DE2203998A1

DE2203998A1 - Hermetisch verschlossene Baueinheit für Leistungshalbleiter bzw. Halbleiterschaltkreise

Info

Publication number: DE2203998A1
Application number: DE19722203998
Authority: DE
Inventors: Billy Marshall Chattanooga Tenn. Hargis (V.StA.). P
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1971-01-26
Filing date: 1972-01-25
Publication date: 1972-08-10
Also published as: US3681513A; GB1384823A; CA965190A

Description

M 35075

PATENTANWÄLTE
Dr.-Ing. HANS RiJSGHi(E DipWn!;.S:L^:n/ ACULAR

99

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota 55101, V.St.A.

Hermetisch verschlossene Baueinheit für Leistungshalbleiter bzw,

Halbleiterachaltkreise

Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen für die Halterung bzw. Fassung von Substratplättchen oder anderen elektronischen integrierten Schaltkreisen, bei deren Betrieb erhebliche Wärmemengen erzeugt werden und die so wirksam wie möglich gekühlt v/erden müGsen, urn ihre Zerstörung durch Überhitzen zu verhindern.

Eis sind keramische Baueinheiten bekannt, in denen Substratplättcnen, die sog. (M.ps, mit externen Zuleitungen befestigt werden können. Derartige Einheiten lassen sich aus Berylliumoxid her- ' stollen, wie es die U.S.-PS ~j 495 02J beschreibt, wobei an sie Kühlkörper angebrachteInd, urn die innerhalb der Baueinheit erzeugte ii/ärmo abzuleiten. Im allgemeinen gleichen die Baueinheiten nach dem Stand der Technik der in dieser Patentschrift beschriebenen, indem sie eine keramische Grundplatte, einen keramischen Kragen and innerhalb des Kragens einen Ort aufweisen, an dem das

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Chip angeordnet wird. Derartige Baueinheiten werden mittels eines geeigneten Deckels verschlossen, den man nach dem Einbringen des Chips auf den Ring aufklebt, -lötet, -schweisst oder sonstwie befestigt. Bei derartigen Anordnungen besteht der Nachteil, dass, die aus Berylliumoxid bestehende Grundplatte, die wärmeleitend ist, relativ dick sein muss, um als tragendes Element geeignet zu sein. Wenn sie aus Aluminiumoxid besteht, muss sie ebenso dick sein, hat aber nicht die erforderliche Wärmeleitfähigkeit. Die Kosten für Berylliumoxidstücke sind verhältnismässighoch. Ausserdem ist Berylliumoxid so toxisch, dass.man es bei der Keramikverarbeitung so weit wie möglich vermeidet. Setzt man weiterhin eine Grundplatte aus Berylliumoxid ein, ist es aus wirtschaftlichen Gründen erwünscht, dass der das Plättchen umgebende Ring aus einem billigeren Material - wie z.B. Aluminiumoxid - besteht. Die Verbindung des Aluminiumoxids mit dem Berylliumoxid durch Glas führt zu nur bescheidenem SfοIg, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Keramiken und der Glasdichtung so unterschiedlich sind, dass ein wiederholtes Durchlaufen des Wärmebelastungszyklus die Dichtung oft zersti\ö/t. Da die Herstellung derartiger Elemente kostspielig ist, führt eine aufgebrochene Dichtung zu einem Verlust nicht nur des Befestigungsaufbaus, sondern auch des in ihm angeordneten Chips.

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Baueinheit für die Aufnahme von Substratplättchen, den sog. Chips, zu schaffen, die eine gute Wärmeleitung gewährleistet, eine zuverlässige hermetische Dichtung bietet, in sich stabil ist und mit einem Minimum an toxischem Berylliumoxid auskommt. Es ist ein weiteres Ziel der •Erfindung, eine Baueinheit zu schaffen, die die Verwendung von Glasdichtungen umgeht. Weitere Ziele und Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Es wurde nun gefunden, dass diese und andere Ziele der Erfindung sich mit einer geeigneten hermetfechen Aufbaueinheit erreichen lassen, die man bequem herstellt, indem man einen geeigneten Aluminiumoxidring eder -kragen direkt auf einen Kühlkörper aufbringt und auf dem Kühlkörper innerhalb dieses Ringes ein kleines

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tragendes Plättchen aus Berylliumoxid anbringt, wobei man zwischen dem Kühlkörper und dem Aluminiumoxid eine metallische Kontiaktionsscheibe bzw. Kontraktionsverbindung vorsieht. Eine solche Scheibe lässt sich auch zwischen dem Berylliumoxid und dem Kühlkörper vorsehen; diese Massnahme ist jedoch nicht erforderlich.

Der Kühlkörper kann je nach beabsichtigter Anwendung jede beliebige Form haben und besteht vorzugsweise aus Kupfer. Der Ring oder Kragen kann kreisförmig, oval, vieleckig, quadratisch oder rechteckig sein, wie es die Umstände erfordern; seine Grosse richtet sich nach dem einzubringenden Chip. Entsprechende Abwandlungen sind Stand der Technik. Die Zwischenscheibe besteht aus einem Metall mit verhältnismässig niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Legierung Nr. 42 nach ASTM F 30 aus 42 % Nickel und 58 % Eisen oder F 15 aus 54 % Eisen, 28 % Nickel und 18 % Kobalt sind geeignet. Die unter der Bezeichnung "Kovar" (Handelsbezeichnung der Westinghouse Comp.) erhältliche Legierung ist eine leicht verfügbare Quelle der letzteren Legierung. Der Aluminiumoxidring oder -kragen wird mit Vorteil in einem Arbeitsgang so hergestellt, dass die Zuleitungen, die sich für die elektrischen Anschlüsse an das Chip von innen nach aussen durch ihn hindurcherstrecken, in ihn eingebettet sind. Ein kleines Berylliumoxidplättchen, das bei erwünschter ungewöhnlicher Wärmeleitfähigkeit extrem dünn sein kann, wird innerhalb des umgebenden Ringes auf das Grundelement, d.h. den Kühlkörper, aufgebracht. Wenn eine elektrische Isolierung nicht erforderlich sein sollte, ist es durchaus möglich, das Chip direkt in den Kühlkörper einzubringen, da das Berylliumoxid als wärmeleitende elektrische Isolierung dient. Nachdem das Chip befestigt ist und geeignete Verbindungen zu den Anschlüssen innerhalb des Ringes hergestellt wurden, wird ein Deckel aus Keramik oder Metall (je nach Wunsch) auf die obere Ringfläche aufgebracht, d.h. z.B. aufgelötet, wobei man dach Wunsch einen Zwischenring aus Metall mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten verwenden kann, um eine hermetische Dichtung herzustellen.

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Obgleich in den oben beschriebenen Ausführungsformen Hartlot-Metall in Form von Tabletten eingeführt wird, ist einzusehen, dass das Hartlot-Metall nach Bedarf auch auf verschiedene Teile aufgebracht werden kann und dass sich verschiedene Zusammensetzungen - wie z.B. -Kupfer-, Silber- eutektische und andere Zusammensetzungen sowie jedes ausreichend wärmebeständige Lot einsetzen lassen.

Andere und mehr ins einzelne gehende Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht der hermetisch verschlossenen Aufbaueinheit nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht der hermetisch verschlossenen Aufbaueinheit nach der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Aufbaueinheit der Erfindung nach Fig. 1 und 2 entlang der Schnittlinie 3-3·

Fig. 4 ist eine aufgebrochene Ansicht der Aufbaueinheit nach den Fig. 1-3.

Fig. 5 zeigt den Aluminiumoxid-Keramikring oder -kragen, wie er in einer hermetisch abgeschlossenen Aufbaueinheit nach den Fig. 1-4 eingesetzt wird, und zwar gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Lage um 90° gedreht und aufgebaut aus den Segmenten der Fig. 6, die einzelne Segmente aus grünen Keramikplättchen zeigt, die zum Aufbau des Keramikringes nach Fig. 5 verwendet werden.

Fig. 7

und 8 zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer hermetisch verschlossenen Aufbaueinheit nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig.9 ist eine aufgebrochene Ansicht der hermetisch verschlosse-

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nen Aufbaueinheit nach den Fig. ¹J und 8.

Fig. 10 zeigt Teile des grünen Keramikbandes, die zum Atfbau des Aluminiumkragens in der hermetisch verschlossenen Aufbaueinheit nach den Fig. 7 und 9 verwendet werden.

Die in den Figuren gezeigte hermetisch verschlossene 'Aufbaueinheit, eine Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 1 - 4, weist in Kombination einen Kühlkörper oder Schaft 10, einen darauf aufgebrächten Aluminiumoxidring oder -kragen 12 und einen Zuleitungsrahmen 14 auf. Der Schaft besteht aus einem wärmeleitenden Metall wie Kupfer, der Zuleitungsrahmen aus einer Eisenlegierung, Nickel oder Kupfer. Zusätzlich ist in der Ausführungsform nach Fig. 1-4 das umgebene Berylliumoxidplättchen 16 mit Metallschichten 15 und 17 versehen und elektrisch an eine Zuleitung des Zuleitungsrahmens 14 angeschienen, und zwar, wie es im folgenden ersichtlich, über • eine dreieckige Kurzschlusslasehe 18. Die mit Hartlot überzogene Kurzschlusslasehe in Form eines gleichseitigen Dreiecks passt in die Kerbe 42 im Ring 12. Eine Kontraktionszwischenscheibe bzw. Ausdehnungsverbindung 22 aus Metall befindet sich zwischen dem Kupferschaft 10, der als Kühlkörper dient, und dem Aluminiumoxidring 12, und auf dem Aluminiumoxidring 12 befindet sich ein Dichtungsring 26 aus Kovar-Metall. Für den Zusammenbau wird das Hartlot auf den Kupferschaft in Form der Tablette 20 aufgebracht; desgl. dient der Zuschnitt 24 aus Hartlot zur Befestigung des Zuleitungsrahmens 14. Die Zwischenscheibe 22 weist einen Hartlotüberzug 25 und der Ring 26 einen Hartlotüberzug 27 auf, um eine Hartlötung an den Aluminiumoxidring 12 zu erlauben. Alternativ lassen sich hier getrennte Hartlotzuschnitte bzw. -tabletten, die nicht gezeigt sin,d, verwenden. In Fig. 3 sind die Hartlotelemente nicht gezeigt; die verwendeten Zuschnitte bzw. Tabletten sind jedoch aus Fig. 4 ersichtlich.

Der Alurniniumoxi dring 12 ist aus Bögen der ledrigen grünen Keramik hergestellt, die die US-PS 2 966 719 lehrt. Jeder Bogen wird dabei nach den in Fig. 6 gezeigten Mustern zugeschnitten; die einzelnen

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Bögen werden dann übereinandergelegt und ausgestanzt, um die einzelnen Stücke zu erhalten. Die in Fig. β gezeigten drei getrennten Segmente sollen die in jedem grösseren Bogen wiederholten Muster erläutern. Wie ersichtlich, sind die Teile in Fig. 6 gegenüber· dem Ring 12 in Fig, 4 und 2 um 90° im Uhrzeigersinne verdreht. Leitende Überzüge und Verbindungsstücke werden im Siebdruckverfahren oder sonstwie aufgebracht, solange das Malarial noch in Bogenform vorliegt. Der leitende Überzug 50 mit einem Verbindungsstück 52 wird also auf den Bogen 30 aufgedruckt, die Überzüge 60, 61, 62 und 63 mit den Verbindungsstücken 64 -und 65 auf den Bogen 32, der Überzug 70 auf die obere Fläche des Bogens 32 und der Überzug 72 auf die untere Fläche des Bogens 32 mit den Verbindungsstücken 74 und 76. Wie ersicltlich, ist das Loch 80 im Bogen 30 grosser als die Löcher 82 und 84 in den Bögen 32 und 34, so dass nach dem Zusammenbau, die Überzüge 60, 6l und 62 sich innerhalb und ausserhalb des Ringes befinden und die dreieckige Kurzschlusslasche 18, die nach dem Brennen in die Kerbe 42 passt, den Überzug 70 berührt und damit über das Verbindungsstück 65 auchden Überzug 63. Für eine Reihe von Anwendungsfällen kann der elektrische Aufbau auch abgewandelt werden - wiez.B. durch das Fortlassen des Verbindungsstücks 65.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigen die Fig. 7*8,9 und 10. Wie in Fig. 10 ersichtlich, entsteht der Keramikring 90 der Fig. 9 durch Aufeinanderlegen zweier grüner Bögen 92 und 94 mit leitenden Schichten 100, 102, Lo4, I06 und darauffolgendes Brennen. Obgleich hier aus Gründen der Bequemlichkeit die Blätter 92 und 94 an der Verbindungsstelle in Fig. 9 mit einer Trennungslinie dargestellt sind, stellen sie dort und in den Fig. 7 und 8 nach dem Brennen einen einheitlichen Körper dar, obgleich in letzterer, die einen Schnitt durch die Fig. 7 entlang der Linie 8-8 zeigt, keine Berührung der keramischen Schichten ersichtlich ist.

Diese Ausführungsform geht am besten aus der aufgebrochenen Darstellung in Fig. 9 hervor, in der der rechteckige Kühlkörper 110

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die Grundplatte bildet, auf die der Ring 90 und das Berylliumoxidplättchen 116., die oben bzw. unten mit metallischen Überzügen 115 und 117 versehen sind, hartgelötet sind. Das Hartlöten des Berylliumoxidplättchens 116 und der Dehnungsscheibe 118 auf die .grundplatte 110 wird durch einen Hartlotzuschnitt 111 erleichtert, das des Ringes 90 auf die Dehnungsscheibe 118 durch einen Hartlotzuschnitt 112. Der Zuleitungsrahmen 119 wird auf die Flächen 104 und 106 des Ringes 90 mit Hilfe zweier Hartlotzuschnitte 113 aufgebracht,, und der Ring 120 mit geringer Ausdehnung wird mit Hilfe des HartlotZuschnitts 114 auf die obere Fläche 100 des Ringes 90 aufgebracht. Der Ring 120 bietet hierbei eine geeignete Oberfläche für die Anbringung eines (nicht gezeigten) Deckels, nach dem in den Behälter ein (-nicht gezeigtes) Leistungselement eingebracht wurde. Fig. 8 zeigt kein Hartlot, und die durch Hartlöten verbundenen Metallflächen sind nicht geiiennt dargestellt. Aus dem gleichen Grund sind in den Fig. 7 und 8, wo ein einheitlicher Aufbau gezeigt ist, diese metallischen Oberflächen auch nicht mit Bezugszahlen versehen. Die zusammengesetzte Einheit der Fig. 7 und 8 lässt sich durch Rommein oder andere geeignete Verfahren vergolden.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass innerhalb des Erfindungsumfanges zahlreiche weitere Änderungen des Aufbaus möglich sind. Beispielsweise kann der Keramikring anders geformt oder dimensioniert sein, und er kann eine grossere Zahl von Zuleitungen aufnehmen.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche :

Aufbaueinheit für eine Leistung verbrauchende Qipanordnung, die aufweist:

A. Einen metallischen wärmeleitenden Grundkörper',

B. eine auf den Grundkörper hart aufgelötete metallische Zwischenscheibe mit niedriger VJ arme aus dehnung, und

C. einen Zuleitungen tragenden keramischen Aluminiumoxidkragen mit metallischen Oberflächen, die die obere und die untere Fläche wenigstens teilweise bedecken, wobei der Kragen gegen den Grundkörper durch eine Hartlötung mit der Zwischenscheibe gegenüber dem Grundkörper abgedichtet ist und eine Fläche auf dem Grundkörper umgibt, die das Chip aufnimmt.
2. Aufbaueinheit für eine Leistung verbrauchende Chipanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der metallischen Zwischenscheibe mit niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten eine im wesentlichen mittige Öffnung befindet, die ungefähr der von dem Zuleitungen tragenden keramischen Kragen umgebenen Fläche entspricht.

J5. Aufbaueinheit für eine Leistung verbrauchende Chipanordnunj nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein beidseitig tnetallüberzogenes Berylliumoxidplättchen, das innerhalb der von vieni keramischen Kragen umgebenden Fläche am Grundkörper angebracht ist und mit dem eine Chipanordnung elektrisch isolierend und thermisch leitend an dem Grundkorper befestigt wird.

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Aufbaueinheit für eine Leistung verbrauchende Chipanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die obere Fläche des keramischen Ringes ein Metallring mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht ist, der als Basis für das Aufbringen eines Deckels dient.

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