DE2010429A1

DE2010429A1 - Elektrische Schaltungsanordnung mit hermetischer Abdichtung

Info

Publication number: DE2010429A1
Application number: DE19702010429
Authority: DE
Inventors: Maurice Anthony Hitchin; Cottam Geoffrey Leslie; Hatfield Herfordshlre; Brown Alfred Edward Thomas Enfield Middlesex; Champney (Großbritannien)
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1969-02-28
Filing date: 1970-02-27
Publication date: 1970-09-10
Also published as: FR2033131A5; NL7002256A; GB1259804A

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG PATENTANWALT

3 HANHOVtB · SCHACKSTRASSE 1 TELEFOM (0511) 814088 · KABEL PATENTION HANNOVER

Ee ist bekannt, Halbleiter und andere Schaltungselemente , zu einer Schaltung zusammenzufassen und als Einheit einzukapseln. Derartige Einheiten können umfangreichere Scha.it-

Hawker Slädeley Dynamics Ltd.

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Elektrische Schaltungsanordnung mit hermetischer Abdichtung

funktionen übernehmen als einzelne Schaltungselemente. Dabei werden Metallstifte oder -anschlüsse, die sich von der umgebenden Atmosphäre in das Innere der Einheit erstrecken, mit eine Metallbasis enthaltenden Glas-Metall-Abdichtungen umgeben. Ebenfalls ist es bei Keramik- oder Glasteilen bekannt, mit einem Glas eine Abdichtung für eine Leitung oder einen durch die Glasdichtung verlaufenden Metallstreifen herzustellen oder die Keramik oder das Glas mit einer bei hohen Temperaturen gebrannten Schicht zu versehen und anschließend durch eine Glasschicht abzudichten. Bei allen bekannten Anordnungen muß die Einheit noch zusätzlich mit einem endgültigen Metall-, Glas- oder Keramik-Deckel versehen werden, der durch Löten, Hartlöten oder Glasverschmelzung aufgebracht wird, nachdem die Schaltungselemente in die Einheit eingefügt worden sind. Die meisten , wenn auch nicht alle, bekannten Anordnungen erfordern die Verwendung von Drähten zwischen den Schaltungselementen und den Ausgangs/Eingangs-Anschlußstiften oder Zuleitungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungsanordnung mit hermetischer Abdichtung zu schaffen, die eine erhöhte Zuverlässigkeit insbesondere an den Stellen gewährleistet, an denen elektrische Anschlüsse in die Einheit hinein oder aus dieser herausgeführt sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abdichtung die Zuleitungen so umgibt, und daß die mit den Zuleitungen verbundenen LeiterBüge auf dem Substrat

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so angeordnet sind, daß die Abdichtung sich sowohl über die j Zuleitungen als auch über die leiterzüge erstreckt.

Die Erhöhung der Zuverlässigkeit ergibt sich dadurch, ' daß die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse innerhalb der hermetischen Abdichtung vorgesehen werden. Darüberhinaus können in Weiterbildung der Erfindung auch Zwischenverbindungen oder ,

'■ Schaltungselemente ganz oder teilweise in der Zone liegen, die I

ι die hermetische Abdichtung bildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der ; Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung im Quer-

schnitt und

Pig. 2 einen Teil der Schaltungsanordnung

als Draufsicht.

Das als Basis dienende Substratikann metallisch sein und teilweise oder ganz eine Schicht aus haftendem Oxid, Glas oder Keramikfilm tragen oder es kann ein Isolierstoff sein (Glas, Glaskeramik oder Keramik), der in den Zonen, wo Eingangs- und Ausgangsanschlüsse hergestellt werden sollen, mit die Anschlüsse metallisierenden oder leitenden Schichten Z

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versehen ist. Der Beschichtungsprozeß kann mittels "Seidensieb". Offsetdruck oder nach anderen Materialtransfer- oder Druckverfahren hergestellt werden. Andere Zonen können ebenfalls den jeweiligen Anforderungen entsprechend beschichtet werden, um die gewünschten Schaltungsfunktionen zu vervollständigen. Diese Beschichtung wird dann in ihrer Lage fixiert, üblicherweise durch einen Brennprozeß unter hohen Temperaturen.

Im Anschluss daran können aufeinanderfolgende Beschichtungsprozesse mit einem Isolator 3> einem Leiter 4, einem Isolator 5 und Leiterzügen 6 durchgeführt werden, um insgesamt die gewünschten Verbindungen herzustellen. Eine oder auch mehrere dieser Schichten können je noch Bedarf durch ein WiderstansmateTial oder durch ein hochgradig dielektrisches Material ersetzt werden. Die Gesamtzahl der Schichten- zur Herstellung der notwendigen Zwischenverbindungen kann beliebig groß sein. Die Zonen für die Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse brauchen nicht notwendigerweise zuerst gedruckt zu werden, obwohl dies bei Anwendung der Erfindung am bequemsten ist. Diese Zonen können in einer oder mehreren späteren Verfahrensstufen überdruckt werden, um die Anbringung der Zuleitungen zu erleichtern.

Die Ausgangsleitungen 7, die durch Ätzung aus Folienmaterial, durch Stanzen, Scheren oder Elektroformation hergestellt sein können, werden an den genau gedruckten Zonen durch Schweißen, Hartlöten oder mittels eines leitenden Klebers

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so befestigt, daß die so hergestellten Verbindungen beim Erweichungspunkt des abdichtenden Glases 10 nicht nennenswert ί geschwächt werden. - ^:

Ein Rahmen 8 wird auf einer seiner Hauptoberflächen ■

mit einer Metallisierung 9 versehen, und auf seiner anderen ^! ·

Hauptoberfläche mit einem abdichtenden Glas 10, beschichtet. I ™

Dieser Rahmen wird so auf die Anordnung gelegt, daß die mit ■

Glas beschichtete Seite mit den Zonen in Berührung kommt, ^:

in denen die Zuleitungen angebracht sind. Durch Erhitzen dieser ,

Anordnung auf die Erweichungstemperatur des Glases 10 oder ,

eine darüberliegende Temperatur und Zusammendrücken der j

Anordnung wird eine hermetische Abdichtung zwischen dem Rahmen ]

8 und dem Substrat 1 hergestellt. Es ist erwünscht, aber |

nicht für die Erfindung wesentlich, daß. das Glas 10 die j

Zuleitungen 7 dort umgibt, wo keine Metallisierung 2 ist. j

Hierdurch wird eine doppelte Abdichtung erreicht, nämlich eine j

zu den Zuleitungen und dem Rahmen/Substrat und die andere j

zu der Metallisierung und dem Rahmen/Substrat. ! |

Bevor die Abschlußkappen 11 (aus Metall, Glas oder
Keramik) durch Löten, Hartlöten, Schweißen oder Glasabdichtung
mittels bekannter Techniken aufgebracht werden, können
Schaltungselemente* durch Schweißen, Löten, Hartlöten oder
andere chemische oder physikalische Mittel der Schaltungsanordnung hinzugefügt werden.

Eine alternative Ausführungeform der Erfindung besteht

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darin, den Rahmen 8 und die Kappe 11 als eine hermetische Einheit vorzufabrizieren oder ein einziges massives Gebilde zu verwenden, das mit dem Glas 10 beschichtet ist, so daß die Abdichtungseinheit in einem Verfahrensschritt herstellbar ist. Das GlasiO kann durch ein organisches oder anorganisches Harz oder Gummi bei dieser Ausführungsform der Erfindung ersetzt werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die Anordnung mit ihren Zuleitungen mit dem Glas 10 oder einem Harz oder Gummi zu beschichten und den Rahmen 8 oder die (zusammengesetzte ) Abschlusskappe wie oben beschrieben zu befestigen.

Figur 2 zeigt einen Teil der Einheit in Draufsicht. An Ausgangszonen 17 und einen inneren Leiter 15 sind Widerstände 12, 13» 14 angeschlossen. Die leicht schraffierte Zone 18 stellt den mit der Glasabdichtung 10 bedeckten Bereich dar, und es ist zu sehen, daß der Widerstand 12 und die eine seiner Zuleitungen 16 vollständig und die andere Zuleitung 15 teilweise von der hermetischen Abdichtung bedeckt sind.

Vorzugsweise ist die Reihenfolge der Herstellung wie folgt; ,

Das Substrat , vorzugsweise 98,0 $> reines Aluminiumoxid mit typisohen Abmessungen von 50 χ 25 x 1 mm wird mit einem

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mehrschichtigen leitenden', Zwischenve'rb indungen enthaltenden Schaltschema durch ein Siebdruckverfahren versehen.

Abwechselnd werden gemusterte Schichten aus leitendem Cermet (Electro Science Laboratories 8831 Gold) und Isolierglas (Electro Science Laboratories 4610 Dielectric Coating) mittels Siebdruck auf das Substrat nach bekanntem Verfahren durch Emulsionssiebe aus Edelstahl aufgebracht, und zwar wird für den Druck der Leiter ein 325 Mesh-Sieb und für die dielektrische Beschichtung ein 200 Mesh-Sieb verwendet. Aufeinanderfolgende Drucke werden in einem Ofen bei 125⁰C 30 Minuten lang getrocknet und in Luftatmosphäre in einem Tunnelofen mit einstellbarem Temperaturprofil gebrannt. Ein typisches Brennprofil weist einen Zyklus von 45 Minuten auf, in dem 10 Minuten lang eine Spitzentemperatur von 925°C herrscht. Zwischenverbindungen zwischen leitenden Schichten werden durch "Fenster" hergestellt, die in den dielektrischen Schichten belassen werden. Zuleitungsanschlüsse, vorzugsweise in Form quadratischer Kissen mit 1,3 mm Kantenlänge ΐ werden durch zweifachen Siebdruck entlang den Rändern des | Substrats aus Golä-Oermet (8831) zusammen mit dem Drucken von zwei leitenden Schichten hergestellt.

Falls, Widerstandsfilme für eine bestimmte Schaltung i benötigt werden, so werden diese in der Herstellungsreihenfolge ! gedruckt und im Tunnelofen entsprechend ihrem besonderen I Brennschema (typisch ist ein Bereich von 500 bis 700⁰C) gebrannt.

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Nac.h dem Brennen werden sie mit Du Pont 8185 Encapsulant geschützt, 30 Minuten lang in einem Ofen bei 125 C getrocknet und in einem Tunnelofen mit einem Temperaturzyklus von 25 Minuten, in dem 10 Minuten die Spitzentemperatur (typischer Wert 500⁰C) errreicht wird, gebrannt.

Die legierten ZuIeitungsrahmen (vorzugsweise aus Nickel-Eisen-Legierung, die unter dem Handelsnamen "Telsoseal" erhältlich ist) werden durch doppelseitige Foto-Widerstands-Ätzung aus 0,13 mm Folie hergestellt und dann in einer geringen Stärke von 0,005 mm mit»"KJeld-ekLeJciroplattiert, um eine Oxidation des Metalls während des anschließenden Brennens der Abdichtungsglasur zu verhindern. Die Zuführungsrahmen werden so in einer Leere gehalten, daß die Zuleitungsanschlüsse etwa 1,8 mm von den Zuleitungen überlappt werden, und die Zuleitungen werden dann auf die Anschlüsse mittels einer geschlitzten Elektrode unter Verwendung eines Impulses von 1,2 Volt und 50 Millisekunden Dauer aufgeschweißt.

Ein Aluminiumoxidrahmen, vorzugsweise mit Außenabmessungen von 50 χ 25 x 1,5 mm und einer Wandstärke von etwa 2,5 mm wird auf einer Seite durch Beschichtung mit (Electro Science Laboratories 5800B) Platin-Gold-Cermet unter Verwendung einer Rolle metallisiert, 30 Minuten Ia^g in einem Ofen bei 125 0 getrocknet und anschließend in einem Tunnelofen mit einem Zyklus von 45 Minuten und einer Spitzentemperatur von 95O⁰O gebrannt.

Der Aluminiumoxidrahmen wird dann mit Beiner

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metallisierten Seite nach unten in eine Silikongummiform von gleichen Grundabmessungen gelegt, und eine Mischung von (Owens Illinois OO756B) Abdichtungsmittel mit 3 bis 4$ Polybutylmethacrylat, gelöst in Xylol und Butyl-CellOsolve-Acetat wird in die Form auf die Oberseite des Rahmens mit einer Dicke von etwa 0,75 mm eingebracht. Die Abdichtungsmischung wird dann mit der Form in einem Ofen bei 125⁰G etwa eine Stunde lang getrocknet , um die Lösungsmittel zu entfernen, und anschließend wird der Rahmen mit der Abdichtungsschicht fünfzehn Minuten lang in einer LuftatmoSphäre bei 425°C erhitzt , um den organischen Binder zu oxidieren und zu entfernen und desgleichen die Abdichtung auf dem Rahmen vorzuglasieren.

Der vorglasierte Rahmen wird dann gewendet auf das mit mehreren Schichten versehene Substrat mit dem daran ; befestigten Zuleitungsrahmen aufgesetzt, so daß das Ab- : dichtungsmittel auf die Zuleitungen zu liegen kommt, und ; deren Enden um etwa 0,75 mm überlappt. Die gesamte Anordnung wird dann· in eine Druck-Lehre gebracht und in Luft in einem Tunnelofen mit einem 60 Minutenzyklus gebrannt, wobei 30 Minuten die Spitzentemperatur von 450° durchlaufen wird, · ^: so daß die Glasur über und um die Zuleitungen herumfließt ; und den Rahmen herunter bis zum Substrat um die Zuleitungen und über der Metallisierung abdichtet.

Schaltungselemente werden an der Oberfläche der MehrschichtBchaltung durch eute tischen Verbund und Ultraschall oder Thermokompressionsdrahtverbund angebracht oder auf einem

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Träger , der mit den geeigneten Anschlusspunkten durch Verdrahtung , Hartlötung oder Legierung verbunden ist.

Die Einheit wird abgedichtet, indem eine Platte aus einer Metallegierung (Nickel-Eisen oder dergleichen) deren Abmessungen 50 χ 25 x 0,3 mm betragen, und die mit einer niedrigschmelzenden Legierung (z.B. einer eutektischen Silber-Blei - oder Gold-Zinn-Legierung) beschichtet ist, auf die Oberseite der endgültigen Anordnung gelegt wird, worauf eine Erhitzung mit einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung in Stickstoff-Wasserstoff-Mischungen oder in einem Vakuumofen erfolgt.

-Patentansprüche-

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Claims

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Patentansprüche

17Elektrische Schaltungsanordnung mit hermetischer Abdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung die Zuleitungen (7) so umgibt, und daß die mit den Zuleitungen verbundenen Leiterzüge (16) auf dem Substrat (1) so angeordnet sind, daß die Abdichtung sich sowohl über die Zuleitungen als auch über die Leiterzüge erstreckt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Abdichtungsmaterial Glas oder glaskeramisches Material ist. ·
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Abdichtungsmaterial ein anorganisches oder organisches Harz oder Gummi ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet« daß der Inhalt der Einheit aus einem Ein- oder Mehrschicht-Verbindungssystem besteht, bei dem zwei oder mehr Komponenten untereinander

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verbunden sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der Einheit teilweise oder ganz eine oder mehrere der funktionellen Schaltungskomponenten einschließt.

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