DE4032035C2 - Gehäuse für elektronische Schaltungen mit Hochstromdurchkontaktierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die mikroelektronische Verpackuungstechnologie. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bereitstellung eines Gehäuses für einen mikroelektronischen Leistungschaltkreis, welcher Hochstrom­ durchkontaktierungen aufweist.

Aus der DE 29 37 050 A1 ist ein Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Das bekannte Gehäuse weist eine Molybdänplatte als Basis auf, auf die ein Kovar-Rahmen aufgesetzt ist. Durch den Kovar-Rahmen sind Stromdurchführungen hindurchgeführt und mittels Glas­ dichtungen gegenüber dem Kovar-Rahmen fixiert und ab­ gedichtet.

In dem Bereich der mikroelektronischen Verpackungstechnolo­ gie ist es gegenwärtig üblich, Durchkontaktierungen zu ver­ wenden, welche Kovar-Anschlüsse aufweisen, die mit Glas in einem Kovar-Ringrahmen abgedichtet sind. Die geringe thermi­ sche Leitfähigkeit von Glas verbunden mit der geringen ther­ mischen und elektrischen Leitfähigkeit des Kovars führt zu einem extremen Aufheizen der Durchkontaktierungen, wenn sie hohe Ströme leiten. Als Ergebnis ist die Stromleitkapa­ zität von gegenwärtig verwendeten Verpackungen bzw. Gehäusen auf ungefähr 5 Ampere Dauerstrom pro Durchkontaktierung auf­ grund ihrer Aufheizung begrenzt, obwohl 40 Ampere für einen intermittierenden Stromfluß bei einem niedrigen Arbeits­ zyklus möglich sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Strom­ leitkapazität von Hochstromdurchkontaktierungen zu erhö­ hen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gehäuse gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird ein Gehäuse bereitgestellt, das eine Mehrzahl von alternierenden Ringen aufweist, welche jeweils ein thermisch leitendes Material und ein elektrisch leitendes Material aufweisen. Das thermisch leitende Material kann ein Metall­ oxid oder ein keramisches Materials wie beispielsweise Alumi­ niumnitrid oder Berylliumoxid sein, während das elektrisch leitende Material beispielsweise aus Molybdän oder einer seiner Legierungen bestehen kann. Hierbei kann die beim einleitend beschriebenen Stand der Technik vorhandene Glas-zu-Metall-Dichtung entfallen.

Die Durchkontaktierungen leiten Hochstrom in das Gehäuse hinein und aus diesem hinaus, ohne dabei eine extreme Aufheizung zu bewirken. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus alternierenden Ringen oder Schichten aus Aluminiumnitrid und Molybdän oder einer seiner Legierungen wie beispielsweise Titanzirkoniummolybdän (TZM), die aufeinandergestapelt oder geschichtet werden, um eine Wand zu bilden. Die geschichtete Wand wird in einem einzelnen Schritt auf eine Basis gelötet. Die elektrisch leitenden Molydänringe werden zum Beispiel als die Hoch­ stromdurchkontaktierungen verwendet und beinhalten Lötfahnen auf ihrem inneren und äußeren Umfang, welche die Verbindung der Einrichtungen, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, mit externen Schaltkreisen herstellen. Die thermisch leitenden Aluminiumnitridringe stellen zum Bei­ spiel eine elektrische Isolation zwischen den Durchkontak­ tierungsringen oder -schichten bereit. Die hohe thermische Leitfähigkeit von Molybdän und Aluminiumnitrid stellt eine exzellente Wärmeabgabe von den Leitungen zu der Gehäusebasis sicher. Eine Zwangskonvektionskühlung kann des weiteren verwendet werden, um die Stromleitfähigkeit des Gehäuses weiter zu erhöhen.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses, welches Hoch­ stromkontaktierungen aufweist, umfaßt die folgenden Schritte. Zunächst wird ein thermisch leitender Ring mit beispielsweise Aluminiumnitrid auf einer Grundplatte (Basis) angeordnet. Anschließend wird ein elektrisch leitender Ring mit beispielsweise nickelbeschichtetem Molybdän auf dem thermisch leitenden Ring aus Aluminiumnitrid angeordnet. Dann werden zusätzliche Ringe von Aluminiumnitrid und nickelbeschichtetem Molybdän aufeinander angeordnet, bis eine gewünschte Gehäusewallhöhe erreicht ist. Die Wallhöhe hängt grundsätzlich von der Anzahl der benötigten Ein- und Ausgänge ab. Dann wird typischerweise ein Dichtungsring auf der obersten Schicht aus Aluminiumnitrid angeordnet. An­ schließend wird der Aufbau verlötet, um die komplette Ver­ packung zu bilden. Dies wird typischerweise durch ein kon­ ventionelles Einschritt-Lötverfahren erreicht. Das Gehäuse kann dann mit einer Kombination aus Nickel und Gold beschichtet werden. Nach dem Verlöten und Beschichten kann die Verpackung mittels konventioneller Methoden fugenver­ dichtet werden. Schließlich kann ein Deckel beispielsweise bestehend aus Kovar oder Molybdän auf dem Dichtungsring angeordnet werden.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Leistungsgehäuse bereitgestellt wird, in dem hohe Ströme durch die Gehäusewand geführt werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfinduung liegt darin, daß Lötfah­ nen in gleichmäßigem Abstand entlang des inneren und äußeren Umfangs des Gehäuses angeordnet werden können, um eine Verteilung des Stroms zu jedem Punkt entlang der Wand zu ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, Gehäusewände für die Führung von Strom zu verwenden, um so eine höhere Schalt­ kreisdichte zu erlauben.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung von Durchkontaktierungen entlang des äußeren Umfangs des Gehäuses, die als Kühlrippen fungieren, um die Wärmeabgabe von den Leitern zu erhöhen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Durchkontaktierungen, welche eine hohe therrmische Leitfähigkeit und einen großen Kontaktbereich zum Kühlen der Durchkontaktierungen aufweisen, und die die oben angesprochenen Probleme mit konventionellen Glasdurchkontak­ tierungen nicht mehr aufweisen.

Zusammenfassend wird somit ein neues und verbes­ sertes Gehäuse beschrieben, das Hochstromkontak­ tierungen aufweist. Das Gehäuse kann im Dauerbetrieb pro Leitung 100 Ampere Eingangsstrom aufnehmen, was eine erheb­ liche Verbesserung gegenüber bekannten Hochstrom-Gehäuse­ aufbauten ist. Der Gehäuseaufbau erhöht die Stromleitfä­ higkeit seiner Durchkontaktierungen, indem er keine Glas-zu- Metall-Verbindungen verwendet. Das Gehäuse erlaubt das Führen von hohen Strömen durch die Gehäusewände. Das Gehäuse stellt Lötfahnen bereit, welche entlang des inne­ ren und äußeren Umfangs der Wand angeordnet sein können, um eine Verteilung des Stromes zu jedem beliebigen Punkt ent­ lang der Wand zu erlauben. Das Gehäuse erlaubt über seine Wände eine Stromleitung, um so die Schaltkreisdichte zu erhö­ hen. Das Gehäuse besitzt Durchkontaktierungen entlang seines äußeren Umfangs, die als Rippen fungieren, um die Wärmeabgabe von den Leitern zu erhöhen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines Hochstromdurchkontaktie­ rungsgehäuses, welches in Übereinstimmung mit dem Prinzip der Erfindung herge­ stellt ist, in der ein hohles rechtwinkliges Gehäuse für Mikroelektronik dargestellt ist, welches Durchkontaktierungen entlang des inneren und äußeren Umfangs aufweist;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Hochstromdurchkontaktie­ rungsgehäuses gemäß Fig. 1, in der alternie­ rende Schichten aus Aluminiumnitridringen und nickelbeschichteten Molybdänringen dargestellt sind, welche aufeinandergestapelt sind, um das Gehäuse zu bilden; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Hochstromdurch­ kontaktierungsgehäuses gemäß Fig. 1 und Fig. 2, in der nickelbeschichtete Molybdänverbindungs­ lötfahnen dargestellt sind, welche für die Durchkontaktierungen verwendet werden, die in verschiedenen Ebenen und von Ebene zu Ebene gegen­ einander versetzt angeordnet sind, um die Ver­ bindung zu erleichtern.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist in Fig. 1 ein Gehäuse 9 in Übereinstimmung mit dem Prinzip der vorliegen­ den Erfindung dargestellt, welches eine im wesentlichen ebene, thermisch leitende, rechtwinklige Basis 10 aufweist, auf die eine Mehrzahl von Schichten oder dünnen Lagen aufge­ baut oder in Schichten gestapelt ist, um eine Wand 11 zu bilden, welche ein hohles Gehäuse 16 umgibt. Die Basis 10 ist vorzugsweise aus einem Material mit geringer thermischer Expansion hergestellt, wie beispielsweise aus Molybdän oder Keramik. Die ebene Basis 10 weist an den vier Ecken Öffnun­ gen 15 auf, um Einrichtungen wie beispielsweise Schrauben aufzunehmen, welche für die Befestigung oder Montage des Gehäuses 9 auf einer Unterlage verwendet werden können. Eine Mehrzahl von thermisch und elektrisch leitenden Lötfah­ nen 13 ist entlang der inneren und äußeren Peripherie von jeder Schicht des Gehäuses 16 aufgesetzt und ragt von der inneren zu der äußeren Oberfläche der Wand 11 heraus. Die Lötfahnen 13 sind aus einem Metall hergestellt, welches eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Molybdän. Die Lötfahnen 13 haben zwei Funk­ tionen: die erste ist, den Strom zu jedem beliebigen inneren oder äußeren Punkt entlang der Wand 11 des Gehäuses 16 zu leiten; die zweite ist, Hitze mittels der Lötfahnen 13 abzu­ strahlen, welche als Kühlrippen verwendet werden, um die Wärmeabgabe zu erhöhen. Die Lötfahnen 13 sind mit Nickel und Gold beschichtet, um die Verbindung zwischen Ver­ bindungsdrähten oder anderen Schaltkreiselementen zu erleichtern. Die oberste Schicht der Wand 11 des Gehäuses 16 ist ein Dichtungsring 14 (welcher in den Fig. 2 und 3 darge­ stellt ist), der keine Lötfahnen 13 aufweist, und der aus Molybdän hergestellt sein kann. Der Dichtungsring 14 und daher die Verpackung bzw. das Gehäuse 9 oder das Gehäuse 16 können mittels eines Deckels 21 (welcher in Fig. 2 dargestellt ist) abgedichtet werden, der beispielsweise aus Kovar oder Molybdän herge­ stellt ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird die Wand 11 des Gehäuses 16 auf die Basis 10 aufgebaut, indem vier Schichten aus Alumi­ niumnitridringen 12 alternierend mit drei Schichten aus nickelbeschichteten Molybdänringen 17, welche nickelbe­ schichtete Molybdänlötfahnen 13 aufweisen, die um ihre Peri­ pherie herum gesetzt sind, verwendet werden. Ein derartiger Aufbau ist allerdings nur als Beispiel gewählt, und es ist klar, daß die Anzahl der Schichten oder dünnen Lagen, welche aufeinandergesetzt werden, um die Wand 11 aufzubauen, von der jeweiligen Anwendung abhängen. Molybdän und Alu­ miniumnitrid sind gewählt worden, weil sie gut angepaßte thermische Expansionskoeffizienten aufweisen. Auf dem letzten oder obersten Aluminumnitridring 12 wird der Dichtungsring 14 angeordnet, der beispielsweise aus nickelbeschichtetem Molybdän hergestellt sein kann. Die Wand 11 des Gehäuses 16 wird unter Verwendung eines Einschrittlötverfahrens zusam­ mengelötet. Nach dem Löten wird die Wand 11 des Gehäuses 16 mit Nickel und Gold beschichtet, um die Verbindung mit den Molybdänlötfahnen zu 13 erleichtern. Es wird darauf hingewie­ sen, daß die Beschichtung nur auf das Molybdän und nicht auf das Aluminiumnitrid aufgebracht wird. Der Deckel 21 ist oberhalb des vervollständigten Gehäuses vor dem Abdichten dargestellt.

Zusätzlich können die Aluminiumnitridringe 12 beispielsweise metallisiert und nickelbeschichtet sein, um die Verwendung von anderen Typen von Lötlegierungen zu erlauben. In diesen Fällen werden nur die unteren und oberen Seiten eines jeden Aluminiumnitridringes 12 metallisiert, da eine elek­ trische Isolierung zwischen den alternierenden Ringen 12 und 17 gewünscht ist. Wenn die Aluminiumnitridringe metallisiert sind, wird eine aktive Lötlegierung verwendet, um den Aufbau zusammenzulöten. Die metallisierten Aluminiumnitridringe 12 können mittels einer Beschichtung durch ein konventionelles Dünnschichtverfahren unter Verwendung von Titan-Wolfram (TiW) und Gold, oder anderer schwer schmelzbarer Metalle wie beispielsweise Molybdän oder Mangan, metallisiert werden.

In Fig. 3, welche eine perspektivische Ansicht eines Querschnittsbereiches des Gehäuses 16 zeigt, ist die ebene Basis 10 dargestellt, auf die die alternieren­ den Schichten aus Aluminiumnitridringen 12 und nickelbe­ schichteten Molybdänringen 17 aufgebaut sind. Die nickelbe­ schichteten Molybdänlötfahnen 13, welche auf den nickelbe­ schichteten Molybdänringen 14 ausgebildet oder integral mit ihnen hergestellt sind, sind von Ebene zu Ebene versetzt sichtbar, was das Herstellen der Verbindungen erleichtert. die oberste Schicht der Wand 11 des Gehäuses 16 ist der Dichtungsring 14, welcher beispielsweise aus nickelbeschich­ tetem Molybdän hergestellt ist.

Zusammenfassend kann also fesgestellt werden: Das Gehäuse weist eine Mehr­ zahl von alternierenden Ringen auf, welche jeweils aus einem thermisch leitenden Material und einem elektrisch leitenden Material bestehen. Die thermisch leitenden Ringe beinhalten ein thermisch leitendes, keramisches Material wie Aluminium­ nitrid, während die elektrisch leitenden Ringe beispiels­ weise ein Material wie Molybdän oder eines seiner Legierun­ gen beinhalten. Das Gehäuse besteht daher aus alternie­ renden Ringen oder dünnen Lagen aus beispielsweise Alumini­ umnitrid und Molybdän, welche zusammengesetzt oder geschich­ tet sind, um eine Wand zu formen. Die geschichtete Wand wird in einem einzelnen Schritt auf eine Grundplatte gelötet. Die Molybdänringe wirken als Hochstromdurchkontaktierungen und weisen an ihrem inneren und äußeren Umfang Lötfahnen auf, welche für die Verbindung zwischen Einrichtungen innerhalb des Gehäuses und externen Schaltkreisen zur Verfügung ste­ hen. Die Aluminiumnitridringe stellen eine elektrische Iso­ lation zwischen den Durchkontaktierungsringen bereit. Die hohe thermische Leitfähigkeit des Molybdäns und des Alumini­ umnitrids erlaubt eine exzellente Wärmeabgabe vom Gehäuse. Eine Zwangskonvektionskühlung kann des wei­ teren verwendet werden, um die Stromleitfähigkeit des Ge­ häuses zu erhöhen. Des weiteren sind Verfahren zum Herstel­ len des Gehäuses offenbart.

Claims (13)

1. Gehäuse für elektronische Schaltungen, mit Hochstrom­ durchkontaktierungen und einer Basis (10), die ein Mate­ rial mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizi­ enten aufweist, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von alternierenden, thermisch und elektrisch leitenden Rin­ gen (12, 17), welche auf der Basis (10) aufgebaut sind, und ein Gehäuse (16) bilden, wobei die elektrisch leitenden Ringe (17) eine Mehrzahl von internen und externen Lötfahnen (13) aufweisen, welche Hochstrom­ durchkontaktierungen bilden, und die thermisch leitenden Ringe (12) eine elektrische Isolation zwischen den Durchkontaktierungen bereitstellen.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch leitenden Ringe (12) ein thermisch leitendes, keramisches Material aufweisen.

3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende keramische Material Aluminiumnitrid und die elektrisch leitenden Ringe (17) Molybdän aufwei­ sen.

4. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänringe (17) nickelbeschichtetes Molybdän aufwei­ sen.

5. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch leitenden Ringe (12) aus einem thermisch lei­ tenden metallischen Oxydmaterial bestehen.

6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötfahnen (13) entlang der Peripherie der insbesondere durch nickelbeschichtete Molybdänringe gebildeten elek­ trisch leitenden Ringe (17) derart aufgesetzt sind, daß die aufgestapelte Ringanordnung jeweilige Lötfahnen (13) an verschiedenen Stellenn in verschiedenen Ebenen auf­ weist.

7. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Dichtungsring (14).

8. Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (14) aus elektrisch und thermisch leiten­ dem Material besteht und vorzugsweise nickelbeschichtetes Molybdän aufweist.

9. Gehäuse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckel (21) vorhanden ist, der vorzugsweise aus einem Metall mit hohem elektrischen Widerstand herge­ stellt ist und vorzugsweise mit dem Dichtungsring (14) dichtend verbunden ist.

10. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ringe (12, 17) zusammen­ gelötet sind.

11. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß es mit Nickel und Gold be­ schichtet ist.

12. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,
daß die Basis (10) eine im wesentlichen ebene keramische Basis ist,
daß die alternierenden elektrisch leitenden und isolier­ enden Ringe (12, 17) eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit haben und auf der Basis (10) aufgestapelt sind, um ein hohles Gehäuse (16) zu bilden.

13. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichhnet, daß die Basis (10) als im wesentlichen ebene Metallbasis mit geringer thermischer Expansion ausgebildet ist.