DE2937050C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flachgehäuse zur Aufnahme von elektrischen Mikroschaltkreisen, das aus einem Metall­ rahmen, durch den elektrische Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen hindurchgeführt sind, und aus einer Bodenplatte besteht, die unter Bildung einer Dichtung an der einen Seite des Rahmens angeordnet ist; außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Flachgehäuses.

Ein Ganzmetall-Flachgehäuse ist zum Beispiel aus der DE-OS 20 61 179 bekannt. Es besteht im wesentlichen aus Kupfer, das mit Nickel plattiert ist, so daß eine gute Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses vorhanden ist. Allerdings bereitet der Einbau von Bauteilen, die Wärme erzeugen, Schwierigkeiten, da deren Substrate in der Regel aus Aluminiumoxid bestehen, und Aluminiumoxid und Kupfer einen stark unterschiedlichen Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten aufweisen. Aus diesem Grund ist eine innige Verbindung zwischen einem Substrat aus einem Aluminiumoxid und beispielsweise der Bodenplatte des Ge­ häuses nur schwer möglich. Die guten Wärmeleiteigenschaften des Kupfers können daher nicht optimal genutzt werden. Ähnliches gilt für ein Gehäuse gemäß der DE-OS 19 56 880, das deshalb im Gehäuseinneren entstehende Wärme schlecht ableitet, weil der Boden nach Art eines Tisches einge­ zogen ist, so daß er keine direkte Kontaktmöglichkeit zu einem wärmeabführenden Untergrund hat.

Das bevorzugte Metall für derartige Rahmen, in dem sich die mit Hilfe von Glas eingesiegelten Leitungsdurchführungen be­ finden, ist Kovar, das wegen seines Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten besonders gut mit Glas verträglich ist. Allerdings hat es schlechte Wärmeleiteigenschaften, so daß es für die Bodenplatte von Flachgehäusen, die Leistungschips ent­ halten, ungeeignet ist. Gehäuseaufbauten unter Einschluß einer Grundplatte bzw. einer Bodenplatte aus Kovar sind aus der DE-AS 12 60 034 und aus der US-PS 38 01 938 bekannt. Die einzige Möglichkeit, die thermischen Schwierigkeiten eines gänzlich aus Kovar hergestellten Flachgehäuses zu verringern, besteht darin, die Bodenplatte besonders dünn auszugestalten, wodurch die Länge des Wärmepfades von der Basisplatte, die das Mikroschaltkreischip trägt, bis zur Wärmeabfuhrstelle reduziert wird. Nachteilig ist dabei jedoch, daß dadurch die Formstabilität des Bodens des Flachgehäuses verlorengeht.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Flachgehäuse der eingangs genannten Art vorzuschlagen, daß die Vorteile einer formstabilen Bodenplatte mit den Vorteilen einer guten Wärmeabfuhr bei gleichzeitiger Verträglichkeit der mit Hilfe von Glas eingesiegelten Leitungsdurch­ führungen verbindet; darüber hinaus soll ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flachgehäuses vorgeschlagen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Rahmen aus Kovar und die Bodenplatte aus Molybdän be­ steht, und daß mindestens auf der mit dem Rahmen in Be­ rührung stehenden Fläche der Bodenplatte eine lötfähige Metallplattierung aufgesintert ist. Letztere besteht insbe­ sondere aus Nickel.

Das Plattieren mit Nickel ist für sich gesehen zur Beschich­ tung von Keramikmaterial zur Schaffung einer lötbaren Fläche bekannt, nämlich zum Beispiel aus der US-PS 36 46 405. Bei der Herstellung von Gehäusen für 4-Pol-Halbleiterbauelemente ist außerdem eine Beschichtung von Molybdän mit Silber bekannt (DE-OS 16 14 858). Auch bei der Erfindung sind Nickel, Gold oder ähnliche Plattierungsmetalle geeignet, die leicht auf das Molybdän aufsinterbar sind. Nickel kann zum Beispiel bei einer Temperatur von ca. 350 bis 400°C entweder in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum auf­ gesintert werden. Bei der Plattierung und Sinterung werden bekannte Techniken angewandt. Die plattierte Fläche umfaßt mindestens die Bereiche, die mit dem Rahmen in Berührung kommen, sie können jedoch auch größer sein; eine beid­ seitige Plattierung der Bodenplatte ist unschädlich.

Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flachge­ häuses ist durch folgende Verfahrensschritte festgelegt:
Einsetzen von elektrischen Leitungen mit Hilfe von Glas­ dichtungen in einem Rahmen aus Kovar;
Aufsintern einer lötfähigen Metallplattierung auf eine Molybdän-Bodenplatte, mindestens in dem Bereich der Be­ rührung mit dem Rahmen;
Anlöten der plattierten Molybdän-Bodenplatte an den Rahmen bei einer Löttemperatur von weniger als 500°C.

Bei einem Flachgehäuse gemäß der Erfindung ist es möglich, eine einzige Basisplatte aus 96%igem Aluminiumoxid zu verwenden, die ein oder mehrere Leistungschips und zuge­ hörige Schaltkreise trägt. Die Basisplatte kann auf die Bodenplatte des Flachgehäuses aufgelötet werden, so daß eine zuverlässige Verbindung mit sehr guten Wärmeübertragungs­ eigenschaften entsteht.

Die Kombination eines Kovarrahmens mit einer Molybdän- Bodenplatte nutzt jeweils die Vorteile beider Metalle unter Vermeidung ihrer Nachteile. Kovar gestattet nämlich eine zuverlässige Abdichtung mit Hilfe der Glasdichtungen innerhalb des Rahmens und außerdem die leichte Anbringung eines Deckels durch Schweißen. Die nicht sehr günstigen Wärmeleiteigenschaften spielen für den Rahmen eine unter­ geordnete Rolle.

Molybdän hingegen hat einen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten, der genügend nahe an dem von 96%igem Aluminium­ oxid liegt, wodurch innerhalb eines Flachgehäuses eine einzige Basisplatte aus Aluminiumoxid auf die Bodenplatte aufgelötet werden kann. Dies gilt auch für Basisplatten, die in einer oder mehreren Richtungen die Größe von ca. 12 mm überschreiten. Darüber hinaus zeichnet sich Molybdän durch einen guten Wärmeleitfaktor aus, der ungefähr 0,34/cal/cm²/cm/sec/°C beträgt, also etwa das Achtfache der Leitfähigkeit von Kovar. Das schlechte Zusammenwirken mit Glasdichtungen von Molybdän und sein ungünstiges Verhalten beim Aufschweißen von Deckeln zum Verschließen des Flachgehäuses wegen seines hohen Schmelzpunktes stören dabei nicht, da für den Rahmen nicht Molybdän sondern Kovar verwendet wird.

Für eine gute Wärmeabfuhr eines Flachgehäuses ist ein in sich völlig ebener Boden für eine gute Verbindung zu einer Wärmeabführungsstelle unerläßlich. Der thermische Aus­ dehnungskoeffizient von Molybdän und Kovar ist nicht iden­ tisch; bei der Erfindung werden deshalb der Kovar-Rahmen und die Molybdän-Bodenplatte mit Hilfe eines Hartlotes aufeinandergelötet bei einer Tempe­ ratur unterhalb von 500°C. Dabei bildet das Hartlot eine fortlaufende Dichtung zwischen dem Rahmen und der Bodenplatte, die später zu einem insgesamt hermetisch dichten Flachgehäuse führt. Durch höhere Löttemperaturen kann möglicherweise eine noch zu­ verlässigere Verbindung zwischen beiden Teilen erzeugt werden, bei Verarbeitungstemperaturen oberhalb von ca. 500°C besteht jedoch die Gefahr, daß beim Abkühlen der so gebildeten Einheit Zugspannungen entstehen, die unerwünschte Unebenheiten innerhalb der Bodenplatte erzeugen. Als Lot zur Ausführung der Erfindung kommen in der Praxis Gold-Zinn, Gold-Germanium oder ähnliche Lote zur Verwendung.

Die elektri­ schen Leitungen sind mit Hilfe der Glasdichtungen bereits in den Kovar-Rahmen eingebracht, wenn dieser an die Molybdän-Boden­ platte angelötet wird. Da die Verarbeitungstemperatur bei dem Lötvorgang 500°C nicht überschreitet, besteht für den soweit vorgefertigten Rahmen keine Gefahr. Im übrigen ist das Glasab­ dichten von elektrischen Leitungen in Kovar allgemein bekannt.

Nach dem Zusammenlöten der Molybdän-Bodenplatte mit dem vorge­ fertigten Rahmen aus Kovar kann die Installation der Basisplatte mit dem Schaltkreis bzw. den Schaltkreisen vorgenommen werden. Jede Basisplatte trägt elektrische Komponenten, deren Zulei­ tungen an Anschlußflächen enden, die wiederum mit den elektri­ schen Zuleitungen verbunden werden müssen, die durch den Kovar­ rahmen hindurchlaufen. Sowohl das Befestigen der Basisplatten als auch der elektrischen Leitungen an den Anschluß­ flächen kann mit Hilfe eines Weichlotes erfolgen. Dabei können übliche Lotsorten verwendet werden, wie zum Beispiel Zinn-Blei, Gold-Zinn, Gold-Germanium oder jedes andere Lot oder sogar Hart­ lot, das zum Zusammenlöten der beteiligten Metalle geeignet ist.

Wie oben bereits erwähnt, können Basisplatten aus Aluminium­ oxid in einer oder mehreren Richtungen die Länge von 12 bis 13 mm überschreiten und trotzdem Schaltkreise tragen, denen eine starke Wärmeentwicklung eigen ist. Typische, wärmeerzeu­ gende Schaltkreise sind zum Beispiel übliche Leistungschips, etwa Spannungsregler, Spannungsteiler und dergleichen.

Nach dem Einbringen der Basisplatte in das Flachgehäuse und nach dem Anschluß der elektrischen Leitungen wird das Flachgehäuse mit Hilfe eines Deckels hermetisch verschlossen. Er besteht vorzugsweise aus Kovar und kann entweder durch Schweißen, Lö­ ten oder durch einen Kleber an dem Rahmen befestigt werden; in der Regel werden die Deckel aufgeschweißt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Rahmen, eine Bodenplatte und die elektrischen Leitungen eines Flachgehäuses,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und

Fig. 3 eine isometrische Ansicht des Flachgehäuses.

Das in den Fig. 1-3 dargestellte Flachgehäuse besteht aus einem Kovar-Rahmen 1, einer Bodenplatte 2 aus Molybdän und aus elektrischen Leitungen 3. Die elektrischen Leitungen sind in Öffnungen innerhalb des Kovar-Rahmens mit Hilfe von Glasdich­ tungen 4 gehalten. Eine Basisplatte 5 aus 96%igem Aluminium­ oxid trägt eine oder mehrere Leistungschips, die an die Boden­ platte 2 des Flachpaketes angelötet sind, was durch eine gestri­ chelte Linie in Fig. 2 angedeutet ist.

Die Größe und die Form des Flachgehäuses ändert sich mit dem speziellen Verwendungszweck. Das Flachgehäuse kann eine quadra­ tische, rechteckige oder jede andere Form aufweisen. Die Anzahl der elektrischen Leitungen kann ebenfalls in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck schwanken. Dabei können die Leitungen so­ wohl in einer als auch in mehreren Seiten des Rahmens angeordnet sein. Bei einem typischen Flachgehäuse quadratischen Querschnitts mit einer Kantenlänge von 2,54 cm beträgt die Dic­ ke der Bodenplatte 0,5 mm, während der Rahmen 1 mm dick und 3,3 mm hoch ist. Die Wahl der richtigen Dimensionen für einen gegebenen Verwendungszweck bereitet für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann keine Schwierigkeit.

Claims (8)

1. Flachgehäuse zur Aufnahme von elektrischen Mikroschalt­ kreisen, bestehend aus einem Metallrahmen, durch den elektrische Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen hin­ durchgeführt sind, und aus einer Bodenplatte, die unter Bildung einer Dichtung an der einen Seite des Rahmens angelötet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rahmen (1) aus Kovar und die Bodenplatte (2) aus Molybdän besteht, und daß mindestens auf der mit dem Rahmen (1) in Berührung stehenden Fläche der Bodenplatte (2) eine lötfähige Metallplattierung aufgesintert ist.

2. Flachgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Plattierung aus Nickel be­ steht.

3. Flachgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf die Molybdän-Boden­ platte (2) eine Basisplatte (5) aus 96%igem Aluminium­ oxid aufgelötet ist.

4. Flachgehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basisplatte (5) einen Leistungschip trägt.

5. Flachgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die offene Seite des Rahmens (1) ein Deckel aus Kovar aufgeschweißt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Flachgehäuses nach Anspruch 1 oder 2, mit den Verfahrensschritten:
Einsetzen von elektrischen Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen in einem Rahmen aus Kovar;
Aufsintern einer lötfähigen Metallplattierung auf eine Molybdän-Bodenplatte, mindestens in dem Be­ reich der Berührung mit dem Rahmen;
Anlöten der plattierten Molybdän-Bodenplatte an den Rahmen bei einer Löttemperatur von weniger als 500°C.

7. Verfahren nach Anspruch 6, mit dem zusätz­ lichen Verfahrensschritt des Anlötens einer Basis­ platte aus 96%igem Aluminiumoxid auf die Molybdän- Bodenplatte.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 mit dem zusätz­ lichen Verfahrensschritt des Aufschweißens eines Deckels aus Kovar auf die offene Seite des Rahmens.