DE2824426A1 - Gehaeuse fuer elektrische und elektronische bauelemente - Google Patents

Gehaeuse fuer elektrische und elektronische bauelemente

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DE2824426A1 DE19782824426 DE2824426A DE2824426A1 DE 2824426 A1 DE2824426 A1 DE 2824426A1 DE 19782824426 DE19782824426 DE 19782824426 DE 2824426 A DE2824426 A DE 2824426A DE 2824426 A1 DE2824426 A1 DE 2824426A1
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Description

536
JENAer GLASWERK
SCHOTT & GEN.
Hattenbergstr. 10
6500 Mainz
Gehäuse für elektrische und elektronische Bauelemente
Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung und vor Umwelteinflüssen (Feuchte, aggressive Dämpfe etc.) werden elektronische Bauelemente (Transistoren, Thyristoren, Dioden, integrierte Schaltkreise, Hybridschaltungen etc.) und elektrische Bauelemente (Schwingquarze, Relais, elektrische Schaltkontakte, Reedschalter etc.) in metallischen oder z.T. metallischen Gehäusen aufgebaut. Diese Gehäuse bestehen aus einer Bodenplatte aus Metall, Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff, Glas- oder GlaskeramikaufSchmelzung, in die eine oder mehrere voneinander isolierte elektrische Zuleitungen eingebracht sind (elektrische Durchführung, Glas- Glaskeramik- oder Keramiksubstrat, Hybridbodenplatte, Kunststoffsockel etc,) und einer Kappe aus Metall, Kunststoff, Glas, Glaskeramik, Keramik oder einer Kombination dieser· Werkstoffe, (Kappe, Deckel, Becher, Kunststoffverguß, Glaslotverschluß, Glasoder GlaskeramikaufSchmelzung, etc.). Bodenplatte und Kappe
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282U26
■-5-
werden nach Montage des elektrischen oder elektronischen Bauelements durch Löten, Schweißen (Widerstandsschweißung, Kaltschweißung,. Elektronenstrahlschweißung etc.) oder Kleben dicht verschlossen, wobei z.B. eine metallische Bodenplatte teilweise auch mit Kunststoff umpreßt oder mit Glas, Glaskeramik oder Glaslot bedeckt werden kann. Das Innere des Gehäuses wird häufig mit einem Schutzgas, wie trockene Luft, trockener Stickstoff oder Stickstoff-Edelgas-Gemisch (Taupunkt< 00C) gefüllt. Bauelement, Bodenplatte und Kappe werden gegebenenfalls vor dem Verschluß des Gehäuses z.B. durch Lagerung bei erhöhter Temperatur (> 500C) von adsorbiertem Wasser befreit.
Aus technischen Gründen, aber auch zur Kostenverringerung werden als Grundmaterial für metallische Bodenplatten und Kappen üblicherweise Stahl, Nickel und vernickelter Stahl verwendet. Um die Lötbarkeit der elektrischen Zuleitungen der Bauelemente mit säurefreien Flußmitteln, z.B. beim Einlöten in Schaltungsplatinen von Geräten sicherzustellen, aber auch um die Korrosionsbeständigkeit des gesamten Bauelementes, insbesondere der Verschlußstelle von Bodenplatte und Kappe zu erhöhen, wird das ganze Bauelement üblicherweise nach dem Verschluß partiell oder völlig mit einer mehrere μΐη starken Schicht aus z.B. Nickel, Zinn, Kupfer, Cadmium, Zink, Blei oder Legierungen dieser Metalle belegt.
Werden Bauelemente, die in derart beschichteten Gehäusen aufgebaut sind, den üblichen Prüfverfahren unterzogen, die das Langzeitverhalten des Bauelementes simulieren (z.B. bei Transistoren das Prüfverfahren MIL Standard 883B und bei Schwingquarzen das Prüfverfahren DIN 45103), oder werden diese Bauelemente einer erhöhten, aber noch zulässigen Betriebstemperatur über längeren Zeiten (Stunden, Wochen) in ein- oder ausgeschalteten Zustand ausgesetzt, so zeigen
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die Bauelemente in diesen Gehäusen im Gegensatz zu Bauelementen in unbeschichteten Gehäusen mehr oder weniger stark ausgeprägte Veränderungen ihrer elektrischen Eigenschaften .
So steigt bei Transistoren der Kollektor-Reststrom I_ bis zu mehreren Zehnerpotenzen an, bei Schwingquarzen nimmt die Frequenz f bis zu mehreren 100 ppm ab, der dynamische Verlustwiderstand R nimmt zu, und bei elektrischen Schaltkontakten erhöht sich der Kontaktwiderstand deutlich mit zunehmender Schaltzahl.
In allen Fällen, bei denen diese Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Bauelemente die vom Verwendungszweck des Bauelementes abhängigen zulässigen Grenzen überschreiten, werden heute zum Teil unter Verzicht auf technische Vorteile, wie z.B. die problemlose und dichte Verschweißung von Bodenplatte und Kappe sowie die Korrosionsbeständigkeit dieser Verschlußstelle, aufwendigere Herstellverfahren eingesetzt, um.diesen Veränderungen entgegenzuwirken .
So werden z.B. bei Leistungsdioden die Bodenplatte und die Kappe bereits vor dem Verschließen des Gehäuses verzinnt, wodurch das Verschweißen bedeutend erschwert wird und die Dichtigkeit dieser Verbindung nur schwer sichergestellt werden kann. Oder es werden bei Schwingquarzen in einem kostspieligen selektiven Verzinnungsprozeß nur die Anschlußdrähte der Bodenplatte durch Tauchen in flüssiges Zinn beschichtet. Damit wird zwar z.B. die Verschweißung von Bodenplatte und Kappe erleichtert ind die Lötbarkeit der elektrischen Zuleitungen sichergestellt, die Verschlußstelle selbst, die Kappe und Teile der Bodenplatte unterliegen aber weiterhin einer erhöhten Korrosionsanfälligkeit.
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Bei Transistoren und Thyristoren werden die Bodenplatten insgesamt mit Schichtstärken>0,5 μη\ vergoldet, um die Lötbarkeit der Anschlußdrähte zu gewährleisten. Durch den hohen Goldpreis liegen die Herstellungskosten derartig verschlossener Bauelemente deutlich über den Herstellungskosten eines z.B. galvanisch insgesamt oder teilweise beschichteten Gehäuses, das noch dazu den Vorteil erhöhter Korrosionsbeständigkeit des gesamten Gehäuses aufweist und damit auch die Verwendung billiger Grundmaterialien z.B. für die Kappe (Stahl anstelle von Nickel) und/oder die Bodenplatte (Stahl anstelle von NiFe- oder NiPeCo-Legierungen) ermöglicht.
Diese Beispiele zeigen, daß alle Versuche, die genannten Probleme unter Verzicht auf eine völlige Beschichtung des gesamten, verschlossenen Gehäuses zu bewältigen, zu unbefriedigenden Ergebnissen geführt haben.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein korrosionsbeständiges Gehäuse der oben beschriebenen Art zum Schutz von elektronischen und elektrischen Bauelementen vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen, dessen elektrische Zuleitungen mit säurefreien Flußmitteln lötbar sind, und in denen die darin aufgebauten Bauelemente keine Veränderungen ihrer elektrischen Eigenschaften z.B. bei Lagerung oder Betrieb des Bauelementes bei erhöhter Temperatur oder bei Ausführung der für die einzelnen Bauelemente vorgeschriebenen Prüfverfahren erfahren. Das erfindungsgemäße Gehäuse soll unter Verwendung billiger Werkstoffe auch die bisherigen rationellen Fertigungsverfahren und -Einrichtungen bei der Hontage und beim Verschluß des Bauelementes zulassen.
Dieses Ziel wird gemäß den Patentansprüchen erreicht.
Es wurde gefunden, daß die oben beschriebenen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Bauelemente offenbar durch Wasserstoff und Wasserdampf, die sich im Gehäuseinneren, in
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der Gehäusewand t in den elektrischen Zuleitungen befinden, verursacht werden. Wasserstoff diffundiert in atomarer Form bei der galvanischen Verzinnung und den dazu notwendigen Vorreinigungsprozessen, wie z.B. der kathodischen elektrolytischen Entfettung oder der Entfernung von Metalloxiden durch Beizen in Säuren (HCl, H2SO4 etc.) in die Gehäusewand und in die elektrischen Zuleitungen und durch Wand und Zuleitungen hindurch in das Gehäuseinnere.
Dabei kann der Beitrag der einzelnen galvanischen Prozesse und sonstigen Vorreinigungsschritte sowie der einzelnen Teile des Gehäuses wie Bodenplatte, Kappe und elektrische Zuleitungen zur Wasserstoffdiffusion sehr unterschiedlich sein. Im Gehäuseinneren bildet sich z.B. mit dem Sauerstoff des zunächst trockenen Füllgases, den dünnen Oxidfilmen an den Gehäuseinnenseiten, den Oxidschichten an den Korngrenzen des Gehäusemetalls und den Oxiden des Glases Wasserdampf, insbesondere bei zeitlich längerer Einwirkung erhöhter Temperaturen. Wasserdampf kann auch in das Gehäuseinnere gelangen, wenn das Füllgas nicht ausreichend getrocknet wurde oder Bauelement, Bodenplatte und/oder Kappe vor dem Verschluß des Gehäuses nur unzureichend von adsorbiertem Wasser befreit wurden.
Dieser Wasserdampf, der zu einer Erhöhung der relativen Feuchtigkeit der zunächst trockenen Gehäuseatmosphäre (Taupunkt 00C) führt, bildet auf Glas eine Oberflächengelschicht, die bei Bodenplatten mit durch Glas voneinander isolierten elektrischen Zuleitungen zu einer Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit führt und damit zu einer Verringerung des Isolationswiderstandes zwischen den elektrischen Zuleitungen. Bei einem Transistorgehäuse vom Typ TO 39 verringert sich dadurch z.B. der Widerstand zwischen Kollektor und Basiszuleitung Rc„ (siehe Abbildung 1), so daß ein höherer Kollektor-Reststrom ΙςΒ fließt. Gleichzeitig tritt
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bei Lagerung bei erhöhter Temperatur eine Verwitterung der Glasoberfläche auf, die ebenfalls eine Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit bewirkt. Schlägt sich der Wasserdampf auf einem Schwingquarz nieder, so bedeutet dies eine zusätzliche dämpfende Masse auf dem Quarz, die zu einer verringerten Schwingungsfrequenz f und zu einer Erhöhung des dynamischen Verlustwiderstandes R führt. Bei elektrischen Schaltkontakten bilden sich unter dem Einfluß der feuchten Gehäuseatmosphäre Oxidationsprodukte auf den Kontaktflächen, die den Kontaktwiderstand deutlich erhöhen. Diese Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Bauelemente lassen sich erfindungsgemäß verhindern.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Zum Aufbau von Transistorbauelementen (Abb. 2) werden Bodenplatten 1 in Form von elektrischen Durchführungen verwendet (Typ TO 39), bei denen alle Metallteile aus einer NiFeCo-Legierung bestehen (Vacon 10, VAC Hanau). Die elektrischen Zuleitungen 2 sind voneinander durch ein Hartglas 3 isoliert. Das Gehäuse besitzt eine übliche Kappe 4 aus Nickel, die nach Füllung des Gehäuses mit trockener Luft (Taupunkt^, -40 0C) durch Widerstandsschweißung mit der Bodenplatte 1 verbunden wird. Als sensible Oberflächen gegenüber Wasserstoff und Wasserdanpf wirken die Glasflächen 3a der Bodenplatte 1. Durch Beschichten dieser Flächen 3a mit Silanen (z.B. VP 1405, Fa. Wacker, München) wird die Glasoberfläche innerhalb großer Temperaturbereiche unempfindlich gegenüber der Einwirkung von Wasserstoff und Wasserdampf.
So verändert sich der Kollektor-Reststrom ICß von Transistorbauelementen, die auf derart behandelten Bodenplatten aufgebaut wurden und deren Gehäuse nach dem Verschluß insgesamt
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galvanisch verzinnt wurden (schwefelsaures Zinnbad, Schichtdicke 5 μΐη) , nach einer Temperaturlagerung bei 20O0C praktisch nicht. Dagegen zeigt sich ein starker Anstieg des Kollektor-Reststromes IpB bei gleichartigen Transistorbauelementen, bei denen die Glasoberflächen nicht mit Silan beschichtet waren (Abbildung 3).
Beispiel 2
Bei der Herstellung von Schwingquarzen (Abb. 4) werden Bodenplatten 1 in Form von elektrischen Durchführungen aus Stahl verwendet (Typ HC 18), wobei diese vor dem Erschmelzen der Durchführung galvanisch vernickelt wurden: (Reinnickel; Schichtdicke 4 μπι) . Die elektrischen Zuleitungen 2 in Form von Drähten bestehen aus einer NiFe-Legierung (Vacovit 500 , VAC Hanau)und sind voneinander durch Weichglas 3 isoliert. Als sensible Oberflächen gegenüber Wasserstoff und Wasserdampf wirken die Glasflächen 3a der Bodenplatte 1 und die blanken sowie die mit elektrischen Anschlußkontakten 6 belegten Quarzflächen des Schwingquarzes 5. Die Kappe 4 besteht aus einer allseitig chemisch vernickelten Stahlkappe (phosphorlegiertes Nickel, Schicktdicke 5 μπι) , bei der die Nickelschicht durch nachträgliche Temperaturlagerung eine Nickel-Eisen-Verbindung mit dem Stahl der Kappe gebildet hat (N2 -Atmosphäre, 8000C, 0,5 h). Nach Füllung des Gehäuses mit trockenem Stickstoff (Taupunkt «£ - 4O0C) wird die Kappe 4 durch Widerstandsschweißung mit der Bodenplatte 1 verbunden. Die NiFe-Legierung der elektrischen Zuleitungen 2 und die dünne NiFe-Schicht, mit der die Stahlkappe belegt ist, schränken die Diffusion von Wasserstoff durch das Gehäuse hindurch bei einer galvanischen Verzinnung des verschlossenen Gebäudes soweit ein (fluorborsaures Zinnbad, Schichtdicke 10 μΐη) , daß keine störenden Veränderungen der elektrischen Funktionen des Schwingquarzes nach einer Temperaturlagerung des Bauelelementes bei 1050C auftreten. Wird die chemische Nickelschicht der Stahlkappe nicht der Temperaturlagerung
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bei 8000C ausgesetzt (keine Bildung der NiPe-Schicht), so erfolgt die oben beschriebene Abnahme der Schwingungsfrequenz f und Zunahme des dynamischen Verlustwiderstandes R des Schwingquarzes (Abbildung 5).
Beispiel 3
Zur Herstellung extrem temperaturstabiler Schwingquarze (Abb. 6) werden Bodenplatten 1 und Kappen 4 verwendet, die nach Füllung des Gehäuses mit trockener Luft (Taupunkt 4s - 400C) durch Kaltschweißtechnik miteinander verbunden werden (Typ HC 43). Die Kappe besteht wie die Verschlußstelle 1a der Bodenplatte 1 aus Kupfer. Die elektrischen Zuleitungen 2 bestehen aus Kupfermanteldraht und sind durch Weichglas voneinander isoliert. Bei der Verzinnung des Gehäuses mit einem stromlosen Verfahren (tinposit LT-27-Verfahren, Fa. Shipley, Stuttgart; Schichtdicke 2,0 μπι) tritt kein oder* nur in geringem Umfang Wasserstoff auf, so daß sich die elek^· trischen Eigenschaften des Schwingquarzes 5 bei Temperaturlagerung bei 1050C nicht oder nur unwesentlich verändern. Im Gegensatz dazu tritt bei gleichartigen Bauelementen mit galvanischer Verzinnung (fluorborsaures Zinnbad, Schichtdicke 2 μπι) eine Abnahme der Schwingungsfrequenz f und eine Zunahme des dynamischen Verlustwiderstandes R auf (Abbildung
Leerseite

Claims (9)

  1. 282U26
    536
    Dr. Joachim Rasper
    Patentanwalt
    62 Wiesbaden
    itorstadtir HSh· 22 · Til. 5t 214»
    JENAer GLASWERK
    SCHOTT & GEN.
    Hattenbergstr. 10
    6500 Mainz
    Gehäuse für elektrische und elektronische Bauelemente
    Patentansprüche:
    1 .J Gehäuse zur Kapselung von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen zum Schütze derselben vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen, bestehend aus einer Bodenplatte, durch welche eine oder mehrere voneinander isolierte, elektrische Zuleitungen geführt sind, und einer Kappe, wobei dieses Gehäuse nach dem Verschließen durch völlige oder partielle Beschichtung mit einer die Lötbarkeit der elektrischen Zuleitungen und die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses erhöhenden Schicht versehen worden ist, dadurch gekenn- = zeichnet, daß zur Erhaltung der elektrischen Eigenschaften dieser elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente nach Beschichtung dieses Gehäuses den folgenden Aufbau aufweist:
    609849/0386
    ORIGINAL INSPECTED
    282442$
    a) die die elektrischen Eigenschaften des Bauelements beeinflussenden Oberflächen im Inneren des Gehäuses sind partiell oder vollständig durch Silane passiviert, und/oder
    b) das Gehäuse besteht völlig oder teilweise aus Materialien, welche die Diffusion von Wasserstoff in die gehäusewand, in die elektrischen Zuleitungen und in das Gehäuseinnere zumindest teilweise verhindern, und/oder
    c) die die Lötbarkeit der elektrischen Zuleitungen und die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses erhöhende Schicht ist mittels eines völlig oder weitgehend ohne Wasserstoffentwicklung ablaufenden Verfahrens aufgebracht.
  2. 2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese die Wasserstoffdiffusion verhindernden Materialien aus Glas, Glaskermaik, Keramik, Kunststoff, Kupfer, gesintertem reinem Nickel, Neusilber, OFHC-Kupfer, NiCr-y NiFeCr-, NiFeCo-, NiFe-, FeCo-, NiCo- und FeCr-Verbindungen oder einer Kombination daraus bestehen.
  3. 3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Wandstärke des ganzen Gehäuses oder von Teilen des Gehäuses aus diesem die Wasserstoffdiffusion verhindernden Materialien besteht.
  4. 4. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur Teile der Wandstärke des ganzen Gehäuses oder von Teilen des Gehäuses aus diesen die Wasserstoffdiffusion verhindernden Materialien bestehen.
  5. 5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wasserstoffdiffusion verhindernden Materialien auf alle oder Teile der wasserstoffdurchlässigen Materialteile des Gehäuses vor oder nach dem Verschließen durch
    Ö098A9/038S
    Aufdampfen, Sputtern, Plattieren, Löten, Schweißen, Aufschmelzen, Aufsintern, Tauchen, Umpressen, galvanischen oder stromlosen Prozessen aufgebracht worden sind.
  6. 6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder Teile der wasserstoffdurchlässigen Materialteile des Gehäuses aus Chrom, Eisen, Stahl, reinem, phosphor- bzw. borlegiertem Nickel, Kobalt oder Legierungen daraus durch Aufdampfen, Sputtern, Plattieren, galvanische und stromlose Prozesse vor oder nach dem Verschließen mit Eisen, Stahl, Chrom, reinem, phosphor- bzw. borlegiertem Nickel, Kobalt oder Legierungen daraus belegt worden sind t und durch Diffusion bei· erhöhter Temperatur diese die Wasserstoffdiffusion verhindernden NiFeCo-, NiFeCr-, NiFe-, FeCo-, NiCi>, NiCo- und FeCr-Verbindungen vor oder nach dem Verschließen erzeugt worden sind.
  7. 7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Lötbarkeit der elektrischen Zuleitungen und die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses erhöhende Schicht aus Zinn, Kupfer, Nickel, Zink, Cadmium, Blei und /oder Legierungen hieraus besteht.
  8. 8. Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht durch Aufdampfen, Sputtern, Sintern, Aufschmelzen, Tauchen in geschmolzenes Metall,galvanische und/ oder stromlose (chemische) Verfahren aufgebracht worden ist.
  9. 9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bauelemente Transistoren, Dioden, Thyristoren, integrierte Schaltungen, Schwingquarze, Relais, Reedschalter oder elektrische Schaltkontakte sind.
    0098A9/03SS
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