DE102009017676B3

DE102009017676B3 - Hochtemperatursensor mit Chipdrähten aus Chromoxid bildender Eisenlegierung

Info

Publication number: DE102009017676B3
Application number: DE200910017676
Authority: DE
Inventors: Mario Bachmann
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: WO2010118813A1

Abstract

Zur Herstellung eines Hochtemperatursensors mit Leiterbahnstruktur (3) auf einem Substrat (1), die an Kontaktfeldern (Pads 4, 5) endet, werden an den Kontaktfeldern (4, 5, 7, 8) Anschlussdrähte (10, 11) auf Basis von Unedelmetallen durch Kontaktschweißen befestigt. Danach wird im Bereich der Kontaktfelder (4, 5) eine Glas- oder Glaskeramikpaste eingebrannt, die die Kontaktfelder (4, 5, 7, 8) und die Enden der Leiterbahn(en) und Anschlussdrähte abdeckt. Erfindungsgemäß differieren die Wärmeausdehnungskoeffizienten bis 1000°C des keramischen Substrats (1) und der Anschlussdrähte (10, 11) weniger als 7 x 10/K, insbesondere weniger als 5 x 10/K, und die Anschlussdrähte (10, 11) weisen eine unter den Bedingungen des Kontaktschweißens elektrisch leitende Oxidhaut auf. Insbesondere liegt der Widerstand des Anschlussdrahtes (10, 11) bei 200°C unter 90 µΩcm, insbesondere unter 80 µΩcm. Eine Chromoxid, insbesondere Chrom-Mangan-Spinell bildende Eisenlegierung hat sich als Basismaterial des Anschlussdrahtes bewährt. Diese Hochtemperatursensoren oder Schichtwiderstände funktionieren bei Temperaturen zwischen 800°C und 900°C.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperatursensoren, bzw. Schichtwiderstände für einen Temperaturbereich bis 900°C.
Bekannte Schichtwiderstände weisen gemäß der Heraeus-Broschüre HSG-W2/D Leiterbahnen aus Platin auf einem Substrat auf Basis von Aluminiumoxid auf, die an Kontaktfeldern (Pads) enden. An den Kontaktfeldern sind Anschlussdrähte aus Platin befestigt und über die Kontaktfelder elektrisch leitend mit den Leiterbahnen verbunden. Die Kontaktfelder und die Enden der Leiterbahnen und Anschlussdrähte sind mit einem Glaskeramik-Werkstoff fixiert und abdeckt.
Um Platin einzusparen, sind Platin-Manteldrähte mit einem Kern aus einer Nickellegierung bekannt, z. B. aus DE 101 53 217 B4 . Diese Platin-Manteldrähte sind bei Temperaturwechseln auf 500 bis 900°C im Bereich der Kontaktfelder anfällig bezüglich der Kontaktierung. Bei einer hohen Anzahl von schnellen Temperaturwechseln bis 850°C sind Kontaktprobleme bekannt. In DE 100 20 931 C1 ist ein Temperaturmessfühler mit Anschlußdrähten aus Nickel offenbart. Aus DE 10 2006 036 100 B3 ist ein weiterer Temperaturmessfühler mit Anschlußdrähten aus Nickel oder Nickellegierungen bekannt. DE 10 2007 047 900 A1 , DE 195 40 194 C1 und DE 43 00 084 A1 beschreiben weitere Hochtemperatursensoren auf Platinbasis.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine zuverlässige Kontaktierung mit Anschlussdrähten ohne Edelmetall zu gewährleisten, insbesondere kostengünstig Anschlussdrähte oder Bänder auf Bondpads zu fügen, die eine elektrische und mechanisch feste Verbindung zum Sensorelement herstellen, wobei eine Korrosionsfestigkeit über 900°C gewährleistet werden soll.
Weiterhin ist eine höhere Steifigkeit der Anschlussdrähte erwünscht, um die Chips mit ihren Anschlussdrähten besser fixieren zu können.
Zur Lösung der Aufgabe werden Anschlussdrähte mit einer passivierenden Oxidschicht bereitgestellt, die zum Widerstandsschweißen geeignet sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungen beschrieben.
Zur Herstellung eines Hochtemperatursensors oder Schichtwiderstands mit einer funktionellen Leiterbahn, z. B. einem Messwiderstand oder Heizer auf Basis von Platin, Iridium oder Rhodium auf einem keramischen Substrat, insbesondere auf Basis von Aluminiumoxid, werden erfindungsgemäß Anschlussdrähte auf Basis von Unedelmetallen, insbesondere Chromoxid bildenden Eisenlegierungen, durch Kontaktschweißen an Kontaktfeldern befestigt. Die Leiterbahnen enden an Kontaktfeldern. Im Bereich der Kontaktfelder wird eine Glas- oder Glaskeramikpaste eingebrannt, die die Kontaktfelder und die Enden der Leiterbahn(en) und Anschlussdrähte abdeckt. Wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten bis 1000°C des keramischen Substrats und der Anschlussdrähte weniger als 7 × 10^–4/K, insbesondere weniger als 5 × 10^–4/K differieren, wird eine Temperaturwechselbeständigkeit der Kontakte bis 1000°C, insbesondere bis 900°C, ermöglicht. Das Oxid der Anschlussdrähte muss unter den Bedingungen des Widerstandsschweißens elektrisch leitend sein, damit das Widerstandsschweißen durchführbar ist.
Erfindungswesentlich ist, das das passivierende Oxid eines an das Substrat ausdehnungsangepassten Metalls einfach durch Widerstandsschweißen elektrisch leitend an das Kontaktfeld befestigt wird.
Obwohl für Widerstandsschweißungen im Allgemeinen ein hoher Widerstand vorteilhaft ist, liegt der Widerstand des Anschlussdrahtes bei 200°C, vorzugsweise unter 90 μΩcm, insbesondere unter 80 μΩcm.
Bewährte Chromoxid bildende Eisenlegierungen enthalten neben Eisen als Hauptbestandteil 12 bis 28 Gew.-%, insbesondere 17 bis 25 Gew.-% Chrom und

– bis zu 2 Gew.-% wenigstens eines sauerstoffaffinen Elements aus der Gruppe (Y, Ce, Zr, Hf und La),
– bis zu 2 Gew.-% eines Elements M aus der Gruppe (Mn, Ni und Co), welches mit Chromoxid bei hohen Temperaturen eine Spinellphase vom Typ MCr₂O₄ bildet,
– bis zu 2 Gew.-% eines weiteren Elements aus der Gruppe (Ti, Hf, Sr, Ca und Zr), welches die elektrische Leitfähigkeit von Oxiden auf Cr-Basis erhöht.

Insbesondere

– mit bis zu 0,5 Gew.-% Si,
– mit bis zu 0,5 Gew.-% Al,
– dass die Komponenten Ni, Co und/oder Mn als Oxiddispersionen in der Legierung vorliegen,
– mit bis zu 1 Gew.-% wenigstens eines Elements aus der Gruppe (C, N, S, B und P),
– mit bis zu 1 Gew.-% wenigstens eines Elements aus der Gruppe (Mo, W, Nb, Ta und Re).

Bei Temperaturen bis 900°C bildet sich an der Oberfläche dieser Anschlussdrähte eine schützende Spinellschicht aus z. B. Chrom-Mangan-Oxid mit großer thermodynamischer Stabilität und guter elektrischer Leitfähigkeit unter den Bedingungen des Widerstandsschweißens.
Aufgrund der elektrisch leitfähigen Oxidschicht, dem für Hochtemperaturlegierungen niedrigen elektrischen Widerstand von 70 μΩcm und einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 23 Wm^–1K^–1 (jeweils bei T = 200°C), gelingt es erstmals, eine edelmetallfreie Hochtemperaturlegierung mit dem Kontaktfeld eines Messwiderstands, bestehend aus Platin oder Nickel, auf einem keramischen Substrat mittels Widerstandsschweißen zu kontaktieren. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Anschlussdrahtmaterials ist über den gesamten Temperaturbereich an diejenigen der eingesetzten Substratkeramiken angepasst. Somit ist die Stabilität der Schweißverbindung, auch bei einer sehr hohen Anzahl von Temperaturwechseln und sich daraus ergebenden Schädigungen aufgrund von Ausdehnungsfehlanpassungen, gesichert. Diese Stähle sind härter als Platin. Dies ermöglicht eine bessere Fixierung der Anschlussdrähte.
Vorzugsweise wird der Anschlussdraht am Ende einer flachen Längsseite auf dem Kontaktfeld befestigt. Drähte mit flachen Seiten, insbesondere streifenförmige Drähte, kann man aus Platten oder Folien strukturieren, insbesondere schneiden, stanzen oder ätzen.
Vorzugsweise wird die Leiterbahn abgedeckt, beispielsweise indem ein Keramikdeckel mit einer Glaspaste, insbesondere einer Glaskeramikpaste, aufgeklebt wird. Diese Sensoren bzw. Schichtwiderstände sind für Langzeitanwendungen mit Temperaturwechseln bis 900°C konzipiert und halten kurzfristig auch Temperaturen bis 1000°C stand.
Es wird ein Hochtemperatursensor oder Schichtwiderstand bereitgestellt, enthaltend eine Leiterbahn auf Basis von Platin, Iridium oder Rhodium auf einem keramischen Substrat, insbesondere auf Basis von Aluminiumoxid, dessen Leiterbahn an Kontaktfeldern (Pads) endet und an den Kontaktfeldern Anschlussdrähte auf Basis von Unedelmetallen, insbesondere Chromoxid bildenden Eisenlegierungen, befestigt sind, die über die Kontaktfelder mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind, wobei im Bereich der Kontaktfelder eine Fixierung aus Glas oder Glaskeramik die Kontaktfelder und die Enden der Leiterbahn(en) und Anschlussdrähte abdeckt. Erfindungsgemäß differieren die Wärmeausdehnungskoeffizienten bis 1000°C des keramischen Substrats und der Anschlussdrähte weniger als 7 × 10^–4/K, insbesondere weniger als 5 × 10^–4/K.
Erfindungsgemäß weisen die Anschlussdrähte ein elektrisch leitendes Oxid auf, dessen elektrische Leitfähigkeit unter den Bedingungen des Widerstandsschweißens ausreicht, den für das Widerstandsschweißen erforderlichen Stromfluss zu ermöglichen.
Bewährte Schichtwiderstände enthalten einen Messwiderstand, Heizer oder eine IDK-Struktur z. B. für Gassensoren, also einen Chip mit Elektrodenstruktur zur Weiterverarbeitung mit gassensitiven Oxidpasten. Für einen Messwiderstand oder Heizer reicht je eine Leiterbahn zwischen zwei Kontaktfeldern. Eine IDK-Struktur erfordert zumindest zwei als Elektroden ausgebildete Leiterbahnen, die jeweils an einem Kontaktfeld elektrisch angeschlossen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen verdeutlicht.
1 zeigt einen Heizwiderstand, verbunden mit Anschlussdrähten aus einer FeCrMn-Legierung
2 zeigt einen Messwiderstand für Widerstandsthermometer mit Anschlussdrähten aus einer FeCrMn-Legierung
3 zeigt einen Hochtemperatur-Messwiderstand mit stabilen gerichteten Anschlussdrähten
1 und 2 zeigen jeweils einen Schichtwiderstand, z. B. für Widerstandsthermometer oder Anemometer mit einer Einsatztemperatur bis 900°C, bei dem eine Widerstandsschicht 3 aus Platin auf der Oberfläche 2 eines Substrats 1 aus Aluminiumoxid aufgebracht ist und als Leiterbahn in Dünnschichttechnik strukturiert ist. Analog kann man den Schichtwiderstand auch als IDK-Struktur ausbilden. Für Hochtemperaturanwendungen oberhalb 500°C wird für Heizer und Temperaturmesswiderstände vorzugsweise zusätzlich zur Abdeckschicht 6 ein Keramikplättchen 9 zum Schutz der Leiterbahn vorgesehen und mittels eines hochschmelzenden Glaslotes befestigt. Die Dickschichtverstärkungen 7, 8 der Kontaktfelder 4, 5 werden auch als Pads bzw. Dickschicht-Pads bezeichnet, bestehen aus Platin und sind auf die Anschlusskontaktfelder 4, 5 an der Widerstandsschicht 3 aufgebracht. An diesen Kontaktfeldern 4, 5 werden die Anschlussdrähte 10, 11 aus einem ferritischen Hochtemperaturstahl aus 75 Gew.-% Eisen, 22 Gew.-% Chrom, 0.3 bis 0.8 Gew.-% Mangan sowie jeweils 0.2 Gew.-% Titan und Lanthan durch Widerstandsschweißen auf den Dickschichtverstärkungen 7, 8 der Kontaktfelder 4, 5 befestigt.
Der Anschlussbereich wird durch eine über die Kontaktfelder 4 oder 5 bzw. Dickschichtverstärkungen 7, 8 erstreckende äußere Deckschicht 12 aus einem Glaskeramik-Werkstoff elektrisch isoliert und zugentlastet.
Prozess- und einsatzrelevante Bedingungen, wie chemische und elektrochemische Beständigkeit zur Deckschicht 12 aus Glaskeramik-Werkstoff sowie der schadensfreie Einsatz während der hohen Einbrandtemperaturen der Deckschicht von mind. 1.000°C werden von dieser als Anschlussdraht zur Anwendung kommenden Hochtemperaturlegierung erfüllt.
Weiterhin besitzt das Drahtmaterial eine hohe Härte und Steifigkeit. Diese Eigenschaften sind gemäß 3 für eine automatisierbare Positionierung der Chips mit stabilen gerichteten Anschlussdrähten dargestellt. Die Verarbeitung dieser Chips kann somit rationalisiert werden. Dies ist für die Massenproduktion von großer Bedeutung.
3 zeigt einen Messwiderstand mit stabilen Anschlussdrähten 10, 11, welche eine hohe Steifigkeit aufweisen und somit besonders für automatisierte Prozesse (Pick and Place) geeignet sind. Bis heute ist dies mit herkömmlichen Messwiderständen mit Anschlussdrähten aus Platin nicht ausreichend gelungen. Aufgrund der höheren Härte des Drahtmaterials (gegenüber bisher verwendeten Anschlussdrähten aus Platin) kann das Verformen der Anschlussdrähte während automatisierter Prozesse ausreichend gemindert werden. Weiterhin ist es aufgrund wesentlich geringerer Materialkosten möglich, die Anschlussdrähte größer und somit stabiler kostengünstig zu fertigen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatursensors, bei dem eine Leiterbahn (3) auf Basis von Platin, Iridium oder Rhodium als Struktur auf einem keramischen Substrat (1) erstellt wird, wobei die Leiterbahn (3) an Kontaktfeldern (4, 5) endet und an den Kontaktfeldern (4, 5) Anschlussdrähte (10, 11) auf Basis von Unedelmetallen durch Widerstandsschweißen befestigt werden, worauf im Bereich der Kontaktfelder (4, 5) eine Glas- oder Glaskeramikpaste (12) eingebrannt wird, die die Kontaktfelder (4, 5), die Enden der Leiterbahn(en) (3) und die Enden der Anschlussdrähte (10, 11) abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten bis 1000°C des keramischen Substrats (1) und der Anschlussdrähte (10, 11) weniger als 7 × 10^–4/K differieren und die Anschlussdrähte (10, 11) eine elektrisch leitende Oxidschicht aufweisen, deren elektrische Leitfähigkeit ausreicht, den für das Widerstandsschweißen erforderlichen Stromfluß zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des Anschlussdrahtes (10, 11) bei 200°C unter 90 μΩcm, insbesondere unter 80 μΩcm, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Chromoxid, insbesondere Chrom-Mangan-Spinell bildende Eisenlegierung das Basismaterial des Anschlussdrahtes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussdraht (10, 11) wenigstens eine flache Längsseite aufweist und mit dieser flachen Seite auf dem Kontaktfeld (4, 5) befestigt wird.
Hochtemperatursensor oder Schichtwiderstand, enthaltend eine Leiterbahn (3) auf Basis von Platin, Iridium oder Rhodium, als Struktur auf einem keramischen Substrat (1), des sen Leiterbahn (3) an Kontaktfeldern (4, 5) endet und an den Kontaktfeldern (4, 5) Anschlussdrähte (10, 11) auf Basis von Unedelmetallen durch Widerstandsschweißen befestigt sind, die über die Kontaktfelder (4, 5) mit der Leiterbahn (3) elektrisch leitend verbunden sind, wobei im Bereich der Kontaktfelder (4, 5) eine Fixierung (12) aus Glas oder Glaskeramik die Kontaktfelder (4, 5) und die Enden der Leiterbahn (3) und die Enden der Anschlussdrähte (10, 11) abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten bis 1000°C des keramischen Substrats (1) und der Anschlussdrähte (10, 11) weniger als 7 × 10^–4/K differieren und die Anschlussdrähte (10, 11) eine äußere Oxidschicht aufweisen, deren elektrische Leitfähigkeit ausreicht, den für das Widerstandsschweißen erforderlichen Stromfluss zu ermöglichen.
Verwendung eines Hochtemperatursensors oder Schichtwiderstands nach Anspruch 5 bei Temperaturen zwischen 800°C und 900°C.