DE2937051A1 - Flachpaket zur aufnahme von elektrischen mikroschaltkreisen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Flachpaket zur aufnahme von elektrischen mikroschaltkreisen und verfahren zu seiner herstellung

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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-
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./0C. 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 schon versucht worden, für Flachpakete korrosionsbeständigen Stahl oder kaltgewalzten Stahl zu verwenden. Zwar können durch Stahlrahmen die elektrischen Leitungen gut mit Hilfe von Glasdichtungen hindurchgeführt werden, der thermische Ausdehnungskoeffizient von korrosionsbeständigem Stahl oder kaltgewalztem Stahl hingegen ist beträchtlich größer als der von 96 %-igem Aluminiumoxid. Aus diesem Grunde sind die Aluminiumoxid-Basisplatten in der Regel mit Hilfe eines Klebers an der Bodenplatte des Flachpaketes befestigt, beispielsweise mit Hilfe eines Epoxidklebers. Der Kleber hingegen ist besonders nachteilig für einen effektiven Wärmeübergang zwischen der Basisplatte und der Grundplatte. Darüber hinaus weisen korrosionsbeständiger Stahl oder kaltgewalter Stahl ähnlich schlechte thermische Wärmeleitkoeffizienten aus wie Kovar, so daß auch von daher die Wärmeabfuhr problematisch ist.
Theoretisch kann durch das Anlöten der Aluminiumoxid-Basisplatten an den Stahl-Bodenplatten das Problem des behinderten Wärmeflusses gemildert werden; diese Alternative hat sich als nicht brauchbar erwiesen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die extremen Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen den Schaltkreis-Basisplatten und den Bodenplatten der Flachpakete bei angelöteten Basisplatten zu Brüchen in den Basisplatten bei der nachfolgenden thermischen Behandlung und bei einem Wärmeschock führen. Bei einer Ausdehnung von mehr als ca. 12 mm einer Basisplatte aus 96 %-igem Aluminium treten zum Beispiel regelmäßig Ausfälle auf, sobald sie auf Bodenplatten aus kaltgewalzten Stahl aufgelötet sind. Bei den meisten Hybrid-Schaltkreisen, die eine erhebliche Wärmemenge entwickeln, werden jedoch Basisplatten verwendet, die wesentlich größer als 12 mm sind.
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Um den genannten thermischen Schwierigkeiten bei Stahl-Flachpaketen zu entgehen, ist schon versucht worden, die einzelnen Schaltkreise in Komponenten zu zerlegen. Dabei ist dann zum Beispiel diejenige Komponente, die besonders stark Wärme entwickelt, auf eine Unterlage aus Berylliumoxid und die restlichen Komponenten des Schaltkreises auf eine Basisplatte aus Aluminiumoxid aufgebracht. Berylliumoxid weist nämlich eine bessere thermische Leitfähigkeit als Aluminiumoxid auf und hat außerdem auch einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dieses. Da die Berylliumunterlage lediglich die Leistungschips trägt, kann sie relativ klein ausgebildet sein - in der Regel wird eine kreisförmige Form bevorzugt - die dann zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit auf kaltgewalzten Stahl aufgelötet wird. Die restliche Komponente des Schaltkreises, die auf einer Basisplatte aus Aluminiumoxid aufgebracht ist, entwickelt nicht so viel Wärme und kann daher zum Beispiel mit Hilfe eines Epoxidklebers aufgeklebt werden.
Eine derartige Herstellungsweise ist relativ umständlich und führt nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Flachpaket der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfacher Herstellung befriedigende thermische Eigenschaften aufweist; außerdem soll die Herstellung eines derartigen Flachpaketes optimiert werden.
Die Erfindung besteht darin, daß der Rahmen aus korrosionsbeständigem Stahl der Type 316 und die Bodenplatte aus Kupfer besteht.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Flachpaketes besteht darin, daß nach Einsetzen der elektrischen Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen in den Rahmen dieser bei einer Temperatur unterhalb von ca. 46 0° an die Bodenplatte aus Kupfer angelötet wird.
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Ein Flachpaket gemäß der Erfindung gestattet die Unterbingung einer Unterlage aus Berylliumoxid unter Erzielung einer besonders guten Wärmeabfuhr. Dabei kann die Unterlage bzw. die Basisplatte an die Bodenplatte des Flachpaketes angelötet werden, ohne daß die Gefahr der Rißbildung besteht. Auf diese Weise werden die Vorteile der Verwendung von Kupfer mit denen von korrosionsbeständigem Stahl verbunden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer liegt genügend nahe an dem von Berylliumoxid, so daß Mikroschaltkreise auf einer ziemlich großen Basisplatte aus Berylliumoxid durch Löten auf der Kupferbodenplatte aufgebracht werden können. Dabei sollte allerdings die Basisplatte aus Berylliumoxid nicht allzu groß gewählt werden, da dann durch thermische Expansion ein Bruch der Basisplatte vorkommen kann. Dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist die jeweils zulässige Größe einer Basisplatte aus Berylliumoxid geläufig; es hat sich in der Praxis gezeigt, daß als Anhaltswert Rundlinge aus Berylliumoxid mit einem Durchmesser von 6 - 7 mm gute Ergebnisse liefern. Diese Rundlinge sind klein genug, um Probleme mit der Wärmedehnung zu vermeiden und groß genug, um eine gute elektrische Isolierung zu bewirken. Kupfer weist zwar eine sehr günstige thermische Leitfähigkeit auf (ungefähr 1/cal/cm2/cm/ sec/°C), es ist jedoch nicht möglich, Glasdichtungen direkt in Kupfer unterzubringen,und außerdem ist es nicht besonders geeignet zum Aufschweißen beispielsweise einer Abdeckung oder dergleichen.
Korrosionsbeständiger Stahl hingegen gestattet eine zuverlässige Glasabdichtung elektrischer Leitungen, außerdem können Abdeckungen mit Hilfe eines Schweißvorganges sehr leicht angebracht werden. Dieses sind die entscheidenden Faktoren. Bei der Ausgestaltung von Flachpaketen gemäß der Erfindung wird also bezüglich eines Flachpaketes ein Optimum erreicht, wenn der Rahmen aus korrosionsbeständigem Stahl und die Bodenplatte aus
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Kupfer besteht. Bei dieser Konstellation ist es allerdings erforderlich, bei der Herstellung gewisse Randbedingungen einzuhalten.
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 Kupfer und korrosionsbeständigem Stahl der Type 316 ist nicht identisch; gemäß der Erfindung werden deshalb der Stahlrahmen und die Kupferbodenplatte mit Hilfe eines Hartlotes aufeinandergelötet bei einer Temperatur unterhalb etwa 460 0C. 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 460° 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 Stahlrahmen eingebracht, wenn dieser an die Kupferbodenplatte angelötet wird. Da die Verarbeitungstemperatur bei dem Lötvorgang 460° C nicht überschreitet, besteht für den soweit vorgefertigten Rahmen keine Gefahr. Im übrigen ist das Glasabdichten von elektrischen Leitungen in Stahl durch einen Jtompressionsvorgang allgemein bekannt.
Nach dem Zusammenlöten der Kupfer-Bodenplatte mit dem vorgefertigten Rahmen aus korrosionsbeständigem Stahl kann die Installation der Basisplatten mit dem Schaltkreis bzw. den Schalt-
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kreisen 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 Berylliumoxid als auch der elektrischen Leitungen an den Anschlußflächen kann mit Hilfe eines Weichlotvorganges 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.
Wie oben bereits erwähnt, können Basisplatten aus Berylliumoxid stark wärmeentwickelnde Schaltkreise tragen, wobei diese Wärme abgeführt werden muß. Typische wärmeerzeugende Schaltkreise sind zum Beispiel übliche Leistungschips, etwa Spannungsregler, Spannungsteiler und dergleichen. Der gesamte Mikroschaltkreis kann auf einer einzigen Basisplatte aus Berylliumoxid angebracht sein. Abweichend davon ist es aber ebenso möglich, Bereiche des Mikroschaltkreises, die keine oder wenig Wärme abgeben, auf Basisplatten aus 96 %-igem Aluminiumoxid anzubringen. Diese letztgenannten Basisplatten können auf die Kupfer-Bodenplatte mit Hilfe eines Klebers aufgebracht werden. 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 korrosionsbeständigem Stahl und kann entweder durch Schweißen 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:
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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 Figur 1 dargestellte Flachpaket besteht aus einem Rahmen 1 aus korrosionsbeständigem Stahl, einer Bodenplatte 2 aus Kupfer und aus elektrischen Leitungen 3. Die elektrischen Leitungen 3 sind mit Hilfe von Glasdichtungen 4 in öffnungen gehalten, die innerhalb des Rahmens auf sich gegenüberliegenden Seiten angebracht sind. Auf die Bodenplatte 2 aus Kupfer ist eine Basisplatte 5 aus Berylliumoxid aufgelötet (Figur 2), die gegebenenfalls ein oder mehrere Leistungschips trägt.
Die Größe und Konfiguration jedes Flachpaketes hängt von dem jeweiligen Verwendungszweck ab. Das Paket kann quadratische, rechteckige oder irgendeine andere Form aufweisen. Die Anzahl der elektrischen Leitungen unterliegt ebenfalls Schwankungen je nach dem speziellen Verwendungszweck. Sie können durch eine oder, wie in den Figuren dargestellt, durch mehrere Seiten des Rahmens 1 hindurchgeführt sein. Bei einem typischen Flachpaket quadratischen Querschnitts mit einer Kantenlänge von 2,54 cm beträgt die Dicke der Bodenplatte 0,5 mm, während der Rahmen 1 mm dick und 3,3 mm hoch ist. Die Auswahl der Größe bereitet für den Fachmann auf dem entsprechenden Gebiet keine Schwierigkeit bei Kenntnis des Verwendungszwecks.
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Claims (1)

  1. Patentanwälte —■*
    Wenzel & Kalkoff
    Postfach 2448 ο Q O Π η C Λ
    Witten/Ruhr iOO/U3 '
    Patentansprüche
    Flachpaket zur Aufnahme von elektrischen Mikroschaltkreisen, bestehend aus einem Rahmen, durch den elektrische Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen hindurchgeführt sind, und aus einer Bodenplatte, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Rahmen (1) aus korrosionsbeständigem Stahl der Type 316 und die Bodenplatte (2) aus Kupfer besteht.
    Flachpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bodenplatte (2) aus Kupfer eine Basisplatte (5) aus Berylliumoxid aufgelötet ist.
    Flachpaket nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (5) ein Leistungschip trägt.
    Flachpaket nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die offene Seite des Rahmens ein Deckel aus Stahl aufgeschweißt ist.
    Verfahren zur Herstellung eines Flachpaketes nach den Ansprüchen 1-4, bei dem zunächst die elektrischen Leitungen mit Hilfe von Glasdichtungen in den Rahmen aus korrosionsbeständigem Stahl eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend der Rahmen bei einer Temperatur unterhalb von ca. 460° C an die Bodenplatte aus Kupfer angelötet wird.
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    Verfahren zur Herstellung eines Flachpaketes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bodenplatte nach deren Befestigung an den Rahmen die Basisplatte aus Berylliumoxid gelötet wird.
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DE19792937051 1978-09-14 1979-09-13 Flachpaket zur aufnahme von elektrischen mikroschaltkreisen und verfahren zu seiner herstellung Granted DE2937051A1 (de)

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