CN114206534A - 电钎焊连接、具有钎焊连接的传感器和制造方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种钎焊连接，该钎焊连接使在第一表面（OF）上的接触垫（KP）与条形导体（SL）连接。该条形导体在一端具有加宽部（VB）并且在其中具有通孔（OE）。在孔中布置有焊球（SB），而且该焊球使导体的这一端与接触垫连接。

Description

电钎焊连接、具有钎焊连接的传感器和制造方法

技术领域

本申请涉及一种钎焊连接、一种具有该钎焊连接的传感器和一种用于制造该钎焊连接的方法。本申请尤其涉及一种具有对温度敏感的接触点的钎焊连接。

背景技术

存在电器件，这些电器件对压力和/或温度敏感。为了与这种器件进行电触点接通，一方面应注意：在没有过大的机械负荷的情况下并且还仅在温度输入小的情况下进行电连接。

传感器器件具有敏感结构，例如对压力或温度敏感的功能层。为了与传感器器件进行触点接通，例如使用引线键合方法。然而，在传感器器件中的空间通常有限。那么，这些方法只能在有限范围内应用，原因在于引线键合需要在要触点接通的接触区的范围内的额外的结构空间。

此外，引线键合方法导致在机械上不够稳定的连接，机械上不够稳定的连接可能容易断裂并且在这种传感器器件的运行期间尤其是也对振动或者其它机械负荷敏感。

诸如通过回流焊进行的倒装芯片键合（Flip-Chip Bonden）那样的其它触点接通方法可能影响或改变传感器特性并且因而大多也不适合。

发明内容

本发明的任务在于说明一种钎焊连接，该钎焊连接能以小空间需求来制造并且该钎焊连接的产生引起输入到所要触点接通的接触垫中的小的温度输入。另一任务在于：说明一种传感器器件，该传感器器件的电连接可以以微小的空间需求来实现并且引起在机械上足够稳定的电连接。

这些任务中的至少一部分通过一种根据权利要求1所述的器件并且通过一种根据另一独立权利要求所述的制造方法来解决。

说明了一种钎焊连接，该钎焊连接形成于第一表面上的接触垫与条形导体之间。该导体在一端具有加宽部并且在其中具有通孔。在该孔中布置有焊球，该焊球使该导体的这一端与接触垫导电连接。

该条形导体扁平地形成并且因而只需要微小的结构高度，使得该钎焊连接可以连同馈电线一起紧凑地被实施。焊球布置在该孔中，使得该焊球将该孔填满。通过该孔，焊料用来与接触垫触点接通的区域关于大小和相对于该条形导体的精确方位方面被预先给定。

在焊球的精确尺寸的情况下，也可以调整随着焊料的涂覆而被传递的热量。接触垫可以是温度敏感构件的一部分并且例如是该温度敏感构件的电连接垫。接着，以相对应地大或小尺寸的焊球就可以将在制造钎焊连接时可传递到该构件上并且使该钎焊连接承受热负荷的热量减小到最低限度或者调整到足够低的值。

该条形导体可以被设计成在同样是条形的衬底上的印制导线。在此，那么该通孔延伸穿过印制导线的加宽部并且穿过衬底。该实施方案的优点在于：导体的机械特性可以通过对衬底材料的适当选择来调整。这样，例如能够借助于柔性衬底来使导体本身柔性地形成。以这种方式，能够使导体在其走向方面与给定的空间条件适配。

该导体可以使接触垫与任意的其它触点连接，该任意的其它触点可以通过柔性设计以相对于接触垫的各种各样的取向来布置。该导体尤其适合于接触垫与在空间上靠近的触点的电连接。该空间上靠近的触点可以设置在电路板上。接着，该导体使接触垫并且借此电构件与电路板连接。

衬底可以电绝缘，使得该导体在一侧在与其它导电元件接触的情况下受保护以防短路。

此外，印制导线本身可以附加地还配备有保护层，该保护层使印制导线的未放在衬底上的表面钝化或者电绝缘。至少孔的内部没有保护层，以便能够实现在印制导线与焊球之间的充分电接触。

在一个设计方案中，该导体具有包含Cu的印制导线，该印制导线在孔的区域内配备有可钎焊涂层。在孔的区域内的可钎焊涂层可包含Au或者具有可钎焊表面的任意其它金属。可钎焊表面被理解成用液态焊料的可润湿性，该可润湿性是制造机械上稳定的钎焊连接的前提条件。

按照另一设计方案，条形导体被设计成在由聚酰亚胺制成的同样是条形的载体上的印制导线。

用于电触点接通目的的机械上足够稳定的钎焊连接可以利用该导体来实现，其中孔的直径在50μm与1mm之间。

该导体可以柔性地形成并且在触点与接触垫之间采用任意走向或与空间条件适配。该导体例如可以平行于具有接触垫的第一表面地走向。该导体也可具有相对于该第一表面成锐角或直角的走向。

接触垫可具有50nm至500nm的厚度。这足以实现与具有仅相对微小的电流需求的电构件或无源器件、诸如传感器的触点接通。

按照一个设计方案，电构件被设计成传感器，该电构件利用如上所述的钎焊连接经由该导体与电路环境触点接通。接着，传感器可具有传感器外壳，在该传感器外壳中布置有以下组件：

- 具有µ处理器的印刷电路板；

- 具有功能层的传感器衬底，该功能层具有传感器功能；

- 接触垫，该接触垫与功能层或者与在该功能层上或在该功能层中的导电结构连接；

- 条形导体，该条形导体使接触垫与该印刷电路板连接。

以这种方式，该导体借助于该钎焊连接使接触垫以及借此传感器的功能层与在印刷电路板上的µ处理器连接。触点和接触垫可包含Ni和/或Au。

接触垫可位于膨胀体上，该膨胀体可以是功能层并且刚性地（例如由钢、玻璃或陶瓷制成）或者柔性地（例如由如PI那样的塑料膜制成、由薄玻璃或陶瓷纸制成）形成。该膨胀体随着温度增加而膨胀并且这样可以以与温度相关的强度来影响传感器元件的功能层。

包括功能层的传感器元件和包括对于传感器功能来说所需的控制和/或评估电子装置的印刷电路板可以在最小的空间上一起被布置在共同的传感器外壳中。

传感器可以被设计成温度传感器并且包含热敏电阻材料作为功能层。接着，印刷电路板被设计用于确定在由热敏电阻材料制成的功能层中的与温度相关的电阻。

可配备所提出的钎焊连接的其它类型的传感器是用于测量电阻的传感器或者是压力传感器。传感器也可以被设计成麦克风。

用于制造钎焊连接的方法可包括如下步骤：

- 提供具有接触垫的传感器衬底；

- 将在一端具有其中带通孔的加宽部的条形导体放置到接触垫上，使得该孔布置在接触垫上方；

- 借助于激光焊料喷射键合（Laser-Solder-Jet-Bonding）将液态焊球从上方印刷到该孔中；

- 使焊球冷却，其中在导体与接触垫之间建立导电连接。

激光焊料喷射键合或者焊球凸点工艺（Solder-Ball-Bumping）是一种最初源自喷墨印刷工艺的方法。将限定尺寸的刚性焊球装入向外敞开的、布置在焊料喷射装置的印刷头中的套管中。然后，焊球通过快速供热来液化并且例如借助于气流从套管中被喷出。该方法特别适合于将尺寸精确的液态焊球“打印”到特定位置。这样，可以产生小的焊点。还能够通过将多个焊球打印在所限定的位置来以所希望的几何形状和尺寸产生焊料结构。

如在喷墨印刷工艺中那样，焊料喷射装置的印刷头可以在最短的时间内移动到在待印刷表面上的所希望的位置并且在那里打印或沉积一个或多个焊球。这样，在本方法中，也成功将焊球位置精确地沉积在导体的通孔中，使得在导体与接触垫之间制造钎焊连接。在此，焊球可以适配于通孔的几何形状。

附图说明

在下文，本发明依据实施例和所属的附图进一步予以阐述。

这些附图是示意性的并且未按正确比例，使得无法从这些附图中得知绝对和相对尺寸信息。在不同附图中，相同或作用相同的部分配备有相同的附图标记。

图1示出了具有接触垫的表面；

图2以俯视图示出了条形导体；

图3示出了按照图2的在放置到按照图1的表面上之后的条形导体；

图4示出了从图3起将焊球引入到孔中之后；

图5示出了在有不同焊接技术的同时在焊点处的温度/时间响应；

图6A以从上方的俯视图示出了条形导体；

图6B以截面示出了图6A的条形导体；

图7示出了传感器，在该传感器的传感器外壳中，柔性条形导体经由钎焊连接与触点电连接。

具体实施方式

图1示出了具有涂覆在其上的接触垫KP的表面OF。该表面例如是传感器元件的功能层的表面，并且例如可包含像NTC或PTC材料那样的热敏电阻材料。接触垫由诸如Al或Ni那样的金属制成并且具有可钎焊涂层。替代地，接触垫也可以完全由可钎焊金属制成。对于传感器应用来说，当表面OF是传感器功能层时，接触垫的厚度为50nm至500nm就足够。

图2以俯视图示出了扁平地形成的条形导体SL。条形导体的一端具有加宽部VB，在该加宽部中布置有通孔OE。至少该孔的内边缘配备有可钎焊涂层LB。可钎焊涂层可以在该孔的边缘处与该导体重叠。在加宽部VB中，导体SL可以如所示出的那样具有从上方看是圆形的轮廓。与此相对应地，该孔也可具有圆形的孔截面。孔的侧壁可以是垂直的。但是，加宽部的轮廓也可具有其它并且例如是矩形的形状。

导体可包含Cu。可钎焊涂层可包含Au。该导体可以完全由金属制成。然而，该导体也可以被设计成在同样是条形的衬底STS上的印制导线。优选地，导体SL、印制导线LB和衬底STS柔性地形成。

图3从上方示出了按照图2的条形导体SL，该条形导体被放置到了按照图1的表面OF上，使得接触垫KP布置在孔OE下方。优选地，该孔在接触垫上居中，使得接触垫从上方看将该孔的截面积完全填满。

图4示出了图3的在将焊球SB引入到孔OE中并且该焊球使导体经由可钎焊涂层LB与接触垫焊接之后的布置。焊球将该孔在很大程度上填满，但是也还可以伸出超过该孔的上边缘。

视孔OE的截面积的尺寸而定或根据圆形孔的直径，可以调整该钎焊连接的撕裂力。接着，相对应的焊球可具有50µm至1mm的直径。利用直径例如为350μm的焊球，可以获得刚性的钎焊连接，每个焊球可承受高达大约300cN的剪切力。借此能达到的拉断力也相对应地高，这些拉断力同样每个焊球为大约300cN。

根据所选择的焊料合金，可以调整焊料的熔点并且借此调整该钎焊连接的耐温度变化性。利用焊料合金Au80Sn20，该钎焊连接可以被调整到直至280°稳定。其它合金允许直至最小100℃的低熔点。

用于制造该钎焊连接的一种优选的方法是激光焊料喷射键合。在该方法中，表面仅受到短暂和逐点的热负荷，而构件/表面并不在较长时间段内完全承受负荷。

图5示出了在有不同焊接技术的同时在钎焊连接处的温度/时间响应的比较。在回流焊炉中进行回流焊时，表面以及借此整个构件都会承受最高的温度负荷。曲线3阐明了随着这里例如为60秒的时间的温度响应，这60秒对于可靠的焊接来说是必需的。

曲线2代表烙铁焊接工艺，其中用加热头通过压力接触来使焊料熔化。这里，相对于回流焊而言，热负荷虽然更短，但是这样无法被良好控制。

曲线1只具有唯一的狭窄的温度峰值，如在激光焊料喷射键合的情况下通常被测量的那样。这表明：热负荷只是逐点地并且非常短暂地（< 1s）发生，而且所引入的热量只对应于被打印的液态焊球的那个热量，该热量微小并且借助于耗散而非常快速地分布。

激光焊料喷射键合的另一优点在于：该激光焊料喷射键合可以无接触地被执行。这样，在钎焊过程期间不发生表面或者甚至钎焊连接的机械负荷。

如图2中已经示出的那样，图6A以从上方的俯视图示出了条形导体。

图6B以沿着图6A中示出的线AA'的截面示出了图6A的条形导体SL。该截面示出了同样是条形的衬底STS，在该衬底上涂覆有薄的印制导线LB。该衬底例如是聚酰亚胺膜，该聚酰亚胺膜也可以吸收由于弯曲或振动而引起的机械应力。印制导线LB中的孔OE也以相同的截面穿过STS。这里能看出：可钎焊涂层BL完全覆盖在孔中的印制导线的侧壁。

图7示出了传感器，在该传感器的传感器外壳中，柔性的条形导体SL通过钎焊连接来使在传感器元件的功能层FS上的接触垫与在印刷电路板PCB上的触点电连接。功能层是传感器元件的功能核心并且位于传感器外壳GH内。在外壳中，在空间上靠近传感器地布置印刷电路板PCB。该印刷电路板可以相对于功能层的表面任意地布置，例如如所示出的那样或者也垂直于该表面。柔性的条形导体SL也能够在无损的情况下实现弯曲或者成角度的导体走向。

功能层布置在外壳的一端，即布置在所谓的传感器头SK处。传感器头可以被设计用于压力接触，该压力接触例如可以通过按压传感器头来确定表面的温度。但是，为了测量，传感器头也可以浸入介质或者确定大气温度。

尽管仅针对温度传感器进行了进一步描述，但是所提出的钎焊连接也适合于任意其它传感器。这些传感器的特点在于空间需求小并且制造简单。该制造方法可以在焊点没有机械和热负荷的情况下进行，并且因而尤其适合于机械和热敏感的构件或传感器。

附图标记列表

1、2、3 温度/时间测量曲线

AA' 截面

BL 可钎焊涂层

FS 功能层

GH 传感器外壳

KP 接触垫

LB 印制导线

OE 通孔

OF 第一表面

PCB 印刷电路板

SB 焊球

SK 传感器头

SL 条形导体

STS 条形衬底/载体

VB 加宽部

Claims (11)

1.一种用于无助焊剂工艺的钎焊连接，

- 所述钎焊连接在第一表面（OF）和条形导体（SL）之间，在所述第一表面上布置有接触垫（KP）；

- 其中所述导体在一端具有加宽部（VB）和通孔（OE），

- 其中在所述孔中布置有焊球（SB），而且所述焊球使所述导体的这一端与所述接触垫连接。

2.根据上一权利要求所述的钎焊连接，

其中所述条形导体被设计成在同样是条形的衬底（STS）上的印制导线（LB），

其中所述通孔延伸经过所述加宽部和所述衬底。

3.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，其中所述条形衬底包含柔性材料并且尤其包含塑料膜。

4.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，其中所述导体包括包含Cu的印制导线，所述印制导线在所述孔的区域内配备有可钎焊涂层（BL）。

5.根据上一权利要求所述的钎焊连接，

其中所述可钎焊涂层在所述孔的区域内包含Au。

6.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，

其中所述条形导体被设计成在由聚酰亚胺制成的同样是条形的载体（STS）上的印制导线。

7.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，

其中所述孔（OE）的直径在50µm与1mm之间。

8.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，

其中所述印制导线平行于所述第一表面（OF）地走向或者具有相对于所述第一表面向上弯曲的走向。

9.根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接，

其中所述接触垫（KP）具有50nm至500nm的厚度。

10.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的钎焊连接的传感器，

所述传感器具有传感器外壳（GH），在所述传感器外壳中布置有：

- 具有µ处理器的印刷电路板（PCB）；

- 具有功能层（FS）的衬底，所述功能层具有传感器功能；

- 接触垫（KP），所述接触垫与所述功能层或者在所述功能层上或在所述功能层中的导电结构连接；

- 条形导体（SL），所述条形导体使所述接触垫与所述印刷电路板连接，

其中所述导体借助于所述钎焊连接与所述接触垫连接。

11.一种用于制造钎焊连接的方法，

- 其中提供衬底，所述衬底具有在表面（OF）上的接触垫，

- 其中将在一端具有其中带通孔（OE）的加宽部（VB）的条形导体（SL）放置到具有所述接触垫的所述表面上，使得所述孔布置在所述接触垫上方，

- 其中借助于激光焊料喷射键合将液态焊球（SB）从上方印刷到所述孔中，

- 其中使所述焊球冷却，其中在导体与接触垫之间建立导电连接。

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