Harzes liegt und die Mühle außerdem eine Reihe bestimmt angeordneter Abstreicher besitzt, so daß die in die Differentialwalzenmühle eingeführten Gemische durch die Abstreicher entlang der rotierenden heißen Walze zu einer Austragstelle der Diffe rentialwalzenmühle gedrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Epoxyharz-Einkapselungsmasse, bei dem man wenigstens ein Epoxyharz, wenigstens ein Härtungsmittel und wenigstens einen Katalysator miteinander vermischt und das Gemisch zwischen zwei horizontalen, gegenläufigen Walzen mit unterschiedlich temperierten Oberflächen bearbeitet, wobei das Gemisch von einer Beschickungsstelle entlang der wärmeren, auf einer Temperatur unterhalb der Aushärtungstemperatur des Harzes gehaltenen Walze kontinuierlich zu einer Austragstelle gefördert wird.

Ein Verfahren mit diesen Merkmalen beschreibt die DE-OS 26 56 386. Mit diesem Verfahren erhält man gleichförmige Formmassen hoher Güte, die sich gut zum Spritzformen eignen, aber eine unzureichende Gratbildungsbeständigkeit aufweisen.

Epoxyharz-Einkapselungsmassen verwendet man zur Einkapselung von Halbleitereinrichtungen, wie integrierten Schaltungen, Transistoren oder Dioden, oder für Widerstände oder Kondensatoren. Beim Einkapseln beispielsweise von integrierten Schaltungen fließen Epoxyharz-Einkapselungsmassen, wenn sie etwa nach dem Verfahren der DE-OS 26 56 386 hergestellt werden, an den zahlreichen Öffnungen für die Zuführungsleitungen zu stark aus der Form und bilden einen Grat an den Zuführungsleitungen, der entfernt werden muß, da er als elektrischer Isolator wirkt.

Es ist schon bekannt, der Gratbildung dadurch entgegenzuwirken, daß man der Einkapselungsmasse Gratbildungsverzögerer, wie Rauchkieselsäure, zusetzt. Doch ist der damit erzielte Effekt noch zu gering.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, die Gratbildungstendenz von Epoxyharz-Einkapselungsmassen so weit wie möglich zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man bei einem Verfahren mit den eingangs geschilderten Merkmalen dem Gemisch vor der Walzenbearbeitung einen Gratbildungsverzögerer zumischt, bei einem Walzenspalt von 1 bis 6 mm und unterschiedlicher Oberflächengeschwindigkeit der beiden Walzen arbeitet und die eine der beiden Walzen kalt und die andere auf einer Oberflächentemperatur nahe der Schmelztemperatur des Harzes hält

Unter diesen Verfahrensbedingungen erhält man ein Produkt, das nicht nur sehr homogen ist, sondern gegenüber bekannten Produkten auch eine deutlich verbesserte Gratbildungsbeständigkeit aufweist

Das Produkt erscheint unter einem Elektronenmikroskop als innig und vollständig in einem Grundmaterial eingeoettete Teilchen, während nach bekannten Verfahren hergestellte Einkapselungsmassen mit einem Gratbildungsverzögerer ganz oder teilweise dicht gepackte Teilchenansammlungen in dem Grundmaterial enthalten.

Beim Vermischen der Ausgangskomponenten kann man selbstverständlich auch andere übliche Zusatzstoffe, wie feuerhemmende Mittel, Füllstoffe, Schmiermittel, Färbemittel und Haftvermittler, zumischen. Man kann alle Komponenten direkt zusammengeben oder einzelne Komponenten zu getrennten Vorgemischen vereinigen, welche dann vor oder nach der Walzenbearbeitung miteinander vereinigt werden.
Für das Vermischen verwendet man zweckmäßig eine Methode, die zu einer feinen Teilchengröße in der Größenordnung von einigen Mikron und zu gleichmäßiger Vermengung führt. Ein Beispiel einer solchen Mischmethode ist die Behandlung des Gemisches in einer Kugelmühle.

Das Gemisch wird dann vor der Walzenbearbeitung vorkomprimiert, um das Stauben auf ein Minimum herabzusetzen und um die Überführung des Gemisches zu der Walzenbearbeitung zu vereinfachen. Beispiele geeigneter Methoden für die Vorkomprimierung oder Vorkompaktierung des Gemisches bestehen in einer Pelletisierung oder Brikettierung des Pulvers, einem Erhitzen des Pulvers auf einem sich bewegenden Band, was zu einer Kontaktierung infolge des Eigengewichts des Materials führt, oder einer Packung des pulverisierten Gemisches zwischen zwei gegenläufig rotierende feste Förderbänder, die übereinander angeordnet sind. Die bevorzugte Methode zur Vorkompaktierung besteht in einer Brikettierung, bei der das Pulver in den Spalt zweier gegenläufiger Walzen gleicher Geschwindigkeit eingeführt wird, wobei die Walzenoberflächen ein waffelartiges Muster haben. Erwünschtermaßen haben die kompaktierten Briketts eine mittlere Größe von 3 bis 6 mm Durchmesser und 3 bis 12 cm Länge. Der Gratbildungsverzögerer wird zweckmäßig in einer Menge von 3 bis 12 Gewichts-%, bezogen auf das kombinierte Gewicht von Harz und Härtungsmittel, zugemischt. Der günstigste Gratbildungsverzögerer ist Rauchkieselsäure. Diese wird gewöhnlich durch Flammenhydrolyse von Siliciumtetrachlorid hergestellt, was zu einer Kieselsäure mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 16 mm mit einem schwammartigen oder porösen Aussehen oder einer porösen Oberfläche führt. Andere Gratbildungsverzögerer mit weniger starker Wirkung sind Diatomeenerde und ausgefällte kolloidale Kieselsäure.

Die besten Effekte bringt das erfindungsgemäße Verfahren bei solchen Epoxyharz-Einkapselungsmassen, die als Härtungsmittel ein Polyanhydrid eines Malein-

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säuremonomers und Alkylstyrolmonomere oder Benzophenontetracarbonsäuredianhydride oder ein anderes übliches Anhydrid enthalten.

Die Walzenbearbeitung erfolgt mit einer üblichen Differentialwalzenmühle. Im allgemeinen haben die relativen Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Walzen ein Verhältnis zwischen 1,1 :1 und 13:1, und die Rotationsgeschwindigkeit der heißen Walzen liegt allgemein bei etwa 10 bis 30 U/min. Der Walzenspalt ist vorzugsweise 1 bis 4 mm.

Die Oberflächentemperatur der wärmeren Walze liegt in einem Bereich von bis zu etwa 20⁰C Abweichung von der Schmelztemperatur des Harzes, doch unterhalb der Temperatur, bei der das Harz innerhalb der Verweilzeit des Gemisches auf der heißen Walze härtet. Gewöhnlich liegt die Oberflächentemperatur der wärmeren Walze zwischen 65 und 95°C. Die Temperatur der wärmeren Walze ka nn manchmal 115° C für einige spezielle Harze sein, liegt aber beinahe ^;mmer unterhalb 10O⁰C.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten, in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung erläutert. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Differentialwalzenmühle,

F i g. 2 ein Querschnitt der Mühle entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 vom Ende her gesehen und

F i g. 3 eine Vorderansicht der Mühle gemäß F i g. 1.

Eine Differentialwalzenmühle 10 besitzt eine wärmere Walze 12 und eine kalte Walze 14. Ein Walzenspaii 16 zwischen 1 und 6 mm und vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm Breite ist zwischen der wärmeren Walze und der kalten Walze entlang deren Länge vorgesehen. Die wärmere und die kalte Walze 12 und 14 sind durch Axialwellen 18 bzw. 20 in einem Rahmen 22 befestigt. Die Wellen 18 und 20 werden durch eine Antriebseinrichtung 24 über nicht gezeigte Ketten und Zahnräder in dem Rahmen 22 drehend angetrieben. Die Walzen 12 und 14 sind so befestigt, daß ihre Längsachsen 26 bzw. 28 horizontal angeordnet sind. Eine Reihe von Abstreichern 30 ist vorgesehen, und jeder von ihnen hat eine untere Kante 32, die an die Walzenkrümmung angepaßt ist. Jeder der Abstreicher ist etwas oberhalb der wärmeren Walze 12 in einem Winkel von 10 bis 50° zu Ebenen 34a senkrecht zu der Längsachse 26 der wärmeren Walze 12 befestigt. Die Kanten 32 der Abstreicher 30 sind so geformt und die Abstreicher auf dem Träger 31 derart befestigt, daß jede der Kanten 32 bis zu 2 mm und vorzugsweise bis zu 1 mm Abstand von der Oberfläche 38 der wärmeren Walze 12 über eine Länge von wenigstens 5% des Umfangs der heißen Walze 12 entfernt ist. Jeder der Abstreicher 30 ist mit einer Schneidkante 39 versehen. Die Abstreicher 30 sind derart angeordnet, daß das Gemisch 40, welches an dem Beschickungsende 42 eingeführt wird, entlang der rotierenden wärmeren Walze 12 zu dem Austragende 44 gedrückt wird. Das fertige Gemisch 50 wird mit einem Messer 49 von der Walze 12 geschnitten und von einem Förderband 52 aufgenommen, das von einem Motor 54 angetrieben ist. Das kompaktierte Gemisch 40 wird dem Beschickungsende 42 mit Hilfe eines Förderbandes 58 zugeführt, das von einem Motor 60 angetrieben ist.

Die Mehrzahl der Abstreicher ist in etwa dem gleichen Winkel zu Ebenen senkrecht zu der Rotationsachse der heißen Walze angeordnet, und im allgemeinen werden 2 bis 16 Abstreicher oder Abstreichblätter verwendet. Im allgemeinen sind die Abstreicher so angeordnet, daß bei der Rotationsgeschwindigkeit der Walzen die Verweilzeit des Gemisches von der Beschikkungsstelle zu der Austragssteile der Differentialmühle etwa 4 bis 120 see beträgt

Je nach der speziellen zu verarbeitenden Epoxyformmasse, ihrer Haftung an der Walze und der erwünschten Verweilzeit auf der Mühle können Änderungen bezüglich der Zahl der Abstreicher, ihres Winkels in der Relation zu der Rotationsachse der heißen Walze und des Abstandes zwischen den Abstreichern gemacht werden, um das gewünschte Produkt zu bekommen.

Die Verweilzeit des Materials auf der wärmeren Walze kann bei Verwendung von weniger Abstreichern erhöht werden. Dies bewirkt, daß das Gemisch entlang der Oberfläche der heißen Walze in dem größeren Spalt zwischen zwei Abstreichern gequetscht wird. Für einige Epoxyharze wird eine maximale Verbesserung der Gratbildungseigenschaften durch Verwendung von weniger Abstreichern erreicht. Für einige Epoxyharze ist es auch erforderlich, unter Verwendung von weniger Abstreichern zu arbeiten, um das Anhaften des Materials an den Walzen zu verbessern. Dies trifft besonders an dem Beschickungsende zu, wo auf die heiße Walze kommendes Material leichter an dem Material, das sich bereits auf der Walze befindet, als auf der Walzenoberfläche selbst anhaftet

Im folgenden Beispiel sind alle Teile und Prozentsätze Gewichtsteile und Gewichtsprozentsätze, wenn nichts anderes angegeben ist.

Beispiel

Die folgenden Komponenten werden in einer Kugelmühle vermischt und gemahlen, bis die mittlere Teilchengröße in dem Gemisch geringer als etwa 10 ,um ist und bis das Gemisch gleichmäßig erscheint:

a) 16,25 Gewichts-% eines Epoxycresolnovolak-Harzes mit einem Erweichungspunkt (gemäß ASTM-Test E-28)von67 bis 76⁰C und einem Epoxyäquivalentgewicht von 200 bis 220.

b) 1% einer Rauchkieselsäure als Gratbildungsverzögerer,

c) 0,96 Gewichts-% Antimontrioxid als feuerhemmendes Mittel.

d) 15 Gewichts-% tafelförmiges Aluminiumoxid als Füllstoff,

e) 57,12 Gewichts-% kristalline Kieselsäure als Füllstoff,

f) 0,15 Gewichts-% 2,4,6-tris-(dirnethylaminonie-

thyl)-phenol als Katalysator,
g) 0,25 Gewichts-% Ruß als Färbemittel,
h) 0,32 Gewichts-% Calciumstearat als Schmiermittel, i) 0,20 Gewichts-% /-(2,3-Epoxypropoxy)-propyltrimethoxysilan als Haftvermittler.

j) 7,39 Gewichts-% Novolak-Härtungsmittel und
k) 1,36 Gewichts-% bromiertes Bisphenol A als feuerhemmendes Mittel und Härtungsmittel.

Nach dem Vermählen wird das Gemisch kompaktiert, indem das Pulver in den Spalt von zwei Walzen gleicher Geschwindigkeit eingeführt wird. Diese Walzen haben eine solche Oberflächenprägiing. daß sie ein Waffelmuste- bilden, und sind mit Hilfe hydraulischer Zylinder

b^ri gegeneinander gepreßt. Das Pulver geht durch den Spalt in einer Menge von etwa 907 kg/h auf einer Maschine, die mit Walzen von 18 cm Breite und 25.4 cm Durchmesser ausgestattet ist. Der Walzendruck bewirkt

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die Bildung von stabartigen Preßlingen, die dann geeignet für die Überführung zu den Walzen der Differentialwalzenmühle sind.

Die verwendete Differentialwalzenmühle ist im wesentlichen die gleiche wie jene, die oben in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben wurde, und hat ein Drehgeschwindigkeitsverhältnis der wärmeren Walze zu der kalten Walze von 1,26 : 1. Die Drehgeschwindigkeit der wärmeren Walze liegt bei 25 U/min, und die Walzengröße jeder der Walzen liegt bei etwa 46 cm in Durchmesser und etwa 122 cm Länge. Die Oberflächentemperatur der wärmeren Walze wird auf etwa 80°C und die Oberflächentemperatur der kalten Walze auf etwa 10°C gehalten. Der Spalt zwischen den Walzen wird auf etwa 2 mm gehalten. 12 Abstreicher werden verwendet, wie oben beschrieben wurde. Der erste Ab-Streicher nahe dem Einlaßende der Differentialwalzenmühle befindet sich in einem Winkel von etwa 10° zu einer Ebene senkrecht zu der Achse der wärmeren Walze, und der Rest der Abstreicher befindet sich in einem Winkel von etwa 30° zu Ebenen senkrecht zu der Achse der wärmeren Walze. Die Vorderkanten der Abstreicher sind der nächstliegende Teil eines jeden Abstreichers zum Einlaßende der Differentialwalzenmühle hin. Die Verweilzeit der Masse auf der Differentialwalzenmühle liegt bei etwa 25 see.

Die resultierende Epoxyharz-Einkapselungsmasse wird gekühlt und granuliert und hinsichtlich der Gratbildungsbeständigkeit getestet, indem mehrere hundert integrierte Schaltungsteile in einer Form eingekapselt werden, die bei jedem Formungsdurchgang 20 eingekapselte Teile ergibt. Die eingekapselten Teile sind solche mit 14 Zuleitungen. Die Formtemperatur liegt bei etwa 188⁰C und der Überführungsdruck bei etwa 5 N/mm². Die resultierenden eingekapselten elektronisehen Stromkreise zeigen sehr geringe Gratbildung entlang der Zuleitungen.

Wenn eine bekannte Einkapselungsmasse, die nicht nach der Erfindung hergestellt wurde und keine Rauchkieselsäure als Gratbildungsverzögerer enthält, unter im wesenuichen den gleichen Bedingungen verwendet wird, haben die elektronischen Teile Zuführungen, die stark mit Einkapselungsmasse bedeckt sind, welche nicht leicht entfernt werden kann.

Auch die Benutzung der obigen Masse mit Rauchkieseisäure, aber in anderer Weise verarbeitet, führt zu nicht so starken Gratbildungen wie bei Produkten, die mit Massen ohne Rauchkieselsäure hergestellt wurden, doch zu einer stärkeren Gratbildung als bei Produkten, die nach der Erfindung hergestellt wurden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

31 OO 536 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Epoxyharz-Einkapseiungsrnasse, bei dem man wenigstens ein Epoxyharz, wenigstens ein Härtungsmittel und wenigstens einen Katalysator miteinander vermischt und das Gemisch zwischen zwei horizontalen, gegenläufigen Walzen mit unterschiedlich temperierten Oberflächen bearbeitet, wobei das Gemisch von einer Beschickungsstelle entlang der wärmeren, auf einer Temperatur unterhalb der Aushärtungstemperatur des Harzes gehaltenen Walze kontinuierlich zu einer Austragstelle gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Gemisch vor der Walzenbearbeitung einen Gratbildungsverzögerer zumischt, daß man bei einem Walzenspalt vcn 1 bis 6 mm und unterschiedlicher Oberflächengeschwindigkeit der beiden Walzen arbeitet und daß man die eine der beiden Walzen kalt und die andere auf einer Oberflächentemperatur nahe der Schmelztemperatur des Harzes hält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Gemisch 3 bis 12 Gewichts-% Gratbildungsverzögerer, bezogen auf das Gewicht von Harz und Härtungsmittel zusammen, zumischt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberflächentemperatur der wärmeren Walze auf 65 bis 95° C hält.