DE4340583A1 - Temperaturstabilisierter Hybridschaltkreis - Google Patents

Temperaturstabilisierter Hybridschaltkreis

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DE4340583A1
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Klaus Dipl Ing Volkmann
Hartmut Dipl Ing Schreiber
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Krautkraemer GmbH
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit einem temperaturstabilisierten, elektrischen Schaltkreis und mit einem Schal­ tungsträger, auf dem der elektrische Schaltkreis, weitere elektronische Bauelemente und Leisterbahnen angebracht sind, wobei der temperatursta­ bilisierte Schaltkreis ein Heizelement, dem ein mit diesem thermisch ge­ koppelter Sensor und eine Regelschaltung zugeordnet sind, und einen zu temperierenden Baustein aufweist.
Bei elektronischen Schaltungen werden zunehmend Eigenschaften gefordert, die weitgehend unabhängig von Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Tempe­ ratur, sind. Die Eigenschaften elektronischer Bauelemente sind nun aber häufig stark temperaturabhängig, beispielsweise ist bei Halbleiterschalt­ kreisen der Temperatureinfluß exponentiell. Aber auch andere Bauelemente, wie z. B. Schwingquarze, zeigen je nach Schnittrichtung eine gewisse Tempe­ raturabhängigkeit, die bei hochgenauen Anwendungen stört und nicht hin­ genommen werden kann.
Es ist bekannt, elektrische Schaltkreise, in denen sich Bausteine befinden, deren Eigenschaften eine für eine konkrete Anwendung zu starke Tempera­ turabhängigkeit aufweisen, thermisch zu stabilisieren, insbesondere ständig zu heizen. Die Heiztemperatur bleibt dabei oberhalb der maximalen Umge­ bungstemperatur, so daß unabhängig von der Umgebungstemperatur die Temperatur des Bausteins stets konstant bleibt.
Hierzu wird dem Baustein ein Heizelement zugeordnet, das seinerseits über eine zugehörige Regelschaltung geregelt wird. Ein Sensor erfaßt ständig die Temperatur des zu temperierenden Bausteins oder des Heizelements und hält sie konstant. Durch weitere, an sich bekannte Maßnahmen wird ein Wärmeverlust an die Umgebung bzw. ein Einwirken der Umgebung auf den temperierten Bereich möglichst gering gehalten. Hierzu werden die Konvek­ tion und die Wärmestrahlung so weit wie möglich reduziert, der tempera­ turstabilisierte elektrische Schaltkreis wird zu diesem Zweck gekapselt. Aber auch die Wärmeleitung muß reduziert werden, um einerseits die Heiz­ leistung des Heizelementes so gering wie möglich ausbilden zu können, was sich schon aus Energieüberlegungen heraus empfiehlt, und um andererseits die Zeitspanne für das Erreichen eines thermischen Gleichgewichtes so kurz wie möglich machen zu können, so daß die elektronische Schaltung möglichst kurzfristig nach dem Einschalten die gewünschte Temperatur und damit eine thermische Stabilität aufweist.
Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Wärmeleitung zwischen dem temperaturstabilisierten elektrischen Schalt­ kreis und seiner Umgebung so gering wie möglich auszubilden, damit bei möglichst geringer Heizleistung rasch der zu temperierende Baustein auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der lokale Bereich des Schaltungs­ trägers, auf dem der zu temperierende Baustein und das Heizelement ange­ ordnet sind, von den übrigen Bereichen des Schaltungsträgers durch meh­ rere, längliche Durchbrüche getrennt sind, die den Baustein und das Heize­ lement ringförmig umschließen, wobei möglichst schmal ausgebildete Stege zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen freibleiben, daß der Baustein und das Heizelement ausschließlich über Drahtbandverbindungen mit Lei­ terbahnen des Schaltungsträgers verbunden sind und daß sich diese Lei­ terbahnen außerhalb der genannten Durchbrüche befinden.
Diese elektronische Schaltung läßt sich nach wie vor zusammen mit ande­ ren Bauelementen auf einem einzigen Schaltungsträgers realisieren. Anders ausgedrückt bleiben bei Herstellung der elektronischen Schaltung die Ar­ beitsabläufe wie gehabt, es kann bei einem Schaltungsträger in Form eines Keramiksubstrats wie üblich in bekannter Weise gearbeitet werden, gleich­ es gilt für Schaltungsträger in Form von Kunststoffplatten, wie sie übli­ cherweise für gedruckte Schaltungen eingesetzt werden. Unter Schaltungs­ trägern werden Platten aus Isoliermaterial verstanden, die mit Leiterbah­ nen versehen sind, die also beispielsweise von vorneherein kupferka­ schiert sind oder auf die Leiterbahnen aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß ist der zu temperierende Baustein mechanisch so wenig wie möglich mit seiner Umgebung direkt verbunden, dadurch wird die Wär­ meleitung minimiert. Die Verbindung erfolgt lediglich über die Drähte der Drahtbondverbindungen, diese Drähte können einen geringen Querschnitt aufweisen, leiten also wenig Wärme ab bzw. zu. Die Wärmeleitung durch das Material des Schaltungsträgers wird durch die länglichen Durchbrüche un­ terbrochen und kann nur entlang der möglichst schmal ausgebildeten Stege stattfinden, die den Bereich des Schaltungsträgers, auf dem der Baustein und das Heizelement angeordnet sind, mit den übrigen Bereichen des Schaltungsträgers verbinden. Insgesamt wird dadurch eine möglichst gerin­ ge Wärmeleitung zwischen dem temperaturstabilisierten Bereich und der Umgebung erreicht. Die Konvektion und die Strahlung von Wärme wird in an sich bekannter Weise durch übliche Maßnahmen verringert, insbesondere durch eine Kapslung, durch Überzüge mit entsprechendem Reflexionsverhal­ ten usw. Hierzu muß nicht im Einzelnen aufgeführt werden, derartige Maß­ nahmen sind bekannt.
In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß das Heizelement und der zu temperierende Baustein sich auf derselben Seite des Schaltungsträgers be­ finden, wobei vorzugsweise das Heizelement zwischen Schaltungsträger und dem zu temperierenden Baustein angeordnet ist. Durch die unmittelbare Kopplung des Heizelementes und des zu temperierenden Bausteins wird ein guter Wärmeübergang zwischen diesen beiden Bauteilen und eine rasche Ansprech-und Regelzeit des Sensors, der üblicherweise im Heizelement in­ tegriert ist, aber auch separat am zu temperierenden Baustein angeordnet sein kann, erreicht. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, das Heizelement zwischen dem zu temperierenden Baustein und dem Schal­ tungsträger anzuordnen, also den zu temperierenden Baustein mittels des Heizelementes am Schaltungsträger festzulegen. Dadurch werden die Verlu­ ste an Wärmeenergie durch Wärmeleitung des zu temperierenden Bausteins gering.
In einer anderen Ausführung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß sich der zu temperierende Baustein und das Heizelement auf unterschiedlichen, jedoch exakt gegenüberliegenden Flächen des Schaltungsträgers befinden und daß das Material des Schaltungsträgers eine möglichst hohe Wärmeleit­ fähigkeit aufweist, insbesondere ein Keramiksubstrat ist. Diese Lösung eignet sich insbesondere bei einem Schaltungsträger, dessen Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Dies ist häufig bei keramischen Substraten gegeben. Zudem ist es nicht notwendig, die beiden Bauteile Heizelement und zu temperierender Baustein übereinander anzuordnen, vielmehr ist je­ der Baustein für sich unmittelbar auf dem Schaltungsträger angebracht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich den übrigen Ansprüchen sowie aus den nun folgenden, nicht einschränkend zu verste­ henden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigt
Fig. 1 ein Schnittbild durch ein Teilstück eines Schaltungsträgers im Bereich des temperaturstabilisierten, elektrischen Schalt­ kreises, dabei sind zu temperierender Baustein und Heizele­ ment auf unterschiedlichen Seiten des Schaltungsträgers an­ geordnet,
Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch in einer Anord­ nung, bei der Heizelement und zu temperierender Baustein auf derselben Seite des Schaltungsträgers angeordnet sind, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 bei abgenom­ menen Deckel.
Fig. 1 zeigt einen Schaltungsträger 20, der hier durch eine strukturierte Aluminiumoxid-Keramik gebildet ist. Auf seiner Oberseite und auf seiner Unterseite befinden sich Leiterbahnen 26, auf diese wird noch näher unter Bezugnahme auf Fig. 2 eingegangen. Der Schaltungsträger 20 ist relativ dünn, beispielsweise 0,3 mm dick. Auf seiner Oberseite ist ein zu temperi­ erender Baustein 22 flächig aufgeklebt. Als Kleber wird ein Material mit möglichst großer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Der Baustein 22 hat kein eigenes Gehäuse, es wird also unmittelbar das Halbleitersubstrat des Bau­ steins 22 auf den Schaltungsträger 20 aufgeklebt.
Die elektrischen Anschlußbereiche 23 des Bausteins 22 befinden sich dabei auf der dem Schaltungsträger 20 abgewandten Seite des Bausteins 22. Sie sind über dünne Drähte 24 angeschlossen, die ihrerseits im Drahtbonding­ verfahren an Leiterbahnen 26 angeschlossen sind, die auf dem Schaltungs­ träger 20 aufgebracht sind, beispielsweise durch doppelseitigen Dick­ schichtdruck.
In gleicher Weise wie für den Baustein 22 beschrieben befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite, und zwar auf der dem Baustein 22 unmittel­ bar und möglichst exakt gegenüberliegenden Seite des Schaltungsträgers 20 ein Heizelement 28 mit integriertem Sensor. Auch für dieses wird ein unge­ häustes Bauteil eingesetzt, das Halbleitersubstrat wird ebenfalls unmittel­ bar flächig auf den Schaltungsträger 20 aufgeklebt. Wiederum sind Drähte 24 zu erkennen, die die elektrischen Verbindungen zu Leiterbahnen 26 des Schaltungsträgers 20 herstellen. Die Verbindungen der Drähte 24 erfolgt im Drahtbonding-Verfahren.
Der Bereich des Schaltungsträgers 20, auf dem sich die beiden elektrischen Bauteile 22, 28 befinden, ist von schmalen, länglichen Durchbrüchen 30 umgeben, die eine Wärmeleitung im Material des Schaltungsträgers 20 an ihrer Stelle unterbrechen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind insgesamt vier Durchbrüche 30 vorgesehen, die im wesentlichen auf den Seiten eines Rechtecks verlaufen und zwischen denen möglichst schmal ausgebildete Stege 32 stehenbleiben, die die Verbindung zu dem übrigen Schaltungsträ­ ger 20 sicherstellen. Die Durchbrüche 30 umringen den Bereich des Schalt­ ungsträgers 20, auf dem sich die beiden Bauteile 22, 28 befinden, nahezu ringförmig, der Verlauf und die Breite der Durchbrüche 30 ist im wesentli­ chen belanglos, vorzugsweise sind die Durchbrüche 30 so ausgebildet, daß die Stege 32 nicht nur so schmal wie mechanisch zulässig, sondern auch so lang wie möglich sind.
Der durch die Durchbrüche 30 gebildete Ring befindet sich zwischen den Bauteilen 22, 28 und den ihnen zugeordneten Leiterbahnen 26. Dadurch kann eine Wärmeleitung nur über die Drähte 24 und über die Stege 32 stattfinden. Die Bauteile 22, 28 befinden sich somit auf einer Art Insel. Diese Insel wird flächenmäßig so klein wie möglich gemacht, sie soll ledig­ lich auf ihren beiden Seiten die Bauteile 22, 28 aufnehmen können. Sie ist mit dem Rest des Schaltungsträgers 20 einstückig verbunden. Die Stege 32, die diese Verbindung bewirken, werden in Abhängigkeit vom Material des Schaltungsträgers 20 so ausgelegt, daß eine ausreichend feste mechanische Verbindung erreicht wird.
Die Durchbrüche 30 werden gesägt oder vorteilhafterweise mittels eines Laserstrahls geschnitten. In einer praktischen Ausführung beträgt die Fläche der strukturierten Rechteck-Insel 2,8 mal 2,4 mm, die länglich aus­ gebildeten, geradlinig verlaufenden Durchbrüche 30 haben eine Breite von 0,3 mm, ihre Länge beträgt 2 bzw. 2,4 mm, ist also 0,4 mm kürzer als die Länge der zugehörigen Seite der Rechteck-Insel.
Auf der besprochenen Rechteck-Insel befinden sich außer den unmittelbar zur Temperierung dienenden Bauteilen und dem zu temperierenden Baustein 22 keine weiteren Bauteile, die weiteren Bauteile sind außerhalb angeord­ net.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Bauteile 22, 28 jeweils durch einen Keramikdeckel 34 überdeckt. Seine Abmessungen sind auch aus Fig. 3 er­ sichtlich. Er benötigt einen Auflagebereich 36 des Schaltungsträgers 20, wo er mit dem Schaltungsträger 20 verbunden ist. Dieser Auflagebereich 36 ist frei von Bauelementen, ihn durchqueren aber einige der Leiterbahnen 26. Die übrigen Bauteile der elektronischen Schaltung befinden sich außerhalb der Keramikdeckel 34. Die in den Bereich unterhalb der Keramikdeckel 34 ragenden Enden der Leiterbahnen 26 sind in geeigneter Weise präpariert, beispielsweise mit einer Goldschicht belegt, um ein Drahtbonding durch­ führen zu können.
Fig. 2 zeigt eine geänderte Ausführung. Dabei befinden sich die Bauteile 22, 28 auf derselben Seite des Schaltträgers 20. Wiederum werden ungehäu­ ste Ausführungen benutzt. Diese sind Rücken an Rücken gegeneinander geklebt, so daß sie unmittelbaren thermischen Kontakt haben. Das Heizele­ ment 28 ist dem Schaltungsträger 20 zugewandt. Es wird über ein Verbin­ dungsteil 38, das eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, mit dem Schaltungsträger 20, und zwar innerhalb des von den Durchbrüchen 30 begrenzten Inselbereichs, verbunden. Dieses Verbindungsteil 38 kann belie­ bige Ausführung haben. Es wird beispielsweise durch einen dicken Klebe­ punkt gebildet, wie er bei SMD-Technik benutzt wird. Er kann auch durch Epoxidharz oder durch ein kleines Stückchen Kunststoffmaterial, das zu­ nächst auf das Heizelement 28 und später mit diesem auf den Schaltungs­ träger 20 aufgeklebt wird, gebildet sein. Die genaue Ausbildung und Form des Verbindungsteils 38 ist beliebig.
Wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind die Bauteile 22, 28 elektrisch ausschließlich durch Drähte 24 mit Leiterbahnen 26 verbunden, die sich außerhalb des Inselbereichs, aber innerhalb des vom Keramikdek­ kel 34 übergriffenen Bereichs 36 befinden.

Claims (7)

1. Elektronische Schaltung mit einem temperaturstabilisierten, elektri­ schen Schaltkreis und mit einem Schaltungsträger (20), auf dem der elek­ trische Schaltkreis, weitere elektronische Bauelemente und Leiterbahnen (26) angebracht sind, wobei der temperaturstabilisierte Schaltkreis ein Heizelement (28), dem ein thermischer Sensor und eine Regelschaltung zugeordnet sind, und einen zu temperierenden Baustein (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Bereich des Schaltungsträgers (20), auf dem der zu temperierende Baustein (22) und das Heizelement (28) angeordnet sind, von den übrigen Bereichen des Schaltungsträgers (20) durch mehrere, längliche Durchbrüche (30) getrennt sind, die den Bau­ stein (22) und das Heizelement (28) ringförmig umschließen, wobei mög­ lichst schmal ausgebildete Stege (32) zwischen zwei benachbarten Durch­ brüchen (30) freibleiben, daß der Baustein (22) und das Heizelement (28) ausschließlich über Drahtbondverbindungen mit Leiterbahnen (26) des Schaltungsträgers (20) verbunden sind und daß sich diese Leiterbahnen (26) außerhalb der genannten Durchbrüche (30) befinden.
2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (28) und der zu temperierende Baustein (22) sich auf derselben Seite des Schaltungsträgers (20) befinden, wobei vorzugsweise das Heizelement (28) zwischen Schaltungsträger (20) und dem zu temperi­ erenden Baustein (22) angeordnet ist.
3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zu temperierende Baustein (22) und das Heizelement (28) auf unterschiedlichen, jedoch exakt gegenüberliegenden Flächen des Schal­ tungsträgers (20) befinden und daß das Material des Schaltungsträgers (20) eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere ein Keramiksubstrat ist.
4. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Abdeckkappe (34) vorgesehen ist, die den zu temperierenden Baustein (22) und/oder das Heizelement (28) ein­ schließlich der Durchbrüche (30) und der Drahtbondverbindungen über­ deckt.
5. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Drahtbondverbindungen der Anschlüsse des zu temperierenden Bausteins (22), des Heizelements (28) einschließlich seines Sensors und gegebenenfalls der Regelschaltung möglichst dünne Verbin­ dungsdrähte gewählt werden.
6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu temperierende Baustein (22) und/oder das Heizelement (28) Bauteile ohne eigenes Gehäuse sind, die unmittelbar auf dem Schaltungsträger (20) bzw. einem anderen Bauelement flächig fixiert werden.
7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des zu temperierenden Bausteins (22) und/oder des Heize­ lements (28) mittels eines Klebers erfolgt, der eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
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