DE1590251A1 - Mit einer Umhuellung versehene elektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Mit einer Umhuellung versehene elektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE1590251A1
DE1590251A1 DE19661590251 DE1590251A DE1590251A1 DE 1590251 A1 DE1590251 A1 DE 1590251A1 DE 19661590251 DE19661590251 DE 19661590251 DE 1590251 A DE1590251 A DE 1590251A DE 1590251 A1 DE1590251 A1 DE 1590251A1
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Asher John Walker
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Description

Mit einer Umhüllung versehene elektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umhüllung für eine elektrische Vorrichtung und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung, und richtet sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer hermetischen Abdichtung um einen dünnen Filmmikrokreis ohne schädliche Beeinträchti·- gung der Kreisbestandteile, ist jedoch auf diese Anwendungen, nicht beschränkt.
Elektrische oder elektronische Vorrichtungen, wie integrierte Kreise, Transistoren, Dioden, Halbleiter und dgl·,
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werden gewöhnlich in einem flachen Paket eingeschlossen, bei dem es sich um einen Behälter oder eine Umhüllung mit einem Hauptteil aus elektrisch isolierendem Material handelt. Dieser Hauptteil wird mit einer verhältnismäßig großen ebenen Bodenwandung ausgebildet, die von einem Rand umgeben ist, so daß ein Hohlraum entsteht, in dem die elektrische Vorrichtung eingesetzt wird. Aus dem Hohlraum erstrecken sich zur Außenseite dieses Hauptteiles Anschlußleitungen oder dgl· Die elektrische Vorrichtung ist an diese Leitungen innerhalb des Hohlraumes angeschlossen und durch eine starre Abdeckplatte abgedeckt, die sich über den Hohlraum legt und mit dem Rand verschmolzen oder abgedichtet ist.
Solche Vorrichtungen werden auch gewöhnlich in "Dosen" abgedichtet, indem man sie zuerst auf einer Platte montiert, durch die Leitungen hindurchgehen, und anschließend mit einem metallischen schalenartigen auf der Platte befestigten oder verschmolzenen oder in anderer V/eise abgedichteten Glied umschließt, indem man beispielsweise diese "Dose" um die Plattenkanten umbördelt, dort verklebt, verlötet oder in ähnlicher Weise fixiert.
Die bekannten Verfahren zum Einschließen elektrischer Vorrichtungen umfaßten Abdichtungstemperaturen und Arbeltszyklen, die nachteilig die Vorrichtungen beeinflußen, so daß eich ihre elektrischen Merkmale und Eigenschaften änderten.
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Darüber hinaus waren diese Verfahren sehr teuer wegen der erforderlichen Vielzahl von Teilen und der für den Zusammenbau und die Abdichtung notwendigen Zeit. Es gab keine Pernhaltung von Wärme von der Vorrichtung während der Abdichtung oder keine ausreichende Wärmeabfuhr· Die bekannten Verfahren führten darüber hinaus nicht notwendigerweise zur hermetisch abgedichteten Umhüllung und hatten grobe und blockige Gehäuse zur Folge·
Hufgäbe der Erfindung ist die Schaffung einer hermetischen üinschließung, einer elektriscnen Vorrichtung sowie ein Verfahren tau* Herstellung derselben unter Vermeidung der oben angegebenen Nachteile.
Weiter erstrebt die Erfindung ein wirtschaftliches Verfahren zum hermetischen Einschließen elektrischer Vorrichtungen ohne nachteilige Beeinflußung ihrer elektrischen Merkmale oder Eigenschaften·
Die Erfindung will ferner eine wirkungsvolle Vorrichtung zur Wärmeabfuhr von einer elektrischen Vorrichtung während ihrer einkapselung schaffen·
Di? hermetisch abgedichteten Einschließungen gemäß der Erfindung sollen ferner geringe GröSe aufweisen und wirtschaftlich und leicht herstellbar sein·
BAD ORIGINAL -•009820/1428
Schließlich ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung einer kleinen, wirtschaftlich und hermetisch abgedichteten elektro- · nischen Vorrichtung. Im weitesten Umfang kann gemäß der Erfindung eine Umhüllung dadurch hergestellt werden, daß man sich einen Träger und eine Schicht aus einem biegsamen Material vorlegt, auf die eine Oberfläche der Schicht einen anhaftenden Film aus glasigem Material mit einem Wärmeaustausch-
koeffizienten, der mit demjenigen des Trägers verträglich ist, und einer Erweitungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Träger- und Schichtmaterials aufbringt, eine Anordnung herstellt, indem man die Filmoberfläche der Schicht in der Nahe des Trägers aufsetzt, ein Werkzeug mit einem, einen Hohlraum in einem Werkzeugende definierenden Rand vornimmt und die Schicht mit dem Träger dadurch abdichtet, daß man den Werkzeugrand im wesentlichen auf den Umfang der Schicht legt, das Handende des Werkzeuges erhitzt und Druck auf die Anordnung mit Hilfe des Werkzeuges aufbringt, wodurch der Film schmilzt und mit dem Träger im wesentlichen um den Umfang der Schicht abgedichtet wird.
Weitere Aufgabenmerkmale und VorteHe der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Uinzelbeschreibung anhand der Zeichnungen, die lediglich bevoiaigte Ausführungsformen der Erfindung darstellen·
Die Zeichnungen zeigen in
- 5 -BAD
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Fig. 1 eine Draufsicht auf einen dünnen Filmmikrokreis;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Schicht aus biegsamem Material mit einem darauf aufgebrachten glasigen Überzug j
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine» Mikrokreisanordnung mit einer biegsamen überzogenen Schicht;
Fig. h eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Wiedergabe des Verfahrens zur Einkapselung einer Mikrokreiseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine gemäß der vorliegenden Erfindung eingekapselte Vorrichtung; und in
Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung·
Aus Gründen der Vereinfachung soll die Erfindung anhand der Verkapselung eines dünnen filmartigen Mikrokreises erörtert werden, obwohl selbstverständlich auch andere Vorrichtungen» wie Transistoren» Halbleiter, andere Filmkreise und dergleichen, in ähnlicher Weise hermetische eingekapselt werden können.
In Fig. 1 ist ein dünner Filmmikrokreis 10 mit den Kontaktplatten 12, l·+, 16, 18 und 2Ü,don Widerständen 22 und 2k uftd
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den Kondensatoren 26 und 28 auf einem Träger 30 wiedergegeben, mit dem ein Kreistransistorteil 32 verbunden ist.
Die Kreiselemente und die Anschlüsse werden nach irgendeinem bekannten Verfahren hergestellt oder befestigt, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Die Trägermaterialien können ein geeignetes dielektrisches Material, beispielsweise Keramiken, wie Aluminiumoxyd und Berylliumoxyd, glasiertes Metall, glasierte Keramik, Glas-Keramik oder Kombinationen davon sein.
Eine dünne biegsame Schicht 31+ mit einem anhaftenden Überzug 36 aus Glasurmaterial läßt sich aus Fig. 2 entnehmen. Ein besonders geeignetes Material für die Schicht 3^ ist Aluminium, jedoch können auch andere Materialien, wie Kupfer, Nickel-Eisen, rostfnier Stahl oder dgl., zur Anwendung kommen. Das glasige Glasurmaterial muß einen »-/ärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der mit demjenigen des Trägermaterials verträglich ist, d.h. genügend nahe an demjenigen des Trägermaterials liegen, so daß beim Abdichten der überzogenen Schicht mit dem Träger keinerlei übermäßigen Kräfte innerhalb des Glasurmaterials beim Kühlen auftreten. Diese übermäßigen Kräfte würden zu einem Brechen oder Verwerfen des Glasurmaterials führen, wodurch eine hermetische Abdichtung unmöglich wäre. Außerdem muß dieses Glasurmaterial gut sowohl an der biegsamen Schicht als auch am Träger haften
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und einen hohen Widerstandswert sowie eine geringe Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Beispiel für geeignete Glasur- oder Glasierungsniaterialzusammensetzungen sind beispielsweise in der parallellaufenden USA-Patentanmeldung S.N. !+01 221 vom 2. Oktober
aufgeführt·-Diese Zusammensetzungen enthalten enthalten
in Gewichtsprozent auf Oxydbasis von ca. 6ü - 80 % pPbO,
von 5 - 18 % TiO2. wenigstens 1 % ^2°λ un(^ weni2stens
5 & SiU2I wobei die Gesamtmenge an B2O-* und SiO2 zwischen 10 und 20 % liegt. Diese Zusammensetzungen können außerdem noch wahlweise von Spuren bis 20 % wenigstens eines zweiwertigen Metalloxydes aus der Gruppe BaO und ZnO enthalten, wobei die Gesamtmenge an zweiwertigen Metalloxyden einschließlich PbO zwischen 60 und 80 % liegt· Für die vorliegenden Zwecke besonders geeignete Zusammensetzungen sind solche, die von ca. 10 % - 13 £ TiO0 enthalten.
C-
Nach Fig. 3 wird der Mikrokreis 10 mit der überzogenen dünnen biegsamen Schicht 3M se zusammengestellt, daß Teile der Kontaktplatten über die Kanten der Schicht aus später noch
näher zu erörterten Gründen vorstehen.
5in Abstandshalter 38 wird zwischen dem Amboß oder Träger ho und der: Induktionsheizung h2 eingesetzt, wie man aus
Fig. h erkennt. Eine im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Anordnung wird dann auf den Abstandshalter 38 innerhalb
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des Hohlraums Mt des Induktionsheizringes k2 so aufgesetzt, daß der Träger ^30 mit dem Abstandshalter in Berührung steht. Ein Ende des Werkzeuges k8 wird in Berührung mit der Schicht 31+ derart gebracht, daß der den Hdiraum 52 umgrenzende Rand $0 im wesentlichen auf dem Umfang der Schicht 31+ sitzt· Das Werkzeug 48 besteht aus einem Material, das gut induktive Energie leitet. Geeignete Materialien sind rostfreier Stahl oder dgl., und der Fachmann ist jederzeit in der Lage, ein geeignetes material auszuwählen. Nach Aufbringen von Kraft auf die Aiordnung durch das Werkzeug 48 längs dessen Längsachse in Richtung des wiedergegebenen Pfeiles wird das Randende des Werkzeuges in geeigneter Weise erhitzt, so daß der aus glasigem Material bestehende überzug 36 mit dem Träger 30 und den verschiedenen Kontaktplatten verschmilzt, wodurch der auf dem Träger sitzende Kreis hermetisch umschlossen wird. Das Werkzeug 48 wird durch die Induktionsspule 42 erhitzt, sobald die Leitungen 54 an eine geeignete ,uelle elektrischer Energie angeschlossen sind. Durch Anwendung von Induktionserhitzung wird die Hitze im Werkzeug konzentriert, während die Anordnung selbst verhältnismäßig kühl gehalten werden kann. Durch Ausbildung der Anordnung aus Materialien, wie schlechte Leiter für induktive Energie, sind, beispielsweise den oben beschriebenen Materialien, wird die Temperatur der Anordnung nicht wesentlich gesteigert, sobald das Werkzeug erhitzt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abdichtung erforderliche Wärme im Werkzeug konzentriert und auf die Anordnung längs
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des Umfanges der Schicht 31+ dort konzentriert» wo der Rand 50 mit der Schicht in Berührung steht, so daß die Wärme im wesentlichen von der umschlossenen Mikrokreisvorrichtung ferngehalten wird. Durch Aufrechterhaltung nur eines dünnen Randes am Abdichtende des Werkzeuges '+δ kann fenner die Wärme konzentriert werden, während das Werkzeugende sich leicht durch die Induktionsspule erhitzen läßt, wodurch die Zeit, während der die Wärme auf die umkapselte Vorrichtung übertragen werden könnte, auf einem Minimum gehalten wird.
Fig. 5 zeigt ea.ne vollständige Vorrichtung 56. Die Kontaktplatten 12, lk% 16, l8 und 20 erstrecken sich über die Kanten der Schicht 31U so daß man einen Kontakt mit den verschiedenen umkapselten Kreisbauelementen herstellen kann. Die Schicht 31+ ist hermetisch mit dem Träger 1K) um den Umfang der Schicht abgedichtet.
Fig. 6 zeigt eine andere AusfUhrungsform der Erfindung. Das sonst dem oben beschriebenen Werkzeug ähnliche Werkzeug 58 ist so konstruiert, daß der den Hohlraum 62 umgebende Rand 60 zwei im Abstand befindliche koaxiale Abdichtglieder 6k und 66 aufweist, die durch einen, im Abdichtende ausgebildeten Kanal 68 getrennt sind. Wenn Druck durch das erhitzte Werkzeug 58 auf die Schicht.31+ aufgebracht wird, wird diese mit dem Träger 30 über den glasigen Überzug 36 in zwei dünnen parallelen Abdichtsäumen abgedichtet. Bei einer sol* chen Ausführungsform können die Glieder 6h und 66 sehr dünn
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ausgebildet sein, was höhere Abdichtdrücke und niedriger Abdichttemperatüren ermöglicht. Darüber hinaus vergrößert die doppelte Abdichtung die Betriebssicherheit.
Ein typisches Beispiel gemäß der Erfindung soll im folgenden wiedergegeben werden'.
Glasige Glasurmaterial mit einer Dicke vcn ca. 0,125 nun (O1OO? Zoll) und bestehend in Gewichtsprozent aus ca. 68 % PbO, 12 % TiO2, 8 % SiG2, 5 % ZnO und 7 % B3C3 wird haftend auf eine flache Oberfläche einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von ca. 0,075 nur. (*·-»·0C3 Zeil) aufgebracht. Datf Glasurmaterial wurde aufgebracht durch Herstellung einer Schicht aus einerMaterialrütte auf der Schicht und anschließendes ^rennen der Zusammensetzung in einem Ofen bei 62O0C für 20 Minuten. Dann wurde ein elektronischer Mikrokreis mit einem Netzwerk aus Metalloxydfilmwiderständen mit dazwischenliegenden Kupferleitern und Kontaktplatten auf einen glasierten Aluminiumoxydträger aufgebracht.
Ein aus restfreiem Stahl bestehendes'//erkzeu£ mit einem dünnwandigen Rand, der einen Hohlraum an einem Werkzeugende definiert, wurde verwendet. Der Rand entsprach im wesentlichen in Form und Größe der Aluminiumschicht und hatte eine Dicke von ca. 0,5 mm (0,020 Zoll). Rostfreier Stahl ist ein guter Leiter und läßt sich leicht durch induktive Energie erhitzen· .
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Die Mi'crokreisvorrichtung wurde auf einen Abstandshalter innerhalb des Hohlraumes einer starr unterstützten Induktionsspule aufgesetzt. Das Werkzeug wurde in Berührung mit der Aluminiumschicht an deren Rand gebracht und dann induktiv auf eine Temperatur von ca. 500° - 55O0C erhitzt. Es wurde ein Druck von ca. 2 atü (285 PSi) durch das Werkzeug auf den Abdichtbereich für ca. 2 Minuten mit Hilfe einer mit dem Werkzeug verbundenen Presse aufgebracht.
Der sich ergebende eingekapselte elektronische Kreis stellte sich als hermetisch abgedichtet heraus, während die elektri- ^ANSSV "tlVt£tt-SCtl8£ten und Gtiaralcterl-stlKen.Qer eieirtriicnen Bauteile nicht wesentlich geändert waren.
,in. andere, Beispiel ist eineMordnung. bei der der Trager aus BTrUi-ox* bestand und eine C.125 » ».005 Zoll) starte Glasmaterial*^« auf eine O.u75 - (0.003 ZOLL) dielre Kupferschicht ausbracht war.
Andere Beispiele besonders geeigneter Kombinationen von Materialien-sind eine AluminiuMÜberzugsschicht »it einem IrSger aus unglasiertem Aluminiumoxyd. Berylliumoxyd oder Glas-Keramilc; oder eine Kupferüberzugsschicht mit einem Träger aus Glas-Kerami* oder glasiertem oder nichtglasiertem Aluminiumoxyd.
Hach der Beschreibung wird das Abdichtwerkzeug durch
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eine Induktionsspule erhitzt,, es kann jedoch auch in anderer Weise erhitzt werden, beispielsweise durch einen Ofon, durch eine Flamme, durch Widerstanderhitzung oder dgl·, wobei man jedoch darauf achten muß, daß man die elektronische Vorrichtung selbst beim Erhitzen des Werkzeuges so wenig wie möglich erwärmt.
- Patentansprüche -
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1· Verfahren zum Umschließen einer elektrischen Vorrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:
    Vorlage eines flachen dielektrischen Trägers (30) mit einer darauf angeordneten, elektrischen Vorrichtung (12,11I-, 16, 18,2Oj 22,2^J 26,28} 32) }
    Vorlage einer dünnen biegsamen Schicht (31Oj Aufbringungen eines haftenden Filmes (36) aus glasigem Material auf eine Oberfläche der Schicht (3^)» wobei das glasige Material (36) einen mit" demjenigen des Trägere (30) aufweist und die Schicht (31O und der Träger (30) aus einem Material bestehen, dessen Schmelztemperatur über der Erweichungstemperatur des glasigen Material (36) liegt} Anordnen der Schicht (31O über der Vorrichtung (1O)1 mit dem Film (36) in der Nähe des Trägers (30)J und Aufbringen von Wärme und Druck auf die Anordnung über die Umfangekante der Schicht (31O zur Verschmelzung des Filmes (36) mit dem Träger (30) und damit zum hermetischen Einschließen der Vorrichtung (10).
    2« Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Stufen der Verwendung.eines Werkzeuge« 0+8 oder J+9) mit einem einen Hohlraum (i>2 eder 62) in einem Ende begrenzenden Rand (50 oder 60), wobei der Randumfang im
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    wesentlichen demjenigen der Schicht (31+) entspricht; Anordnen des Randes (50 oder 60) auf dem Umfang der Schicht (31Oj Erhitzen des Randes (50 oder 60); und Aufbringen von Wärme und Druck auf die Anordnung um die Umfangskante der Schicht (31+) mit Hilfe des Werkzeuges 0+8 oder 1+9) zur Verschmelzung des Filmes (36) mit dem !rager (30) und danlt hermetisches Umschließen der Vorrichtung (10).
    3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß der Rand (50 oder 60) durch induktive Energie erhitzt wird.
    k. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die biegsame Schicht (31O aus Aluminium besteht·
    5» Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (30) aus Aluminiumoxyd besteht.
    6· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet» daß der haftende Film (36) aus glasigem Material besteht» das sich zusammensetzt aus in Gewichtsprozent von 60 - 80 % PbO, von 5 - IS $ wenigstens 1 $ B2O3 und wenigstens 5 % SiO2, wobei die Gesamtmenge- an B5O1 + SiO9 zwischen 10 und 20 % liegt.
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    7· Verfahren nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß das glasige Material (36) weiter enthält in Gewichtsprozent von Spuren bis 20 % wenigstens eines zweiwertigen Metalloxydes, aus der Gruppe, bestehend ZnO und BaO, wobei die Gesamtmenge an PbO, ZnO und BaO von 60 - 80 % beträgt.
    8· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 5« dadurch gekennzeichnet, daß der haftende Film (36) aus glasigem Material besteht, aus in Gewichtsprozent von 60 PbO, von 10 - 13 % TiO2, wenigsten« 1 % B3O3 und wenigstens 5 % SiO2* wobei die Gesamtnenge an B5Q, und SlO2 von 10 % - 20 % beträgt.
    9· Verfahren nach den Ansprüchen 2 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (58) einen Rand (60) aufweist, der aus inneren und äußeren im Abstand befindlichen koaxialen Dichtglledern (6**»66) besteht, die einen Hohlraum (62) in einem rferkzeugende definieren, wobei der äußere AbdichtlgliedumfanE im wesentlichen demjenigen der Schicht (3h) entspricht·
    10. Umhüllung, beitehend aus einem flachen Träger (30)· einer bietsamen Schicht (3**) und einem Film (36) aus glasigem Material» der haftend auf einer Oberfläche der Schicht (3*0 aufgebracht ist, wobei das glasige Material einen mit demjenigen des Trägers (30) verträglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine Brweichungstemperatur aufweist, die
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    geringer als die Schmelztemperatur- des Trägers (30) und der Schicht (31O ist, und wobei die Schicht (31+) hermetisch mit dem Träger (30) über den Umfang der Schicht (31+) durch das glasige Material (36) verschmolzen ist.
    11. Umhüllung nach Anspruch 10, mit einer elektrischen Vorrichtung (10), zwischen dem Träger (30) und der Schicht* (31O.
    12. Umhüllung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Träger (30) aus Aluminiumoxyd und die biegsame Schicht (3*0 aus Aluminium.
    13. Umhüllung nach den Ansprüchen 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das glasige Material (36) in Gewichtsprozent enthält, von 60 - 80 % PbO, von 5 % - 18 % TiO2, wenigstens 1 % BpO^, wenigstens 5 % SiO2, wobei die Gesamtmenge von + SiO2 von 10 - 20 % beträgt.
    I1+. Umhüllung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das glasige Material (36) weiter in Gewichtsprozent enthält, von Spuren bis 20 # wenigstens eines zweiwertigen Metalloxydes· aus der Gruppe bestehend aus ZnO und BaO, wobei die Gesamtmenge PbO, ZnO und BaO von 60 % - 80 % beträgt.
    V)* Umhüllung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das glasige Material (36)
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    in Gewichtsprozent enthält von 60 - 8o 5Ö>bO, von 10 - 13 TiO2, wenigstens 1 % B2O^ und wenigstens 5 % SiO2, wobei die Gesamtmenge an B2O-, + SiO2 von 10 - 20 % beträgt·
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DE19661590251 1965-08-10 1966-08-09 Mit einer Umhuellung versehene elektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung Pending DE1590251A1 (de)

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