CN108139276A - 传感器元件和用于制造传感器元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于温度测量的传感器元件。该传感器元件（1）被设置用于借助压力烧结而固定在印刷电路板上，其中传感器元件（1）的结构形式被构造为，使得在压力烧结期间，到传感器元件（1）的压力加载被补偿。还描述一种用于制造传感器元件（1）的方法。

Description

传感器元件和用于制造传感器元件的方法
技术领域
说明一种传感器元件。该传感器元件尤其是可以用于测量温度。例如涉及NTC（负温度系数）传感器元件，于是涉及热变阻器。此外，说明一种用于制造传感器元件的方法。
背景技术
根据现有技术，为了在最不同的应用中的监控和调节，主要利用陶瓷热变阻器热敏电阻元件（NTC）、硅温度传感器（KTY）、铂温度传感器（PRTD）或者热电偶元件（TC）来测量温度。在此由于小的制造成本，NTC热敏电阻是最普遍的。相对于热电偶元件和金属电阻元件、诸如Pt元件，另外的优点例如在于，突出的负电阻温度特性。
为了在功率模块中的使用，主要使用钎焊上的SMD NTC温度传感器。在用于小功率的控制模块的情况下，代替于此也使用NTC芯片，其借助Ag烧结、钎焊或者粘接被安装在底侧上并且经由接合导线来接触其上侧。
为了NTC陶瓷的电接触，必须施加金属电极。根据现有技术，厚层电极为此主要由银或金膏通过具有随后的焊透（Einbrand）的丝网印刷工艺来施加。银金属化物尤其适合于AG烧结和钎焊连接。由于鉴于新的可靠的端子接触、例如接合和焊接方面的提高的技术要求，特别在与金或铝或铜导线接合的情况下需要另外的电极，因为对银的连接不具有足够的可靠性。
在金-金属化物的情形下，不能实现与端子导线的钎焊连接。接合连接出于成本原因只能用金细导线来实现。在金电极上的铝接合导线连接不能达到可靠性要求。
目前，在功率模块的情况下的温度测量利用钎焊上的SMD NTC传感器来进行。由于关于使用温度和可靠性方面的提高的要求，存在对NTC温度传感器的要求，这些温度传感器可以在无钎焊装配的情况下施加到电路板上并且具有高的长期稳定性以及适合于较高的使用温度。
合适的装配是以细分散的银膏进行的Ag烧结，然而其通过活负荷在压力下进行。对此，在倒装芯片装配的情况下要求器件的足够的机械稳定性，以便使出现的弯曲应力不导致断裂或者以便不发生损坏（裂纹）。传统的NTC传感器陶瓷大多具有过小的抗弯强度来经受住出现的负荷。
发明内容
待解决的任务在于，说明一种传感器元件，其具有经改善的特性。
该任务通过按照独立权利要求的传感器元件来解决。
按照一个方面，说明一种用于温度测量的传感器元件。该传感器元件具有陶瓷传感器材料。该传感器材料是NTC陶瓷。例如，该陶瓷具有钙钛矿结构。尤其是，所述陶瓷基于具有不同掺杂的Y-Ca-Cr-Al-O系。可替代地，该传感器元件可以具有带有尖晶石结构的陶瓷。例如，该陶瓷可以基于具有不同掺杂的Ni-Co-Mn-O系。传感器元件是NTC传感器芯片。
该传感器元件被设置用于，借助Ag压力烧结来固定在印刷电路板或DCB板上。尤其是，传感器元件被构造用于借助Ag烧结来装配在印刷电路板上。传感器元件的结构形式被构造为，使得在压力烧结期间到传感器元件上的压力加载被补偿。
通过根据本发明的结构形式，提高传感器元件的机械稳定性。该构件的压力烧结由此能够实现：不诱发可能的损坏，例如微裂纹等，或者不引起构件的甚至断裂。由此，提供特别稳定的传感器元件，其可以在无钎焊装配的情况下施加在印刷电路板上。
按照一种实施例，传感器元件具有至少一个电极。优选，传感器元件具有两个电极。此外，传感器元件也可以还具有陶瓷增强部或陶瓷载体。这些电极布置在陶瓷传感器材料上。
优选地，这些电极在空间上相互分离。这意味着，在电极之间存在间隔。例如，在电极之间布置有陶瓷传感器材料。该传感器元件被构造为，使在Ag压力烧结情况下出现的压力负荷在电极之间的中间区域中被导出到印刷电路板上。尤其是，在Ag压力烧结情况下作用的力借助在电极之间的中间区域得以补偿。
由此，提供具有适合于Ag烧结的电极的NTC温度传感器，其中该传感器被成型为，使得在Ag烧结情况下的压力负荷最大部分地在电极之间的中间区域中被导出到电路板上并且避免在装配中由于弯曲负荷导致的损坏。
按照一种实施例，该传感器元件具有T形结构形式。尤其是，该传感器元件具有如下区段，该区段相应于“T”的水平的线条或梁。此外，传感器元件还具有如下区段，该区段相应于“T”的竖直的线条或梁。这两个区段相互不可松开地连接。这两个区段优选一件式地实施。
通过T形的结构形式提高传感器元件的机械稳定性。构件的Ag压力烧结由此能够实现：不诱发可能的损坏，例如微裂纹等或者不引起构件的甚至断裂。
按照一种实施例，该传感器元件具有陶瓷的基体。该陶瓷基体具有陶瓷传感器材料。这些电极布置在基体的外面。这些电极优选布置在传感器元件或基体的共同外面上。该共同外面优选是传感器元件或基体的底侧。
基体具有凸起。该凸起构成基体的整体组成部分。换句话说，凸起和基体一件式构造。尤其是，该凸起具有陶瓷传感器材料。该凸起布置在电极之间。该凸起构成在电极之间的中间区域。
优选地，该凸起构造为基座状。该凸起例如是“T”的竖直的线条，而基体剩余部分则是“T”的水平的线条或梁。该凸起在电极之间从传感器元件的外面或底侧突出。
通过在电极之间的中间区域中布置的凸起或基座，在Ag压力烧结时出现的力被导出到印刷电路板上。传感器元件通过弯曲负荷引起的损坏因此可以被防止。
按照一种实施例，该传感器元件具有陶瓷基体。该陶瓷基体具有陶瓷传感器材料。这些电极布置在传感器元件的不同的端面上。这些电极布置在相对置的端面上。优选，这些电极在端面上作为帽盖来施加。
该传感器元件还具有陶瓷载体材料。该基体构造在载体材料上。优选地，该基体完全覆盖载体材料的外面，例如载体材料的上侧。
该载体材料具有凸起。该凸起构成载体材料的整体组成部分。换句话说，载体材料和凸起一件式地构造。尤其是，该凸起具有陶瓷载体材料。该凸起布置在电极之间。该凸起构成在电极之间的中间区域。该凸起被构造为基座状。该凸起在电极之间并且从传感器元件的外面突出。
如上所述，传感器元件具有T状的结构形式。尤其是，传感器元件拥有凸起或基座。该凸起或基座从传感器元件的表面突出。该凸起或基座优选构造在电极之间。该凸起或基座可以具有陶瓷传感器材料和/或陶瓷增强部的材料。传感器元件的结构形式被协调或构造为，使得在制造或装配过程期间到传感器元件上的压力加载被补偿。此外，将机械弯曲负荷减至最小。
按照一个方面，描述一种用于制造传感器元件的方法。优选，通过相应的方法来制造上述的传感器元件。参照该传感器元件或该方法所公开的全部特性也相应地参照相应的其他方面被公开或者反之亦然，即便在这些相应特性没有明确地在相应方面的上下文中被提及的情况下。
该方法具有下面的步骤：
-制造用于构造陶瓷基体的NTC粉末。
-挤压该NTC粉末。为此，使用压模。该压模被构造为，使得被挤压的基体具有凸起。该压模被构造为，使得被挤压的基体具有T形的结构形式。
-烧结该被挤压的基体。
-将电极施加到基体的底侧上。这可以借助薄层技术或厚层技术来进行。这些电极通过凸起相互分离。
按照另一方面，该方法具有下面的步骤：
-提供陶瓷载体材料。该载体材料具有凸起。
-至少部分地用NTC膏对该载体材料进行印刷，以用于构造NTC层。优选，用NTC膏来印刷载体材料的表面，该表面与基座对置。例如，载体材料的上侧用NTC膏来印刷。例如，凸起布置在相对侧、也即载体材料的底侧上。可替代地，载体材料的凸起也可以在用NTC膏来印刷载体材料之后才被构造。
-烧结由载体材料和NTC膏组成的系统。
-施加电极。这些电极布置在由NTC层和载体材料组成的系统的相对置的端面上。这些电极通过凸起来相互分离。为了实现在载体陶瓷和NTC层的装配面之间的电接触，这些电极作为帽盖通过这些端面来构造。
按照一个方面，说明一种用于温度测量的传感器元件，其中该传感器元件具有T形结构形式，并且其中该传感器元件的结构形式被构造为，使得在制造过程期间到传感器元件上的压力加载被补偿。
附图说明
下面根据实施例和所属的图更进一步阐述传感器元件和方法。
下面接下来描述的附图不被理解为符合比例的。相反，为了更好的示出，各个尺寸以放大、缩小或者也以失真的方式被示出。
彼此相同或者承担相同功能的元件用相同的附图标记来表示。
图1示出在第一实施方式中的传感器元件，
图2示出在另一实施方式中的传感器元件，
图3示出在另一实施方式中的传感器元件，
图4示出来自图3的传感器元件的一种实施方案。
具体实施方式
图1示出传感器元件1，尤其是传感器芯片。传感器元件1优选被构造用于测量温度。传感器元件1具有两个电极2。传感器元件1具有陶瓷传感器材料。该传感器元件1具有陶瓷基体7。基体7具有该陶瓷传感器材料。
传感器材料是NTC（负温度系数）陶瓷。例如，该陶瓷具有钙钛矿结构。尤其是，该陶瓷可以基于具有不同掺杂的Y-Ca-Cr-Al-O系。这种传感器元件1尤其适合于高温应用。可替代地，该传感器元件1尤其是在较低应用温度情况下具有带尖晶石结构的陶瓷。例如，该陶瓷可以基于具有不同掺杂的Ni-Co-Mn-O系。
传感器元件1被构造用于，在在印刷电路板上的压力下被固定，例如借助Ag烧结。不仅在传统SMD NTC传感器的情况下，而且也在替代性的倒装芯片结构形式的情况下，由于出现的超过器件的固有稳定性的弯曲负荷，在压力加载下的Ag烧结是不可能的。弯曲负荷产生，其方式是，从上面挤压到贴靠在电路板上的端子衬垫上的构件上。特别地在DCB板情况下，在端子衬垫之间存在相对较深的沟，其相应于在DCB板上的电极层厚度并且其通常为几百μm。
为了补偿在Ag烧结时出现的压力负荷，图1中的传感器元件1具有基座3。传感器元件1构造为T形。按照图1的实施例，陶瓷基体7尤其是构造为T形。在该实施例中，“T”的水平的线条构成传感器元件1或基体7的上侧。“T”的竖直的线条是基座3。该基座3从传感器元件1或基体7的底侧突出。基座3是基体7的整体组成部分。
具有基座3的传感器元件1可以要么直接通过以合适的压模的挤压来制造，要么从压制品或从由NTC膜所制造的基板中以T形的方式分离。这可以通过锯割、磨削、激光分割或其他合适的机械加工来实现。
金属化物作为薄或厚层电极被施加。这些电极2通过基座3相互分离或空间上分开。
这些电极2在底侧上在基座3的右边和左边尤其是借助溅射、蒸镀或丝网印刷来被施加。这些电极2布置在传感器元件1的相同外面（这里为底侧）上。
为了在AG压力烧结过程中实现良好的粘附，同样由Ag组成的电极是有利的。但是也可以使用其他的电极材料例如Au、Cu、Al等等，只要它们是可Ag烧结的或者能够用其他标准工艺来加工。
薄层电极的制造可以通过溅射或蒸镀来进行。在此，在第一种实施方案中，基本电极由镍层构成，其可以具有钒的成分；或者在第二种实施方案中，由两个层构成，其中，下层具有铬或钛，并且第二层由镍组成，其同样可以具有钒的成分。
基本电极可以通过由抗氧化的金属、诸如银、金、铜、铝等组成的覆盖层来保护。这种覆盖电极可以要么用于镍基本电极的纯抗蚀保护（氧化），要么也对于接触是有利的、或者说甚至是必需的。在借助用细分散银膏的Ag烧结进行连接的情况下，例如银覆盖电极是不可缺少的。
基本电极的厚度为小于10μm，有利地小于3μm，理想情况下小于0.5μm。覆盖电极的厚度可以为直至1μm，在例外情况下为直至20μm。
厚层电极的制造可以通过具有随后的焊透的丝网印刷工艺来进行。所使用的膏可以包含银或可能的混合物。
通过分离工艺，来制造最终的几何结构。在非常窄容差的电阻情况下，可以通过局部激光剥蚀来进行微调过程，用于调整在额定温度下的电阻。传感器元件1与DCB板或印刷电路板或电路板的接触可以借助Ag烧结、钎焊或粘合来进行。
按照该实施例的传感器元件1（压制品）例如以以下方式来制造：
在第一步骤中制造NTC粉末。其中，例如包括称重、湿式预磨、干燥、筛选、焙烧、湿式再磨、喷射。然后进行喷射颗粒的挤压。在此，压模被构造为：使得在挤压时形成T形基体。
在接下来的步骤中，进行压制品的脱碳。然后对压制品进行烧结。
借助溅射技术将Ni/Ag薄层电极2在基座3的右边和左边施加到底侧上，正如上所述的那样。电极2通过基座3相互分开。
为了改善陶瓷的长期稳定性，可以在另外的步骤中将薄的不传导的保护层施加到非金属化区域上，所述不传导层例如由陶瓷、玻璃、塑料或金属氧化物制成。其可以通过溅射、蒸镀、光刻、或压印和烧刻（Einbrennen）来实现。
然后，在额定温度下进行对具有基座3的各个传感器元件1的电阻进行电测量。为了调整电阻，预测量金属化的基板。借助预测量数据，限定具有基座的NTC传感器芯片的几何结构。因为长度是固定的，因此作为可变参量将宽度保留作为调整参数。
在接下来的步骤中，通过一侧的全面磨削进行对具有基座3的各个传感器元件1到所要求电阻值的微调。
对于特别窄容差的在额定温度下的电阻，可以利用附加的微调过程来调整各个器件的电阻（这里也参见图4）。在此，陶瓷材料或电极材料例如通过激光切割或磨削部分地被去除，使得通过几何结构变化来适配所述电阻。
在最后的步骤中进行目测检查和抽样式的控制测量。
图2示出具有基座3的增强的传感器元件1。该结构基本上相应于图1的传感器元件1。但是，传感器元件1具有在上侧（与基座3相对侧）上的附加的陶瓷层4。基体7布置在陶瓷层4上。尤其是，陶瓷层4优选完全覆盖基体7的上侧。陶瓷层4用作针对带有特别高应力的工艺的机械增强。该结构通过挤压颗粒或所堆叠的膜来实现。NTC陶瓷要么以一起的方式要么以相继的方式与陶瓷层4挤压。按照图2的传感器元件1的制造在其余方面如结合图1所描述一样地进行。
图3示出用传感器材料（NTC层）印刷的、带有基座6的载体材料5。在该实施例中NTC层是基体7。
将NTC层压印到陶瓷载体材料5上。载体材料5“T”形地被构型。尤其是，载体材料5具有基座6，其中基座是“T”的竖直的线条。基座6是载体材料5的集成的组成部分。
该陶瓷载体材料5例如基于Al2O3、ZrO2、ATZ或ZTA材料或MgO组成。载体材料5可以在用NTC膏印刷之前或之后以相应的方式来引入并且在烧结之后被分离或者已经作为单件存在。
电极2在端面或侧面上被施加。尤其是，电极2作为帽盖来施加。这能够实现该结构形式到印刷电路板或电路板或DCB板的接触。但是因为传感器材料（NTC层）不与衬垫直接接触，因此需要电极2的帽盖形式以便保证NTC层的接触。
图4示出在具有基座6的载体材料5上的微调的NTC传感器。通过微调过程，传感器材料已被去除，以便调整在额定温度下的电阻。所述去除通过局部激光剥蚀来进行，如上面已经描述的一样。
按照在图1至4中所示的所有实施例，传感器元件1具有T形结构形式。在压力烧结时作用到构件上的大的力通过所选择的结构形式被补偿并且机械弯曲负荷被减至最小。尤其是，在Ag烧结时的压力负荷大部分在电极2的中间区域中被导出至电路板，由此由于在装配时弯曲负荷引起的损害被避免。
使用例如基于Al2O3、ZrO2、ATZ或ZTA材料或MgO的陶瓷载体材料可以造成机械稳定性进一步提高。
针对至电路板或DCB板上的应用，可以将在图1至4中所示的传感器元件1烧结至导体线路上。这可以在压力下或无压力地进行。通过粘合或钎焊的装配可以一如既往地给出。
这里说明的主题的描述不局限于各个特定的实施方式。相反，各个实施方式的特征
只要技术上是有意义的就可以任意相互组合。
参考标记列表
1 传感器元件
2 电极
3 凸起/基座
4 陶瓷层
5 载体材料
6 基座
7 基体。

Claims (14)

1.一种用于温度测量的传感器元件（1），其中所述传感器元件（1）被设置用于，借助压力烧结而固定在印刷电路板上，以及其中所述传感器元件（1）的结构形式被构造为，使得在所述压力烧结的期间，到所述传感器元件（1）的压力加载被补偿。
2.如权利要求1所述的传感器元件（1），其中，所述传感器元件（1）具有至少两个电极（2），以及其中所述传感器元件（1）被构造为，使得在所述压力烧结中出现的压力负荷在所述电极（2）之间的中间区域中被导出到所述印刷电路板上。
3.如权利要求1或2所述的传感器元件（1），其中，所述传感器元件（1）具有T形的结构形式。
4.如权利要求2或3之一所述的传感器元件（1），其中，所述传感器元件具有陶瓷的基体（7），其中所述电极（2）布置在所述基体（7）的外面上，其中所述基体（7）具有凸起（3），并且其中所述凸起（3）布置在所述电极（2）之间。
5.如权利要求4所述的传感器元件（1），其中，所述电极（2）布置在所述传感器元件（1）的共同的外面上，其中所述共同的外面是所述传感器元件（1）的底侧。
6.如权利要求4或5所述的传感器元件（1），其中，所述凸起（3）构造为基座状，以及其中所述凸起（3）在所述电极（2）之间从所述传感器元件（1）的所述外面突出。
7.如权利要求4至6之一所述的传感器元件（1），其中，所述凸起（3）构成所述基体（7）的整体组成部分。
8.如权利要求2或3之一所述的传感器元件（1），其中，所述传感器元件（1）具有陶瓷的基体（7）和陶瓷的载体材料（5），其中所述基体（7）被构造在所述载体材料（5）上，其中所述载体材料（5）具有凸起（6），以及其中所述凸起（6）布置在所述电极（2）之间。
9.如权利要求8所述的传感器元件（1），其中，所述电极（2）布置在所述传感器元件（1）的不同的端面上。
10.如权利要求9所述的传感器元件（1），其中，所述电极（2）作为帽盖被施加在所述端面上。
11.如权利要求8至10之一所述的传感器元件（1），其中，所述凸起（6）构造为基座状，以及其中所述凸起（6）在所述电极（2）之间并且从所述传感器元件（1）的外面突出。
12.如权利要求8至11之一所述的传感器元件（1），其中，所述凸起（6）构成所述载体材料（5）的整体组成部分。
13.一种用于制造传感器元件（1）的方法，所述方法具有下面的步骤：
-制造用于构造陶瓷的基体（7）的NTC粉末；
-挤压所述NTC粉末，其中压模被构造为，使得被挤压的所述基体（7）具有凸起（3）；
-烧结所述被挤压的基体（7）；
-将电极（2）施加到所述基体（7）的底侧上，其中所述电极（2）通过所述凸起（3）相互分离。
14.一种用于制造传感器元件（1）的方法，所述方法具有下面的步骤：
-提供陶瓷载体材料（5），其中所述载体材料（5）具有凸起（6）；
-用NTC膏对所述载体材料（5）至少部分地进行印刷，用于构造NTC层；
-将电极（2）施加到由NTC层和载体材料（5）组成的系统的对置的端面上，其中所述电极（2）通过所述凸起（6）相互分离。
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