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Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines vakuumdichten Gehäuses für zweipolige
Bauelemente gemäss Ausführung nach Anspruch 1 und Verfahren nach Anspruch 11.
Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit, seiner einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit entspricht es insbesondere den Erfordernissen für Airbagzünder-Gehäuse. Als Zündelemente für Airbagsysteme finden Widerstandsdrähte, Schichtwiderstände (realisiert in Dünnoder Dickschichttechnik) sowie auf Halbleiterchips hergestellte Widerstandsbahnen Anwendung.
Derzeit werden Airbagzündelemente in modifizierten TO-Gehäusen mit Glasdurchführungen gekapselt bzw. in anderen aufwendig herstellbaren Gehäusen eingebaut. Um ein ungewolltes Zünden des Zündsatzes, ausgelöst durch elektrostatische Entladung, zu vermeiden, muss sichergestellt werden, dass einer der Zündelementeanschlüsse elektrisch mit der metallischen Gehäusekappe verbunden ist.
Die WO 96/24024 A1 weist auf eine Ausführungsform des Gehäuses hin, bei der ein Halbleiterzünder auf einen Keramikgehäuseboden montiert wird. Die Anschlussstifte sind als MetallGlasdurchführungen im Gehäuseboden fixiert. Die Verbindung zwischen den Kontaktflächen auf dem Halbleiterzünder und den Anschlussstiften wird über Drahtbrücken hergestellt. Es wird in der Patentschrift kritisch vermerkt, dass der Keramikgehäuseboden bruchgefährdet ist, wenn der Zündsatz eingebracht bzw. verpresst wird. Die vakuumdichten Metall-Glasdurchführungen stellen einen bedeutenden Kostenfaktor dar. Darüber hinaus ist keine elektrische Verbindung zwischen einem der beiden Anschlüsse und dem Gehäuse gegeben. In einer anderen Ausführung wird ein MetallTO-Gehäuse verwendet, das von einem Metallgehäuseboden und einer metallischen Gehäusekappe gebildet wird.
Ein Anschlussstift ist in einer Metall-Glasdurchführung vom Gehäuseboden elektrisch isoliert, während der zweite auf der Unterseite des Gehäusebodens befestigt ist. Wird nun ein Anschluss des Halbleiterzündelements mit dem Gehäuseboden über ein Drahtbrücke verbunden, so ist dieser zugleich auch mit der Gehäusekappe elektrisch verbunden. Der zweite Anschluss des Zündelements ist mit dem elektrisch isoliert ausgeführten Anschlussstift über eine weitere Drahtbrücke kontaktiert. Die Glasdurchführung im Gehäuseboden des TO-Gehäuses stellt eine teure Ausführungsvariante dar.
Die US 5,798,476 A beschreibt die simultane Montage und Kontaktierung eines Dünnschichtzündelements auf einem metallischen Gehäuseboden. Auch in dieser Ausführung ist ein Anschlussstift in einer Glasdurchführung im Metallgehäuseboden fixiert. Der zweite Anschlussstift ragt als Zapfen aus dem Gehäuseboden heraus. In einem Arbeitsgang werden die Glasdurchführung für den Anschlussstift hergestellt, das Substrat mit dem Dünnschichtzündelement mit dem Gehäuseboden mit einem Glaslot sowie die Kontaktflächen des Zündelements durch Hartlöten mit den beiden Anschlussstiften verbunden. Die Herstellung und die Montage des Zündelements sind aufwendig.
In der US 5,113,764 A werden vier modifizierte Ausführungsformen von Metailgehäusen beschrieben, wobei der Gehäuseboden von der Gehäusekappe durch Kunststoffeinlagen elektrisch isoliert ist. Bei sämtlichen Ausführungen wird ein Anschluss des Halbleiterzündelementes mit dem Gehäuseboden, der andere mit dem Mantel der Gehäusekappe über Zungen und Stege, die in das Gehäuseinnere hineinragen, verbunden. Durch den Einbau der Stege bzw. Zungen in das Gehäuse ist die Herstellung dieser Gehäuseausführung mit hohem Aufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau und ein Verfahren für die Herstellung eines vakuumdichten Gehäuses für zweipolige Bauelemente anzugeben, wobei ein Anschluss des Bauelements mit der Gehäusekappe und einem Anschlussstift des Gehäuses elektrisch verbunden ist, während der zweite Bauelementeanschluss vom ersten isoliert über den Gehäuseboden mit dem zweiten Anschlussstift des Gehäuses elektrisch verbunden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch das Verfahren nach Anspruch 11gelöst. Dabei wird der Gehäuseboden von einem kreisförmigen Stahlplättchen, auf das als elektrisch isolierende Zwischenschicht eine nicht durchgehende Glaskeramikbeschichtung aufgebracht ist, gebildet. Letztere besteht aus Si02, BaO, AI203 und einer anorganischen Farbstoffverbindung, wie sie beispielsweise als Pastensystem zur Beschichtung von ferritischen Stählen unter der Bezeichnung IP 222 SL bei der W. C. Heraeus GmbH, Hanau DE oder ESL 4914 bei ESL Agmet Ltd., Reading GB erhältlich ist, während das Glaskeramiksystem ESL 4916 zur Beschichtung von austenitischen Stählen ausgelegt ist.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Stahlsubstrat und einer Kontaktfläche auf der Glaskeramikschicht über eine Durchkontaktierungsmetallisierung her
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gestellt wird. In der Glaskeramikschicht, die im Siebdruckverfahren auf den Stahlträger aufgebracht wird, befindet sich ein Durchkontaktierungsloch, das mit einer Leiterpaste, ebenfalls im Siebdruckverfahren, aufgefüllt wird. Es liegt hiebei der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass hiefür ein glasfnttefreies Au-Pastensystem, wie beispielsweise die Leiterpaste C 5754 der W. C. Heraeus GmbH eingesetzt wird. Um einen niederohmigen Übergangswiderstand zwischen Stahl und Au-Metallisierung zu erhalten, müssen die Glaskeramikbeschichtung und Au-Paste gemeinsam gesintert werden.
Wird hingegen zuvor die Glaskeramikbeschichtung alleine gesintert, so bildet sich auf der von Dickschichtpaste unabgedeckten Stahloberfläche im Bereich des Durchkontaktierungsloches eine Oxidschicht aus, so dass bei Aufbringen einer Au-Metallisierung kein niederohmiger Übergangswiderstand und/oder keine zuverlässige Haftung der Metallisierungsschicht auf dem Stahl erzielt wird. Konventionelle PdAg-Pasten der Dickschichttechnik bzw. glashältige Leiterpasten sind für Kontaktierungen auf Stahl ungeeignet, da sie keine niederohmigen Übergangswiderstände liefern. Selbst das PdAg-Pastensystem ESL D-9695 Steel, eine Leiterpaste, die zum Kontaktieren bzw. zum Bedrucken von Stahl modifiziert worden ist, ist hiefür ungeeignet.
Um eine niederohmige Kontaktierung mit dem Stahl, sowie eine ausreichende Haftfestigkeit zu erzielen, muss nämlich diese Paste grossflächig verdruckt werden. Die Abmessungen der Kontaktfläche auf der Stahlplatte des Gehäusebodens betragen hingegen lediglich ca. 200 }im x 200 m.
Danach werden lötbare Kontaktfelder als Anschlüsse für die Bauelemente mit einer konventionellen Leiterpaste auf der Glaskeramikschicht ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebracht, wobei eines der Kontaktfelder die Au-Kontaktierung am Rand des Durchkontaktierungsloches überlappt und das zweite in eine beispielsweise ringförmige Metallisierungsfläche konzentrisch zum Rand des Stahlplättchens übergeht.
Der Abstand zwischen den beiden Kontaktfeldern und die Grösse der Kontaktfelder sind auf die Grösse des zweipoligen Bauelements, das in das Gehäuse eingesetzt werden soll bzw. dessen Anschlüsse abgestimmt.
Nachfolgend wird eine metallische Gehäusekappe unter Schutzgasatmosphäre mit der ringförmigen Metallisierungsfläche auf dem Stahl-Glaskeramik-Gehäuseboden durch Löten oder Schweissen verbunden. Am Gehäusemantel der Gehäusekappe befindet sich ein gekröpft ausgeführter Anschlussstift, der durch Löten oder Schweissen mit diesem verbunden worden ist. Der zweite Anschlussstift ist auf der Unterseite des Stahlplättchens angelötet oder angeschweisst.
Fig. 1a und 1b zeigen den Grundriss und eine Querschnittansicht vom Aufbau des Gehäuses gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bestückt mit einem zweipoligen SMD-Bauelement.
Fig. 2a und 2b zeigen den Grundriss und eine Querschnittansicht vom Aufbau des Gehäuses gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bestückt mit einem Halbleiterchip-Bauelement.
Fig. 3a und 3b zeigen den Grundriss und eine Querschnittansicht vom Aufbau des Gehäuses gemäss einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei das Gehäuse mit einem Zündelement bestückt und einem Zündsatz aufgefüllt ist.
Das Gehäuse (100) umfasst einen Gehäuseboden (101), der von einem mit einer Glaskeramikbeschichtung (103) versehenen Stahlplättchen (102) gebildet wird, auf dem zwei Kontaktfelder (105) und (105') angeordnet sind, wobei das zweite Kontaktfeld (105') über die Durchkontaktierung (104) mit dem Stahlplättchen (102) elektrisch verbunden ist, während das erste Kontaktfeld (105) in eine ringförmige Randmetallisierung (106) übergeht. Das Gehäuse (100) umfasst weiters eine Gehäusekappe (107), die über eine Löt- oder Schweissverbindung (108) mit dem Gehäuseboden (101) verbunden ist, wobei zwischen dem Kontaktfeld (105) und der Gehäusekappe (107) über die Randmetallisierung (106) und die Fügestelle (108) eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird.
Am Gehäuse sind zwei voneinander elektrisch isolierte metallische Anschlussstifte (109) und (110) angeordnet, wobei der Anschlussstift (109) auf die Unterseite des Stahlplättchens und der zweite, gekröpft ausgeführte Anschlussstift (110) auf den Mantel der Gehäusekappe (107) gelötet, geklebt oder geschweisst werden. Das Stahlplättchen (102) ist ein ferritischer oder austenitischer Stahl beispielsweise des Typs 1. 4404 oder 1. 4301. Die konventionelle Dickschichttechnik wird angewandt, um die Glaskeramikbeschichtung (103), Durchkontaktierungsmetallisierung (104), Kontaktfelder (105) und (105') sowie die Randmetallisierung (106) herzustellen, wobei handels- übliche Pastensysteme der Hersteller HERAEUS, ESL oder DUPONT eingesetzt werden.
Für die
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Durchkontaktierungsmetallisierung (104) wird eine glasfrittefreie Au-Dickschichtleiterpaste, für die Kontaktfelder (105) und (105') sowie die Randmetallisierung (106) werden lötfähige bzw. schweissbare Dickschichtleiterpasten, deren leitfähige Phase beispielsweise aus einer PdAg-Legierung besteht, eingesetzt. Es werden vorzugsweise Pasten verwendet, die bei einer Temperatur von 850 C gesintert werden können.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass sich ein niedriger Übergangswiderstand bei Kontakterung der Stahlplatte (102) mit einer glasfrittefreien Au-Dickschichtleiterpaste einstellt, wodurch es ermöglicht wird, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Stahlplatte (102) und dem Kontaktfeld (105') über eine Durchkontaktierungsmetallisierung (104) herzustellen. Es sind hiebei folgende Prozessschritte einzuhalten: # Drucken der Glaskeramikpaste mittels Siebdruckverfahrens auf eine Stahlplatte.
Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150 C über eine Zeitdauer von ca. 10 Minuten.
Wiederholen der ersten beiden Prozessschritte, bis eine Gesamtschichtdicke von ca. 90 m erzielt wird. Es sind hiefür etwa 3 Durchläufe notwendig.
Drucken der glasfrittefreien Au-Paste über/in das Durchkontaktierungsloch.
Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150 C über eine Zeitdauer von ca. 10 Minuten.
Gemeinsames Sintern von Glaskeramikpaste und der glasfrittefreien Au-Paste bei 850 C, wobei sich eine Schichtdicke von ca. 45 um für die Glaskeramikbeschichtung ergeben sollte.
Nachfolgend werden die Kontaktfelder (105), (105') und die Randmetallisierung (106) mit einer löt- bzw. schweissbaren Dickschichtleiterpaste hergestellt. Es können hiefür PdAg-, PdAu- oder PdAuPt-Pasten eingesetzt werden, wobei folgende Verfahrensschritte eingehalten werden sollten:
Drucken der Dickschichtleiterpaste mittels Siebdruckverfahrens auf die Glaskeramikbeschich- tung.
Trocknen der aufgedruckten Paste bei 150 C über eine Zeitdauer von ca. 10 Minuten.
# Brennen der Paste in einem Durchlaufofen bei einer Spitzentemperatur von 850 C.
Anschliessend wird das zweipolige Bauelement (111) mit den Anschlusskontakten A und B, das in das Gehäuse montiert werden soll, auf die vorbeloteten Kontaktfelder (105) und (105') aufgesetzt und nach Methoden der konventionellen SMD-Technik verlötet. Vorzugsweise werden hiefür Lotpasten verwendet, die im Siebdruckverfahren oder mittels Dispenser aufgebracht werden können. Es muss hiebei ein Lot verwendet werden, das einen höheren Schmelzpunkt oder eine höhere eutektische Temperatur besitzt, als jenes, das später zum Verlöten der Gehäusekappe (107) mit der Metallisierung (106) des Gehäusebodens (101) eingesetzt wird.
Um zu vermeiden, dass die während des Verlötens freiwerdenden Flussmittel- und Lösungsmitteldämpfe in das Innere der Gehäusekappe entweichen, sich dort anreichern und zu einer Schädigung des Bauteils führen können, wird das Lot nicht in Pastenform aufgebracht, sondern es werden zum Verlöten des Gehäuses lösungs- und flussmittelfreie Lotformteile verwendet, die zwischen Gehäusekapperand und Randmetallisierung (106) positioniert werden. Das Verlöten des Gehäuses (100) muss in einem Lötofen unter reduzierender Schutzgasatmosphäre erfolgen.
Anschliessend werden auf die Unterseite des Gehäusebodens, genauer auf das Stahlplättchen (102), der Anschlussstift (109) und auf die Aussenwand der Gehäusekappe (107) der gekröpfte Anschlussstift (110) angeschweisst (Laser- oder Widerstandsschweissen).
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es können auch andere Bauelemente (113), insbesondere Halbleiterchips, in das Gehäuse eingesetzt werden, deren Anschlüsse über die Bonddrähte C und D mit den Kontaktfeldern (105) und (105') verbunden werden. Zusätzlich wird hiebei ein weiteres Kontaktfeld (112) zwischen den beiden Kontaktfeldern (105) und (105') mit PdAg- oder Au-Paste nach dem Verfahren der Dickschichttechnik aufgebracht, auf das das Bauelement (113) durch Kleben oder Löten fixiert wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante, insbesondere wenn der Halbleiterchip mit Au-Bonddrähten kontaktiert werden soll, kann für die Herstellung der Kontaktfelder (105) und (105') anstelle der PdAg-Paste eine glasfrittefreie Au-Paste verwendet werden, wodurch auf den separaten Druck der Durchkontaktierungsmetallisierung (104) verzichtet werden kann. Es werden in einem Arbeitsgang das Kontaktfeld (105) und gleichzeitig mit dem Kontaktfeld (105') die Durchkontaktierung zur Stahlplatte im Siebdruckverfahren, sowie bei Bedarf, insbesondere wenn in das Gehäuse ein Halbleiterchip montiert werden soll, ein weiteres Kontaktfeld (112) hergestellt, auf das durch Kleben oder Löten das Bauelement (113) fixiert wird.
Nach dem Sintern der Au-Paste wird die PdAg-Paste
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zur Herstellung der Randmetallisierung (106) im Siebdruckverfahren aufgebracht, wobei der Übergang zum Kontaktfeld (105) überlappend ausgeführt ist. Die Reihenfolge des Pastenauftrags und der Überlappung kann jedoch bei Bedarf variiert werden.
Ein weiterer Anwendungsbereich dieser Erfindung bezieht sich auf Airbag-Zündelemente. So kann das in der WO 99118586 A1 beschriebene Zündelement integriert auf dem Gehäuseboden hergestellt werden. Ebenso können beispielsweise die in US 4,780,060 A, EP 697708 A1 oder WO 96/24024 A1 beschriebenen Ausführungsformen von Zündelementen in das Gehäuse (100) eingebaut und mit den Kontaktfeldern (105) und (105') durch Bonden, Löten oder Kleben kontaktiert werden.
Für die Airbag-Zündelemente muss die Ausführung der Gehäusekappe (107) in Fig. 1 u.U. variiert werden. Um ein sicheres Auslösen der Zündung sicherzustellen, muss ein inniger Kontakt zwischen Zündsatz und Zündelement hergestellt werden. Geeignete Massnahmen beim Aufsetzen der Gehäusekappe bzw. durch entsprechend konstruktive Massnahmen dienen dazu, dass der Zündsatz im Gehäuse gegen das Zündelement gepresst wird bzw. ein konstanter Anpressdruck aufrechterhalten wird. Ein in die Gehäusekappe integriertes Anpresssystem, wie in US 5,732, 634 A1 beschrieben, stellt eine geeignete Ausführungsvariante dar. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine Gehäusekappe wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert.
Die metallische Gehäusekappe (114) ist geteilt ausgeführt. Sie besteht aus einem zylinderförmigen Stutzen (115) aus einer Ni-Fe- oder einer Cu-Fe-Legierung und einem tiefgezogenen Gehäusedeckel (116) aus der gleichen Metallegierung wie der Stutzen, jedoch von geringerer Wandstärke. Der Stutzen (115) wird mit dem Metallisierungsring (106) des Gehäusebodens (101) verlötet oder verschweisst. Der Stutzen (115) wird mit dem Zündsatz (117) aufgefüllt und anschlie- #end der Gehäusedeckel (116) auf den Stutzen (115) aufgesetzt. Ein metallischer Stempel presst den Gehäusedeckel (116) gegen den Zündsatz (117), wobei Lufteinschlüsse entlang des federnden Saumes (118) des Gehäusedeckels (116) entweichen können. In der Folge wird der Zündsatz (117) mit dem Zündelement (120) verpresst.
Sobald der vorgewählte Soll-Druckwert des Stempels erreicht ist, wird der Gehäusedeckel (116) entlang seines Saumes (118) mit dem Stutzen (115) laserverschweisst. Der Stempel sowie der dickwandige Stutzen (115) wirken während des Schweissvorgangs als Kühlkörper, die ein Erwärmen des Zündsatzes (117) über seine Zündtemperatur verhindern. Im gleichen Arbeitsgang können der Anschlussstift (109) sowie der gekröpft ausgeführte Anschlussstift (119) an die Stahlplatte (102) und an den Stutzen (115) geschweisst werden. Das Gehäuse kann noch zusätzlich, wie bei Airbag-Zündern üblich, kunststoffumspritzt werden, wodurch der Anschlussstift (119) mechanisch abgestützt wird und eine allfällige Kurzschlussgefahr zwischen Anschlussstift (119) und Stahlplatte (102) verringert wird.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Vakuumdichtes Gehäuse (100) zum Einbau von zweipoligen Bauelementen, bestehend aus einem Gehäuseboden mit einer daraufmontierten Gehäusekappe und zwei Anschluss- stiften, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem zweilagigen Gehäuseboden (101) besteht, der sich aus einem metallischen Grundkörper (102) und einer Isolationsschicht (103) zusammensetzt, wobei ein Metallisierungsring (106) auf der Isolationsschicht (103) des Gehäusebodens angeordnet ist, ein erstes Kontaktfeld (105) auf der Isolationsschicht (103), das elektrisch leitend mit dem Metallisierungsring (106) verbunden ist, ein zweites
Kontaktfeld (105') auf der Isolationsschicht (103), das elektrisch leitend mit dem metalli- schen Grundkörper (102) des Gehäusebodens verbunden ist, ein erster Anschlussstift (109), der auf dem metallischen Grundkörper (102) des Gehäusebodens befestigt ist,
eine
Gehäusekappe (107), auf deren Aussenmantel ein zweiter Anschlussstift (110) befestigt ist und die mit dem Metallisierungsring (106) des Gehäusebodens durch eine Löt- oder
Schweissverbindung verbunden ist.