DE2937050A1 - Flachpaket zur aufnahme von elektrischen mikroschaltkreisen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Flachpaket zur aufnahme von elektrischen mikroschaltkreisen und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Flachpaket zur Aufnahme von elektrischen
Mikroschaltkreisen, insbesondere ein Ganzmetall-Flachpaket, und außerdem ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Flachpaketes.
Ganzmetall-Flachpakete beinhalten normalerweise drei wichtige Metallteile. Das erste Metallteil besteht aus einem Rahmen, der
in der Regel als äußerer fortlaufender Ring ausgebildet ist und die Seitenwände des Flachpaketes bildet. Das zweite Metallteil
besteht aus elektrischen Leitungen, die durch den Rahmen des Flachpaketes hindurchführen. Oftmals sind die elektrischen Leitungen
an sich gegenüberliegenden Seiten des Flachpaketrahmens angebracht, wobei die eigentliche Durchführung durch den entsprechenden
Rahmenteil normalerweise mit Hilfe von Glasdichtungen erfolgt. Das dritte Metallteil eines derartigen Flach-
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paketes wird durch eine Bodenplatte gebildet, auf dem eine Basisplatte für die elektrischen Mikroschaltkreise befestigt
ist. Zusätzlich zu diesen drei Teilen ist regelmäßig ein Dekkel vorhanden, der auf die noch offene Seite des Rahmens aufgebracht
wird, nachdem der Mikroschaltkreis bzw. die Mikroschaltkreise innerhalb des Flachpaketes angebracht wird.
Ganzmetall-Flachpakete für elektrische Mikroschaltkreise werden in der Regel aus Kovar hergestellt, wobei der Kovar-Rahmen
und die Kovar-Bodenplatte häufig mit Hilfe eines hochschmelzenden Kupferlotes zusammengehalten werden. Unter den Ganzmetall-Flachpaketen
haben die Kovar-Flachpakete den größten Anteil in der Welt. Kovar ist deshalb der bevorzugte Werkstoff, weil
die elektrischen Leitungen sehr leicht mit Hilfe von Glas in Kovar abgedichtet werden können und sein thermischer Ausdehnungskoeffizient
dem von 96%-igem Alumiumoxid sehr nahekommt; letzteres Material wird in der Regel für Mikroschaltkreis-Basisplatten
verwendet, die in den Flachpaketen untergebracht werden. Wegen des sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu Alumiumoxid können die Oxidbasisplatten direkt in das Kovar-Flachpaket eingelötet werden.
Kovar weist also Vorzüge bezüglich der Glasabdichtung und des thermischen Ausdehnungsverhaltens auf, es besitzt jedoch nur
eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit, nämlich etwa 0,04 cal/cm2/cm/sec./°C. Dadurch ergeben sich Probleme bei der
Wärmeabfuhr von Leistungschips durch die Bodenplatte des Flachpaketes hindurch zu einer Wärmeabfuhrstelle. Zur Reduzierung
der thermischen Schwierigkeiten eines gänzlich aus Kovar hergestellten Flachpaketes kann als beinahe einzige praktische
Möglichkeit die Bodenplatte besonders dünn gewählt werden, wodurch die Länge des Wärmepfades von der Basisplatte, die
das Mikroschaltkreis-chip trägt, bis zur Wärmeabfuhrstelle
reduziert wird. Nachteilig ist dabei jedoch, daß dadurch die
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Stärke der Flachpaket-Bodenplatte verlorengeht.
Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Flachpaket der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Vorteile einer
kräftigen, verwindungsfreien Bodenplatte mit den Vorteilen einer guten Wärmeabfuhr verbindet; darüber hinaus soll das
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flachpaketes optimiert werden.
Die Lösung der Erfindung besteht darin, daß der Rahmen aus Kovar und die Bodenplatte aus Molybdän besteht, daß die Molybdän-Bodenplatte
unter Bildung einer Dichtung an der einen Seite des Rahmens angelötet ist und daß mindestens auf die mit
dem Rahmen in Berührung stehenden Flächen der Bodenplatte eine Platierung aufgesintert ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines Flachpaketes kennzeichnet sich dadurch, daß nach dem Einsetzen der elektrischen Leitungen
mit Hilfe von Glasdichtungen in dem Rahmen dieser bei einer Temperatur von unterhalb ca. 500° C an die Bodenplatte aus Molybdän
angelötet wird.
Bei einem Flachpaket gemäß der Erfindung ist es möglich, eine einzige Basisplatte aus 96 %-igem Aluminiumoxid zu verwenden,
die ein oder mehrere Leistungschips und zugehörige Schaltkreise trägt. Die Basisplatte kann auf die Bodenplatte des Flachpaketes
aufgelötet werden, so daß eine zuverlässige Verbindung mit sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften entsteht.
Die Kombination eines Kovar-Rahmens mit einer Molybdän-Bodenplatte
nutzt jeweils die Vorteile beider Metalle unter Vermeidung ihrer Nachteile. Kovar gestattet nämlich eine zuverlässige
Abdichtung mit Hilfe der Glasdichtungen innerhalb des Rahmens und außerdem die leichte Anbringung eines Deckels durch
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Schweißen. Die nicht sehr günstigen Wärmeleiteigenschaften
spielen für den Rahmen eine untergeordnete Rolle.
Molybdän hingegen hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
der genügend nahe an dem von 96 %-igem Aluminiumoxid liegt, wodurch innerhalb eines Flachpaketes eine einzige Basisplatte aus
Aluminiumoxid auf die Molybdän-Bodenplatte aufgelötet werden kann. Dies gilt auch für Basisplatten, die in einer oder mehreren Richtungen
die Größe von ca. 12 mm überschreiten. Darüber hinaus zeichnet sich Molybdän durch einen guten Wärmeleitfaktor aus,
der ungefähr 0,34/cal/cm2/cm/sec/°C beträgt, also etwa das
achtfache der Leitfähigkeit von Kovar. Das schlechte Zusammenwirken
mit Glasdichtungen von Molybdän und sein ungünstiges Verhalten beim Aufschweißen von Deckeln zum Verschließen des Flachpaketes
wegen seines hohen Schmelzpunktes stören dabei nicht, da für den Rahmen nicht Molybdän, sondern Kovar verwendet wird.
Zur Befestigung der Molybdän-Bodenplatte an dem Kovar-Rahmen ist zur Erzielung befriedigender Ergebnisse zweckmäßig, die
Molybdän-Bodenplatte mit einer Platierung zu belegen und diese aufzusintern. Als Platierungswerkstoff sind zum Beispiel Nickel,
Gold oder ähnliche Platierungsmetalle geeignet, die leicht auf Molybdän aufsinterbar sind. Nickel kann zum Beispiel bei einer
Temperatur von ca. 350 - 4 00° C entweder in einer Schutzkastenatmosphäre
oder im Vakuum aufgesintert werden. Bei der Platierung
und Sinterung werden bekannte Techniken angewandt. Die platierte Fläche umfaßt mindestens die Bereiche, die mit dem Rahmen in
Berührung kommen, sie können jedoch auch größer sein; eine beidseitige Platierung der Bodenplatte ist unschädlich.
Für eine gute Wärmeabfuhr eines Flachpaketes ist ein in sich völlig ebener Boden für eine gute Verbindung zu einer Wärmeabführungsstelle
unerläßlich. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Molybdän und Kovar sind nicht identisch; gemäß der Erfindung
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werden deshalb der Kovar-Rahmen und die Molybdän-Bodenplatte
mit Hilfe eines Hartlotes aufeinandergelötet bei einer Temperatur unterhalb etwa 500° C. Dabei bildet das Hartlot eine
fortlaufende Dichtung zwischen dem Rahmen und der Bodenplatte, die später ein insgesamt hermetisch dichtes Flachpaket ergibt.
Durch höhere Löttemperaturen kann möglicherweise eine noch zuverlässigere Verbindung zwischen beiden Teilen erzeugt werden,
bei Verarbeitungstemperaturen oberhalb von ca. 500° C besteht jedoch die Gefahr, daß beim Abkühlen der so gebildeten Einheit
Zugspannungen entstehen, die unerwünschte Unebenheiten innerhalb der Bodenplatte erzeugen. Als Lot zur Ausführung der Erfindung
kommen in der Praxis Gold-Zinn, Gold-Germanium oder ähnliche Lote zur Verwendung.
Gemäß dem Herstellungsanspruch der Erfindung sind die elektrischen
Leitungen mit Hilfe der Glasdichtungen bereits in den Kovar-Rahmen eingebracht, wenn dieser an die Molybdän-Bodenplatte
angelötet wird. Da die Verarbeitungstemperatur bei dem Lötvorgang 500° C nicht überschreitet, besteht für den soweit
vorgefertigten Rahmen keine Gefahr. Im übrigen ist das Glasabdichten von elektrischen Leitungen in Kovar allgemein bekannt.
Nach dem Zusammenlöten der Molybdän-Bodenplatte mit dem vorgefertigten
Rahmen aus Kovar kann die Installation der Basisplatte mit dem Schaltkreis bzw. den Schaltkreisen vorgenommen werden.
Jede Basisplatte trägt elektrische Komponenten, deren Zuleitungen an Anschlußflächen enden, die wiederum mit den elektrischen
Zuleitungen verbunden werden müssen, die durch den Stahlrahmen hindurchlaufen. Sowohl das Befestigen der Basisplatten
aus Molybdän als auch der elektrischen Leitungen an den Anschlußflächen kann mit Hilfe eines Weichlotes erfolgen. Dabei können
übliche Lotsorten verwendet werden, wie zum Beispiel Zinn-Blei, Gold-Zinn, Gold-Germanium oder jedes andere Lot oder sogar Hartlot,
das zum Zusammenlöten der beteiligten Metalle geeignet ist.
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Wie oben bereits erwähnt, können Basisplatten aus Aluminiumoxid in einer oder mehreren Richtungen die Länge von 12 13
mm überschreiten und trotzdem Schaltkreise tragen, denen eine starke Wärmeentwicklung eigen ist. Typische, wärmeerzeugende
Schaltkreise sind zum Beispiel übliche Leistungschips, etwa Spannungsregler, Spannungsteiler und dergleichen.
Nach dem Einbringen der Basisplatte in das Flachpaket und nach dem Anschluß der elektrischen Leitungen wird das Flachpaket
mit Hilfe eines Deckels hermetisch verschlossen. Er besteht vorzugsweise aus Kovar und kann entweder durch SchweiBen, Löten
oder durch einen Kleber an dem Rahmen befestigt werden; in der Regel werden die Deckel aufgeschweißt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1: eine Draufsicht auf einen Rahmen, eine Bodenplatte und die elektrischen Leitungen eines Flachpaketes,
Fig. 2: eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der Figur 1 und
Fig. 3: eine isometrische Ansicht des Flachpaketes.
Das in den Figuren 1 - 3 dargestellte Flachpaket besteht aus einem Kovar-Rahmen 1, einer Bodenplatte 2 aus Molybdän und aus
elektrischen Leitungen 3. Die elektrischen Leitungen sind in öffnungen innerhalb des Kovar-Rahmens mit Hilfe von Glasdichtungen
4 gehalten. Eine Basisplatte 5 aus 96 %-igem Aluminiumoxid trägt eine oder mehrere Leistungschips, die an die Bodenplatte
2 des Flachpaketes angelötet sind, was durch eine gestrichelte Linie in Figur 2 angedeutet ist.
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Die Größe und die Form des Flachpaketes ändert sich mit dem
speziellen Verwendungszweck. Das Flachpaket kann eine quadratische, rechteckige oder jede andere Form aufweisen. Die Anzahl der elektrischen Leitungen kann ebenfalls in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck schwanken. Dabei können die Leitungen sowohl in einer als auch in mehreren Seiten des Flachpaket-Rahmens angeordnet sein. Bei einem typischen Flachpaket quadratischen Querschnitts mit einer Kantenlänge von 2,54 cm beträgt die Dikke der Bodenplatte 0,5 mm, während der Rahmen 1 mm dick und
3,3 mm hoch ist. Die Wahl der richtigen Dimensionen für einen gegebenen Verwendungszweck bereitet für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann keine Schwierigkeit.
speziellen Verwendungszweck. Das Flachpaket kann eine quadratische, rechteckige oder jede andere Form aufweisen. Die Anzahl der elektrischen Leitungen kann ebenfalls in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck schwanken. Dabei können die Leitungen sowohl in einer als auch in mehreren Seiten des Flachpaket-Rahmens angeordnet sein. Bei einem typischen Flachpaket quadratischen Querschnitts mit einer Kantenlänge von 2,54 cm beträgt die Dikke der Bodenplatte 0,5 mm, während der Rahmen 1 mm dick und
3,3 mm hoch ist. Die Wahl der richtigen Dimensionen für einen gegebenen Verwendungszweck bereitet für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann keine Schwierigkeit.
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L e e r s e i t e
Claims (6)
1. Flachpaket zur Aufnahme von elektrischen Mikro-Schaltkreisen,
bestehend aus einem Rahmen, durch den elektrische Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen hindurchgeführt sind,
und aus einer Bodenplatte, dadurch gekennzeichn e t, daß der Rahmen (1) aus Kovar und die Bodenplatte (2)
aus Molybdän besteht, daß die Molybdän-Bodenplatte unter Bildung einer Dichtung an der einen Seite des Rahmens angelötet
ist und daß mindestens auf der mit dem Rahmen in Berührung stehende Fläche der Bodenplatte eine Platierung
aufgesintert ist.
2. Flachpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Platierung aus einem Nickelüberzug besteht.
3. Flachpaket nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Molybdän-Bodenplatte (2) eine
Basisplatte (5) aus 96 %-igem Aluminiumoxid aufgelötet ist.
4. Flachpaket nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basisplatte (5) ein Leistungschip trägt.
5. Flachpaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die offene
Seite des Rahmens (1) ein Deckel aus Kovar aufgeschweißt ist.
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6. Verfahren zur Herstellung eines Flachpaketes nach den Ansprüchen 1 - 5, bei dem zunächst die elektrischen
Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen in den Rahmen aus Kovar eingesetzt werden, dadurch g e k e η η zeichne
t, daß anschließend der Rahmen bei einer Temperatur von unterhalb ca. 500° C an die Bodenplatte
aus Molybdän angelötet wird.
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