DE2937051C2

DE2937051C2 -

Info

Publication number: DE2937051C2
Application number: DE2937051A
Authority: DE
Inventors: Jeremy D. South Dartmouth Mass. Us Scherer
Original assignee: ISOTRONICS Inc NEW BEDFORD MASS US
Current assignee: ISOTRONICS Inc NEW BEDFORD MASS US
Priority date: 1978-09-14
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1988-07-21
Also published as: CA1114485A; US4266089A; GB2032188A; FR2436497A1; GB2032188B; FR2436497B1; DE2937051A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Flachgehäuse zur Aufnahme von elektrischen Mikroschaltkreisen, das aus einem Rahmen mit elektrischen Leitungen besteht, die mit Hilfe von Glas dichtungen durch den Rahmen hindurchgeführt sind sowie aus einer Bodenplatte aus Kupfer, die an dem Rahmen angelötet ist.

Ein derartiges Flachgehäuse ist zum Beispiel aus der DE-OS 20 61 179 bekannt. Das eigentliche Flachgehäuse wird in dieser Veröffentlichung als Platte bezeichnet, die durch eine spanenden Bearbeitung, durch Umformen, durch Gießen oder durch ein Lötkonstruktion unter Verwendung von Hart lot gebildet wird. Für eine gute Wärmeleitung sollen eng an der Seitenwand anliegende Metallkörper eingesetzt werden, wenn ein entsprechend hohes Wärmeleitvermögen gefordert wird. Als Werkstoff für die Platte 12 wird nickelplattiertes Kupfer vorgeschlagen.

Es muß bezweifelt werden, ob in einem derartigen Werkstoff eine Leitungsdurchführung mit Hilfe von Glasdichtungen ver wirklicht werden kann. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodule von Kupfer und Glas sind so stark voneinander verschieden, daß bisher keine hermetische Ab dichtung, die für entsprechende Flachgehäuse gefordert werden muß, gelungen ist. Hingegen können Leitungsdurch führungen mit Hilfe von Glasdichtungen in Stahlgehäusen als zuverlässig und brauchbar angesehen werden.

In der US-PS 39 36 864 ist ein Flachgehäuse für einen Mikrowellentransistor beschrieben, bei dem für die Wärme ableitung eine Kupferplatte eingesetzt wird. Die Kupfer platte hat mit dem Leistungschip über eine Tragplatte aus Keramik (BeO) Kontakt, und um diese Kontaktstelle herum wird in einem Schichtaufbau ein Flachgehäuse geformt. Es werden mit der Kupferplatte insgesamt sechs Schichten einschließlich des Deckels ein gesetzt, um die jeweilige Materialverträglichkeit zwischen Schichten, die aus technologischen Gründen benötigt werden, sich jedoch nicht direkt vertragen, herzustellen. Dabei werden sehr teure Lote und aufwendige Fügeverfahren einge setzt, wie zum Beispiel eine Art Reibschweißen bei erhöhter Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der verwendeten Materialpaarungen. Die hervorragenden wärmeleitenden Eigen schaften des Kupfers zur Ableitung der in dem Leistungschip entstehenden Wärme werden also mit einem erheblichen Aufwand erkauft, so daß der Aufbau anfällig für Fehlstellen infolge der zahllosen Fügeflächen ist.

Aus der DE-AS 12 60 034 ist eine weitere Art der Leitungs durchführungen bekannt, bei der die elektrischen Leiter nicht in kreisringförmigen Einsätzen untergebracht sind, sondern in rechteckigen Glasrahmen, die unter Wärmeeinwirkung und unter Einschluß der elektrischen Leiter aufeinandergelegt werden. Dabei umfließt das Glasmaterial die elektrischen Leiter zur Bildung einer hermetisch dichten Leitungsdurch führung. Aus der US-PS 36 46 405 wird eine Leitungsdurch führung unter Zuhilfenahme einer Zwischenplatte gelehrt, wobei die metallische Zwischenplatte hermetisch dicht an einem Gehäuseteil befestigt ist und an den beiden Flach seiten der Platte elektrische Leiter befestigt sind, bei spielsweise durch Schweißen oder dergleichen.

Flachgehäuse der eingangs genannten Art für elektrische Mikroschaltkreise werden in der Regel aus Kovar herge stellt, weil die Glasabdichtung bei der Leitungsdurch führung sehr gut gelingt. Allerdings weist dieser Werk stoff nur eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit auf, nämlich etwa 50 · 10^-71/°C. Dadurch ergeben sich Probleme bei der Wärmeabfuhr von Leistungschips durch die Bodenplatte des Flachpaketes hindurch zu einer Wärme abfuhrstelle. Es wurde vorangehend schon beschrieben, daß aus diesem Grunde der Versuch gemacht worden ist, ein Kupfergehäuse einzusetzen, das jedoch mit Leitungs durchführungen unter Verwendung von Glasabdichtungen nicht harmoniert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bodenplatte besonders dünn zu wählen, wodurch die Länge des Wärmepfades vor der Basisplatte bis zur Wärme abfuhrstelle reduziert wird. Die Gestaltfestigkeit der artiger Flachgehäuse läßt jedoch zu wünschen übrig.

Sobald ein korrosionsbeständiger Stahl oder ein kaltge walzter Stahl für das Flachgehäuse verwendet wird, ist zwar eine gute Verträglichkeit mit den Glasdichtungen vorhanden, wegen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist hingegen eine Unverträglichkeit mit beispielsweise 96%igem Aluminiumoxid festzustellen. Dieses für Leistungs chips benutzte Basismaterial muß dann mit Hilfe eines Klebers aufgebracht werden, so daß der erhoffte gute Wärmeübergang zwischen der Basisplatte und der Boden platte des Gehäuses wieder zunichte gemacht wird. Im übrigen ist der Wärmeleitkoeffizient derartiger Stähle nur geringfügig besser als der von Kovar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Flachgehäuse der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei Temperaturbean spruchung eine ausreichende Dichtigkeit, insbesondere im Bereich der Glasdurchführungen, und eine gute Wärmeleit eigenschaft erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß eine Werkstoffkombination benutzt wird, die aus korrosions beständigem Stahl der Type X5CrNiMo 18/10 für den Rahmen und einem Lot zur Verbindung beider Teile besteht, das eine Schmelztemperatur von weniger als 460°C aufweist.

Das Flachgehäuse gemäß der Erfindung gestattet die Unter bringung eines Substrates aus Berylliumoxid als Basis platte für einen Leitungschip unter Erzielung einer besonders guten Wärmeabfuhr. Dabei kann die Basisplatte an die Boden platte des Flachgehäuses angelötet werden, ohne daß die Gefahr der Rißbildung besteht. Auf diese Weise werden die Vorteile der Verwendung von Kupfer mit denen von korrosions beständigem Stahl verbunden. Der thermische Ausdehnungs koeffizient von Kupfer liegt genügend nahe an dem von Berylliumoxid, so daß Mikroschaltkreise auf einer ziemlich großen Basisplatte aus Berylliumoxid durch Löten auf der Kupferbodenplatte aufgebracht werden können.

Dabei sollte allerdings die Basisplatte aus Berylliumoxid nicht allzu groß gewählt werden, da dann durch thermische Expansion ein Bruch der Basisplatte vorkommen kann. Dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist die jeweils zulässige Größe einer Basisplatte aus Berylliumoxid geläufig; es hat sich in der Praxis gezeigt, daß als Anhaltswert Rundlinge aus Berylliumoxid mit einem Durchmesser von 6 bis 7 mm gute Ergebnisse liefern. Diese Rundlinge sind klein genug, um Probleme mit der Wärmedehnung zu vermeiden und groß genug, um eine gute elektrische Isolierung zu bewirken. Kupfer weist eine sehr günstige thermische Leitfähigkeit auf (un gefähr 178 · 10^-7 · 1/°C, es ist jedoch nicht möglich, Glasdichtungen direkt in Kupfer unterzubringen, und außerdem ist es nicht besonders geeignet zum Aufschweißen beispiels weise einer Abdeckung oder dergleichen.

Korrosionsbeständiger Stahl hingegen gestattet eine zuver lässige Glasabdichtung elektrischer Leitungen, außerdem können Abdeckungen mit Hilfe eines Schweißvorganges sehr leicht angebracht werden. Der thermische Ausdehnungskoeffi zient von Kupfer und korrosionsbeständigem Stahl mit der Bezeichnung X5CrNiMo 18/10 ist nicht identisch. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung die Verwendung eines Lotes vor, das bei einer Temperatur unterhalb von 460°C schmilzt. In diesem Temperaturbereich sind nach dem Erkalten der Lötstelle die Eigenspannungen gering genug, um noch keine Verformung beispielsweise der Bodenplatte hervorzurufen. Mit Rücksicht auf die Formbeständigkeit des Flachgehäuses nach dem Zusammenfügen des Rahmens mit der Bodenplatte wird also die Lottemperatur ausgewählt. Die zur Verwendung kommenden Lote bestehen aus Gold-Zinn, Gold-Germanium oder dergleichen.

Nach dem Zusammenlöten der Kupfer-Bodenplatte mit dem vor gefertigten Rahmen aus korrosionsbeständigem Stahl kann die Installation der Basisplatten mit dem Schaltkreis bzw. den Schalt kreisen vorgenommen werden. Jede Basisplatte trägt elektri sche Komponenten, deren Zuleitungen an Anschlußflächen enden, die wiederum mit den elektrischen Zuleitungen verbunden wer den müssen, die durch den Stahlrahmen hindurchlaufen. Sowohl das Befestigen der Basisplatten aus Berylliumoxid als auch der elektrischen Leitungen an den Anschlußflächen kann mit Hilfe eines Weichlotvorganges erfolgen. Dabei können übliche Lot sorten verwendet werden, wie zum Beispiel Zinn-Blei, Gold-Zinn, Gold-Germanium oder jedes andere Lot oder sogar Hartlot, das zum Zusammenlöten der beteiligten Metalle geeignet ist.

Wie oben bereits erwähnt, können Basisplatten aus Beryllium oxid stark wärmeentwickelte Schaltkreise tragen, wobei diese Wärme abgeführt werden muß. Typische wärmeerzeugende Schalt kreise sind zum Beispiel übliche Leistungschips, etwa Spannungs regler, Spannungsteiler und dergleichen. Der gesamte Mikro schaltkreis kann auf einer einzigen Basisplatte aus Beryllium oxid angebracht sein. Abweichend davon ist es aber ebenso mög lich, Bereiche des Mikroschaltkreises, die keine oder wenig Wärme abgeben, auf Basisplatten aus 96%igem Aluminiumoxid anzubringen. Diese letztgenannten Basisplatten können auf die Kupfer-Bodenplatte mit Hilfe eines Klebers aufgebracht werden. 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 korrosionsbeständigem Stahl und kann entweder durch Schweißen oder durch einen Kleber an dem Rahmen befestigt werden; in der Regel werden die Deckel aufgeschweißt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels, 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 Fig. 1 dargestellte Flachgehäuse besteht aus einem Rahmen 1 aus korrosionsbeständigem Stahl, einer Bodenplatte 2 aus Kupfer und aus elektrischen Leitungen 3. Die elektrischen Lei tungen 3 sind mit Hilfe von Glasdichtungen 4 in Öffnungen ge halten, die innerhalb des Rahmens auf sich gegenüberliegenden Seiten angebracht sind. Auf die Bodenplatte 2 aus Kupfer ist eine Basisplatte 5 aus Berylliumoxid aufgelötet (Fig. 2), die gegebenenfalls ein oder mehrere Leistungschips trägt.

Die Größe und Konfiguration jedes Flachgehäuses hängt von dem jeweiligen Verwendungszweck ab. Das Gehäuse kann quadratische, rechteckige oder irgendeine andere Form aufweisen. Die Anzahl der elektrischen Leitungen unterliegt ebenfalls Schwankungen je nach dem speziellen Verwendungszweck. Sie können durch eine oder, wie in den Figuren dargestellt, durch mehrere Seiten des Rahmens 1 hindurchgeführt sein. Bei einem typischen Flachgehäuse quadra tischen Querschnitts mit einer Kantenlänge von 2,54 cm beträgt die Dicke der Bodenplatte 0,5 mm, während der Rahmen 1 mm dick und 3,3 mm hoch ist. Die Auswahl der Größe bereitet für den Fach mann auf dem entsprechenden Gebiet keine Schwierigkeit bei Kennt nis des Verwendungszwecks.

Claims

1. Flachgehäuse zur Aufnahme von elektrischen Mikroschalt kreisen, bestehend aus einem Rahmen mit elektrischen Leitungen, die mit Hilfe von Glasdichtungen durch den Rahmen hindurchgeführt sind, und aus einer Bodenplatte aus Kupfer, die an dem Rahmen angelötet ist, gekenn zeichnet durch die Werkstoffkombination:
korrosionsbeständiger Stahl der Type X5CrNiMo 18/10 für den Rahmen und
ein Lot zur Verbindung beider Teile, das eine Schmelz temperatur von weniger als 460°C aufweist.

2. Flachgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf die offene Seite des Rahmens ein Deckel aus Stahl, insbesondere aus korrosionsbe ständigem Stahl aufgeschweißt ist.

3. Flachgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß auf die Bodenplatte eine Basisplatte aus Berylliumoxid aufgelötet wird.