DE102006003070B3 - Electrical contacting of stack of electronic components e.g. for piezo actuator, by covering insulating layers with electrically conductive material which also fills contact holes - Google Patents

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Abstract

The method involves applying an insulating layer to each non-geometrically contiguous stack periphery region, and determining the exact position of respective electrode layers (3,4) along the stack periphery region. Contact holes (KL1) are formed through the first insulating layer (IS1), to each second electrode layer (4) by laser structuring. Second contact holes (KL2) are formed through the second insulating layer (IS2) to the remaining of the electrode layers (3). The insulating layers are covered by an electrically conductive material (EL), and the contact holes are also filled with the electrically conductive material.

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.The The present invention relates to a method for electrical contacting an electronic component that has a plurality of on an electric field reacting material layers and a plurality of electrode layers and in which the individual Material layers each between two adjacent electrode layers are arranged. Such a component of one over the other and alternating stacked layers of material layer and electrode layer to each other becomes common commonly referred to as a stack. The best known today Electronic component of this type is a generally known as a piezoelectric actuator designated stack, which is increasingly more than actuator in injectors the most different engine types for Motor vehicles is used. The material layers are ceramic layers in this piezoelectric actuator.

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.Usually, such a stack, viewed in plan view, has a rectangular or square cross-section. It is electrically contacted on two opposite circumferential sides. In order to be able to carry this out technologically carefully, the electrode layers were geometrically designed in the past so that only every second electrode layer extends laterally to one of the two circumferential sides, while the respective other electrode layers do not extend to this one peripheral side. The same applies analogously to the other circumferential side of the stack. This situation is in 1 illustrated, wherein the reference numerals have the following meaning: 1 Photos: Stack, 2 : Material layer (eg ceramic), 3 . 4 : Electrode layers of different polarity (in operation), E1, E2: collecting electrodes.

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.From the DE 199 45 933 C1 are known as electronic component in the context of this invention, a piezoelectric actuator with isolation zones-free electrical contacting and a method for its preparation. In this known piezoelectric actuator electrode surfaces are guided on all sides to the side edge of the stack, which is present in 2 is shown in sections. This has great advantages in terms of operation, space stress and, as a result, performance of the device. A disadvantage, however, is the electrical contacting of the electrode layer presented there: every second ( 3 ) of the electrode layers 3 . 4 is connected with respect to one of the two provided for contacting side surfaces of the stack with an example designed as a wire metallization M1. The other electrode layers 4 are connected on the other of the two provided for contacting side surfaces of the stack with a further metallization M2. However, this configuration of the electrode layers as such is also advantageous (uniform course of the electric field lines also at the lateral edge of the stack, higher electronic effectiveness thanks to larger electrically effective surfaces compared to older stacks with the same cross-sectional area), but it also has a serious disadvantage: the Metallizations M1, M2 in the form of wires are very sensitive already during their production and also against damage during further use. For a large-scale production, it is only conditionally suitable, if at all.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel ausgebildeten Bauelements.task The present invention is therefore to provide a method for electrically contacting a stacked device.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.These The problem is solved with the features of claim 1, advantageous Training and further education are characterized in subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: The Invention will be explained below with reference to a drawing. there demonstrate:

die 1 und 2 vorstehend bereits beschriebene, bekannte elektronische Bauelemente,the 1 and 2 already described, known electronic components,

die 3 ein der D1 199 45933 C1 entsprechendes elektronisches Bauelement, abstrakt dargestellt,the 3 one of the D1 199 45933 C1 corresponding electronic component, shown in abstract,

die 4 bis 6 das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende elektronische Bauelement nach Ausführung entsprechender Verfahrensschritte.the 4 to 6 the electronic component to be produced by the method according to the invention after carrying out corresponding method steps.

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.The already known components that in the 1 and 2 have been described above have already been described. The 3 shows that 2 appropriate component, the stack 1 , in abstract form, but without the in 2 illustrated and briefly described above electrical contact. Only the layer sequence of material layers is shown 2 and electrode layers 3 . 4 , In this pile 1 are the electrode layers 4 on both sides to the respective edges of the stack 1 guided; it serves as a basis for the inventive method described below. The following is based on the 4 to 6 However, described method could also on the (older) embodiment of a stack 1 according to 1 be applied.

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.As in 4 shown, becomes a stack 1 consisting (at least) of a layer sequence of material layers 2 (such as a piezoelectrically active ceramic layer) and electrode layers 3 respectively. 4 initially on two geometrically non-contiguous stack perimeter areas 1a and 1b partially coated with a respective insulation layer IS1 or IS2, but especially also over the entire surface. As insulating layer IS1, IS2 layers of glass, ceramic or made of a temperature-resistant plastic can be applied. Under temperature-resistant is to be understood that the plastic is resistant to those temperatures to which the electronic component to be manufactured will be exposed in its later operation. The application of the insulating layers IS1, IS2 can take place by means of conventional screen-printing or injection-molding processes, which are then followed by at least one baking process.

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.In the further procedure should, as from 5 can be seen contact holes KL1, KL2 through the insulating layers IS1, IS2 through to the respective electrode layers 3 . 4 are generated such that the one contact holes KL1 to the one electrode layers 4 lead and that the other contact holes KL2 to the other electrode layers 3 to lead. As a preparatory measure, first, the exact position of each of the electrode layers 3 . 4 , related to the height of the stack 1 , determined. This is necessary because the individual material layers 2 never exactly one and the same layer thickness, but because these layer thicknesses are different from each other within a given tolerance measure. Since now a finished electronic component usually between 300 and 450 material layers 2 has, the exact positions of the electrode layers can be 3 . 4 do not calculate, but only determine. However, the knowledge of the exact positions is therefore important so that the contact holes KL1, KL2 at the end faces of the electrode layers 3 . 4 exactly centered with respect to the thickness of the respective electrode layer 3 respectively. 4 let generate. These positions can be determined, for example, by means of generally customary optical measuring methods.

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.Subsequently, first contact holes KL1 pass through the one insulation layer IS1 to the one electrode layers 4 produced, wherein the positions of the one electrode layers 4 yes already known, as explained above. Furthermore, second contact holes KL2 pass through the other insulating layer IS2 to the other electrode layers 3 produced. Their positions are already known. The contact holes KL1, KL2 are advantageously dimensioned in their diameter so that this diameter is at most a quarter of the thickness of a material layer 2 equivalent. The contact holes KL1, KL2 are generated, for example, by means of laser structuring. However, they can also be produced by means of generally customary chemical or electrochemical processes. When structuring by means of a laser, it is advantageous to carry this out by means of so-called ultrashort pulse lasers, which are known to be operated in the time range from femtoseconds to picoseconds, where appropriate also nanoseconds. In this case, the resulting heat acts only on those areas of the insulating layers IS1, IS2, in which the contact holes KL1, KL2 are to be generated, but not on corresponding adjacent areas. The resulting contact holes KL1, KL2 are then correspondingly sharp-edged on their surface edges. It is also advantageous to use such types of laser beams which have a significantly higher patterning rate in the material to be removed from the insulating layers IS1, IS2 than in the material of the electrode layers 3 . 4 and / or the material of the material layers 2 , This largely avoids that the electrode layers 3 . 4 and / or the material layers 2 be attacked during structuring of the insulation layers IS1, IS2.

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.Finally, both insulation layers IS1, IS2 are preferably coated over the whole area with an electrically conductive material EL, such as a metal layer, in particular a solder layer, or an electrically conductive adhesive. In this case, the contact holes KL1, KL2 are filled with the electrically conductive material EL, so that the electrode layers 3 . 4 electrically contacted. The electrically conductive material EL is then available for electrical connection of the electronic component to an electrical voltage in the form of two collector electrodes E1 and E2 which are electrically insulated from one another.

Claims (7)

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.Method for electrically contacting a stack ( 1 ) formed electronic component, which consists of a plurality of responsive to application of an electric field material layers ( 2 ) and a plurality of electrode layers ( 3 . 4 ), each layer of material ( 2 ) between two of the electrode layers ( 3 . 4 ), characterized by the following method steps: application of a respective insulation layer (IS1, IS2) to a respective ( 1a . 1b ) of two geometrically discontinuous stack perimeter areas ( 1a . 1b ) of the stack ( 1 ), - determining the exact position of a respective one of the electrode layers ( 3 . 4 ) along the stack perimeter areas ( 1a . 1b ) - Creating first contact holes (KL1) through the first insulating layer (IS) of the isolation Schich (IS1, IS2) to every second ( 4 ) of the electrode layers ( 3 . 4 ) by means of laser structuring, - generating second contact holes (KL2) through the second (IS2) of the insulating layers (IS1, IS2) towards the remaining ones (IS2) 3 ) of the electrode layers ( 3 . 4 ) also with laser structuring, and - at least substantially covering the entire surface covering the insulating layers (IS1, IS2) with an electrically conductive material (EL), wherein the contact holes (KL1, KL2) are also filled with the electrically conductive material (EL). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsschichten (IS1, IS2) Schichten aus Glas, Keramik oder temperaturbeständigem Kunststoff aufgebracht werden.Method according to claim 1, characterized in that that as insulating layers (IS1, IS2) layers of glass, ceramic or temperature resistant Plastic are applied. 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.Method according to claim 1 or 2, characterized that the application of the insulating layers (IS1, IS2) by means of a Screen printing process or an injection molding process, which then at least one baking process connects. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the positions of the respective electrode layers ( 3 . 4 ) with regard to the height of the stack ( 1 ) can be determined by means of an optical measuring method. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the laser structuring by means of ultrashort pulse lasers such that the removal of material exclusively on the area is limited is in which the contact holes (KL1, KL2) are to be generated. 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).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser irradiation during laser structuring is set such that a significantly higher structuring rate is established with respect to the insulating layers (IS1, IS2) than with respect to the material layers (IS1, IS2) located under the insulating layers ( 2 ) and or electrode layers ( 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.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the contact holes (KL1, KL2) instead of laser structuring chemically or electrochemically be generated.
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