AT401132B

AT401132B - Formkörper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: AT401132B
Application number: AT0068294A
Authority: AT
Inventors: Theodore Dr Schmitt
Original assignee: Electrovac
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1996-06-25
Also published as: IT1280153B1; ITUD950056A0; US5739466A; GB2288921A; ITUD950056A1; DE19510987A1; GB2288921B; CH689572A5; FR2718279A1; FR2718279B1; GB9506520D0; ATA68294A

Description

AT 401 132 B

Die Erfindung betrifft einen Formkörper, wie z.B. ein Gehäuse für elektronische Bauteile, mit elektrisch isolierten Leiterdurchführungen.

Durch die US 4 487 999 A wurde ein metallischer Mikrowellen-Chip-Träger aus mehreren Gehäuseteilen mit elektrisch isolierten Miniaturkeramikdurchführungen bekannt. Die Gehäuseteile, umfassend eine Grundplatte, einen Ring und eine Deckplatte, werden miteinander verlötet oder verschweißt. Die Herstellungsweise der Gehäuseteile ist in der Druckschrift nicht angegeben. Ring und Grundplatte müssen jedoch zuerst getrennt erzeugt und dann zusammengefügt werden. Die Durchführungen werden an der Innen- und Außenfläche mit Metall bedampft und ein Draht in den Innenraum der Durchführung eingelötet, sodaß dieser mit Metall ausgefüllt ist. Die Durchführungen selbst werden in Öffnungen des ringförmigen Gehäuseteils eingeführt. Als nachteilig ergibt sich hier die Tatsache, daß das Gehäuse mehrteilig ausgeführt ist und daher in mehreren getrennten Arbeitschritten hergestellt werden muß. Weiters müssen die Durchführungen in einem weiteren Arbeitsgang in die entsprechenden Öffnungen des ringförmigen Gehäuseteils eingeführt werden. Die Aufteilung in mehrere Arbeitschritte ist einerseits zeitaufwendig, andererseits kann eine eventuell gewünschte Dichtheit des Gehäuses bei mehrteiliger Ausführung nur schlecht bzw. nur mit großem Aufwand verbunden erreicht werden.

Die DE 2 629 053 A beschreibt ein Gehäuse zur Aufnahme von gedruckten Leiterplatten, Substraten und Bauelementen von Richtfunkanlagen, bestehend aus mehreren profilierten Einzelteilen. So weist beispielsweise der Gehäuseboden mehrere parallel verlaufende Stege und darwischenliegende Profilnuten auf. Die in dem Gehäuse unterzubringenden Leiterplatten, Substrate od. dgl. werden in diesen Profilnuten versenkt angeordnet und das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen. Ein weiteres Gehäuse wurde durch die DE 2 424 722 A bekannt. Hier sind plattenförmige Baugruppenträger parallel zur Frontplatte und zur Gehäuserückwand angeordnet, wobei der aus den Seitenteilen, dem Gehäuseboden und der Oberseite des Gehäuses bestehende Mantel durchgehende Längsnuten für die randseitige Aufnahme und Halterung der Baugruppenträger aufweist. Als Verschlüsse des derartig gebildeten Gehäuses sind Platten, die genauso wie die Baugruppen in eine der Nuten eingeschoben werden, vorgesehen. Auch bei den durch diese beiden Druckschriften beschriebenen Gehäusen ergeben sich die oben angeführten Nachteile der mehrteiligen Ausführung des Gehäuses, nämlich der große Herstellungsaufwand und eine nur aufwendig bzw. schlecht bis gar nicht erreichbare Dichtheit des Gehäuses. Weiters sehen diese Veröffentlichungen keine elektrisch leitenden Verbindungen, die vom Inneren des Gehäuses nach außen vom Gehäuse isoliert durch dieses hindurch verlaufen, vor.

Bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusen wird das Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen in einem- getrennten Arbeitsgang außen und innen durch Einbrennen metallisiert, und dann in den zusammengesetzten Formkörper z.B. eingelötet. Auch ist es bekannt, für das Einsetzen von Leiterdurchführungen in Formkörper Glaspillen in vorgesehene Bohrungen des Formkörpers einzuschmelzen, wobei der Leiter bereits in der Glaspille enthalten sein kann. Nachteil bei diesen bekannten Verfahren ist einerseites der aufwendige Vorgang der Vorbehandlung der Leiterdurchführungen und andererseits die Notwendigkeit, Glassorten zu verwenden, deren Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls des Formkörpers ist, damit dieser beim Einschmelzen des Glases nicht die vorgegebene Geometrie verliert. Insbesondere bei Verwendung von niedrigschmelzenden Metallen für den Formkörper war es bislang nicht möglich, wirklich vakuumdichte Leiterdurchführungen unter Verwendung von Glas als Isolator zu erzielen, da niedrigschmelzende Gläser korrosionsanfällig, und weniger widerstandsfähig als hochschmelzende Gläser sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, qualitativ hochwertige Formkörper, insbesondere vakuumdichte Gehäuse für elektronische Bauteile, aus Metall, vorzugsweise Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, mit in diesen vakuumdicht und elektrisch isoliert eingesetzten Leiterdurchführungen rascher, reproduzierbarer und langzeitbeständiger hinsichtlich ihrer Eigenschaften, insbesondere der Dichtheit, auf diese Weise verläßlich herzustellen.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Formkörper der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der aus Metall und/oder wenigstens zum Teil aus mit einem Metall-Matrix-Verbundmaterial (MMC-Material) bestehende Formkörper ein gegossener einstückiger Formkörper ist, bei welchem das Formkörpermetall an die elektrisch isolierten Durchführungen angegossen ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die auf diese Weise zwischen dem Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen und dem Metall zustande kommende Grenzschicht eine ausgezeichnete Vakuumdichtheit gewährleistet, die graduell verbessert werden kann, wenn ein Druckgußverfahren angewendet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Isolationsmaterial der Durchführung ein Keramikmaterial oder Glas insbesondere mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Metalls sein. Gerade im Falle von Glas ist es erfindungsgemäß möglich, Glassorten mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Formkörpermaterials zu verwenden. 2

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Eine weitere graduelle Verbesserung der Eigenschaften der Grenzschicht Formkörperme-tall/lsolationsmaterial der Leiterdurchführungen kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung erreicht werden, daß das Isolationsmaterial eine Metallbeschichtung, eine Metallauflage, wie z.B. einen Metallring, o.dgl., aufweist, an welche das Formkörpermetall angegossen ist.

Da es sich erfindungsgemäß um einen gegossenen Formkörper handelt, können gemäß wieder einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Leiter der Durchführungen aus dem Formkörpermetall bestehen.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das darin besteht, daß zumindest das Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Leiterdurchführungen in eine Gußform eingesetzt wird, und sodann der von den Leiterdurchführungen bzw. dem Isolationsmaterial derselben durchsetzte und der Gestalt des Formkörpers entsprechende Formenhohlraum mit Metall, gegebenenfalls unter Druckeinwirkung, gefüllt, darauf das Metall erstarren gelassen, und sodann der Formkörper entformt wird.

Hiedurch ist es möglich, in einem Arbeitsgang rasch und zuverlässig Formkörper, insbesondere Gehäuse für elektronische Bauteile, mit vakuumdichten, elektrisch isolierten Leiterdurchführungen herzustellen, und zwar gleichgültig, ob diese aus Metall oder einem MMC-Material allein oder einer Kombination derselben, bestehen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine mehrteilige MMC-Vorform aus jeweils unterschiedlichen Materialien verwendet wird, kann ein hervorragender Ausgleich der durch die Formgebung des Formkörpers, z.B. zufolge unterschiedlich dicker Gehäusewandteile bedingten unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Formkörperteile erreicht und somit eine Rißbildung oder Verformung des Formkörpers bei starken Temperaturschwankungen vermieden werden. Dieser Vorteil kann bei einer mehrteiligen Vorform aus gleichen Materialien auch dadurch erreicht werden, daß die Materialien jeweils unterschiedliche Dichte bzw. Füll- oder Schüttdichte aufweisen.

Insbesondere bei Herstellung eines Formkörpers aus einem MMC-Material kann in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen, das einen Kanal für die Aufnahme eines Leiters aufweist, in durchgehende Bohrungen der MMC-Vorform eingesetzt werden. Diese Kanäle füllen sich dann während des Infiltrationsvorganges mit dem Metall und bilden so die Leiter der Leiterdurchführungen.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In diesen zeigen die Fig. 1 bis 5 Gußformen für unterschiedliche Ausführungsformen erfindungsgemäßer Formkörper.

Fig. 1 zeigt eine aus mehreren Teilen 5 zusammengesetzte Gußform 1 für die Herstellung eines Gehäuses aus Metall. Der dem herzustellenden Formkörper entsprechende Formhohlraum ist mit 2 bezeichnet. Die kürzeren Schenkel des Formhohlraumes 2 durchsetzen Röhrchen 3 aus Keramik oder Glas, welche die Isolierung der Leiterdurchführungen darstellen. Die Röhrchen 3 weisen Kanäle 4 auf, die sich beim Ausgießen des Formhohlraumes 2 mit dem Formkörpermetall füllen. Für das Gießen sind in der zwecks Entformbarkeit mehrteiligen Gußform 1 Kanäle 6 vorgesehen. Die Gußform 1 ist in einen Behälter 11 eingesetzt, über der Gußform ist das Formkörpermetall 12 angeordnet- Die für das Erschmelzen des Formkörpermetalls 12 erforderliche Schmelzeinrichtung ist - da üblicher Art - ebensowenig dargestellt wie ein Druckgefäß, in welchem die Anordnung gemäß Fig. 1 angeordnet sein kann. Alternativ können die mit dem Isolationsmaterial bereits verbundenen Leiter in die Gußform eingesetzt werden, was zur Voraussetzung hat, daß der Schmelzpunkt des Leitermetalls, insbesondere aber der Schmelzpunkt der Verbindung Leitermetall/Isolationsmaterial, höher als jener des Formkörpermetalls ist. Hiebei kann es sich z.B. um Leiterdurchführungen handeln, bei welchen auf dem Leiter bereits Glaspillen aufgeschmolzen sind, wobei der Glasschmelzpunkt höher als jener des Formkörpermetalls sein kann, was die Verwendung der langzeitbeständigen hochschmelzenden Glassorten ermöglicht. Um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Grenzschicht Formkörpermetall/Isolator zu verbessern, kann es von Vorteil sein, den Isolator, also die Außenseite des Röhrchens 3, vor dem Gießen in einem separaten, an sich bekannten Vorgang zu metallisieren.

Bei der nachstehenden Erläuterung der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 5 werden der Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Gemäß Fig. 2 ist der gesamte Formhohlraum 2 mit der Vorform 7 eines MMC-Materials erfüllt. MMC-Materialien stellen Werkstoffe dar, bei denen eine Vorform und als Matrix ein Metall in unterschiedlichen Mengenverhältnissen ineinander eingebettet vorliegen. Die Vorform kann in Form von Teilchen, Fasern, oder porösen Körpern mit Metall infiltriert werden. Durch die Auswahl der Art, Form, Menge und Porosität der Vorform sowie der Art des Infiltrationsmaterials lassen sich die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des entstehenden Werkstoffs den Anforderungen entsprechend variieren. Das MMC-Material kann z.B. aus Aluminium mit 3

Claims

AT 40t 132 B einer Vorform aus SiC oder AIN bestehen. Als Vorform können auch Kohlenstoffasern, Keramikfasern, o.dgl. eingesetzt werden. Als Matrix (MMC-Infiltrationsmaterial) können Metalle oder deren Legierungen verwendet werden, wie z.B. Aluminium, Magnesium, Kupfer etc. Auch ist es möglich, als Vorform bei MMC-Materialien ein Metall zu verwenden, dessen Schmelzpunkt höher als jener des Matrixmetalls ist. Bei Verwendung von porösen Vorformmaterialien zur Herstellung solcher MMC-Werkstoffe werden jene in einem sogenannten "Infiltrationsvorgang'' mit geschmolzenem, über die Kanäle 6 zugeführtem Metall durchdrungen. Die Vorform wird unter Druck mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall infiltriert. Das Erstarren des flüssigen Metalls erfolgt, je nach Vorform material, bei Atmosphärendruck, z.B. bei einer Vorform aus Kohlenstoffasern, oder unter Druck, z.B. bei einer Vorform aus AI2O3. Der Einsatz dieser MMC-Materialien als Materialien für Formkörper ergibt den besonderen Vorteil, daß als Isolationsmaterial für die Leiterdurchführungen auch ein Material verwendet werden kann, das einen höheren Schmelzpunkt als das Gehäusematerial hat. Somit kann auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein qualitativ hochwertiges (hochschmelzendes) Glas, ebenso wie ein hochschmelzendes Keramikmaterial als Isolationsmaterial für die Leiterdurchführungen eingesetzt werden. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen können die Leiter der Leiterdurchführungen mit dem Formkörper mitgegossen werden, und somit aus der Matrix des MMC-Materials bestehen, oder aber auch aus anderen, mit der Isolation bereits verbundenen Metall bestehen. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher nur ein Teil des Formhohlraumes 2 mit einer Vorform 7 eines MMC-Materials ausgefüllt ist. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Formenhohlraum mit Vorformen 8,9 aus jeweils anderem Material, oder demselben Material, jedoch unterschiedlicher Dichte, bzw. Füll- oder Schüttdichte, Oberflächenbehandlung o.dgl., ausgefüllt ist. Bei der Vorform 8 kann es sich z.B. um gepreßtes SiC handeln, bei der Vorform 9 gleichfalls um SiC, jedoch lediglich in den Formenhohlraum eingerütteltes SiC. Hiedurch ist es möglich, hinsichtlich des Formkörpers unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen, darüber hinaus ist die Herstellung solcher Vorformen wesentlich einfacher und billiger. Eine alternative Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann darin bestehen, daß die Vorform 8 aus SiC und die Vorform 9 aus AIN, oder umgekehrt, bestehen. Jedenfalls können auch durch diese Maßnahmen bereichsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Formkörpers realisiert werden. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher in den Formenhohlraum lediglich ein Kern 10 aus einer Vorform eines MMC-Materials eingesetzt ist, welche Ausführungsform insbesondere dann von besonderem Interesse ist, wenn der Formkörper insbesondere im Fall von Gehäusen für elektronische Bauteile, mit Wandbereichen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit auszubilden ist. Patentansprüche 1. Formkörper, wie z.B. ein Gehäuse für elektronische Bauteile, mit elektrisch isolierten Leiterdurchführungen, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Metall und/oder wenigstens zum Teil aus Metall-Matrix-Verbundmaterial (MMC-Material) bestehende Formkörper ein gegossener einstückiger Formkörper ist, bei welchem das Formkörpermetall an die elektrisch isolierten Durchführungen angegossen ist.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial der Durchführungen ein Keramikmaterial oder ein Glas insbesondere mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Metalls ist.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial eine Metallbeschichtung, eine Metallauflage, wie z.B. einen Metallring, o.dgl., aufweist, an welche das Formkörpermetall angegossen ist.
4. Formkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Durchführungen aus dem Formkörpermetall bestehen.
5. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Leiterdurchführungen in eine Gußform eingesetzt werden, und sodann der von den Leiterdurchführungen bzw. dem Isolationsmaterial derselben durchsetzte und der Gestalt des Formkörpers entsprechende Formhohlraum mit Metall gegebenenfalls unter Druckanwendung gefüllt, darauf das Metall erstarren gelassen, und sodann der Formkörper entformt wird. 4 AT 401 132 B
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Formhohlraum eine Vorform eines MMC-Materials angeordnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrteilige Vorform, z.B. aus jeweils unterschiedlichen Materialien verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrteilige Vorform aus jeweils gleichen Materialien gleicher oder unterschiedlicher Dichte, bzw. Füll- oder Schüttdichte, verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum wenigstens bereichsweise zur Gänze mit der Vorform ausgefüllt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierten Leiterdurchführungen in durchgehende Bohrungen der Vorform eingesetzt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen, das einen Kanal für die Aufnahme des Leiters aufweist, in durchgehende Bohrungen der Vorform eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit dem Formkörpermetall gefüllt werden. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5