DE1815310C3

DE1815310C3 - Oxide ceramic housing for electrical circuits

Info

Publication number: DE1815310C3
Application number: DE19681815310
Authority: DE
Inventors: Wernfried 6801 Neckarhausen Aust; Guenther Dr. Heimke; Hans- Joachim Dipl.-Phys. Windel
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1968-12-18
Filing date: 1968-12-18
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE1815310B2; DE1815310A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein oxidkeramisches Gehäuse für elektrische Schaltungen, besonders für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen und für den Bereich hoher und höchster Frequenzen, mit sehr geringen dielektrischen Verlusten der Gehäusewände.The invention relates to an oxide ceramic housing for electrical circuits, particularly for applications at elevated temperatures and for the range of high and highest frequencies, with very low dielectric losses of the housing walls.

Es sind bereits Gehäuse für elektrische Schaltungen aus verschiedenen Werkstoffen bekannt. Besonders häufig werden Gehäuse für elektrische Schaltungen aus Kunststoffen und Kunstharzen, gegebenenfalls mit Hartpapiereinlagen, hergestellt. Es sind auch bereits _M Gehäuse aus porzellanhaltigen keramischen Massen für elektrische Schaltungen benutzt worden. — All diese bisher als Gehäusematerial benutzten Werkstoffe haben den Nachteil eines verhältnismäßig hohen dielektrischen Verlustfaktors bei höheren Temperaturen und höheren Temperaturen und höheren Frequenzen.Housings for electrical circuits made of various materials are already known. Housings for electrical circuits are particularly often made of plastics and synthetic resins, possibly with hard paper inlays. _M housings made of ceramic materials containing porcelain have also already been used for electrical circuits. - All these materials previously used as housing material have the disadvantage of a relatively high dielectric loss factor at higher temperatures and higher temperatures and higher frequencies.

Es sind auch schon oxidkeramische Gehäuse bekannt, die in flacher Form ausgeführt sind und bei denen die einzelnen Gehäuseteile mittels Metallisierungsschichten, die auf den Gehäuseteilen längs der Verbindungsflächen aufgebracht sind, durch Löten zusammengefügt werden. Der für das Löten und Metallisieren benötigte Arbeitsaufwand ist einmal recht hoch, zum anderen werden damit metallische Bestandteile eingeführt, in denen Wirbelströme unter der Wirkung elektromagnetischer Wechselfelder entstehen. Die damit zusammenhängenden Verluste sind besonders bei hohen Frequenzen gravierend. Außerdem begrenzt die Schmelztemperatur des jeweils benutzten Lotes den für die Anwendung zur Verfügung stehenden Temperaturbereich. There are also oxide ceramic housings known which are designed in a flat shape and in which the individual housing parts by means of metallization layers on the housing parts along the connecting surfaces are applied, are joined together by soldering. The one needed for soldering and plating On the one hand, the workload is quite high, and on the other, metallic components are introduced into eddy currents arise under the action of alternating electromagnetic fields. The related Losses are particularly serious at high frequencies. It also limits the melting temperature of the solder used in each case, the temperature range available for the application.

Erfindungsgemäß wird der Anwendungsbereich derartiger Gehäuse zu höheren Temperaturen und in den Bereich hoher und höchster Frequenzen dadurch ausgeaehnt, daß die Gehäuse aus mittels keramischer Massen verbundenen, vorgefertigten Oxidkeramikteilen bestehen.According to the invention, the field of application becomes more such Housing at higher temperatures and in the range of high and highest frequencies extended that the housing is made of prefabricated oxide ceramic parts connected by means of ceramic compounds exist.

Durch die Erfindung wird ein Gehäuse geschaffen, das bei allen für die Elektrotechnik und insbesondere die Hochfrequenztechnik in Frage kommenden Temperaturen mechanisch völlig stabil bleibt und einen fast temperaturunabhängigen, außerordentlich niedrigen dielektrischen Verlustfaktor aufweist Die Gehäuse aus Oxidkeramik bleiben bis in den Temperaturbereich von etwa 100O⁰C mechanisch völlig stabil. Im gleichen Temperaturintervall ändert sich der dielektrische Verlustfaktor nur gering. Er kann in jedem Fall besser als tan <5 = 10 · 10—* gehalten werden.By the invention, a housing is provided which come in all for electrical engineering and in particular the high-frequency technology in question temperatures remains mechanically completely stable and almost independent of temperature, extremely low dielectric loss factor having the housing made of oxide ceramics remain up to the temperature range of about 100O ⁰ C. mechanically completely stable. The dielectric loss factor changes only slightly in the same temperature interval. In any case, it can be kept better than tan <5 = 10 · 10— * .

Die erfindungsgemäßen Gehäuse für elektrische Schaltungen werden aus vorgefertigten Teilen aus Oxidkeramik zusammengesetzt, die durch die an sich bekannte keramische Garniertechnik verbunden und zusammengehalten werden. Zum Garnieren hat sich für diese Anwendungszwecke das Anfeuchten der zu verbindenden Stellen und Bestreichen mit einem keramischen Schlicker aus dem gleichen Material, wie die zusammenzufügenden oxidkeramischen Teile, bewährt. Dabei benutzt man vorzugsweise keramische Teile, insbesondere keramische Platten oder Plättchen, mit einer Dicke von weniger als 2 mm. Man kann dazu auch die bereits in der Massenfertigung befindlichen Flachteile benutzen, die sogenannten Substratplättchen.The housings for electrical circuits according to the invention are made from prefabricated parts Oxide ceramics, which are connected by the known ceramic garnishing technique and be held together. For garnishing has to moisten the to for these purposes connecting points and coating with a ceramic slip made of the same material as the oxide ceramic parts to be joined together, proven. Ceramic is preferably used for this Parts, in particular ceramic plates or plates, with a thickness of less than 2 mm. One can do this also use the flat parts that are already in mass production, the so-called substrate platelets.

In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden als Wandmaterial Teile aus AI₂O₃-Oxidkeramik benutzt mit mehr als 90% Al₂O₃. Wegen des an sich bekannten Zusammenhanges zwischen dem dielektrischen Verlustfaktor und dem Gehalt der Keramik an Erdalkalien und Alkali-Ionen, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Teile aus AI2O3 Oxidkeramik mehr als 96% AIjO₃ enthalten. Dabei ist es günstig, wenn die übrigen Bestandteile möglichst wenig Erdalkali- oder Alkali-Ionen enthalten. Mit sehr reiner AI₂O₃ - Oxidkeramik, die z. B. mehr als 99% Al₂O₃ und als Rest vorzugsweise Magnesiumoxid enthält, werden dielektrische Verlustfaktoren in der Größenordnung vonTangens<5 = 1—3 · 10⁴erreicht.In a special embodiment of the present invention, parts made of Al ₂ O ₃ oxide ceramic with more than 90% Al ₂ O ₃ are used as wall material. Because of the known relationship between the dielectric loss factor and the content of the ceramic in alkaline earths and alkali metal ions, it is of particular advantage if the parts made of AI2O3 ceramic oxide containing more than 96% Aijo. ₃ It is advantageous if the other constituents contain as few alkaline earth or alkali ions as possible. With very pure AI ₂ O ₃ oxide ceramics, the z. B. contains more than 99% Al ₂ O ₃ and the remainder preferably magnesium oxide, dielectric loss factors in the order of magnitude of tangent <5 = 1-3 · 10 ^{4 are} achieved.

Für den Fall, daß die in dem Gehäuse befindlichen elektrischen Schaltelemente eine stärkere Wärmeentwicklung zeigen und es angebracht ist, diese Wärme ohne größere Temperaturdifferenz abzuleiten, hat sich der Einsatz von Berylliumoxidkeramik bewährt. Da dichtgesintertes BeO mit mehr als 90% BeO eine Wärmeleitfähigkeit hat, die bei Zimmertemperatur etwa der des Eisens entspricht, sind Gehäuse aus BeO-Oxidkeramik für den vorstehend genannten Zweck geeignet.In the event that the electrical switching elements located in the housing generate a greater amount of heat show and it is appropriate to dissipate this heat without a major temperature difference, has the use of beryllium oxide ceramics has proven itself. Since densely sintered BeO with more than 90% BeO is a Has a thermal conductivity that roughly corresponds to that of iron at room temperature, housings are made of BeO oxide ceramics suitable for the aforementioned purpose.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mit derenVarious methods are known with which

Hilfe auf oxidkeramische Bauelemente bzw. Schaltungsträger, Leiterbahnen aufgebracht werden können zum Leiten des elektrischen Stromes. Diese Leiterbahnen können z. B. durch das bekannte Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Als leitendes Material stehen z. B. Silberpasten oder die bekannte Molybdän-Mangan-Metallisierung zur Verfügung. Auch das Aufdampfen von Metallen durch Schablonen hindurch ist bekannt.Help can be applied to oxide-ceramic components or circuit carriers, conductor tracks for Conducting electric current. These conductor tracks can, for. B. by the known screen printing process be applied. As a conductive material are z. B. silver pastes or the well-known molybdenum-manganese metallization to disposal. The vapor deposition of metals through templates is also known.

Durch Ausnützen dieser bekannten Technik können die Leiterbahnen, die zur Verbindung der Bauelemente, die im Innern der Gehäuse angeordnet sind, auf die oxidkeramischen Gehäusewände aufgetragen werden. Sie können auch als Stromzuführungen oder Ableitungen von außerhalb des Gehäuses angeordneten elektrischen Bauelementen untereinander und zu den im Innern der Gehäuse befindlichen Bauelementen benutzt werden.By utilizing this known technology, the conductor tracks, which are used to connect the components, which are arranged inside the housing, are applied to the oxide ceramic housing walls. They can also be arranged as power leads or leads from outside the housing electrical components used among each other and to the components located inside the housing will.

Die gleichen Metallisiertechniken, die oben beschrieben waren, können auch dazu benutzt werden, ganze Flächenmetallisierungen im Innern oder Äußeren des Gehäuses anzubringen. Derartige Flächenmetallisierungen oder auch netzförmig aufgebrachte Metallisierungen dienen zur Abschirmung der im Innern der Gehäuse befindlichen elektrischen Schaltelemente gegen von Außen möglicherweise eindringende elektromagnet!- sehe Strahlung, insbesondere elektromagnetische Streustrahlung bzw.-WelleThe same plating techniques that were described above can also be used to complete To attach surface metallizations inside or outside of the housing. Such surface metallizations or metallizations applied in the form of a network serve to shield the inside of the housing electrical switching elements located against electromagnetic intruding from the outside! see radiation, especially scattered electromagnetic radiation or waves

Die erfindüngsgemäßen Gehäuse können auch durch Zwischenwände unterteilt werden, so daß versch.edene elektrische Bauelemente isoliert voneinander aufgestellt werden können und im Falle der Benutzung von BeO-Oxidkeramik in guter thermischer Isolierung voneinander.The housing according to the invention can also be subdivided by partition walls, so that various electrical components can be set up isolated from each other and in the case of the use of BeO oxide ceramics with good thermal insulation from each other.

Diese Zwischenwände können auch ihrerseits wieder elektrische Leiterbahnen tragen, die nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren aufgetragen worden sind. Auch hier kann durch Aufbringen einer Flächenmetallisierung eine vollständige elektromagnetische Entkupplung bzw. Abschirmung benachbarter Schaltelemente erreicht werden. Der Schutz der elektrischen Bauelemente in den erfindungsgemäßen Gehäusen kann allseitig gewährt werden, indem eine der Begrenzungen der Gehäuse abnehmbar ausgeführt wird. Besonders günstig ist es, wenn der obere Gehäuseteil abnehmbar ist und damit als Deckel ausgeführt werden kann.These partitions can in turn also carry electrical conductor tracks that follow one of the methods described above have been applied. Here too, by applying a Surface metallization a complete electromagnetic decoupling or shielding of neighboring Switching elements can be achieved. The protection of the electrical components in the inventive Enclosures can be granted on all sides by making one of the boundaries of the enclosure removable will. It is particularly favorable if the upper housing part can be removed and thus used as a cover can be executed.

Auf der Zeichnung ist ein Gehäuse nach der Erfindung dargestellt Auf der Grundplatte 1 ist aus oxidkeramischen Substraten z. B. der Nummern 2 und 3 ein Gehäuse aufgebaut worden. Das Teil 4 bezeichnet einen lose aufgelegten Deckel. Alle übrigen Berührungskanten von Substraten untereinander sind beim Zusammenbau des Gehäuses angefeuchtet und mit einem Gießschlicker, der die gleiche keramische Masse enthielt, aus der auch die Substrate gefertigt worden sind, bestrichen werden. Anschließend wurde dieses Rohgehäuse in einem üblichen keramischen Ofen in an sich bekannter Weise gebrannt.In the drawing, a housing according to the invention is shown. On the base plate 1 is off oxide ceramic substrates z. B. the numbers 2 and 3 a housing has been built. The part 4 denotes a loosely placed lid. All other contact edges between substrates are at Assemble the housing moistened and with a casting slip that has the same ceramic mass contained, from which the substrates have been made, are coated. Then this Raw housing fired in a conventional ceramic furnace in a manner known per se.

Die äußeren Flächen des größeren Gehäuseteils zeigf η die auf den Flächen 4, 5 und 6 durch Schraffur angedeutete Flächenmetallisierung, die zum Abschirmen der im Inneren dieses Gehäuseteils befindlichen elektrischen Bauelemente gegen elektromagnetische Strahlung dient. Zum isolierten Einführen der Stromzuführung für diese Bauelemente trägt die Keramikplatte 6 ein Loch 7.The outer surfaces of the larger housing part show those on surfaces 4, 5 and 6 by hatching indicated surface metallization, which is used to shield the inside of this housing part electrical components are used against electromagnetic radiation. For insulated insertion of the power supply The ceramic plate 6 has a hole 7 for these components.

Im Inneren des kleineren, nicht zugedeckten Gehäuseteils befindet sich eine Trennwand 8, die ebenfalls eine Flächenmetallisierung zur elektrischen Entkopplung der auf beiden Seiten dieser Trennwand angeordneten elektrischen Bauelemente trägt.Inside the smaller, uncovered part of the housing there is a partition 8, which also has a surface metallization for electrical decoupling of the electrical components arranged on both sides of this partition wall.

Die äußeren Flächen 2 und 9 tragen an ihrer Außenfläche Leiterbahnen, die im Siebdruckverfahren aufgebracht wurden. Diese Leiterbahnen wurden zusammen mit den Flächenmetallisierungen in der üblichen Weise in die Keramik eingebrannt. Außerdem tragen die oxidkeramischen Plättchen 2 und 9 die öffnungen 10 bis 15 zur Verbindung dieser Leiterbahnen mit den im Innern angeordneten elektrischen Schaltelementen. Zum Anschluß an äußere Schaltelemente dienen die Lötfahnen 16 und 17.The outer surfaces 2 and 9 have conductor tracks on their outer surface that are screen-printed were applied. These conductor tracks were together with the surface metallizations in the burned into the ceramic in the usual way. In addition, the oxide ceramic platelets 2 and 9 carry the Openings 10 to 15 for connecting these conductor tracks to the electrical ones arranged in the interior Switching elements. The soldering lugs 16 and 17 are used for connection to external switching elements.

Die erfindungemäßen Gehäuse für elektrische Schaltungen zeichnen sich außer durch hohe thermische Stabilität auch durch besonders gute mechanische Formbeständigkeit aus.The housing according to the invention for electrical circuits are not only characterized by high thermal stability but also by particularly good mechanical ones Dimensional stability.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Oxide ceramic housing for electrical circuits, especially for applications in elevated temperatures and for the range of high and highest frequencies, with very low dielectric losses of the housing walls, characterized in that the housing consists of prefabricated oxide ceramic parts connected by means of ceramic compounds.

2. Housing according to claim 1, characterized in that the ceramic used for connecting Masses have the same composition as the prefabricated oxide ceramic parts.

3. Housing according to claim 1 or 2, characterized in that the prefabricated oxide ceramic parts Are panels with a panel thickness of less than 2 mm.

4. Housing according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the oxide ceramic contains more than 90% Al ₂ Oj, preferably more than 96% Al ₂ O ₃ .

5. Housing according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the oxide ceramic more contains than 90% BeO.

6. Housing according to one of claims 1 to 5, characterized in that the oxide-ceramic Housing parts wear conductor tracks that are made according to one of the known metallization processes for Oxide ceramics are applied.

7. Housing according to one of claims 1 to 5, characterized in that for shielding the Housing inside against electromagnetic waves the housing outside a continuous or reticulated metallization carries.

8. Housing according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interior of the housing oxide ceramic partitions are arranged.

9. Housing according to claim 8, characterized in that the partition walls for conductor tracks carry the electrical power and / or shields for electromagnetic waves.

10. Housing according to one of the preceding claims, characterized in that one of the Housing walls can be removed and / or placed as a cover.