DE102006003070B3

DE102006003070B3 - Verfahren zum elektrischen Kontakieren eines elektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102006003070B3
Application number: DE102006003070A
Authority: DE
Inventors: Andreas Mantovan; Willibald Dr. Schürz; Martin Simmet
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2026-01-21
Also published as: WO2007087912A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel (1) ausgebildeten elektronischen Bauelements, welches aus einer Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten (2) und einer Mehrzahl von Elektrodenschichten (3, 4) gebildet ist, wobei jede Werkstoffschicht (2) zwischen zwei der Elektrodenschichten (3, 4) angeordnet ist. Zunächst wird eine jeweilige Isolationsschicht (IS1, IS2) auf einen jeweiligen (1a, 1b) von zwei geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen (1a, 1b) des Stapels (1), aufgebracht. Dann wird die genaue Position einer jeweiligen der Elektrodenschichten (3, 4) entlang der Stapelumfangsbereiche (1a, 1b) ermittelt. Anschließend werden mittels Laserstrukturieren erste Kontaktlöcher (KL1) durch die erste Isolationsschicht (IS1) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu jeder zweiten (4) der Elektrodenschichten (3, 4) erzeugt sowie zweite Kontaktlöcher (KL2) durch die zweite (IS2) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu den verbleibenden (3) der Elektrodenschichten (3, 4). Abschließend werden die Isolationsschichten (IS1, IS2) im Wesentlichen ganzflächig mit einem elektrisch leitenden Material (EL) bedeckt, wobei die Kontaktlöcher (KL1, KL2) ebenfalls mit dem elektrisch leitenden Material (EL) gefüllt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines elektronischen Bauelements, das eine Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten sowie eine Mehrzahl von Elektrodenschichten aufweist und bei dem die einzelnen Werkstoffschichten jeweils zwischen zwei einander benachbarten Elektrodenschichten angeordnet sind. Ein solches Bauelement aus übereinander und alternierend zueinander gestapelten Schichten von Werkstoffschicht und Elektrodenschicht wird häufig allgemein als Stapel bezeichnet. Das heutzutage wohl bekannteste elektronische Bauelement dieser Art ist ein allgemein als Piezoaktor bezeichneter Stapel, der zunehmend mehr als Betätigungselement in Einspritzventilen der verschiedensten Motortypen für Kraftfahrzeuge zur Anwendung kommt. Die Werkstoffschichten sind bei diesem Piezoaktor Keramikschichten.

Üblicherweise weist ein solcher Stapel, in Draufsicht betrachtet, einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Er wird an zwei sich gegenüberliegenden Umfangsseiten elektrisch kontaktiert. Um dies technologisch sorgfältig durchführen zu können, wurden die Elektrodenschichten in der Vergangenheit geometrisch so ausgelegt, dass sich nur jede zweite Elektrodenschicht seitlich bis zur einen der beiden Umfangsseiten erstrecken, während sich die jeweils anderen Elektrodenschichten nicht bis hin zu dieser einen Umfangsseite hin erstrecken. Entsprechendes gilt für die andere Umfangsseite des Stapels analog. Diese Situation ist in 1 dargestellt, wobei die Bezugszeichen folgende Bedeutung haben: 1: Stapel, 2: Werkstoffschicht (z.B. Keramik), 3, 4: Elektrodenschichten verschiedener Polarität (im Betrieb), E1, E2: Sammelelektroden.

Aus der DE 199 45 933 C1 sind als elektronisches Bauelement im Sinne dieser Erfindung ein Piezoaktor mit isolationszonenfreier elektrischer Kontaktierung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Bei diesem bekannten Piezoaktor sind Elektrodenflächen allseitig bis an den seitlichen Rand des Stapels geführt, was vorliegend in 2 ausschnittsweise dargestellt ist. Dies hat große Vorteile hinsichtlich Betätigung, Raumbeanspruchung und, daraus resultierend Betriebsverhalten des Bauelements. Nachteilig ist jedoch die dort vorgestellte elektrische Kontaktierung des Elektrodenschicht: jede zweite (3) der Elektrodenschichten 3, 4 ist bezüglich einer der beiden zur Kontaktierung vorgesehenen Seitenflächen des Stapels mit einer z.B. als Draht ausgeführten Metallisierung M1 verbunden. Die jeweils anderen Elektrodenschichten 4 sind auf der anderen der beiden zur Kontaktierung vorgesehenen Seitenflächen des Stapels mit einer weiteren Metallisierung M2 verbunden. So vorteilhaft diese Ausgestaltung der Elektrodenschichten als solche auch ist (gleichmäßiger Verlauf der elektrischen Feldlinien auch am seitlichen Rand des Stapels, höhere elektronische Wirksamkeit dank größerer elektrisch wirksamer Flächen gegenüber älteren Stapeln bei gleicher Querschnittsfläche), so weist sie jedoch auch einen gravierenden Nachteil auf: die Metallisierungen M1, M2 in Form von Drähten sind sehr empfindlich bereits bei deren Herstellung und auch gegenüber Beschädigungen im weiteren Einsatz. Für einen Großserieneinsatz ist sie also nur, wenn überhaupt, bedingt tauglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel ausgebildeten Bauelements.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
die 1 und 2 vorstehend bereits beschriebene, bekannte elektronische Bauelemente,
die 3 ein der D1 199 45933 C1 entsprechendes elektronisches Bauelement, abstrakt dargestellt,
die 4 bis 6 das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende elektronische Bauelement nach Ausführung entsprechender Verfahrensschritte.
Die bereits bekannten Bauelemente, die in den 1 und 2 dargestellt sind, wurden vorstehend bereits beschrieben. Die 3 zeigt das der 2 entsprechende Bauelement, den Stapel 1, in abstrakter Form, allerdings ohne die in 2 dargestellte und vorstehend kurz beschriebene elektrische Kontaktierung. Dargestellt ist lediglich die Schichtenfolge aus Werkstoffschichten 2 und Elektrodenschichten 3, 4. Bei diesem Stapel 1 sind die Elektrodenschichten 4 beidseitig bis an die jeweiligen Ränder des Stapels 1 geführt; er dient als Basis für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren. Das nachstehend anhand der 4 bis 6 beschriebene Verfahren könnte jedoch auch auf die (zeitlich ältere) Ausführungsform eines Stapels 1 gemäß 1 angewandt werden.
Wie in 4 dargestellt, wird ein Stapel 1, bestehend (zumindest) aus einer Schichtenfolge von Werkstoffschichten 2 (wie z.B. einer piezoelektrisch aktiven Keramikschicht) und Elektrodenschichten 3 bzw. 4 zunächst an zwei geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen 1a und 1b mit einer jeweiligen Isolationsschicht IS1 bzw. IS2 jeweils teilweise, insbesondere aber auch ganzflächig überzogen. Als Isolationsschicht IS1, IS2 können Schichten aus Glas, Keramik oder aus einem temperaturbeständigen Kunststoff aufgebracht werden. Unter temperaturbeständig ist dabei zu verstehen, dass der Kunststoff gegenüber solchen Temperaturen beständig ist, denen das zu fertigende elektronische Bauelement in seinem späteren Betrieb ausgesetzt sein wird. Das Aufbringen der Isolationsschichten IS1, IS2 kann dabei mittels üblicher Siebdruck- oder Spritzgussprozesse erfolgen, denen sich dann wenigstens ein Einbrennprozess anschließt.
Im weiteren Verfahren sollen, wie aus 5 ersichtlich, Kontaktlöcher KL1, KL2 durch die Isolationsschichten IS1, IS2 hindurch zu den jeweiligen Elektrodenschichten 3, 4 erzeugt werden derart, dass die einen Kontaktlöcher KL1 zu den einen Elektrodenschichten 4 führen und dass die anderen Kontaktlöcher KL2 zu den anderen Elektrodenschichten 3 führen. Als vorbereitende Maßnahme dafür wird zunächst die genaue Position jeder einzelnen der Elektrodenschichten 3, 4, bezogen auf die Höhe des Stapels 1, ermittelt. Dies ist deshalb notwendig, weil die einzelnen Werkstoffschichten 2 nie exakt genau ein und dieselbe Schichtdicke aufweisen, sondern weil diese Schichtdicken innerhalb eines vorgegebenen Toleranzmaßes voneinander verschieden sind. Da nun ein fertiges elektronisches Bauelement in der Regel zwischen 300 und 450 Werkstoffschichten 2 aufweist, lassen sich die exakten Positionen der Elektrodenschichten 3, 4 nicht berechnen, sondern nur ermitteln. Die Kenntnis der exakten Positionen ist jedoch deshalb wichtig, damit sich die Kontaktlöcher KL1, KL2 an den Stirnflächen der Elektrodenschichten 3, 4 exakt mittig bezüglich der Dicke der jeweiligen Elektrodenschicht 3 bzw. 4 erzeugen lassen. Diese Positionen können beispielsweise mittels allgemein üblicher optischer Messverfahren ermittelt werden.
Daran anschließend werden erste Kontaktlöcher KL1 durch die eine Isolationsschicht IS1 hindurch zu den einen Elektrodenschichten 4 hin erzeugt, wobei die Positionen der einen Elektrodenschichten 4 ja bereits bekannt sind, wie vorstehend erläutert. Weiterhin werden zweite Kontaktlöcher KL2 durch die andere Isolationsschicht IS2 hindurch zu den anderen Elektrodenschichten 3 hin erzeugt. Auch deren Positionen sind ja bereits bekannt. Die Kontaktlöcher KL1, KL2 werden in ihrem Durchmesser vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass dieser Durchmesser maximal einem Viertel der Dicke einer Werkstoffschicht 2 entspricht. Die Kontaktlöcher KL1, KL2 werden z.B. mittels Laserstrukturieren erzeugt. Sie können aber auch mittels allgemein üblicher chemischer oder elektrochemischer Verfahren erzeugt werden. Beim Strukturieren mittels Laser ist es vorteilhaft, dies mittels so genannter Ultrakurzpulslasern durchzuführen, die bekanntlich im Zeitbereich von Femtosekunden bis Pikosekunden, gegebenenfalls auch Nanosekunden, betrieben werden. Dabei wirkt die entstehende Wärme lediglich auf diejenigen Bereiche der Isolationsschichten IS1, IS2 ein, in denen die Kontaktlöcher KL1, KL2 erzeugt werden sollen, nicht jedoch auf entsprechende benachbarte Bereiche. Die entstehenden Kontaktlöcher KL1, KL2 sind dann an ihren Oberflächenkanten auch entsprechend scharfkantig. Dabei ist auch vorteilhaft, solche Arten von Laserstrahlen zu verwenden, die beim abzutragenden Material der Isolationsschichten IS1, IS2 eine deutlich höhere Strukturierungsrate aufweisen als beim Material der Elektrodenschichten 3, 4 und/oder beim Material der Werkstoffschichten 2. Damit lässt sich weitgehend vermeiden, dass die Elektrodenschichten 3, 4 und/oder die Werkstoffschichten 2 beim Strukturieren der Isolationsschichten IS1, IS2 angegriffen werden.
Abschließend werden beide Isolationsschichten IS1, IS2 vorzugsweise ganzflächig mit einem elektrisch leitenden Material EL wie z.B. einer Metallschicht, insbesondere einer Lotschicht, oder einem elektrisch leitenden Kleber überzogen. Dabei werden auch die Kontaktlöcher KL1, KL2 mit dem elektrisch leitenden Material EL gefüllt, so dass die Elektrodenschichten 3, 4 elektrisch kontaktiert sind. Das elektrisch leitende Material EL steht dann für einen elektrischen Anschluss des elektronischen Bauteils an eine elektrische Spannung in Form von zwei elektrisch voneinander isolierten Sammelelektroden E1 und E2 zur Verfügung.

Claims

Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel (1) ausgebildeten elektronischen Bauelements, welches aus einer Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten (2) und einer Mehrzahl von Elektrodenschichten (3, 4) gebildet ist, wobei jede Werkstoffschicht (2) zwischen zwei der Elektrodenschichten (3, 4) angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aufbringen einer jeweiligen Isolationsschicht (IS1, IS2) auf einen jeweiligen (1a, 1b) von zwei geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen (1a, 1b) des Stapels (1), – Ermitteln der genauen Position einer jeweiligen der Elektrodenschichten (3, 4) entlang der Stapelumfangsbereiche (1a, 1b) – Erzeugen von ersten Kontaktlöchern (KL1) durch die erste Isolationsschicht (IS) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu jeder zweiten (4) der Elektrodenschichten (3, 4) mittels Laserstrukturieren, – Erzeugen von zweiten Kontaktlöchern (KL2) durch die zweite (IS2) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu den verbleibenden (3) der Elektrodenschichten (3, 4) ebenfalls mit Laserstrukturieren, und – Zumindest im Wesentlichen ganzflächiges Bedecken der Isolationsschichten (IS1, IS2) mit einem elektrisch leitenden Material (EL), wobei die Kontaktlöcher (KL1, KL2) ebenfalls mit dem elektrisch leitenden Material (EL) gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsschichten (IS1, IS2) Schichten aus Glas, Keramik oder temperaturbeständigem Kunststoff aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Isolationsschichten (IS1, IS2) mittels eines Siebdruckprozesses oder eines Spritzgussprozesses erfolgt, dem sich dann wenigstens ein Einbrennprozess anschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der jeweiligen Elektrodenschichten (3, 4) bezüglich der Höhe des Stapels (1) mittels eines optischen Messverfahrens ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrukturieren mittels Ultrakurzpulslasern derart erfolgt, dass das Abtragen von Material ausschließlich auf den Bereich beschränkt ist, in dem die Kontaktlöcher (KL1, KL2) zu erzeugen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserstrukturieren die Laserbestrahlung so eingestellt wird, dass sich bezüglich der Isolationsschichten (IS1, IS2) eine deutlich höhere Strukturierungsrate einstellt als bezüglich der unter den Isolationsschichten (IS1, IS2) befindlichen Werkstoffschichten (2) und oder Elektrodenschichten (3, 4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlöcher (KL1, KL2) anstelle durch Laserstrukturieren chemisch oder elektrochemisch erzeugt werden.