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Modul-Schaltzelle in Schicht-Technik Die Erfindung bezieht sich auf
eine Modul-Schaltzelle in Schicht-Technik. Es ist üblich, Dünnschichtschaltungen
nach dem Verfahren des Druckens oder durch Aufdampfen oder durch Ätzen aus vorher
aufgebrachten Schichten herzustellen und die passive oder passive und aktive Bauelemente
enthaltenden Plättchen zum Feuchteschutz mit organischen Kunststoffen mehr oder
minder dick zu umhüllen. Bekannt sind dabei Verfahren des Tauchumkleidens, wie sie
auch bei einzelnen Kondensatoren und Widerständen verwendet werden, Verfahren des
Umgießens und Verfahren des Umpressens.` Das erstgenannte Verfahren erfordert nur
geringen fabrikatorischen Aufwand, ergibt jedoch in Verbindung mit vielen Werkstoffen
keine befriedigende Feuchtesicherheit, Außerdem lassen sich keine ebenen Außenflächen
erzielen, so daß die Maßhaltigkeit nur gering ist. Die Verfahren des Umgießens und
Umpressens geben zwar einen besseren Feuchteschutz, sie fordern jedoch einen hohen
Aufwand für Gieß- bzw. Preßwerkzeuge und bedingen längere Härtezeiten oder hohe
Verarbeitungsdrucke und Temperaturen für die verwendeten Kunstharze. Dabei ist es
nicht möglich, beliebige Werkstoffe für die Herstellung der flächigen Bauelemente
und für deren Verbindung und Kontaktierung zu verwenden. Alle drei Verfahren erfordern
außerdem zum sicheren Abschluß gegen Feuchtigkeit eine Mindestschichtstärke der
Kunststoffumhüllung, die auch an den Kanten des Bauelementes gewährleistet sein
muß. Damit ergibt sich, daß die Abmessungen der vergossenen Modul-Schaltzelle merklich
größer sein müssen als die Bauelemente tragende Fläche des ebenen Modulplättchens.
Bei dem gegenwärtigen Stand der Technik können nur etwa 70 bis 7511/o der Gesamtfläche
für Bauelemente und Kontaktierung ausgenützt werden.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurde bereits versucht, die
Modulplättchen in vorgefertigte Gehäuse aus besonders gut feuchtedämmendem Werkstoff
mit Hilfe von Kunststoffen einzugießen. Bei diesem Verfahren wird zwar der Feuchtigkeitsschutz
merklich verbessert, gerade die am besten feuchtedämmenden Werkstoffe lassen sich
aber nicht zu dünnen Wandstärken verarbeiten. Keramikgehäuse benötigen z. B. mindestens
Wandstärken der Größenordnung 0,8 mm. Auch Kunststoffgehäuse sind nur mit hohem
Aufwand mit dünnerer Wandstärke herzustellen. Da außerdem auch hier für das Vergießen
ein hinreichender Raum vorgesehen werden muß, wird das Verhältnis von Bauelemente
tragender Fläche zur Außenfläche des Moduls keinesfalls günstiger als bei direkt
umpreßten Moduln. Lediglich ist es etwas leichter, gegebenenfalls mehrere Plättchen
in einem Gehäuse zu kombinieren. Bezüglich Verarbeitungstemperaturen und -Zeiten
gilt das gleiche wie bei direkt vergossenen Bauelementen.
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Es ist also wichtig, ein Verfahren zum feuchtedichten Verschließen
flächiger Schaltungen oder Schaltungsteile zu finden, das bei geringstmöglichem
Aufwand an Fertigungshilfsmitteln eine gute Maßhaltigkeit der äußeren Abmessungen,
eine möglichst gute Ausnützung der für Bauelemente zur Verfügung stehenden Fläche
und geringste Möglichkeiten zum Angriff von Feuchtigkeit bietet, wobei die Außenfläche
des fertigen Moduls zum überwiegenden Teil aus beständigen Werkstoffen, beispielsweise
dichtgesinterter Keramik, bestehen sollte.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltzelle
durch mindestens zwei aus hoch feuchtigkeitshemmendem Werkstoff (Keramik, Glas,
Metall) bestehenden Plättchen auf ihren Hauptflächen abgeschlossen ist und mindestens
das eine der Plättchen auf der nach dem Zelleninneren gerichteten Seite die in Form
von Belegungen aufgebrachten Schaltelemente trägt und die Plättchen durch einen
Kunststoff normaler Feuchtigkeitshemmung miteinander verbunden sind. Das Trägerplättchen
der Schaltzelle bildet dabei selbst eine der großen Flächen der Umhüllung, und die
zweite Hauptfläche der Umhüllung wird durch ein gleichartiges, gegebenenfalls auch
mit Bauelementen versehenes Plättchen aus gleichem oder anderem Werkstoff gebildet.
Die
beiden Plättchen werden nach an sich bekanntem Verfahren dauerhaft und feuchtebeständig
miteinander verbunden. Beispielsweise kann hierzu das unter dem Namen E-Pak bekanntgewordene
Verfahren mit Hilfe vorgefertigter schmelzender Tabletten aus Epoxydharz verwendet
werden. An die Feuchtesicherheit des Verbindungsstoffes brauchen hier nur erheblich
geringere Anforderungen gestellt zu werden als beim direkten Umgießen, weil die
der Feuchtigkeit ausgesetzten Flächen nur einen geringen Bruchteil der Gesamtfläche
der umhüllten Bauelementekombination ausmachen. Die in der Regel aus Glas oder Keramik
bestehenden Trägerplättchen der Schaltzelle können verglichen mit beliebigen Kunstharzen
als sehr hoch feuchtedämmend angesehen werden. Sie werden also hier nicht als dem
Feuchtigkeitsangriff ausgesetzte Flächen betrachtet. Bei Verwendung der besten heute
bekannten Verbindungsmitteln ergeben sich entsprechend höhere Feuchtigkeitsbeständigkeiten
gegenüber dem Stand der Technik.
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Die Bauelemente tragenden Plättchen werden so angeordnet, daß die
mit Bauelementen in Dünnschichttechnik versehenen Flächen von dem verbindenden Kunstharz
bedeckt sind. Diese Flächen können damit so weit mit Bauelementen bedeckt werden,
daß unter Berücksichtigung der geringeren Angriffsfläche für Feuchtigkeit sich noch
ein hinreichender Schutz ergibt. Dabei ist es durchaus möglich, unempfindliche Bauelemente,
wie z. B. Leiterzüge, an den Rand des Plättchens zu legen. Besonders im Falle eines
geerdeten Leiterzuges ergibt sich damit eine weitere Erhöhung des Feuchteschutzes.
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Feuchtigkeit könnte höchstens noch von den Rändern der Modulzelle
aus in diese hineinkriechen, und dies läßt sich durch einen nach innen hin relativ
ausgedehnten Bereich des Verbindungsstoffes weitgehend vermeiden, ohne daß wie bisher
durch große Dimensionierung der Gehäuse Platz verschenkt wird.
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Wenn nur ein einzelnes Bauelemente tragendes Plättchen gemäß der Erfindung
feuchtedicht verschlossen wird, ergeben sich die Vorteile von selbst. Werkzeugkosten
zum Herstellen einer genauen äußeren Form sind nicht erforderlich, da diese durch
die Außenabmessungen des Plättchens gegeben ist. Der zur Verbindung dienende Werkstoff
kann bezüglich Behandlungstemperatur und -zeiten so bemessen werden, daß er optimal
mit der Empfindlichkeit der Bauelemente und dem benötigten Feuchteschutz abgestimmt
ist, wobei ein viel weiterer Spielraum der Eigenschaften zur Verfügung steht als
bei dem feuchtedichten Verschluß nach dem Stand der Technik. Das die zweite Hauptfläche
des fertigen Bauelementes bildende feuchteundurchlässige Plättchen kann ebenfalls
leicht mit den der äußeren Form entsprechenden Abmessungen in hinreichend engen
Toleranzen hergestellt werden. Selbst wenn es nicht als Schaltungsträger dient,
-kann es durch Metallisierung oder Herstellung aus geeignetem Metall erforderlichenfalls
zur Abschirmung herangezogen werden. Ferner können ein oder beide Plättchen so ausgebildet
werden, daß sie eine sichere Positionierung des fertigen Bauelementes zum Einsetzen
in gedruckte Schaltungen oder andere Verbindungseinrichtungen gestatten.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zwei
mit Bauelementen in Dünn-Schichttechnik versehene Plättchen mit den Schaltungsseiten
aufeinandergelegt und in dieser Lage verbunden werden. Dabei werden Hilfsmittel
vorgesehen, die unerwünschte Kurzschlüsse zwischen Schaltungsteilen der beiden Plättchen
vermeiden. Dies geschieht z. B. dadurch, daß die Anschlußstellen so gegeneinander
versetzt angeordnet werden, daß ihre größere Stärke gegenüber der Schichtstärke
der Bauelemente den notwendigen Abstand zwischen den Plättchen gewährleistet.
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Wo dieses Verfahren nicht ausreicht oder bei entsprechender sehr dichter
Lage der nach außen führenden Anschlüsse unzweckmäßig ist, können spezielle Distanzstücke
vorgesehen werden in Form eingelegter nichtleitender Kügelchen oder anderer flächenhafter
Isolierteile. Diese sollten ein verschwindend geringes Wasseraufnahmevermögen haben,
weil sie in der Regel in der Nähe des Randes angebracht werden müssen. Die erwähnten
Distanzhalter können gegebenenfalls bei Verwendung von Kunststofftabletten zur Verbindung
der Modulplättchen bereits bei der Herstellung dieser Tabletten an den richtigen
Stellen in diese eingebracht werden. Damit ist zugleich in verbessertem Maße gewährleistet,
daß sie allseitig von dem verbindenden Kunststoff umhüllt werden. Es hat sich gezeigt,
daß ein vorheriges Umhüllen eventueller Distanzkörper mit dem verbindenden Kunststoff
nicht notwendig ist. Dieser zeigt nämlich in der Regel eine so hohe Kapillarwirkung,
daß er selbst die schmalsten Spalten im erhitzten Zustand selbsttätig ausfüllt.
Dieses Verhalten ermöglicht den völligen Verzicht auf irgendwelche Gießformen, da
bis zu Spaltweiten der Größenordnung 1 mm der Kunststoff sicher zwischen den Plättchen
gehalten wird.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist es möglich, weitere Plättchen
mit oder ohne aufgebrachte Bauelemente in Moduln einzugliedern. Dies kommt vor allem
dann in Frage, wenn die spezielle Schaltung die Verwendung verschiedener Trägerwerkstoffe
für gewisse Bauelemente verlangt. Dies kann der Fall sein, wenn Widerstände, Kondensatoren
mit NDK-Dielektrikum und Kondensatoren mit HDK-Dielektrikum gemeinsam auftreten.
Ferner ist es möglich, auf diese Weise spezielle elektrische Abschirmungen oder
besondere Feuchteschutzschichten einzubringen. Bei Verwendung größerer Zahlen von
Plättchen kann es zweckmäßig sein, das Verfahren gemäß der Erfindung auf an sich
bekannte Modulplättchenformen anzuwenden, die durch Einlöten von Drähten in am Rand
befindliche Kerben miteinander verbunden werden.
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Der Erfindungsgedanke ist nachstehend an einem bevorzugten Beispiel
beschrieben, das grundsätzlich die Erzielung eines erhöhten Feuchteschutzes durch
Verwendung der gut feuchtedämmenden Trägerplättchen der Schaltungsträger in spezieller
Ausbildung erläutert.
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In F i g. 9. sind 1 und 2 keramische Trägerplättchen für die Schaltungsteile,
von denen beispielsweise das Plättchen 1 aus Aluminiumoxydkeramik, das Plättchen
2 aus einer als Kondensator-Dielektrikum geeigneten Keramik besteht. Das Plättchen
1 trägt mehrere beispielsweise in Drucktechnik hergestellte flächenhafte Widerstände
3, 3' sowie die zur Verbindung nach außen dienenden Leiterzüge beispielsweise aus
eingebranntem Silber 4, 4'. An in an sich bekannter Weise ausgebildeten Verbindungsstellen
5a,
5b, 5 c usw. sind die nach außen führenden Anschlußdrähte oder Stifte
12 beispielsweise durch Löten oder Schweißen befestigt. Die ähnlich ausgebildeten
Verbindungsstellen 6 a, 6b, 6 c dienen zum Anbringen von Drähten
oder Bändern 7, 7', die den Übergang zu dem zweiten mit Schaltelementen versehenen
Plättchen 2 bewirken. Die Verbindungsstellen sind dabei auf den beiden Plättchen
um etwa ihre Breite gegeneinander versetzt. Dadurch wird vermieden, daß die Dicke
des fertigen Bauelementes größer als unbedingt erforderlich wird. Auf der Innenseite
des Plättchens 2 befindet sich mindestens die eine Elektrode 8 des Kondensators,
dessen andere Elektrode kann sich auf der Außenseite des gleichen Plättchens befinden.
In diesem Fall wird man die geerdete Elektrode nach außen legen und gleichzeitig
als Abschirmung verwenden. Es ist jedoch auch möglich, den ganzen Kondensator auf
nur einer Seite des Plättchens anzubringen, beispielsweise nach einem der bekannten
Verfahren zur Herstellung von flächenhaften Kondensatoren mit Siliciumoxyd-Dielektrikum
oder Tantaloxyd-Dielektrikum. Auch weitere Verfahren sind denkbar.
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F i g. 2 zeigt einen derartigen Kondensator, der nur eine Seite des
Plättchens 2 beansprucht. In diesem Fall muß das Trägerplättchen dem Kondensatorwerkstoff
angepaßt sein, obwohl es nicht selbst als Dielektrikum geeignet sein muß. Die vorbereiteten
Plättchen werden dann mit zueinander ausgerichteten Kanten aufeinander geklappt,
so daß die Innenseiten einander gegenüberstehen und die Drähte gegebenenfalls einschließlich
Löt- oder sonstigen Verbindungsstellen 5 a den Abstand zwischen den beiden
Plättchen gewährleisten. Während des Zusammenklappens wird zwischen den Plättchen
die vorbereitete Verbindungsmasse gegebenenfalls als vorgepreßte Tablette eingebracht.
Die Kombination wird dann, wenn nötig in einem geeigneten Halter, erwärmt. Dabei
wird die Verbindung zwischen den Plättchen durch Schmelzen und Erhärten des verbindenden
Kunststoffes hergestellt. Nach dem Wiederabkühlen hat dieser den ganzen Raum zwischen
den Plättchen ausgefüllt und steht durch Kapillarwirkung schwach nach innen gezogen
an den Kanten des nunmehr fertigen Blockes an. Eine Besichtigung dieser Kanten ist
zugleich eine gute Kontrolle, ob die Verbindung dicht und gleichmäßig hergestellt
ist.
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F i g. 3 zeigt ein gleiches Doppelplättchen, bei dem ein Teil des
als Distanzhalter dienenden Verbindungsmittels durch ein eingelegtes Distanzstück
10 aus Keramik ersetzt ist.
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Man erkennt, daß die Innenflächen der Plättchen in weit höherem Maße
als nach dem bisherigen Stand der Technik mit Bauelementen belegt werden können.
Ferner wird nicht mehr als das unbedingt notwendige Maß von Kunststoff außerhalb
der Leiterbahnen und Bauelemente benötigt. Vor allem entfällt jegliche zusätzliche
Maßvergrößerung, die bei nach dem Stand der Technik umgossenen oder umgepreßten
Trägerplättchen zur sicheren Haftung der Umhüllung und zur Erzielung einer hinreichenden
Feuchtebeständigkeit benötigt wird. Die Gesamtabmessungen werden also wesentlich
kleiner, als nach dem bisherigen Stand der Technik erreicht werden konnte. Eine
die gleichen Bauelemente enthaltende Modulzelle nach bisheriger Ausführung würde
schätzungsweise den dreifachen Raum benötigen, wenn man eine Vergrößerung der Fläche
um etwa 30% und eine Vergrößerung der Dicke auf das etwa Zweieinhalbfache berücksichtigt.
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Die Möglichkeit einer Verbindung mehrerer Plättchen zu größeren Einheiten
ist gegeben insbesondere bei Verwendung von Plättchen mit Randkerben zur elektrischen
Verbindung untereinander.