DE69314544T2

DE69314544T2 - Methode zur Montage von Hybridschaltungen durch Vakuum-Verklebung

Info

Publication number: DE69314544T2
Application number: DE1993614544
Authority: DE
Inventors: Stephane Hancali; Paul Naudin
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2013-05-29
Also published as: FR2691871A1; DE69314544D1; EP0574286B1; EP0574286A1

Description

Die Erfindung gehört in den Bereich des Zusammenbaus von mikroelektronischen schaltungen und insbesondere von sogenannten Dünnschicht-Schaltungen, die auf einem starren Substrat realisiert sind. Solche schaltungen werden insbesondere im Mikrowellenbereich benutzt, da Mikrowellen- Übertragungsleitungen leicht in dieser Technologie durch einfaches Gravieren eines Leitpfads auf einer Seite eines dielektrischen Substrats ausgebildet werden können, der eine Übertragungsleitung mit der ganz metallbeschichteten und auf Masse liegenden anderen Seite des Substrats bildet. Aktive oder passive Bauelemente werden dann auf diese Schaltungen aufgebracht und bilden elektronische Untereinheiten für bestimmte Mikrowellenfunktionen. Solche Schaltungen sind auch als Hybridschaltungen bekannt.
In praktischen Anwendungen werden oft mehrere solche Untereinheiten für die Aufgaben eines bestimmten Geräts benötigt. In diesem Fall müssen zwischen den Hybridschaltungen bildenden Untereinheiten Verbindungen hergestellt werden, wozu Übertragungsleitungen (koaxiale Leitungen, Wellenleiter oder Dreiplattenleiter usw.) und Verbinder zwischen diesen Leitungen und denen erforderlich sind, die auf den Substraten dieser Schaltungen ausgebildet sind. Andererseits müssen diese Schaltungen mechanisch in dem Gerät fixiert werden, und man muß einen Weg für die Abfuhr von Kalorien aus den wärmeerzeugenden Elementen der Schaltung vorsehen, indem der Wärmewiderstand dieses Wegs möglichst klein gemacht wird. Daraus folgt, daß der Entwurf dieser Unteremheiten stark von den Zwängen beeinflußt wird, die durch ihr Umfeld bedingt sind, um eine Integration in einem Gerät erfolgreich durchzuführen. Die mechanischen, thermischen und elektronischen Verbindungen zwischen den Hybridschaltungen eines Geräts und zwischen den Schaltungen und ihrem mechanischen Träger in dem Gerät werden entscheidende Kriterien beim Entwurf solcher Schaltungen. Für die Optimierung eines Geräts muß man also beim Entwurf alle diese Verbindüngen optimieren.
Eine der Richtungen, die verfolgt werden, um diese schwierigen Verbindung zu optimieren, ist es, ihre Anzahl zu verringern, d.h. die Anzahl der Mikrowellenfunktionen möglichst groß zu machen, die auf einem einzigen Substrat integriert werden können, um die Anzahl der Substrate zu verringern, die für ein gegebenes Gerät erforderlich sind. Nach der Optimierung der möglichen Integrationsdichte auf einem einzigen Substrat kann man weiter die Größe des Substrats vergrößern, um möglichst viele Bauelemente und Funktionen auf einem Substrat zu integrieren. Die Verringerung der Anzahl der Substrate führt zu einer Verringerung des Raumbedarfs und des Gewichts des Geräts, was beispielsweise im Bereich der Raumfahrttechnik ein wichtiges Ziel ist.
Es gibt jedoch Schwierigkeiten bei einer solchen Integration der Hybridschaltkreise in Dünnschichttechnik auf Substraten Diese Schaltungen werden im allgemeinen auf einem dielektrischen Plättchen aus Al&sub2;O&sub3; (Aluminiumoxid) gebildet, also einer starren dielektrischen Keramik. Daher muß man sicherstellen, daß die fragilen Schaltungen, die auf diesen fragilen Substraten ausgebildet werden, den strengen Bedingungen des Umfelds widerstehen, in dem das Gerät arbeiten soll. Insbesondere werden derzeit diese Mikrowellenschaltungen meist in militärischen und/oder Raumfahrtanwendungen verwendet, d.h. in zwei Anwendungsbereichen, in denen das Umfeld besonders schwierig und feindlich ist und wo die Zuverlässigkeit des Geräts trotz dieses feindlichen Umfelds nahezu perfekt sein soll.
Aus diesen Gründen wurde die maximale Größe der hybriden Schaltungen auf einem Aluminiumoxid-Substrat für solche Anwendungen auf 1 mal 2 Inch² oder 2,5 mal 5 cm² begrenzt, insbesondere um den Stöen und Vibrationen zu widerstehen. Für größere Substrate kann man gemäß dem Stand der Technik nicht die Integrität der Schaltungen mit einer ausreichenden Zuverlässigkeit und einer ausreichenden Sicherheitsmarge unter den schwierigen Betriebsbedingungen in dem eingebauten Gerät gewährleisten (in einem Satelliten oder auf einer militärischen Plattform wie einem Lastwagen, einem Schiff, einer Rakete, einem Panzer oder einem Flugzeug).
Außerdem muß man oft, um die Wärmeabfuhr der aktiven Bauelemente der Hybridschaltung zu gewährleisten und die mechanische Widerstandsfähigkeit eines Substrats dieser Größe zu sichern, das Substrat verstärken und auf einen Metallrahmen oder auch auf eine Metallplatte montieren. Dies kann beispielsweise durch Hartlöten (hoher Silberanteil) geschehen.
Dieses Verfahren führt zu weiteren Begrenzungen hinsichtlich der maximalen Größe der Plättchen, da die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Substrat, dem Rahmen oder der Metallplatte und der Lötzone selbst zu mechanischen Spannungen führen kann, die bei einer bestimmten Größe der Elemente nicht mehr beherrscht werden. Daher kann das Auflöten auf einen Metallrahmen zwar für Plättchen kleiner Abmessungen verwendet werden, bleibt jedoch ein schwierig durchzuführendes und teures Verfahren. Außerdem wurde dieses Verfahren nicht für den Zusammenbau von Plättchen großer Oberfläche (von 2 x 2 Inch² oder mehr) überprüft, und es scheint, daß es sehr schwer oder gar unmöglich ist, Plättchen dieser Größe oder noch größerer Abmessungen durch Hartlöten zusammenzubauen und dabei die gewünschten elektrischen, thermischen und mechanischen Merkmale zu erzielen.
Die Druckschrift WO-A-90/09090 beschreibt ein Verfahren zum Zusammenbau eines Substrats mit einer elektronischen Schaltung und eines Trägers. In dem beschriebenen Verfahren wird Klebstoff entlang einer Linie auf eines der beiden Bauteile aufgebracht, worauf zwischen den beiden Bauteilen ein Vakuum hergestellt wird, so daß der Klebstoff zerdrückt wird und einen Haftfilm gleichmäßiger Dicke ergibt.
Weiter ist es bekannt, für die zusammenfügung von hybriden Schaltungen kleiner Abmessungen auf einem metallischen Träger ein Klebeverfahren zu verwenden. In einem solchen bekannten Klebeverfahren wird ein Klebstoff zwischen die zu verklebenden Bauteile gebracht und dann werden die Bauteile mit einem Schraubstock, einer Zwinge oder einem ähnlichen Gerät mechanisch zusammengespannt, bis der Klebstoff hart geworden ist. Daher müssen die zusammenzubauenden Teile unbedingt einzeln behandelt werden und die Abmessungen der zusammenzubauenden Bauteile müssen klein bleiben, um einen wirksamen und gleichmäßigen ausreichenden Druck der mechanischen Mittel zu erlauben, die die Bauteile beim Verkleben zusammenspannen sollen. Für größere Bauteile könne die Punkte, an denen die mechanische Kraft auf die Bauteile einwirkt, zu einem unvollkommenen Verkleben mit einer ungleichförmigen Dicke oder mit Einschlüssen oder Lufttaschen führen, oder die Keramik des Substrats kann auch zerbrechen. Eines der Ziele der Erfindung ist es, die Begrenzungen des Stands der Technik hinsichtlich der maximalen Größe der herstellbaren Schaltungen zu beseitigen, ohne jedoch die Zuverlässigkeit oder den soliden Aufbau in Frage zu stellen.
Dann können der Raumbedarf und das Gewicht des Geräts ebenso wie die Anzahl von Leitungen und Verbindungen zwischen den Substraten mit Hybridschaltungen auf verschiedenen Unteremheiten des Geräts verringert werden. Im Vergleich zu bekannten Lösungen für den Zusammenbau von Substraten geringerer Abmessungen werden erfindungsgemäß die Herstellungskosten und die Schwierigkeiten in der Anwendungen verringert und der Wirkungsgrad bei der Herstellung und die mechanischen Eigenschaften werden verbessert. Schließlich ergibt das erfindungsgem.-ße Verfahren einen Zusammenbau ohne Einschlüsse von Lufttaschen, so daß die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sowie der mechanische Widerstand der so gebildeten Einheit verbessert werden.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
An sich ist in einem anderen, sehr weit von dem Arbeitsgebiet der vorliegenden Erfindung entfernten Gebiet, nämlich der Montage von Verbundmaterialien zur Herstellung von Bauteilen mit großen Abmessungen und mit komplexen Oberflächen eine Klebetechnik bekannt, die den atmosphärischen Druck nutzt, um aufeinanderfolgende laminierte Schichten aufeinanderzupressen. Dieses Klebeverfahren wird beispielsweise verwendet, um Folien oder Gewebe aus synthetischen Materialien bei der Herstellung von Gegenständen zusammenzufügen, wie z.B. von einem Schiffsrumpf, Skiern, der Karosserie von Maschinen, Antennenreflektoren, Stoßdämpfern, Spoilern oder Verdecken von Sportfahrzeugen, Surfbrettern usw. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Merkmal einer Technik aus diesem von der Erfindung weit entfernten Bereich vorteilhafterweise nutzen.
So wird gemäß einem wichtigen Merkmal des Verfahrens zum Zusammenbau von Hybridschaltungen gemäß der Erfindung der mechanische Druck durch Aufbau eines atmosphärischen Differentialdrucks zwischen einer ersten und einer zweiten Zone erzeugt, die durch mindestens eine nachgiebige Wand dicht voneinander getrennt sind, wobei die erste Zone die zusammenzubauenden Bauteile enthält und die zweite Zone ganz die erste Zone umgibt und wobei die erste Zone einem Unterdruck bezüglich der zweiten Zone ausgesetzt wird. Um die nachfolgende Diskussion zu vereinfachen, wird dieses Verfahren nachfolgend als "Unterdruck-Verklebung" bezeichnet. Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zusammenzubauen Bauteile auf einer steifen Oberfläche mit größeren Abmessungen als die zusammenzubauenden Bauteile angeordnet. Die zusammenzubauenden Bauteile werden dann mit einer Folie eines nachgiebigen und luftundurchlässigen Materials bedeckt und die Folie wird dicht an die starre Oberfläche rund um die zusammenzubauen den Bauteile angeschlossen, so daß sie mit der starren Oberfläche eine erste Zone zwischen der Folie und der starren Oberfläche bildet. Diese erste Zone enthält also die zusammenzubauenden Bauteile und ist dicht gegenüber einer zweiten Zone außerhalb der ersten Zone abgetrennt, die diese erste Zone ganz enthält. Dann wird die erste Zone zumindest teilweise evakuiert mit Hilfe einer Vakuumpumpe, die mit dem Innenraum dieser Zone durch eine dichte Kanalisation ver bunden ist. Der Atmosphärendruck, der in der zweiten Zone um die ganze erste Zone herum herrscht, erzeugt so einen gleichförmigen mechanischen Druck auf die zusammenzubauenden Bauteile durch die starre Oberfläche einerseits und die Folie aus nachgiebigem Material andererseits.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die Abmessungen der starren Oberfläche größer als ein Vielfaches der Abmessungen der zusammenzubauenden Bauteile, so daß mehrere Paare von zusammenzubauenden Bauteilen auf der starren Oberfläche angeordnet werden können, um mehrere Paare gleichzeitig durch Unterdruck miteinander zu verkleben.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das starre Substrat auf mindestens einer seiner beiden Seiten metallbeschichtet, und die Klebeschicht steht mit der so metallbeschichteten Seite des Substrats in Kontakt. Vorzugsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten metallischen Bauteils ähnlich dem des starren Substrats, so daß die mechanischen Spannungen aufgrund einer unterschiedlichen Ausdehnung bei Temperatur schwankungen begrenzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Substrats aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;). In diesem Fall ist das zweite metallische Bauelement aus einer Legierung mit dem dem Fachmann gut bekannten Handelsnamen "Dilver". Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Material für die starre Oberfläche so gewählt, daß es den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient wie das zweite mechanische Bauelement besitzt. Meist handelt es sich um das gleiche Material.
Gemäß einem anderen bevorzugten Merkmal der Erfindung handelt es sich bei dem Klebstoff um einen thermisch und/oder elektrisch leitfähigen Stoff.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung werden Löcher durch das starre Substrat hindurch gebohrt, in denen leitende Duröhverbindungen angebracht und mit dem gleichen Klebstoff festgeklebt werden. Diese Durchverbindungen erlauben es, das Substrat über einen elektrisch leitenden Pfad zu durchqueren, beispielsweise für die Masserückleitung.
Vorzugsweise enthält der Klebstofffilm ein relativ wenig komprimierbares Grundmaterial, so daß die beiden zusammenzubauenden Bauteile in einem sicheren Mindestabstand bei der Polymerisierung trotz eines großen Druckunterschieds gehalten werden. Diese Grundstruktur könnte gemäß einer bevorzugten Ausführung ein Glasfasergewebe sein. So könnte der Klebstofffilm aus einem Glasfasergewebe bestehen, das mit einem geeigneten Klebstoff imprägniert ist.
Schließlich betrifft die Erfindung alle Vorrichtungen zum Zusammenbau von Schaltungen, die nach den erfindungsgemäßen Prinzipien und ihren wesentlichen Merkmalen hergestellt wurden.
Laborversuche bestätigen die Einsatzfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens für Hybridschaltungen auf starren keramischen Substraten mit Abmessungen, die mindestens doppelt so groß wie die der nach dem Stand der Technik verwendeten Substrate sind, d.h. 2 x 2 Inch² (etwa 5 x 5 cm²), selbst unter strengen Umfeldbedingungen, die bis zu Beschleunigungen jenseits von 70 G reichen. Diese Eigenschaften ergeben sich ohne erhöhte Herstellungskosten oder Schwierigkeiten bei der Anwendung. Im Gegenteil, das Verfahren gemäß einer Variante der Erfindung erlaubt die einfache und gleichzeitige Herstellung mehrerer Verklebungen mit einem Ausschußanteil deutlich unter dem, der bei Lötverfahren üblich erreicht wird.
Der Herstellungs-Wirkungsgrad ist also deutlich bezüglich der bekannten Verfahren verbessert, die Kosten sind verringert und die Eigenschaften verbessert. Außerdem können der Raumbedarf und das Gewicht des endgültigen Geräts ohne Inkaufnahme von Nachteilen verringert werden. Schließlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren gut für Raumfahrtanwendungen, da die Materialien, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, sich während der Startphase und in der Umlaufbahn gut bewähren.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand von einigen die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch in Perspektive sowie Explosionsdarstellung ein Verfahren zum Zusammenbau von Hybridschaltungen durch Löten auf einen Metallrahmen gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt schematisch in Perspektive sowie Explosionsdarstellung ein vereinfachtes Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zusammenbau einer Hybridschaltung mit einem Metallbauteil durch Verkleben mittels Unterdruck
Figur 3 zeigt schematisch von oben ein Beispiel des Zusammenbaus mehrerer Hybridschaltungen mit mehreren Metallbauteilen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem einzigen Herstellungsschritt.
Figur 4 zeigt schematisch und im Schnitt eine Vorrichtung mit einer Hybridschaltung, die auf ihren Metallträger durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgeklebt wurde.
Figur 5 zeigt schematisch und im Schnitt eine Variante einer nach dem erfindungsgemäßen Prinzip hergestellten Vorrichtung mit zwei Substraten von zwei Hybridschaltungen, die auf dieselbe Seite eines gemeinsamen Metallbauteils als Träger aufgeklebt sind.
In allen Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen. Die relativen Abmessungen sind zur Erhöhung der Klarheit der Zeichnungen nicht respektiert.
In Figur 1 sieht man ein Beispiel eines Verfahrens zum Zusammenbau von Hybridschaltungen mit einem Metallträger durch Hartlöten gemäß einer bekannten Methode. Die elektronische Schaltung, die sehr schematisch dargestellt ist, enthält ein dielektrisches Substrat 2, das im allgemeinen aus Keramik besteht und auf einer ersten Seite mit einer Metallbeschichtung 3 versehen ist, während aktive und passive Bauelemente 5 bzw. 6 auf der zweiten Seite des Substrats 2 liegen und über leitende Spuren 4 miteinander verbunden sind, welche durch Fotogravur oder irgendein anderes Verfahren hergestellt sind und Übertragungsleitungen bezüglich der Metallbeschichtung 3 bilden, die auf Masse gehalten wird und durch das dielektrische Substrat 2 auf Abstand von den leitenden Spuren und den Bauelementen der Schaltung gehalten wird. Um die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Einheit zu verbessern, ist die Metallbeschichtung oft aus Gold, aber auch andere Materialien können in Betracht gezogen werden.
Gemäß dem bekannten Verfahren wird das Substrat 2 auf einen Metallträger 1 durch Löten zwischen der metallbeschichteten Seite 3 des Substrats 2 und dem Träger 1 aufgebracht. In dem Beispiel aus Figur 1 hat der Träger 1 die Form eines Rahmens. Der Träger könnte aber auch eine Metallplatte ohne Fenster in der Mitte sein. Für die Lötung wird die Lötlegierung 7, im allgemeinen eine vorgeformte, ausgestanzte Schicht, wie in Figur 1 gezeigt, zwischen das Sub strat 2 und den Träger 1 eingefügt; und zwar in Kontakt mit den miteinander zu vereinenden Seiten der beiden Bauteile. Das ganze wird dann auf hohe Temperatur erwärmt, bis der Schmelzpunkt der Lötlegierung erreicht ist. Im allgemeinen handelt es sich bei der Verlötung für den Zusammenbau von hybriden Schaltungen um eine Hartlötung, so daß der Schmelzpunkt relativ hoch ist. Daher ist es günstig, mit der Bestückung der Schaltung durch die aktiven Bauelemente zu warten, bis die Lötung durchgeführt ist, da sie durch die hohe verwendete Temperatur zerstört werden können.
Das Substrat 2 und der Träger 1 haben im allgemeinen sehr ähnliche, wenn nicht identische Abmessungen. Im Beispiel aus Figur 1 sind jedoch in kleinen Befestigungslaschen, die in der Ebene des Trägers über die Abmessungen des Substrats 2 vorstehen, vier Befestigungslöcher 8 zur Befestigung der fertigen Schaltung an den vier Ecken des rechtwinkligen Trägers 1 vorgesehen.
Es sei bemerkt, daß die maximalen Abmessungen der bekannten Ausführungen, die nach dem bekannten Verfahren hergestellt wurden, 1 x 2 Inch², d.h. etwa 2,5 x 5 cm² betragen. Es erscheint schwierig oder gar unmöglich, diese Technologie auf größere Dimensionen auszudehnen, da die mechanischen Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der Hartlötung, des Substrats und des Trägers bei Temperaturveränderungen ausreichen, um die Keramik des Substrats oder die Lötverbindung zu zerbrechen.
In Figur 2 ist schematisch in Perspektive und in Explosionsdarstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Montage einer Hybridschaltung auf einem metallischen Träger durch Verklebung mittels Unterdruck gezeigt. Die Hybridschaltung enthält die gleichen Elemente wie die in Figur 1 gezeigte Schaltung gemäß dem Stand der Technik. Nur die Größe der Schaltung ist in diesem Beispiel gegenüber dem vorhergehenden verdoppelt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nämlich Substratgrößen, die mindestens zweimal so groß wie die nach dem Stand der Technik sind. Wie beim Stand der Technik enthält das Keramiksubstrat 2 eine Metallbeschichtung 3 auf einer ersten seiner beiden Seiten, während die aktiven und passiven Bauelemente bzw. 6 aufleitende Bahnen 4 an der zweiten Seite des Substrats aufgebracht sind.
Das Substrat 2 wird auf einen Träger 10 aufgebracht, der ein metallisches Bauteil mit ähnlichen Seitenabmessungen wie die des Substrats ist und eine ebene Fläche zumindest an seiner Oberseite besitzt, auf die das Substrat 2 aufgeklebt werden soll.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Klebstofffilm 11 zwischen die beiden zu verklebenden ebenen Oberflächen eingefügt, nämlich die Oberseite des Trägers 10 und die Metallbeschichtung 3 des Substrats 2. Der Klebstofffilm 11 ist vorzugsweise gemäß den gleichen Seitenabmessungen wie das Substrat 2 ausgeschnitten, um zu vermeiden, daß Klebstoff bei der nachfolgenden Polymerisierung in größerer Menge herausgedrückt wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nur ein einfaches Hilfsmittel notwendig, wie es beispielshalber in Figur 2 gezeigt ist. Für die Verklebung mittels Unterdruck bildet man eine erste dichte Zone, die die zu verklebenden Bauteile enthält, um diese Zone einem Unterdruck auszusetzen. Eine zweite Zone existiert um die ganze Unterdruckzone herum, und diese zweite Zone wird nicht unter Unterdruck gesetzt. Daher ist der Atmosphärendruck, der in der zweiten Zone herrscht, größer als der Unterdruck innerhalb der ersten, evakuierten Zone und erzeugt einen Druck auf die Wände dieser ersten Zone. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieser Druck auf die zu verklebenden Bauteile übertragen, wie nachfolgend erläutert wird.
In dem Beispiel des in Figur 2 gezeigten Hilfsmittels erkennt man einen starren Tisch 12 mit einer sehr ebenen Oberseite und mit größeren Seitenabmessungen als die der zusammenzufügenden Bauteile. Auf dem Umfang dieser Tischfläche ist eine Dichtung 13 angebracht, deren seitliche Abmessungen ebenfalls größer als die der zusammenzübauenden Bauteile sind. Die zusammenzubauenden Bauteile werden auf dieser Oberseite des Tisches positioniert und mit der gewünschten seitlichen Positioniergenauigkeit innerhalb der Dichtung 13 übereinandergelegt. Der Träger 10 wird als erster auf den Tisch 12 gelegt, dann der Klebstofffilm 11 auf die Oberseite des Trägers 10 und schließlich das Substrat 2 auf den Film 11 mit seiner Metallbeschichtung 3 in Kontakt mit dem Film 11.
Um die erste zu evakuierende Zone dicht zu verschließen, wird dann eine nachgiebige Wand 14 auf die übereinandergelegten und zusammenzubauenden Bauteile gelegt und kommt in wirksamen Kontakt mit der Dichtung 13. Die erste dichte Zone ist so gebildet, und zwar ein dichter Raum, der von dem Tisch 12, der nachgiebigen Wand 14 und der Dichtung 13 gebildet wird. Natürlich muß für die Evakuierung dieser ersten Zone eine dichte Kanalisation (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die mit einem Ende in diese erste Zone mündet und am anderen Ende mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden ist.
In dem in Figur 2 gezeigten Beispiel sieht man auch einige kleine Verbesserungen, die vorgenommen werden können. In diesem Beispiel ist eine Folie 15 aus einem nachgiebigen Material und mit geringfügig größeren Abmessungen als die zusammenzufügenden Bauteile auf die Oberseite der Hybridschaltung aufgelegt und eine Filzmatte aus Polyester 16 mit gleichen Abmessungen liegt auf dieser nachgiebigen Folie. Die nachgiebige Wand 14 verschließt dann die erste zu evakuierende Zone. Die Filzmatte 16 soll das Evakuieren der ersten Zone erleichtern, da eventuelle Lufttaschen, die aufgrund des Reliefs der Oberseite der Schaltungen mit den bereits aufgesetzten Bauelementen entstehen können, mit der Filzmatte in Verbindung stehen, so daß sich eine gleichmäßige Druckabnahme ergibt. Die Folie 15 soll die Filzmatte 16 gegen eventuelles Überlaufen des Klebstoffes schützen.
Nach dem Übereinanderlegen der zusammenzubauenden Bauteile unter Zwischenschaltung des Klebstofffilms zwischen diesen Bauteilen und nach dem dichten Verschließen der ersten Zone mit diesen Bauteilen wird diese Zone mit Hilfe einer Vakuumpumpe unter Unterdruck gesetzt. Ein mechanischer Druck aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Umgebungsdruck, der außerhalb des geschlossenen Raums herrscht, und dem Unterdruck, der im Inneren dieser evakuierten Zone herrscht, wirkt auf den starren Tisch 12 und die nachgiebige Wand 14, die sich auf dem Träger 10 bzw. dem starren Substrat abstützen. Diese mechanische Kraft wird so gleichmäßig auf die ganze Oberfläche der zusammenzubauenden Bauteile in einer Richtung senkrecht zur ebenen Oberfläche jedes der Bauteile ausgeübt, so daß der Klebstofffilm 11 gleichmäßig komprimiert wird. Die ganze Einheit kann dann in einen Ofen gesteckt werden, um die Polymerisierung des Klebstoffs zu erreichen, falls der Klebstoff ein thermoaktivierter Klebstoff ist. Der mechanische Druck wird während der ganzen Dauer der Polymerisierung des Klebstoffs aufrechterhalten, indem der Unterdruck in der ersten Zone mit den zusammenzufügenden Bauteilen und damit der Druckunterschied aufrechterhalten bleibt, der auf deren Wände wirkt.
Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden von der Anmelderin durchgeführt und haben zufriedenstellende Ergebnisse für verschiedene Materialien ergeben. Es scheint, daß zahlreiche unterschiedliche Materialien in großen Kombinationsbereichen verwendet werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ergibt das erfindungsgemäße Verfahren sehr zufriedenstellende Ergebnisse für eine Schaltung auf einem Aluminiumoxid-Substrat 2 (Al&sub2;O&sub3;), das auf einen Träger 10 aus einer Legierung geklebt ist, die unter dem Handelsnamen "Dilver" vertrieben wird und dem Fachmann wegen des dem Aluminiumoxid sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt ist.
Für Raumfahrtanwendungen hat die Anmelderin Tests unter Verwendung von Elementen und Bauteilen durchgeführt, die eine rasche Qualifizierung für Raumanwendungen ermöglichen, d.h. Elementen und Bauteilen, die bereits qualifiziert sind. So wurden im Beispiel der Figur 2 Tests insbesondere mit einem elektrisch leitenden Klebstoff durchgeführt, der unter der Bezeichnung ECFS64A in Form eines Films einer Dicke von 125 pm vertrieben wird. Dieser Klebstoff wird dann bei 150ºC während einiger Stunden gemäß den Gebrauchsanweisungen des Klebstoffherstellers polymerisiert. Natürlich kann der Fachmann einen anderen Klebstoff verwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise könnte ein thermisch leitender oder thermisch und elektrisch leitender Klebstoff in manchen Anwendungen bevorzugt werden.
Die Anmelderin hat auch während der Tests für die Folien 14 und 15 aus nachgiebigem Material, wobei erstere die nachgiebige Wand bildet, die die unter Unterdruck zu setzende dichte Zone verschließt, einen Nylonfilm verwendet, der der Polymerisationstemperatur widersteht und unter der Bezeichnung "Capran 980" ohne Schwierigkeiten im Handel erhältlich ist. Jedes andere Material mit den gewünschten Eigenschaften könnte natürlich ebenfalls verwendet werden. Eine Polyesterfilzmatte, die speziell für die Evakuierung entworfen wurde, trägt den Handelsnamen "Airbleed 100", aber äquivalente Stoffe sind möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der starre Tisch 12 aus demselben Material wie der Träger 10. Zufriedenstellende Tests wurden von der Anmelderin unter Verwendung der Legierung "Dilver" für diese beiden Elemente durchgeführt. Diese Lösung ergibt offensichtliche Vorteile im Fall einer Wärmebehandlung mit starken Temperaturschwankungen während der Herstellungsverfahren.
In Figur 3 sieht man, daß das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet ist, um gleichzeitig mehrere Bauteile paarweise zusammenzubauen. Indem die Seitenabmessungen des starren Tisches 12 und der nachgiebigen Folie 14 größer als ein Vielfaches der Abmessungen der zusammenzubauenden Bauteile gewählt wird, wie dies in dieser Figur zu sehen ist, kann man x identische oder nicht-identische Paare von Bauteilen gleichzeitig zusammenbauen, was ein erheblicher Gewinn bei der Rentabilität der Operation ist. In dieser Figur sieht man vier Hybridschaltungen auf starren Substraten 2 großer Abmessungen, die auf vier nebeneinander auf einem starren Tisch 12 innerhalb der Dichtung 13 angeordneten Metallträgern 10 liegen. Das Ganze wird dann mit der Folie 15 aus nachgiebigem Material, um ein Herausquetschen von Klebstoff 1 zu vermeiden, und mit einer Filzmatte 16 bedeckt, die die Abfuhr der Luft aus der ersten dichten Zone erleichtern soll, die zuerst mit der nachgiebigen und luftundurchlässigen Folie 14 verschlossen wird. Abgesehen von den größeren Abmessungen des Hilfsmittels erfolgt das ganze Verfahren wie anhand von Figur 2 gezeigt. Tests wurden von der Anmelderin mit bis zu acht gleichzeitig zusammenzubauenden Paaren von Bauteilen durchgeführt, und diese Tests lassen vermuten, daß das Verfahren sich auf eine Erweiterung auf mindestens die doppelte Anzahl ohne besondere Probleme dimensionieren läßt.
In Figur 4 ist schematisch und im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Zusammenbau einer Hybridschaltung mit einem starren Substrat 2 und dessen Metallbeschichtung 3 und eines Metallträgers 10 über eine Klebstoffschicht 11 gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Diese Figur 4 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, die die Anwendung des Verfahrens auf die gleichzeitige Herstellung der Masserückleitung durch das Substrat hindurch bei der Verklebung des Substrats mit seinem Träger vorsieht. Hierzu sind kleine leitende Durchführungen 20 in Löcher gesteckt, die das Substrat durchqueren.
Die Breite der Durchführungen ist etwas kleiner als der Durchmesser der Löcher, aber ihre Höhe gleicht der Dicke des Substrats 2. Vorzugsweise bestehen die Durchführungen 20 aus demselben Material wie der Träger 10 und sind ggf. zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit vergoldet. Diese Durchführungen erfüllen die gleiche Aufgabe wie metallbeschichtete Löcher in einer klassischen Druckschaltung, aber man spart sich den Schritt für die Herstellung der metallbeschichteten Löcher. Wie in Figur 4 zu sehen, können die aktiven oder passiven Bauelemente 5, 6 so mit Masse verbunden werden, indem sie an das freie Ende einer solchen Durchführung über Anschlußfahnen 21 des Bauelements angeschlossen werden.
Figur 5 zeigt eine Variante einer Vorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Diese Variante enthält zwei Schaltungen auf zwei starren Substraten 2, die mit ihrer Metallbeschichtung 3 auf eine gemeinsame Seite eines einzigen Trägers 10 über zwei Klebstofffilme 11 geklebt sind.
Die wenigen Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, die oben angegeben sind, sowie die Beispiele für die nach diesem Verfahren hergestellten Vorrichtungen machen die Einfachheit der Durchführung des Verfahrens einerseits und die Einsparungen deutlich, die in einer industriellen Fertigung gemäß einem solchen Verfahren erzielt werden können. Außerdem sind die Abmessungen von Hybridschaltungen, die gemäß diesen Methoden zusammengebaut werden können, zumindest doppelt so groß wie diejenigen von Hybridschaltungen nach dem Stand der Technik, woraus sich ein erheblicher Gewinn an Gewicht und Raumbedarf der mehrere Schaltungen verwendenden Geräte ergibt.
Schließlich übersteigen die Eigenschaften der so hergestellten Einheiten die des Stands der Technik um ein erhebliches Maß, da Tests mit Schwingungen und Stößen, die die Anmelderin durchgeführt hat, den sehr robusten Aufbau gezeigt haben, der durch diese Lösung erreicht wird. Alles spricht dafür, daß zukünftig das Kleben mittels Unterdruck die Hartlötung ganz für den Zusammenbau der Hybridschaltungen mit einem starren Träger ersetzt, und zwar in erster Linie für Raumfahrt- und militärische Anwendungen, aber schließlich auch für alle anderen Anwendungen von Hybridschaltungen.

Claims

1. Verfahren zum Zusammenbau mindestens zweier Bauteile, von denen das erste ein starres Substrat (2) mit einer elektronischen hybriden Schaltung und das zweite ein metallisches Bauteil (10) ist, wobei beide Bauteile mindestens je eine im wesentlichen ebene Fläche besitzen und durch Polymerisierung eines Klebstofffilms (11) verklebt werden, der zwischen einer ebenen Fläche des ersten Bauteils und einer ebenen Fläche des zweiten Bauteils angeordnet wird, wobei die Polymerisierung unter einem mechanischen Druck erfolgt, der auf diese Bauteile in einer Richtung senkrecht zu der ebenen Oberfläche jedes Bauteils wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenzubauenden Bauteile auf einer starren Oberfläche (12) mit größeren Abmessungen als die der zusammenzubauenden Bauteile angeordnet werden, wobei die starre Oberfläche einen Umfang und dieser Umfang eine Dichtung (13) besitzt, und daß die zusammenzubauenden Bauteile dann mit einer Folie (14) eines nachgiebigen und luftundurchlässigen Materials bedeckt werden, die in Kontakt mit der Dichtung gebracht wird, so daß die Folie mit der starren Oberfläche eine erste Zone zwischen der Folie und dieser Oberfläche bildet, die die zusammenzubauenden Bauteile enthält, daß diese erste Zone mit den zusammenzubauenden Bauteilen dicht gegenüber einer zweiten, die erste Zone ganz enthaltenden Zone außerhalb der ersten Zone getrennt ist, und daß die erste Zone dann zumindest teilweise mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert wird, die mit dem Innenraum der ersten Zone durch eine dichte Kanalisation in Verbindung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Substrat (2) auf mindestens einer seiner beiden Seiten eine Metallbeschichtung (3) trägt, und daß der Klebstofffilm (11) mit einer metallbeschichteten Seite des Substrats in Kontakt gebracht wird.

3. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauteil (10) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem des starren Substrats besitzt.

4. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus Al&sub2;O&sub3; ist.

5. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauteil (10) aus einer unter dem Handelsnamen "Dilver" bekannten Legierung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Oberfläche (12) aus dem gleichen Material wie das metallische Bauteil (10) ist.

7. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (11) ein thermisch leitender Klebstoff ist.

8. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (11) ein elektrisch leitender Klebstoff ist.

9. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (11) ein elektrisch und thermisch leitender Klebstoff ist.

10. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Substrat (2) eines oder mehrere das Substrat durchquerende Löcher aufweist, deren Breite in der Ebene des Substrats und deren Länge entsprechend der Dicke des Substrats in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats gemessen werden, und daß metallische Durchführungen (20) aus dem gleichen Material wie das zweite metallische Bauteil in diese Löcher gesteckt werden, deren Breite kleiner als die Abmessungen der Löcher in der Ebene des Substrats (2) und deren Länge gleich der Tiefe der Löcher ist, und daß die Durchführungen (20) in die Löcher geklebt werden, so daß sie einen elektrisch leitenden Weg durch das Substrat hindurch bilden.

11. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstofffilm (11) eine relativ wenig komprimierbare Struktur aus einem anderen Material besitzt, so daß er die beiden zusammenzubauenden Bauteile selbst bei einem hohen aufgewendeten Druck auf einem gegenseitigen Mindestabstand hält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstofffilm (11) ein Glasfasergewebe enthält, das den Klebstofffilm verhältnismäßig ab einer bestimmten Mindestdicke wenig komprimierbar macht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstofffilm (11) durch Imprägnierung eines Glasfasergewebes mit einem geeigneten Klebstoff gebildet wird.

14. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Oberfläche (12) für den Zusammenbau Abmessungen besitzt, die größer als ein Vielfaches der Abmessungen der zusammenzubauenden Bauteile (2, 10) sind, so daß mehrere Paare von zusammenzubauenden Bauteilen auf der starren Oberfläche angeordnet werden können, um gleichzeitig mehrere Paare von Bauteilen bei Unterdruck miteinander zu verkleben.