DE3134680A1

DE3134680A1 - "keramisches mikro-einkapselungsgehaeuse fuer elektronische schaltungen"

Info

Publication number: DE3134680A1
Application number: DE19813134680
Authority: DE
Inventors: Christian 75014 Paris Val
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-09-02
Filing date: 1981-09-02
Publication date: 1982-04-08
Also published as: FR2489592B1; FR2489592A1

Description

Dipl.-lng. Dipl.-Chem. ^ O _mm Dipl.-lng.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8000 München 60

THOMSON - CSF 1· September 1981

173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3461

Keramisches Mikro-Einkapselungsgehäuse für elektronische

Schaltungen'

Die Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Mikro-Einkapselungsgehäuse für elektronische Schaltungen, dessen aus Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten bestehender Sockel in einem einzigen Bauteil wenigstens einen Kopplungskondensator und die Anschlußmetallisierungen der elektronischen Schaltung vereinigt.

Mittels eines solchen Einkapselungsgehäuses soll bei der Verwirklichung von Hybridschaltungen ein bedeutender Raumgewinn erzielt werden, da die Kopplungs- oder Entkopplungskondensatoren, die gewöhnlich in den Anschlußschaltungen am Eingang und am Ausgang elektronischer Schaltungsstufen auftreten, und die gewöhnlich auf der Hybridschaltung auf der Seite anderer die elektronische Schaltung bildender Bauelemente angeordnet sind, nunmehr in das Schutzgehäuse der elektronischen Schal-

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tung integriert sind. Die Hybridschaltung macht, wie ihr Name sagt, teilweise von integrierten Bauelementen, wie integrierten Schaltungen in Form von Plättchen, und von diskreten Bauelementen, wie Kondensatoren oder Widerständen, Gebrauch.

Die Abmessungen von Kopplungs- oder Entkopplungskondensatoren einer integrierten Schaltung sind so, daß die Kopplungs- oder Entkopplungskondensatoren ein Volumen haben, das für jeden nahezu gleich dem Volumen der eingekapselten integrierten Schaltung entspricht, und daß sie auf der Oberfläche des Substrats der Hybridschaltung eine Fläche einnehmen, die gleich der der integrierten Schaltung ist. Im Hinblick auf die Integrationsdichte besteht daher ein großes Interesse daran, wenigstens die Kopplungskondensatoren elektronischer Schaltungen wegzulassen, indem sie in das Einkapselungsgehäuse dieser Schaltungen integriert

In der FR-OS 79 Π 852 ist ein Mikro-Einkaps&lungsgehäuse beschrieben, in dessen Sockel wenigstens ein Kondensator eingebaut ist. Dieser Kondensator ist jedoch in einem Material mit einer großen Dielektrizitätskonstanten realisiert, was es bei der Anwendung notwendig macht, daß der Kondensator von einem Rahmen umgeben wird, der selbst in einem dielektrischen Material gebildet ist und der die äußeren Anschlüsse der elektronischen Schaltung trägt. Wenn dieser Rahmen nicht vorhanden wäre, würden zwischen den Anschlüssen, jeweils paarweise betrachtet, und dem den Sockel bildenden Material Streukondensatoren gebildet werden. Der oder die Kondensatoren des Sockels sind daher in einen Rahmen aus anderem Material eingebettet, so daß der Sockel des Kikro-Gehäuses nicht als monolithischer Sockel bezeichnet werden kann.

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Das nach der Erfindung ausgebildete Mikro-Einkapselungsgehäuse enthält einen Sockel aus einem solchen Material, daß in ein einziges Teil wenigstens ein kondensator und
die Anschlußmetallisierungen ohne Bildung von Streukondensatoren integriert werden können. Dieses Ergebnis wird durch die Verwendung eines besonderen Materials mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten, wie.Aluminiumoxid oder einer Mischung aus Calciumtitanat und seltenen Erden, erhalten.

Genauer gesagt, ist das keramische Mikro-Einkapselungsgehäuse für wenigstens einen Kopplungskondensator enthaltende elektronische Schaltungen mit einem Sockel, der die Schaltung und mehrere äußere Anschlüsse trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel aus einer Platte aus keramischem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten besteht, deren Mittelbereich mit wenigstens zwei Metallisierungen wenigstens einen Kondensator bildet und deren Umfangsflache die äußeren Anschlüsse der elektronischen Schaltung trägt.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Sockel eines bekannten Mikro-Gehäuses,

Fig. 2 einen Sockel eines erfindungsgemäßen Mikro-Gehäuses,

Fig. 3 und 4

Sockel von Mikrö-Gehäusen nach der Erfindung in zwei AnwendungsVarianten.

In Figur 1 ist ein Sockel eines bekannten Mikro-Gehäuses dargestellt, wie es in der FR-OS 79 11 852 beschrieben ist.

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Dieser Sockel, der in Figur 1 nur schematisch dargestellt ist und nur die zum Verständnis notwendigen Elemente enthält, besteht im wesentlichen aus einer Platte 1 aus keramischem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten S₁. Diese Platte ist an ihren zwei Hauptflächen mit zwei Metallisierungen 2 und 3 versehen, die die Beläge eines Kondensators bilden. Der Sockel wird durch einen Rahmen 4 vervollständigt, der die Kondensatorplatte 1 umgibt; dieser Rahmen besteht aus einem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten ε_. Außerdem wird der Sockel durch einen zweiten Rahmen 5 vervollständigt/ der ebenfalls aus dielektrischem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten ε~ besteht. Die zwei Rahmen 4 und 5 tragen zusammen Metallisierungen 6, die die Verbindungen" zwischen der in diesem Gehäuse eingekapselten elektronischen Schaltung und den äußeren Anschlüssen bilden. Der Rahmen 5 ist nicht unbedingt notwendig, doch muß zumindest der Rahmen 4 verwendet werden, um zu vermeiden, daß zwischen den paarweise genommenen Verbindungen 6 und dem die hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Material der Platte 1 parasitäre Kondensatoren entstehen.

Bei diesem bekannten Mikro-Gehäuse ist das Plättchen der elektronischen Schaltungen auf dem Belag 3 des Kondensators angeschweißt; sie ist mit den äußeren Anschlüssen über Metalldrähte verbunden, die einerseits mit Punkten der elektroni- . sehen Schaltung und andrerseits mit dem Ende der Verbindungsmetallisierungen 6 verschweißt sind. Das Mikro-Gehäuse ist mittels eines Deckels abgeschlossen, der in Figur 1 nicht dargestellt ist und auf einem Rahmen 7 aus isolierendem . Material aufliegt, damit vermieden wird, daß die den Deckel bildende Metallplatte Kurzschlüsse zwischen den Verbindungen 6 hervorruft. '

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In Figur 1 ist nur ein einziger, von den Belägen 2 und 3 gebildeter Kondensator dargestellt. Auf der gleichen Platte 1 aus dielektrischem Material können jedoch auch zwei Kondensatoren nebeneinander gebildet werden, beispielsweise ein Eingangskondensator und ein Ausgangskondensator zur Erzielung der Entkopplung.

Die Überlegungen, die zur Schaffung dieses bekannten MikroGehäuses geführt haben, beruhen darauf, die keramische Wand des Mikrogehäuses, die oft aus Bariumtitanat besteht, an ihren zwei Flächen zu metallisieren, um dadurch einen Kondensator zu bilden. Dabei ist es notwendig, wenigstens den Rahmen 4 hinzuzufügen, dessen Material unterschiedlich sein muß, damit die Bildung parasitärer Kondensatoren vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Mikro-Gehäuse geht von umgekehrten Überlegungen aus, wobei als Ausgangspunkt ein Kondensator, vorzugsweise ein mehrlagiger Kondensator, betrachtet wird, der zur Bildung des Sockels eines Mikro-Einkapselungsgehäuses modifiziert und angepaßt wird.

In Figur 2 ist ein Sockel eines Mikro-Einkapselungsgehäuses nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.

Der Sockel dieses Mikro-Einkapselungsgehäuses ist von einem Kondensator gebildet, der in Figur 2 in Form eines mehrlagigen Kondensators dargestellt ist, der durch abwechselndes Übereinanderstapeln von Elektroden 8 und Elektroden 9 sowie von Platten 10 aus keramischem Material erhalten worden ist. Die Gruppen der Elektroden 8 und'.9 sind so miteinander verbunden, daß zwei Anschlußklemmen für den Kondensator entstehen, wobei eine Klemme von der oberen Elektrode des mehrlagigen Kondensators gebildet ist, auf der eine elektronische Schaltung festgelötet, festgeschweißt oder auf andere, dem

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Fachmann bekannte Weise befestigt ist. Die in der Figur nicht dargestellte andere Anschlußklemme wird beispielsweise mit Hilfe einer der äußeren Anschlußmetallisierungen 13 der Hybridschaltung angeschlossen,.

Die elektronische Schaltung ist mit den Anschlußmetallisierungen' 13 über Gold-/ Silber- oder Aluminiumdrähte 14 verbunden. Die äußeren Anschlußmetallisierungen sind, wie aus der Darstellung hervorgeht, an der Fläche des den Sockel bildenden Keramikblocks am Boden von Nuten angebracht, die in den Seiten des Blocks gebildet sind und deren Zweck es ist, ein Zerkratzen oder Abreißen dieser Metallisierungeil zu verhindern. Aus diesem Grund scheinen die Metallisierungen 13 in der Darstellung im Inneren des Keramikblocks zu verlaufen.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel des nach der Erfindung ausgebildeten Mikro-Einkapselungsgehäuses trägt der Sockel außerdem einen keramischen Rahmen 15, auf dem die Metallisierungen 13 angebracht sind. Dieser Rahmen hat den Zweck, das Verbinden der elektronischen Schaltung 11 mit den' äußeren Anschlüssen 13 durch Drähte zu erleichtern.

Diese Ausfuhrungsform enthält außerdem einen zweiten Rahmen 16, der über dem ersten Rahmen 15 angeordnet ist. Dieser zweite Rahmen, der auf seiner freien Fläche bei 17 metallisiert ist, hat den Zweck, den Verschlußdeckel aufzunehmen, der häufig aus einer bei 17 angeschweißten Metallplatte besteht. Das Material dieses zweiten Rahmens ist ein Isoliermaterial, das verhindert, daß der Deckel und die bei 17 angebrachte Metallisierung die äußeren Anschlüsse 13 kurzschließen.

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Der eigentliche Sockel des Mikro-Einkapselungsgehäuses
besteht somit aus einem Kondensator, der ein Kondensator
mit zwei Elektroden oder vorzugsweise wegen der niedrigen
Dielektrizitätskonstanten des gewählten Materials ein mehrlagiger Kondensator sein kann. Wenn der Kondensator ein
Kondensator mit zwei Elektroden ist, verläuft sein Dielektrikum von der eigentlichen Kondensatorzone nach außen und
bildet den Träger für die äußeren Anschlüsse 13; der Sockel
ist daher ein monolithisches Bauteil. Wenn der Kondensator
ein mehrlagiger Kondensator ist, wird er durch Übereinanderstapeln ungebrannter, auf einer Fläche metallisierter'Keramikplättchen erhalten, wobei der Stapel einen mehrlagigen Kondensator ergibt; der Sockel ist dabei trotzdem ein monolithisches Bauteil, da der Stapel aus ungebrannten Plättchen
nach dem Brennen einen monolithischen Block ergibt.

Das vorzugsweise verwendete keramische Material ist Aluminiumoxid, das eine Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 9,4.bis 9,7, also eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante mit einem allgemein unter 15 liegenden Wert hat.

Aluminiumoxid hat den Vorteil, daß es einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 6 bis 7-10 pro Grad hat, der in der Nähe des entsprechenden Koeffizienten von Silicium liegt, so daß Ausdehnungsproblerne zwischen dem Plättchen der integrierten Schaltung und dem Gehäuse im Verlauf der im Betrieb auftretenden Erwärmung vermieden werden. Außerdem hat Aluminiumoxid eine annehmbare Wärmeleitfähigkeit, die zehnmal niedriger als die von Berylliumoxid, jedoch höher als die eines
Dielektrikums auf der Basis von Bariumtitanat ist.

Zur Erläuterung der Erfindung sei angegeben, daß ungebrannte Aluminiumoxidplättchen mit einer Dicke zwischen 15 und 20 um hergestellt werden können, auf denen Elektroden durch Metallisierung in einer Dicke von 2 bis 3 μΐη angebracht werden kön-

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nen. Bei einem genormten Mikro-Einkapselungsgehäuse mit vier im Abstand von 1,27 mm liegenden Ausgängen steht bei einer Einschränkung der kapazitiven Zone auf den Mittelbereich des Gehäuses zur Vermeidung einer kapazitiven Kopplung zwischen den Leitern und den Elektroden eine Nutzfläche zur Verfügung, die ermöglicht, den Kondensator in einem Bereich von 45 mm² zu bilden. Bei gegebener Nutzfläche, gegebener Dielektrizitätskonstanten des Aluminiumoxids und gegebener Gesamtdicke einer Dielektrikumsschicht zuzüglich der Elektroden von etwa 25 μπι beträgt die Kapazität jeder Schicht 180 pF, was ermöglicht, innerhalb der internationalen Normen für die Dicke des Sockels des Mikro-Einkapselungsgehäuses zu bleiben, wobei insgesamt 20 Schichten und eine Gesamtkapazität von 3 600 pF für den in den Sockel des Gehäuses integrierten Kondensator vorliegen.

Dieser Wert von 3 600 pF reicht im allgemeinen zur Entkopplung von in großem Maßstab integrierten Schaltungen aus, doch ist es, falls er vergrößert werden soll, möglich:-

- entweder die Dicke des Sockels des Mikro-Einkapselungsgehäuses zu vergrößern, was 7 200 pF für eine Dicke von einem Millimeter ermöglicht,

- oder die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen, indem beispielsweise Aluminiumoxid durch eine Mischung aus Calciumtitanat und seltenen Erden mit der Dielektrizitätskonstanten 15 ersetzt wird, was eine erneute Verdopplung der Kapazität des im Sockel des Mikro-Einkapselungsgehäuses enthaltenen Kondensators ermöglicht.

Das Plättchen der elektronischen Schaltung 11 ist in Figur 2 so dargestellt, daß es auf einer Elektrode des Kondensators mit Hilfe eines Lots 12 verschweißt ist. Dieses Lot ist vorteilhafterweise mittels eines Gold-, Silicium-Eutektikums

verwirklicht, das bei 37O⁰C schmilzt. Das Plättchen der elektronischen Schaltung 11 kann vorteilhafterweise auch mittels anderer Verfahren als durch direktes Auflöten befestigt werden, die seine Hinterfläche elektrisch unabhängig von der Elektrode 8 des Kondensators macht. Dies kann folgende Vorteile haben:

- die Hinterfläche des Plättchens bleibt elektrisch nicht angeschlossen, und der Kondensator kann durch Drähte zwischen zwei Versorgungspunkten und Masse der integrierten Schaltung angeschlossen werden;

- es ist eine spezielle Behandlung der oberen Metallisierung des Sockels des Mikro-Einkapselungsgehäuses möglich, damit eine bessere oder andere Befestigung des Plättchens am Boden des Gehäuses erzielt wird.

Die den Ausgang bildenden Anschlußtnetallisierungen 13, die auf den vier Seitenflächen des Sockels des Mikro-Einkapselungsgehäuses angebracht sind, bestehen aus üblicherweise verwendeten Materialien, wie Molybdän, Wolfram, Nickel oder Gold.

Die Anordnung der Ausgangsklemmen des Kondensators bezüglich der Ausgangsanschlüsse des Mikro-Einkapselungsgehäuses ist unter Berücksichtigung des Einsetzens der elektronischen Schaltung in das Innere des Mikro-Einkapselungsgehäuses sowie der Regeln und Möglichkeiten der herkömmlichen Verdrahtung festzulegen.

Es ist bereits ausgeführt worden, daß zum Bereich der Erfindung der Fall gehört, daß der in den monolithischen Sockel des Mikro-Einkapselungsgehäuses eingebaute Kondensator ein Kondensator mit zwei Elektroden ist, jedoch gehört zum Bereich der Erfindung auch der Fall, bei dem mehr als ein Kondensator,

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also wenigstens zwei Kondensatoren Seite an Seite eingebaut sind, wobei diese zwei Kondensatoren zwei Elektroden aufweisen können oder mehrlagige Kondensatoren sein können.

In Figur 3 ist ein Sockel eines Mikro-Einkapselungsgehäuses nach der Erfindung gemäß einer ersten abgewandelten Anwendungsform dargestellt.

Im Zusammenhang mit Figur 2 wurde bereits ausgeführt, daß der die elektronische Schaltung umgebende Rahmen 15 den wesentlichen Zweck hat, das Anbringen der Drähte 14 zwischen den Anschlußpunkten der Schaltung 11 und den Anschlußmetallisierungen 13 zu erleichtern, was im wesentlichen eine Verdrahtung in der gleichen Ebene ergibt.

Figur 3 zeigt, daß es möglich ist, den ersten Rahmen 15 wegzulassen, was eine vorteilhafte Vereinfachung bei der industriellen Realisierung darstellt, was jedoch erfordert, die Anschluß— drahte 14 zwischen der oberen Ebene der Fläche der Schaltung 11 und der oberen Ebene des Sockels anzuschweißen, auf der die Metallisierungen 13 direkt angebracht sind. Der Unterschied der beiden Niveaus, auf denen die Schweißvorgänge der Drähte durchgeführt werden müssen, ist jedoch gering, da die elektronische Schaltung 11 im allgemeinen eine Schaltung ist, die auf einem Siliciumplättchen mit geringer Dicke integriert ist.

Das in Figur 3 dargestellte Gehäuse nach der Erfindung besteht aus einer minimalen Anzahl von Teilen, d.h. aus dem einen oder den mehreren Entkopplungskondensatoren, die den Sockel des Gehäuses bilden, und einem einzigen keramischen Rahmen 16, der bei 17 auf seiner oberen Fläche zur Aufnahme einer als Deckel dienenden Metallplatte 18 metallisiert ist. .

In dieser Anwendungsform ist der Rahmen 16 noch notwendig, um zu verhindern, daß die als Deckel dienende Metallplatte 18 einen Kurzschluß zwischen den Ausgangsanschlüssen 13 hervorruft. Der Rahmen 16 ergibt somit gleichzeitig eine Isolation zwischen den Ausgängen und die zur Bildung eines Gehäuses notwendige Dicke.

In Figur 4 ist eine zweite abgewandelte Anwendungsform des Sockels des Mikro-Einkapselungsgehäuses nach der Erfindung dargestellt.

Wie in der zuvor beschriebenen Figur ist auch Figur 4 nur schematisch ausgeführt und zeigt nur das, was zum Verständnis der Erfindung unbedingt notwendig ist.

Die dritte Ausführungsform des Mikro-Einkapselungsgehäuses, die in Figur 4 dargestellt ist, enthält keine drei Ebenen mehr, d.h. einen Sockel mit zwei Rahmen 15 und 16, wie es in Fig. 2 dargestellt war, und auch keine zwei Ebenen mehr, nämlich einen Sockel und einen Rahmen 16 gemäß Figur 3, sondern sie weist nurmehr eine einzige Ebene auf, d.h. den Kondensator, der den Sockel bildet, und es ist kein Rahmen mehr zur Bildung des Gehäuses vorhanden.

Mit den zwei Bauteilen, nämlich der elektronischen Schaltung 11 und dem den Kopplungs- oder Entkopplungskondensator bildenden Sockel, wird ein vollständiges Gehäuse einer Hybridschaltung durch eine der zwei in Figur 4 gestrichelt angegebenen Lösungen gebildet.

Im ersten Fall wird die zur Bildung eines Gehäuses aus einem Sockel notwendige Dicke mittels des Gehäusedeckels 19 erhalten; dieser Deckel ist nicht wie in den zuvor beschriebenen Fällen eine Metallplatte, sondern ein Keramik- oder Kunststoffteil, das einen Boden und Ränder aufweist. Dieser Keramik- oder

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Kunststoffdeckel kann je nach Fall am Sockel des MikroGehäuses angelötet oder angeklebt sein.

Wenn es die Anwendungsnormen der Hybridschaltung erlauben und wenn diese Hybridschaltung beispielsweise für einen Masseneinsatz bestimmt ist/ können im zweiten Fall der empfindliche Teil dieser Hybridschaltung, d.h. im wesentlichen die elektronische Schaltung 11 und die Verbindungsdrähte 14/ einfach dadurch geschützt werden, daß ein härtbares Harz- oder Polymermaterial aufgegossen wird, das eine feste Schutzhaube über der Schaltung und über dem Sockel, an dem die Haube direkt befestigt ist, bildet.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

(10 Keramisches Mikro-Einkapselungsgehäuse für wenigstens

einen Kopplungskondensator enthaltende elektronische ^r'

Schaltungen mit einem Sockel, der die Schaltung (11) und ■* mehrere äußere Anschlüsse (13) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel aus einer Platte (10) aus keramischem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten (ε <. 15) besteht, deren Mittelbereich mit wenigstens zwei Metallisierungen (8, 9) wenigstens einen Kondensator bildet und deren Umfangsfläche die äußeren Anschlüsse (13) der elektronischen Schaltung (11) trägt.
2. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sockel wenigstens einen aus mehreren Lagen (8, 9) gebildeten Kondensator enthält.
3. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anschlüsse (13) durch Metallisierungen gebildet sind, die auf den Außenbereichen

der den Sockel bildenden Platte angebracht sind. ^

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4. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel einen ersten Rahmen (15) aus keramischem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten (ε <. 15) trägt, der den Teil der Anschlüsse (13) trägt, auf dem die internen Verbindungen (14) mit der elektronischen Schaltung (11) angeschweißt sind. - . - - -
5. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel einen zweiten Rahmen (16) aus keramischem Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten (ε <_ 15) trägt, der auf der oberen Fläche (bei 17) metallisiert ist, auf der der Gehäusedeckel (18) befestigt ist.
6. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sockelmaterial Aluminiumoxid Al_ 0., ist.
7. Mikro-Einkapselungsgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sockelmaterial aus Calciumtitanat und seltenen Erden besteht.