NO831333L - Hermetisk tettbar pakning for elektroniske anordninger av hybridfaststofftypen. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår hermetisk lukkede pakninger for hybride faststoffanordninger, små elektromekaniske innretninger o.l.

I elektroteknikken kreves innkapsling av elektromekaniske eller hybride halvlederanordninger e.l. for således å kunne stabilisere mange av de omgivelsesbetingelser disse elementer utsettes for. Denne innkapsling eller innpakking har vært ut-ført på ulike måter. Hvor det har vært krevet hermetisk luk-king har især metallisk innelukking med elektrisk gjennomfør-ing glass mot metall, vært standard utførelse.

Når pakningen er liten og det foreligger akseptable spen-nings- og kraftnivå, er de konvensjonelle elektriske gjennom-føringsanordninger glass til metall vanskelige å fremstille og forholdsvis kostbare. Videre er slike tetninger utsatt for brekkasje og etterfølgende feil på grunn av mulig mekaniske belastninger.

Kjente pakninger av den type og størrelse som det tas sikte på med oppfinnelsen, har vært fremstilt av metaller som eksempelvis kovar, stål, aluminium, kobber, molybden og keramiske materialer som alle er relativt tunge og kostbare.

Relevant kjent teknikk beskrevet i patentlitteraturen er US 3 6 21 112 som foreslår et lukke av ferrometall med de foran nevnte glass til metall tetninger for de elektriske gjennomføringer. US 3 575 546 viser et plastlegeme med inn-sneppbar kappe som ikke kan lukkes hermetisk og som ikke be-nytter et varmeavlederprinsipp.

US 3 548 076 er videre typisk for en metallisk dmkapsling av et faststoffhybrid. Glass til metall tetninger er vist for å kunne frembringe det relativt store antall elektriske ledninger som kreves for forbindelse til denne hybridtetning.

US 3 538 597 angår en dekkplate for en "plan pakke" med mikrokretser e.l. Dekkplaten (dekslet) av kovar er loddet inn i et tydeligvis metallisk hus (selv om isoleringen av de elektriske ledere som passerer derigjennom ikke er vist).

US 2 932 684 synes å fremvise en ikke reparerbar innkap-slingsanordning av tydelig eldre utførelse. Mange enkelt-deler omfattes av en relativt kompakt, enkelt effekttransis-torpakke.

US 3 419 763 angår parallellkoblingen av flere individu-elle faststoffanordninger i en lukket huskonstruksjon med varme-av.Lederprinsipp. De kjente glass mot metall elektriske led-ningstetninger gjennom bunnen og metalliserte keramiske tetninger for toppdekselgjennomtrengingen kreves i denne pakke og den totale vekt er tydeligvis relativt stor.

US 3 433 885 er en annen "helmetall" innkapsling for en enkel effekt halvlederanordning. Denne innkapsling er ikke innrettet for multippel-lederkretser som eksempelvis halvleder-hybrider og er relativt tung.

Kjente anordninger, inkludert de ovenfor nevnte, lider

av ulemper i forbindelse med høye produksjonskostnader, relativt store vektfaktorer og dårlig tilpasningsevne hvor det kreves flere elektriske tilkoblinger. Der hvor det benyttes tetninger av glass til metall eller keramikk til metall foreligger en fare for oppskraping, brudd, tap av den hermetiske tetning og elektrisk svikt. Uforutsett mekanisk belastning som påføres lederne som passerer gjennom slike tetninger øker i betydelig grad faren for slik beskadigelse og derav følgende elektrisk svikt.

Oppfinnelsen frembringer en pakke for små elektroniske eller elektromekaniske anordninger, især for multitilkoblings-anordninger som eksempelvis faststoffhybrider, som har liten vekt, er billig å fremstille, kan tettes hermetisk og kan repareres.

En støpt ringramme av polyamid-imidplast er fastlimt langs en kant til en bunnplate fremstilt av sterkt varmeledende materiale, som eksempelvis aluminium eller kobber.

Boringer gjennom bunnplaten i ringrammens kantflateområde

i kontakt med bunnflaten gir feste av ringrammen til bunnplaten under støpingen. Plastmaterialet for ringrammen strømmer inn i disse boringer under ett-trinns støpeprosessen.

De elektriske ledere støpes samtidig inn i ringrammen. Disse ledere er "L-formede" gullbelagte kobbertråder som er innlagt i ringrammens vegger slik de strekker seg vinkelrett i forhold til bunnplaten fra deres eksterne fremspring. På

et fastlagt punkt eller punkter i ringrammeveggen av plast,

er lederne bøyd (typisk, dog ikke nødvendigvis, 90°) slik at det rager inn i det indre av ringrammen for tilkobling til

faststoffanordningen eller anordningene deri. Disse anordninger kan være av den type som genererer vesentlig varme og kan være i termisk kontakt med bunnplateflaten i omkapslingen. Bunnplatens ytre flate er egnet for konvensjonelt feste til en mer kompakt varmeavleder. Generelt ville bunnplaten være flat og festet til den eksterne varmeavleder med et varmeledende sammensatt materiale mellom bunnplaten og den eksterne varmeavleder.

Den hermetiske omkapsling er fullført ved hjelp av en dekkplate over den andre ringrammekant. En dekkplate, fortrinnsvis av samme plastmateriale som ringrammen, kan nøytra-liseres langs ringrammens kant slik at dekkplaten kan holdes fast på plass på konvensjonell måte og fjernes og deretter atter fastloddes om nødvendig. Dekslet kan naturligvis festes på annen måte, eksempelvis med epoxylim.

Figur 1 viser et grunnriss av ringrammen og innretningen ifølge oppfinnelsen før installasjon av dekkplaten, figur 2 viser et sideriss av pakken på figur 1 med dékkplaten på plass, delvis som snitt vist på figur 1, og figur 3 viser et tverrsnitt av pakken på figur 1 og 2 med dekkplaten på plass.

På figur 1 og 2 er bunnplaten 10 vist festet til ringrammen 11 under støping av ringrammen. På figur 2 har boringene 21 utvidede hodepartier 22 slik at "tapper" under støp-ingen av ringrammen 11, utformes som er sammenhengende med ringrammen 11 og virker til å holde ringrammens kant i tett kontakt med bunnplaten i innspenning. Det plastmateriale som benyttes strømmer lett ned i boringene 21 og hodepartiene 22 og herder der mens ringrammens 11 legeme herder. Der foreligger også en i det vesentlige direkte fastklebing av plastmaterialet til bunnplatens 10 overflate ...langs skilleflaten mellom dem.

Ringrammelegemets form kan ses på figur 1 og dekkplaten 12 vist på figur 2 har fortrinnsvis en ytre periferiform lik ringrammens 11.

Det skal bemerkes at de elektriske ledere, hvorav 17, 18, 19 og 2 0 er typiske, strekker seg og er innlagt i utvidede partier 15 og 16 i ringrammens sidevegg for således å unngå

å berøre dekkplaten. Ved et på forhånd fastlagt punkt (eller punkter, ikke nødvendigvis fluktende) er lederne bøyd innover

for å trenge inn i det indre innenfor ringrammen 11 for å være omsluttet av bunnplaten 10 og dekkplaten 12. De punkter hvor lederne trenger inn i det indre kan være forskjøvet etter ønske for å kunne oppta kretsen deri.

Det ville forstås at motstanden mot mekanisk beskadigelse

(av den type som ofte beskadiger glass mot metall tetninger)

som oppnås ved utformingen av de viste ledere, er meget fordelaktig i forhold til slik det benyttes ved kjente anordninger .

Endene av de enkelte ledere som strekker seg ut er syn-lige ved 18a og 20a på figur 3. I tillegg til støpingen av ringrammen 11 til bunnplaten 10, er de foran nevnte ledere støpt på plass i samme operasjon. Videre er fire gjengede innsatser 14 støpt inn i selve ringrammen for feste til selve konstruksjonen ved hjelp av skruer gjennom den eksterne varmeavleder inn i disse innsatser fra bunnsiden 10a. Boringen 21 gir ekstra bevegelsesrom for slike skruer.

Det foretrukne materiale for ringrammen 11 og dekkplaten 12 er en polyamid-imidtermoplast, generelt betegnet som amorf-polymer. Et slikt materiale er tilgjengelig fra Amoco Chemical Co. under handelsnavnet "Torlon" og er ideelt for sprøytestø-ing. Det er tilgjengelig i en standard finhetsgrad som Torlon 5030 med 30% glassfiber og 1% PTFE (polytetrafluorety-len). Når Torlon. herder er det meget sterkt, har en meget stor dielektrisk styrke i størrelsesordenen 600 V/mil (236 220 V/mm) og en volummotstand på minst 1,2 x 10 ■i n ohm-cm, slik at derved elektriske egenskaper fremkommer som er egnet for kret-ser med relativt høye spenninger. En spesielt fordelaktig bruk av oppfinnelsen er i forbindelse med hybridkretser som arbeider ved spenninger på opptil 1 000 V likestrøm. Tilleg-get med glassfiber forbedrer ringrammens ekspansjonskoeffisi-ent til å stemme overens med en bunnplate 10 av kobber.

Metalliseringen av ringrammens 11 kantflate ved skilleflaten 13 og det tilsvarende parti av dekkplaten 12 av Torlon, foregår ved plettering, sprøyting, maling med etterfølgende oppvarming, eller andre konvensjonelle prosesser. Torlonmaterialet er velegnet for metallisering og for hermetisk tetting langs skilleflaten 13 og en ferdig loddeform kan inn-settes og varme tilføres ved induksjonsoppvarming eller annen

konvensjonell anordning.

De verktøy som kreves ved sprøytestøpeprosessen omfatter innretninger for å holde de elektriske ledere på plass under støpingen og kan enkelt fremskaffes innenfor faget.

De elektriske ledere er vanligvis av kobber og deres

ad esjon til Torlon-støpet økes ved konvensjonell forgylling.

Noen dimensjoner som gir et inntrykk av den fysiske stør-relse av typiske pakker i henhold til oppfinnelsen: a = 12,19 cm, b = 3,05 cm, c = 0,18 cm, d = 1,02 cm, e = 0,51 cm,

f = etter behov, g = 0,23 cm, h = 0,18 cm, j = 0,51 cm og k = etter forholdene.

De forhold som påvirker dimensjonen k omfatter høyden

av halvlederkomponentene, den krevede spenning og den "rekke-vidde" som hybrid-festeutstyret har.

De spesielle dimensjoner opptar fire 0,635 x 0,635 cm store halvleder chips som konstant forbruker 40 W. Den varme som utvikles fjernes ved termisk kontakt av disse chips med bunnplaten og deretter til den ytre varmeavleder gjennom bunnplaten 10.

Figur 3 viser den samme konstruksjon som på figur 2, dreid 90°. Dekkplaten 12 av Torlon har en normaltykkelse på 0,5 cm. Ringrammeveggens tykkelse varierer i den viste utførelse, men kan gi god styrke og stabilitet i relativt små tverrsnitt. Torlonmaterialet har en kritisk temperatur i størrelsesordenen 270°C. Det er videre bestandig mot radioaktiv og ultrafiolett stråling, er klassifisert i 94V-0 for brannbestandighet, (Under-writers Laboratory klassifisering) og er etter herding fri for gass. Uforseglet vil det absorbere og frigjøre et maksimum på 0,22 vektprosent vann ved 21°C med i det vesentlige ingen kjemiske eller dimsjonsmessige forandringer.

Torlonmaterialet er en meget god erstatning for metall som har god styrke og andre karakteristika. Totalvekten av en konstruksjon ifølge oppfinnelsen ligger i størrelsesorde-nen halvdelen av en sammenlignbar pakke fremstilt av de let-teste konstruksjonsmetaller og kan til og med være meget let-tere i forhold til Kovar, ferrometaller eller keramiske ut-førelser.

Av det foregående vil det tydelig fremgå at kostnadene ved fremstilling er meget lavere enn kjente pakker for dette formål. Dette er i det store og hele oppnådd ved støpepro-sessen hvor ringrammen er forbundet med bunnplaten og de elektriske ledere alle er innlagt i en operasjon.

Det skal igjen understrekes at den innstøpte lederutfor-ming er meget motstandsdyktig mot vridning og andre mekaniske belastninger og også mot vibrasjon og termiske sjokk. Slik påvirkning er i stand til å forårsake feil i den hermetiske tetning ved kjente innretninger.

På bakgrunn av den relativt laye kostnad og andre for-deler, kan oppfinnelsen benyttes innenfor svært mange bruks-områder, som eksempelvis i flyvemaskinsystemer, elektriske biler, industrielt utstyr, skipselektronikk, solcelleoppstil-linger, satelitter og andre romfartøyer.

Claims (9)

1. Forseglet faststoff-elektronikkpakke,karakterisert veden varmeledende bunnplate (10) for mon-tering av minst én elektronisk komponent i termisk kontakt langs en første overflate av bunnplaten, idet bunnplaten har en andre overflate (10a) innrettet til å monteres i termisk kontakt med en overflate av en ytre varmeavleder, en ringramme (11) for isolering av støpbart materiale som støpes i kontakt med bunnplatens første overflate rundt en første kantflate av ringrammen, idet ringrammen har minst én elektrisk leder (17) støpt gjennom en side (15), og en dekkplate (12) fremstilt av plast-platemateriale og forseglet til en andre kantflate (13) på ringrammen, idet den andre ringrammekamflate og tilsvarende område på dekkplaten metallbelegges, hvoretter den metallbelagte ringrammekant og det metallbelagte dekkplateområde lod-des til hverandre.

2. Pakke ifølge krav 1,karakterisert vedat plastringrammen er fremstilt av amorf polymer-polyamid-imid materiale.

3. Pakke ifølge krav 2,karakterisert vedat bunnplaten er fremstilt av kobber eller aluminium.

4. Pakke ifølge krav 2-3,karakterisertved at bunnplaten har flere gjennomgående boringer (21) motsatt den første kantflate av ringrammen, idet ringrammen omfatter tapper av det støpbare termoplast, som er sammenhengende med ringrammen og strekker seg inn i boringene som del derav for å feste ringrammen til bunnplaten.

5. Pakke ifølge krav 2-4,karakterisertved at polyamid-imid materialet i ringrammen er fremstilt med omtrent 30% glassfiber og 1% PTFE.

6. Pakke ifølge krav 4,karakterisert vedat minst noen av boringene har et parti (22) med utvidet dia-meter nær bunnplatens andre overflate, idet tappene derved har en tilsvarende forstørret ende nær bunnplatens andre overflate for å sikre ringen mot bunnplatens første overflate.

7. Pakke ifølge krav 1-6,karakterisertved at de elektriske ledere er L-formede ledere, idet et første ben av L-formen strekker seg i ringrammens veggtykkelse fra de ytre tilkoblingspunkter, til et punkt i ringrammeveggen hvor lederne er bøyd for å danne det andre bén av L-formen som strekker seg inn i det indre i ringrammen.

8. Pakke ifølge krav 7,karakterisert vedat ringrammens sidevegg har forstørret tykkelse som strekker seg sideveis utad bak dekkplaten som omgir de elektriske ledere, idet de elektriske lederes første ben passerer sideveis utad i forhold til dekkplaten.

9. Pakke ifølge krav 1-8,karakterisertved at ringrammens og dekkplatens metallbelagte partier er belagt med kobber.