DE4436903A1

DE4436903A1 - Anordnung zur elektromagnetischen Abschirmung von elektronischen Schaltungen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE4436903A1
Application number: DE19944436903
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Ing Ostwald
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-10-15
Filing date: 1994-10-15
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2014-10-16
Also published as: DE4436903C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektromagneti schen Abschirmung von elektronischen Schaltungen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.

Durch die ständig zunehmende Zahl an elektrischen Geräten, Kabelverbindungen und Funkübertragungen nimmt die elektro magnetische Umweltbelastung und damit die Häufung massiver Betriebsstörungen und von Unfällen immer mehr zu. Um die Aussendung oder auch den Empfang von Störstrahlung zu un terbinden, muß jede stromdurchflossene Einrichtung mit einer für elektromagnetische Wellen möglichst undurch lässigen Schirmung versehen sein. Diese muß zur Gewährlei stung der sogenannten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von einer ausreichenden Qualität hinsichtlich elek trischer Leitfähigkeit, Porenfreiheit und Schichtdicke sein.

Darüberhinaus müssen Mikroprozessoren und andere mikro elektronische Komponenten, insbesondere der Mikro- und Millimeterwellentechnik, durch aufwendige Packagingverfah ren in speziellen Gehäusen montiert, kontaktiert und gegen die Einwirkung von korrodierenden Gasen und von kondensie rendem Wasserdampf geschützt werden.

Durch Einsatz der Spritzgußtechnik lassen sich sehr wirtschaftlich auch kom pliziert geformte Polymergehäuse in beliebig hoher Stück zahl dafür herstellen, haben jedoch die grundsätzlichen Nachteile der fehlenden elektromagnetischen Schirmung und der mehr oder weniger großen Wasserdampfdurchlässigkeit. Letztere bedingt, daß der Wasserdampfgehalt im Gehäusein nenraum ansteigt und es bei Unterschreitung der Taupunkt temperatur zur Kondensattröpfchenbildung und dadurch zum Funktionsausfall der Schaltungen kommt.

Bei hochintegrierten Logikschaltungen und Komponenten der Leistungselektronik müssen zur zuverlässigen Abfuhr von Verlustleistungswärmen diese Bauelemente mit sehr gut wär meleitenden Substratwerkstoffen, wie beispielsweise Metal len, Aluminiumnitrid- oder Berylliumoxidkeramik, verlötet oder durch wärmeleitende Kleber verbunden werden. Oft wer den mehrere Schaltungskomponenten gemäß der sogenannten "multi-chip modul"-Technik (MCM) auf einem einzigen, mit entsprechendem Leiternetzwerk versehenen, Substrat mon tiert und kontaktiert. Für solche Schaltungsaufbauten wird eine Häusungstechnik benötigt, welche die o.g. Anforderun gen erfüllen kann.

Zur Metallisierung verschiedener typischer Standardkunst stoffe, wie z. B. Polypropylen, Polyamid oder Acrylnitril- Butadien-Styrol (ABS), sind Verfahren seit vielen Jahren bekannt.

Auch zur haftfesten Metallisierung verschiedener Keramik sorten, wie beispielsweise Aluminiumoxidkeramik oder Alu miniumnitridkeramik sind Verfahren bekannt, z. B. aus DE 35 23 958 A1 und DE 36 39 642 A1.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur störungssicheren Abschirmung elektroni scher Schaltungen sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung anzugeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist im Patentanspruch 1, das Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung im Patentanspruch 5 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Kombination verschiedener Gehäusegrundwerkstoffe für die einzelnen Teile des Gehäuses differenzierte Anfor derungen hinsichtlich Formgebung, Stromdurchführungen, Wärmeleitfähigkeit, elektrischem Isolationswiderstand, Leiterbahnfeinstrukturen (Substratrauigkeit), Haftfestig keit, Metallschichtaufbau etc. erfüllt und teilweise unab hängig voneinander optimiert werden können.

Die bevorzugten Ausführungsformen mit gemeinsamer Metalli sierung der zusammengefügten Gehäuseteile haben darüber hinaus den Vorteil, daß ein zusätzlicher Fügevorgang z. B. durch Löten oder Leitkleben bei der Fertigung entfällt, wodurch insbesondere die Temperaturbelastung bei einem Lötvorgang oder einer Kleberhärtung vermieden wird. Die Metallisierung des Polymerkunststoffteils und ggf. eines nichtmetallischen ersten Teils erfolgt vorzugsweise che misch stromlos. Die als Konditionierung bezeichnete physi kalische und/oder chemische Vorbehandlung mit oder/ohne Materialabtragung bewirkt insbesondere eine Aufrauhung und/oder chemische Aktivierung der Materialoberfläche. Je nach Materialpaarung kann eine getrennte oder eine gemein same Konditionierung vorgenommen werden. Metallische erste Teile können dabei in eine gemeinsame Konditionierung mit eingeschlossen werden.

Die chemisch stromlose Abscheidung einer Metallisierung führt zu einer haftfesten geschlossenen Metallschicht, die auch eine Gasdichtigkeit des metallisierten Polymerteils gewährleistet und galvanisch weiter verstärkt werden kann. Bei gemeinsamer Metallisierung der zusammengefügten Teile bildet die Metallisierung auch gleichzeitig im Bereich der Fügenaht eine hermetisch dichte und mechanisch stabilisie rende Verbindung, insbesondere bei Einsatz von chemogalva nischen Bädern mit einebnender Wirkung.

Diese und andere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch eingehend veran schaulicht.

Beispiel 1

Zur Herstellung hermetisch dichter Gehäuse für eine hoch zuverlässige elektronische Spannungsstabilisierung werden ein keramischer Gehäuseboden und ein spritzgegossener Po lymergehäusedeckel flüssigkeitsdicht zusammengefügt und gemeinsam konditioniert und metallisiert. Die Keramik platte besteht aus Aluminiumnitrid, auf welchem zur opti malen Wärmeabfuhr die Schaltungen ganz flächig mit einem Wärmeleitkleber fixiert und über Bonddrähte an Stromdurch führungen im Gehäuseboden angeschlossen sind. Der Gehäuse deckel besteht aus einem mit Mineralien gefüllten Flüssig kristallpolymer ("Vectra", Fa. Hoechst). Die Keramikboden platte wird an der Innenkante mit einem handelsüblichen Kleber auf Epoxidbasis beschichtet, mit dem Deckel zusam mengefügt und in einem Temperaturschrank der Kleber ausge härtet. Die Gehäuse werden nach einer Entfettungsbehand lung in einem Wasser-Alkoholgemisch (30% Propanol-2) bei Ultraschallunterstützung für die Dauer von 45 Minuten bei 60°C in einer Lösung von 80 g/l Natriumhydroxid konditio niert, in verdünnter Salzsäure (50%) neutralisiert und mit Ultraschallunterstützung in Wasser gespült. Die Gehäuse werden nach dem Abblasen mit Preßluft und der Trocknung für 30 Minuten in einem Umlufttrockenschrank durch profi lographische Untersuchungen an den Keramik- und den Polymeroberflächen auf gleichmäßige Konditionierung hin kontrolliert. Zur Grundmetallisierung werden die Gehäuse in einem Tauchbäderautomaten nach dem bekannten Zinnchlo rid-Palladiumchloridverfahren mit einer gleichmäßigen Keimschicht belegt, so daß deren Oberflächen beim an schließenden Eintauchen in ein chemisch stromlos arbeiten des Kupferbad ("Printoganth", Fa. Schering) die reduktive Kupferabscheidung katalysiert. Nach einer Abscheidungszeit von 70 Minuten hat sich eine Kupferschicht von ca. 4 µm Dicke gebildet. Diese wird nach einer Zwischenspülung in einem handelsüblichen schwefelsaurem Kupferbad ("Sloto coup", Fa. Schlötter) auf ca. 15 µm verstärkt und nach Zwi schenspülung mit einer korrosionsschützenden 1,5 µm dicken Nickel-Borschicht aus einem handelsüblichen chemischen Nickelbad ("Niposit", Fa. Shipley) beschichtet. Ein Ge häuse wird zur Haftfestigkeitskontrollmessung anstatt auf 15 µm auf 30 µm Kupferschichtdicke verstärkt und sowohl auf der Keramikbodenunterseite als auch auf einem planen Be reich des Polymergehäusedeckels durch eine Fotolack-und Ätztechnik 1 mm breite Kupferstreifen präpariert. Durch Messung der Trennkraft beim senkrechten Abziehen dieser Streifen in einer Zugprüfmaschine werden sehr gute Schälfestigkeiten von 1,1 N/mm auf der Keramikplatte und von 1,4 N/mm auf der Polymeroberfläche gemessen.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird die Kombination eines besonders gut wärmeleitenden Gehäusebodens aus einer Wolf ram/Kupferlegierung (ELMAT 33) mit einem Gehäusedeckel aus einem mineralgefüllten Polyethersulfonwerkstoff ("Ultrason E", Fa. BASF) vorgenommen. Beide Teile werden nach Bestüc kung der Bodenplatte mit den Schaltungschips und deren Kontaktierung mit Bonddrähten wie in Beispiel 1 flüssig keitsdicht zusammengefügt. Nach einer Vorreinigung in ei nem Wasser/Propanol-2-Gemisch wird das komplette Gehäuse in einer Chromschwefelsäure (200 g/l Chrom VI-oxid, 100 g/l Schwefelsäure) bei 60°C für eine Dauer von 15 Minuten kon ditioniert. Nach der Spülung mit Wasser, einer Reduktions behandlung mit einer Natriumthiosulfatlösung (30 g/l) zur Entfernung der Chrom VI-reste und einer Wasserspülung mit Ultraschallunterstützung werden die Gehäuse wie in Bei spiel 1 getrocknet und die Oberflächen profilographisch kontrolliert. Nach der katalytischen Bekeimung und Grund verkupferung gemäß Beispiel 1 wird aus einem handelsübli chen Nickel-Eisenelektrolyten ("Topstar FE", Fa. Blasberg) galvanisch eine ca. 20 µm dicke NiFe-Schicht abgeschieden. An einer Parallelprobe wurde wie in Beispiel 1 galvanisch nur mit Kupfer verstärkt und nach der Präparation von Schälstreifen eine Schälfestigkeit von ca. 1,8 N/mm auf dem Wolfram/Kupfer-Gehäuseboden und von ca. 2,0 N/mm auf dem Polyethersulfonwerkstoff gemessen.

Beispiel 3

In einem weiteren Beispiel ist ein keramischer Schaltungs träger (Chipcarrier) auf einer Kupfer/Invar/Kupfer-Boden platte verlötet. Diese Platte soll durch einen weiteren Lötprozeß mit einem metallisierten Polymergehäusedeckel hermetisch dicht verschlossen werden. Dazu werden spritz gegossene Gehäusedeckel aus einem mineralgefüllten Polybu tylenterephthalatwerkstoff nach dem in den vorangegangenen Beispielen angewandten Reinigungsverfahren mit einer alka lischen Kaliumpermanganatlösung (20 g/l Kaliumpermanganat + 80 g/l Natriumhydroxid) für 50 Minuten bei 75°C konditio niert und in einer Salzsäure von 30% nachbehandelt. Nach gründlicher Spülung und Trocknung werden die Teile hin sichtlich gleichmäßiger Mikroaufrauhung kontrolliert und mit katalytischen Keimen belegt. Die Grundmetallisierung wird aus einem handelsüblichen chemischen Nickelbad ("Chemnilyt D", Fa. Blasberg) für 10 Minuten bei 90°C vor genommen. Nach der Zwischenspülung wird aus dem in Bei spiel 1 erwähnten Kupferbad auf eine Dicke von ca. 50 µm Kupfer verstärkt. Nach dem Zusammenfügen der Bodenplatten und Gehäusedeckel werden diese durch einen automatisierten Weichlötprozeß (Lotwelle) verschlossen. An einem separat auf 30 µm verstärkten Gehäusedeckel werden Streifen präpa riert und Schälfestigkeiten von ca. 1,5 N/mm gemessen.

Claims

1. Anordnung zur elektromagnetischen Abschirmung von elektronischen Schaltungen in einem Gehäuse, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gehäuse aus zumindest einem ersten und einem zweiten Teil zusammengesetzt ist, wobei das zweite Teil aus einem oberflächenmetallisierten Polymer kunststoff und das erste Teil aus einem davon verschie denen Material mit metallischer Oberfläche besteht, und daß die beiden Teile entlang einer Fügenaht mit elektrisch verbundenen metallischen Oberflächen fest zusammengefügt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil aus einem Metall, einer metallisierten Ke ramik, einem metallisierten Compoundwerkstoff oder einem Sinterwerkstoff besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil aus sehr gut wärmeleitendem Metall, metall pulverhaltigem Compoundwerkstoffen, Metallsinterwerkstof fen, Aluminiumnitridkeramik oder Berylliumoxidkeramik be steht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil aus mineraliengefüll tem Hochtemperatur-Polymerkunststoff besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil und das zweite Teil vor dem Zusammenfügen getrennt oder nach dem Zusammenfügen gemeinsam konditioniert sowie vor dem Zusammenfügen getrennt oder nach dem Zusammenfügen gemein sam metallisiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem ersten und einem zweiten Teil bestehende montierte komplette Gehäuse konditioniert und metallisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teil jeweils separat konditio niert und metallisiert und dann zusammengefügt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teil jeweils separat konditio niert und nach dem Montieren gemeinsam metallisiert wer den.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teil gemeinsam konditioniert, un abhängig voneinander verschieden metallisiert und dann zu sammengefügt werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß durch die gemeinsame Metallisierung eine für elektromagnetische Felder und für Gase hermetisch dichte Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen herge stellt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die separaten Teile durch Fügeverfahren (z. B. Löten, Schweißen, Kleben) hermetisch dicht miteinan der verbunden werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Gehäuseteile par tiell metallisiert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Gehäuseteile zur Realisierung von planaren oder von 3-D-Leiterbahnen struk turiert metallisiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die verschiedenen Gehäuseteile Ma terialien gewählt werden, die in ihren thermischen Ausdeh nungskoeffizienten annähernd gleich sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur hermetisch dichten Metallschich tenbildung an den Teilegrenzen chemogalvanische Bäder mit einebnender Wirkung verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß keramikähnliche durch Pulverspritzguß hergestellte Compoundwerkstoffe und mit Mineralien ge füllte HT-Polymerwerkstoffe für die Gehäuseteile einge setzt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sehr gut wärmeleitende Metalle, me tallpulverhaltige Compoundwerkstoffe, Metallsinterwerk stoffe, oder Aluminiumnitrid- bzw. Berylliumoxidkeramiken verwendet werden.