DE102006031344A1

DE102006031344A1 - Elektrisches Bauelement mit einem Sensorelement, Verfahren zur Verkapselung eines Sensorelements und Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung

Info

Publication number: DE102006031344A1
Application number: DE102006031344A
Authority: DE
Inventors: Gerald Kloiber; Claus Dr. Cernoch; Adalbert Prof. Dr. Feltz
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008003287A3; JP5076200B2; WO2008003287A2; JP2009543322A; CN101484784B; US20090173526A1; EP2038624B1; CN101484784A; EP2038624A2; US8134446B2

Abstract

Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem Sensorelement (1) angegeben, das in eine Plattenanordnung eingebettet ist. Die Plattenanordnung umfasst mindestens drei Platten (21, 22, 23) und zwischen diesen angeordnete Leiterbahnen (31, 32, 33), welche mit dem Sensorelement (1) leitend verbunden sind. Zumindest zwei der Leiterbahnen weisen freiliegende Bereiche (31a, 32a) auf. Ferner wird ein Verfahren zur Verkapselung eines Sensorelements (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung angegeben.

Description

Bauelemente mit Sensorelementen sind aus den Druckschriften DE 101 39 109 A1 bekannt. Aus der Druckschrift DE 197 40 262 C1 ist eine Sinterkeramik für NTC-Thermistoren bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit einem Sensorelement anzugeben, das eine hohe mechanische Stabilität aufweist und sich in einem serienmäßigen, kostengünstigen Verfahren herstellen lässt.
Weitere zu lösende Aufgaben bestehen darin, ein Verfahren zur Verkapselung eines Sensorelements sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung mit integrierten Leiterbahnen anzugeben.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektrisches Bauelement mit einem Sensorelement angegeben, die in eine Plattenanordnung eingebettet ist. Die Plattenanordnung umfasst mindestens drei Platten und zwischen diesen angeordnete Leiterbahnen, welche mit dem Sensorelement leitend verbunden sind. Zumindest zwei der Leiterbahnen weisen freiliegende Bereiche auf.
Das als Verbundelement gebildete Bauelement zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus und ist zum Einsatz für Hochtemperaturanwendungen geeignet.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektrisches Bauelement mit einer Plattenanordnung und einem in dieser eingeschlossenen Sensorelement angegeben. Die Plattenanordnung umfasst mindestens drei mit Leiterbahnen versehene Platten. Das Sensorelement ist über eine auf der Innenseite der endständigen Platte angeordnete Leiterbahn mit der Leiterbahn der mittleren Platte leitend verbunden. Die Innenseite der endständigen Platte ist die zur mittleren Platte gewandte, also von außen abgewandte Seite dieser Platte.
Nachstehend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der beiden bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
Das Sensorelement ist vorzugsweise als ein hochtemperaturbeständiger Temperaturfühler ausgebildet. Das Sensorelement ist in einer vorteilhaften Variante als NTC-Thermistor ausgebildet und umfasst einen Körper, der NTC-Keramik enthält. NTC steht für Negative Temperature Coefficient. Die NTC-Keramik ist vorzugsweise alterungsbeständig. Die Keramikzusammensetzung basiert vorzugsweise auf einem phasenhomogenen System Ba^II _xLa^III _1-xTi^IV _x+yCo^II _yCo^III _1-x-2yO₃ mit Perowskitstruktur. Die Keramik mit der angegebenen Zusammensetzung zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich einer Temperaturmessung aus. Auch andere, insbesondere in der Druckschrift DE 197 40 262 C1 beschriebene Keramikmaterialien, sind für das Sensorelement geeignet. Die Offenbarung dieser Druckschrift bezüglich der Keramikmaterialien wird hiermit durch Rückbezug aufgenommen.
Der Körper ist vorzugsweise ein flaches Gebilde mit beliebigem Querschnitt. Der Körper kann beispielsweise als eine Scheibe ausgebildet sein. Auf beiden Hauptflächen des Körpers ist vorzugsweise eine Elektrode angeordnet, die mit mindes tens einer der Leiterbahnen der Plattenanordnung leitend verbunden ist.
Der Körper wird vorzugsweise gesintert. Die Leiterbahnen werden auf die Platten vorzugsweise als eine leitfähige Paste (Leiterpaste) z. B. in einem Siebdruckverfahren aufgebracht und eingebrannt. Die Leiterpaste, die auch zur Verbindung zwischen den verschiedenen Leiterbahnen sowie zwischen den Leiterbahnen und dem Sensorelement verwendet wird, enthält vorzugsweise Partikel aus AgPt, AgPd und/oder Pt. Die Leiterbahnen und die elektrischen Verbindungen mit diesen Eigenschaften zeichnen sich durch eine hohe Oxidations-/Reduktionsbeständigkeit aus.
Die Größe der Platten ist vorzugsweise derart gewählt, dass in mindestens einem Bereich der Plattenanordnung Stufen mit freigelegten Bereichen der Leiterbahnen gebildet sind.
Die Platten weisen vorzugsweise voneinander unterschiedliche laterale Abmessungen auf. In einer vorteilhaften Variante nimmt die laterale Abmessung von unten nach oben ab, oder umgekehrt. In einer weiteren Variante kann die mittlere Platte größer als beide endständigen Platten ausgebildet sein, so dass ein Bereich der mittleren Platte herausragt.
Die Platten umfassen zwei endständige und eine zwischen diesen angeordnete mittlere Platte, in der vorzugsweise eine durchgehende Öffnung zur Aufnahme des Sensorelements ausgebildet ist. Diese Öffnung kann im Prinzip durch eine Nische ersetzt werden, die dadurch gebildet ist, dass die mittlere Platte gegenüber den endständigen Platten abgesetzt ist. Die Dimension dieser Nische ist vorzugsweise an diejenige des Sensorelements angepasst.
Zumindest eine der endständigen Platten kann auch eine Öffnung haben, deren Querschnittsgröße allerdings vorzugsweise deutlich kleiner als diejenige des Sensorelements ist.
In einer vorteilhaften Variante ist auf der ersten endständigen Platte eine erste Leiterbahn ausgebildet, die mit dem Sensorelement leitend verbunden ist. Ein freiliegender Bereich der ersten Leiterbahn bildet vorzugsweise eine erste Kontaktfläche des Bauelements.
Auf der mittleren Platte ist vorzugsweise eine zweite Leiterbahn angeordnet. Ein freiliegender Bereich der zweiten Leiterbahn bildet vorzugsweise eine zweite Kontaktfläche des Bauelements.
Beide Kontaktflächen sind vorzugsweise von ein und derselben Seite des Bauelements kontaktierbar. Möglich ist aber auch, dass die Kontaktflächen von zwei gegenüber liegenden Seiten kontaktiert werden.
Auf der Innenseite, d. h. der zur mittleren Platte gewandten Hauptfläche der zweiten endständigen Platte ist vorzugsweise eine dritte Leiterbahn angeordnet, die das Sensorelement mit der zweiten Leiterbahn leitend verbindet. Die dritte Leiterbahn ist vorzugsweise komplett in der Plattenanordnung vergraben.
In einer weiteren Variante ist auf beiden Hauptflächen der mittleren Platte eine Leiterbahn ausgebildet, die mittels einer auf der Innenseite der jeweiligen endständigen Platte ausgebildeten, vorzugsweise verborgenen Leiterbahn mit dem Sensorelement leitend verbunden ist.
Die Platten umfassen vorzugsweise eine elektrisch isolierende Keramik, die z. B. Alox oder Si₃N₄ umfasst. Dadurch, dass das Sensorelement in einen Verbund der stabilen Platten mit isolierenden Eigenschaften integriert ist, ist im Betrieb des Bauelements eine gute elektrische Isolation gewährleistet.
Die aufeinander folgenden Platten sind in den von den Leiterbahnen freien Bereichen vorzugsweise durch eine Verbindungsschicht miteinander verbunden. Die Verbindungsschicht stellt vorzugsweise einen ausgehärteten Keramikkleber dar. Die Verbindungsschicht umfasst vorzugsweise Al₂O₃-Partikel. Die Verbindungsschicht kann ein Hochtemperaturglas enthalten, dessen Erweichungstemperatur über 1000°C liegt.
Die Leiterbahnen sind von den Seitenkanten der Plattenanordnung vorzugsweise beabstandet. Insbesondere können die freiliegenden Bereiche der Leiterbahnen gegenüber den Stufenkanten eingezogen sein.
Die Leiterbahnen weisen vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 100 Mikrometer auf. Die Elektroden des Sensorelements weisen vorzugsweise eine Dicke bis 20 Mikrometer auf. Die Platten weisen vorzugsweise eine Dicke von 0,2 bis 1 mm auf.
Das angegebene Bauelement kann für Temperaturmessungen im Bereich von 1000°C eingesetzt werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die als Kontaktflächen vorgesehenen Bereiche der Leiterbahnen mit externen Anschlussleitungen verschweißt werden.
Die Plattenanordnung kann in einer Metallhülse angeordnet werden.
Des weiteren wird ein Verfahren zur Verkapselung eines Sensorelements angegeben. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Zunächst werden drei Platten mit Leiterbahnen und ein Sensorelement bereitgestellt. Die untere und die mittlere Platte werden zusammengefügt und das Sensorelement in eine Öffnung der mittleren Platte eingefügt, wobei das Sensorelement die Leiterbahn der unteren Platte berührt. Auf dem vor dem Einsetzen des Sensorelements freiliegenden Bereich dieser Leiterbahn wird vorzugsweise eine Leiterpaste angeordnet, die später nach dem Einbrennen eine stabile leitende Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Leiterbahn herstellt. Die obere Platte wird derart mit der mittleren Platte verbunden, dass das Sensorelement zwischen den Platten eingeschlossen wird, wobei eine auf der Unterseite der oberen Platte angeordnete Leiterbahn die Leiterbahn der mittleren Platte und das Sensorelement berührt.
Vor der Aufbringung der oberen Platte kann auf das Sensorelement und/oder die Leiterbahn der mittleren Platte eine Leiterpaste angeordnet werden, die nach dem Einbrennen eine stabile leitende Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Leiterbahn der oberen Platte sowie zwischen den aufeinander liegenden Leiterbahnen der oberen und mittleren Platte herstellt.
Die aufeinander treffenden, innen liegenden Leiterbahnen der aufeinander folgenden Platten können alternativ im folgenden Verfahren fest miteinander verbunden werden. In den zwischen den Platten angeordneten Zwischenraum, der den Bereich der aufeinander liegenden Leiterbahnen umfasst, wird von unten eine Leiterpaste eingeführt. Die Leiterpaste wird vorzugsweise über eine in der untersten Platte ausgebildete Öffnung eingeführt.
Nach der Aufbringung der oberen Platte wird die Plattenanordnung mit dem eingeschlossenen Sensorelement vorzugsweise bis zu einer Temperatur von ca. 800–1100°C erwärmt, wobei die Leiterpaste eingebrannt wird.
Das Bauelement mit dem eingebetteten Sensorelement sowie Verfahrensschritte werden nun anhand von nicht maßstabgetreuen und schematischen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 das Zusammenfügen der unteren und der mittleren Platte;
2 das Einsetzen des Sensorelements;
3 das Aufbringen der oberen Platte;
4 das Einspritzen der Leiterpaste in den Innenraum der Plattenanordnung von unten;
5 das Aufbringen der oberen Platte auf die mittlere Platte, wobei zwischen den Leiterbahnen eine Leiterpaste vor dem Verbinden der Platten angeordnet wird;
6 eine fertige Plattenanordnung mit dem integrierten Sensorelement;
7 die Plattenanordnung im Querschnitt in einem Bereich, der frei von Leiterbahnen ist;
8 eine Ansicht auf die Plattenanordnung gemäß den 6, 7 von oben.
1 zeigt eine erste endständige Platte 21 und eine mittlere Platte 22, die zusammengefügt werden. Vor dem Zusammenfügen wird auf zumindest eine dieser Platten eine Verbindungsschicht 51 aufgetragen, die in der 7 zu sehen ist.
Auf der Platte 21 ist eine erste Leiterbahn 31 und auf der Platte 22 eine zweite Leiterbahn 32 aufgetragen. Die Länge der Leiterbahnen 31, 32 ist so gewählt, dass sie von den Kanten der jeweiligen Platte beabstandet sind.
Die Platte 22 weist eine durchgehende Öffnung 27 auf. Nach dem Verbinden der Platten 21, 22 (2) wird durch die Öffnung 27 der mittleren Platte 22 und die Oberfläche der unteren Platte 21 ein Sackloch gebildet, auf dessen Boden ein Teil der ersten Leiterbahn 31 angeordnet ist. In dieses Sackloch wird eine Leiterpaste 41 und dann ein Sensorelement 1 eingefügt.
Das Sensorelement 1 umfasst einen Körper 10 und zwei Elektroden 11, 12, zwischen denen der Körper 10 angeordnet ist. Die Dicke des Körpers 10 ist vorzugsweise im Wesentlichen gleich der Dicke der mittleren Platte 22.
Die Leiterpaste 41 ist zwischen der unteren Elektrode 11 des Sensorelements 1 und der Leiterbahn 31 angeordnet.
Anschließend wird eine zweite endständige Platte 23 mit der mittleren Platte und dem darin angeordneten Sensorelement verbunden (3). Vor dem Zusammenfügen wird auf zumindest eine der Platten 22, 23 eine Verbindungsschicht 52 aufgetragen, die in der 7 zu sehen ist.
Auf der nach innen gewandten Seite der Platte 23 ist eine dritte Leiterbahn 33 angeordnet, die einerseits an die Elektrode 12 des Sensorelements 1 und andererseits an die zweite Leiterbahn 32 angepresst wird.
In der Platte 23 ist vorzugsweise eine durchgehende Öffnung 28 ausgebildet, die in der in 4 vorgestellten Variante zur Einführung einer Leiterpaste in den zwischen den Platten 22, 23 gebildeten Innenraum vorgesehen ist. Diese Öffnung kann an einer beliebigen Stelle der Leiterbahn 33 einmünden.
In einer in 4 vorgestellten Verfahrensvariante wird die bisher gebildete Plattenanordnung umgedreht. Über die Öffnung 28 der zweiten endständigen Platte 23 wird von unten eine Leiterpaste 42 eingespritzt. Beim Aufwärmen der Plattenanordnung benetzt die Leiterpaste 42 die ganze Fläche der Leiterbahn 33, wobei insbesondere eine feste und elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 33, 32 sowie zwischen der Leiterbahn 33 und der Elektrode 12 des Sensorelements zustande kommt.
In 5 ist eine weitere Variante vorgestellt, wobei die Leiterpaste 42, 43 noch vor der Aufbringung der Platte 23 auf mindestens einer Leitfläche angeordnet wird, die – je nach Ausrichtung der Plattenanordnung – aus den Leiterbahnen 32, 33 und der Elektrode 12 des Sensorelements ausgewählt ist. In diesem Fall kann auf die Öffnung 28 verzichtet werden.
Die fertige Plattenanordnung ist in den 6, 7 und 8 gezeigt. Dabei ist in 7 der Querschnitt AA parallel zur Längsrichtung der Plattenanordnung gezeigt. In diesem Bereich weist die Plattenanordnung keine Leiterbahnen auf.
Zwischen den Platten 21, 22 ist eine Verbindungsschicht 51 und zwischen den Platten 22, 23 eine weitere Verbindungsschicht 52 angeordnet. Die Verbindungsschicht 52 kann geringfügig dicker sein als die Schicht 51, da zwischen den Platten 22, 23 zwei Leiterbahnen 32, 33 übereinander angeordnet sind, während zwischen den Platten 21, 22 nur eine Leiterbahn 31 angeordnet ist.
Die Platten 21, 22, 23 sind so dimensioniert und so übereinander gelegt, dass ihre Kanten in einer Lateralebene auf mindestens einer Seite einander gegenüber versetzt sind. Die Bereiche 31a, 32a der ersten und der zweiten Leiterbahn 31, 32 liegen dabei frei. Die freiliegenden Bereiche 31a, 32a bilden Kontaktflächen, die von ein und derselben Seite – in 6 von oben – kontaktierbar sind.
Das angegebene Bauelement ist auf die Form und Anzahl der in den Figuren gezeigten Elemente und die angegebenen Materialien nicht beschränkt.

1: Sensorelement
10: Körper des Sensorelements
11, 12: Elektroden des Sensorelements
21: untere Platte
22: mittlere Platte
23: obere Platte
27, 28: Öffnung
31, 32, 33: Leiterbahn
31a: freiliegender Bereich der Leiterbahn 31
32a: freiliegender Bereich der Leiterbahn 32
41, 42, 43: Leiterpaste
51, 52: Verbindungsschicht

Claims

Elektrisches Bauelement – mit einem Sensorelement (1), das in eine Plattenanordnung eingebettet ist, – wobei die Plattenanordnung mindestens drei Platten (21, 22, 23) und zwischen diesen angeordnete Leiterbahnen (31, 32, 33) umfasst, welche mit dem Sensorelement (1) leitend verbunden sind, – wobei zumindest zwei der Leiterbahnen freiliegende Bereiche (31a, 32a) aufweisen.
Elektrisches Bauelement – mit einem in einer Plattenanordnung eingeschlossenen Sensorelement (1), – wobei die Plattenanordnung mindestens drei mit Leiterbahnen (31, 32, 33) versehene Platten (21, 22, 23) umfasst, – wobei das Sensorelement (1) über eine auf der Innenseite einer endständigen Platte (23) angeordnete Leiterbahn (33) mit der Leiterbahn (32) der mittleren Platte (22) leitend verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, – wobei das Sensorelement ein Temperaturfühler ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – wobei die Größe der Platten (21, 22, 23) derart gewählt ist, dass in mindestens einem Bereich der Plattenanordnung Stufen mit freigelegten Bereichen (31a, 32a) der Leiterbahnen (31, 32) gebildet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei die Platten (21, 22, 23) zwei endständige Platten (21, 23) und eine zwischen diesen angeordnete mittlere Platte (22) umfassen, in der eine Öffnung (27) zur Aufnahme des Sensorelements (1) ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 5, – wobei auf der ersten endständigen Platte (21) eine erste Leiterbahn (31) ausgebildet ist, die mit dem Sensorelement (1) leitend verbunden ist, – wobei ein freiliegender Bereich (31a) der ersten Leiterbahn (31a) eine erste Kontaktfläche des Bauelements bildet.
Bauelement nach Anspruch 6, – wobei auf der mittleren Platte (22) eine zweite Leiterbahn (32) angeordnet ist, – wobei ein freiliegender Bereich (32a) der zweiten Leiterbahn (32) eine zweite Kontaktfläche des Bauelements bildet, – wobei auf der zur mittleren Platte (22) gewandten Hauptfläche der zweiten endständigen Platte (23) eine dritte Leiterbahn (33) angeordnet ist, die das Sensorelement (1) mit der zweiten Leiterbahn (32) leitend verbindet.
Bauelement nach Anspruch 7, – wobei die dritte Leiterbahn (33) komplett in der Plattenanordnung verborgen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei beide freiliegende Bereiche (31a, 32a) der Leiterbahnen von ein und derselben Seite kontaktierbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – wobei das Sensorelement (1) einen Körper (10) umfasst, der NTC-Keramik enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, – wobei die Platten (21, 22, 23) eine elektrisch isolierende Keramik umfassen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, – wobei die aufeinander folgenden Platten (21, 22, 23) in den von den Leiterbahnen (31, 32, 33) freien Bereichen durch eine Verbindungsschicht (51, 52) miteinander verbunden sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, – wobei die Leiterbahnen (31, 32, 33) eine eingebrannte Metallpaste umfassen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – wobei die Leiterbahnen (31, 32, 33) gegenüber den Seitenkanten der Plattenanordnung eingezogen sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, – wobei die freiliegenden Bereiche (31a, 32a) der Leiterbahnen (31, 32) gegenüber den Stufenkanten eingezogen sind.
Verfahren zur Verkapselung eines Sensorelements, mit den Schritten: – drei Platten (21, 22, 23) mit Leiterbahnen (31, 32, 33) und ein Sensorelement (1) werden bereitgestellt, – die untere und die mittlere Platte (21, 22) werden zusammengefügt und das Sensorelement (1) in eine Öffnung (27) der mittleren Platte (22) eingefügt, wobei das Sensorelement (1) die Leiterbahn (31) der unteren Platte (21) berührt, – die obere Platte (23) wird derart mit der mittleren Platte (22) verbunden, dass das Sensorelement (1) zwischen den Platten (21, 22, 23) eingeschlossen wird, wobei eine auf der Unterseite der oberen Platte (23) angeordnete Leiterbahn (33) die Leiterbahn (32) der mittleren Platte und das Sensorelement (1) berührt.
Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung, – wobei mindestens zwei Platten (22, 23) mit Leiterbahnen (32, 33) bereitgestellt werden, – wobei die Platten (22, 23) derart miteinander verbunden werden, dass ihre Leiterbahnen (32, 33) aufeinander treffen, – wobei in den zwischen den Platten angeordneten Zwischenraum, der den Bereich der aufeinander liegenden Leiterbahnen (32, 33) umfasst, von unten eine Leiterpaste (41) eingeführt wird, – wobei die Leiterpaste (41) über eine in der untersten Platte ausgebildete Öffnung (28) eingeführt wird.