DE102004039853A1

DE102004039853A1 - Elektrische Baueinheit und Verfahren zum Herstellen einer solchen Baueinheit

Info

Publication number: DE102004039853A1
Application number: DE102004039853A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Baueinheit 1, insbesondere ein elektronisches oder elektromechanisches Bauelement, mit einem ersten, ein Substrat 3 bildenden Bauteil 6 und einem von dem Substrat 3 mittels eines Zwischenelementes 5 in einem vorgegebenen Abstand a zu dem Substrat 3 gehaltenen zweiten Bauteil 9. Zur Einstellung eines exakten Abstandes a zwischen Substrat 3 und zweitem Bauteil 9 sowie zur Verbesserung der Dauerhaltbarkeit der Baueinheit 1 wird vorgeschlagen, dass das Zwischenelement 5 unmittelbar auf dem Substrat 3 aufliegt und von einem auf dem Substrat 3 angeordneten Werkstoff 12 gehalten wird. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Baueinheit 1.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Baueinheit, insbesondere ein elektronisches oder elektromechanisches Bauelement, mit einem ersten, ein Substrat bildenden Bauteil und einem von dem Substrat mittels eines Zwischenelementes in einem vorgegebenen Abstand zu dem Substrat gehaltenen zweiten Bauteil. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Baueinheit.

Eine vorgenannte elektrische Baueinheit ist beispielsweise als elektromechanisches Bauelement, und zwar als passiver magnetischer Positionssensor, bekannt. Der Positionssensor weist ein Substrat mit einem auf dem Substrat aufgebrachten Widerstandsnetzwerk und eine Kontaktstruktur, die dem Widerstandsnetzwerk zugeordnet und unter Einwirkung einer Magneteinrichtung auslenkbar ist, auf. Durch eine Auslenkung der Kontaktstruktur wird eine elektrische Verbindung zwischen Widerstandsnetzwerk und Kontaktstruktur bewirkt, wobei die elektrische Verbindung von der Position der Magneteinrichtung abhängig ist. Ferner ist die Kontaktstruktur als Kontaktfederstruktur ausgebildet, und Knotenpunkte des Widerstandsnetzwerkes sind mit auf dem Substrat aufgebrachten Kontaktflächen verbunden, wobei die Kontaktfederstruktur in einem konstanten Abstand zu den Kontaktflächen, die unter Einwirkung der Magneteinrichtung mit der Kontaktfederstruktur in Berührung treten, angeordnet ist. Ein solcher Sensor ist zum Beispiel unter der Bezeichnung MAPPS (magnetischer passiver Positionssensor) bekannt und wird unter anderem als Füllstandssensor in Kraftfahrzeugtanks eingesetzt.

Bei der bekannten Baueinheit wird ein auf einem Silikonpapier (silikonbeschichtetes Papier) fixierter Abstandshalter zum Halten der Kontaktfederstruktur verwendet. Der Abstandshalter wird zum Beispiel auf eine auf dem Substrat angeordnete Schicht, beispielsweise eine Leiterbahnschicht, aufgeklebt und daraufhin die Kontaktfederstruktur positioniert und mit Leiterbahnen auf dem Substrat verlötet. Insbesondere aufgrund der Verlötung und des verwendeten Silikonpapiers erfordert die bekannte Baueinheit eine sehr aufwendige Fertigung und die geschichtete Anordnung kann zu Maßabweichungen führen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Baueinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen auf einfache Weise exakt eingestellten und eingehaltenen Abstand zwischen Substrat und zweitem Bauteil aufweist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer vorgenannten Baueinheit anzugeben.

Die vorstehend erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer elektrischen Baueinheit der eingangs genannten Art das Zwischenelement unmittelbar auf dem Substrat aufliegt und von einem auf dem Substrat angeordneten Werkstoff gehalten wird.

Durch das unmittelbare Aufliegen des Zwischenelementes wird bei der Erfindung auf einfache Weise sehr präzise und exakt ein gewünschter, vorgegebener Abstand zwischen Substrat und zweitem Bauteil sichergestellt. Dafür ist das Zwischenelement ein mechanisch starres, nichtflüchtiges Element. Einer dauerhaften Gewährleistung einer festen Anordnung des Zwischenelementes an dem Substrat und damit auch einer bleibend exakten Abstandseinstellung für das zweite Bauteil dient der erfin dungsgemäße, auf dem Substrat angeordnete und das Zwischenelement haltende Werkstoff, so dass keine zusätzlichen Verbindungsmittel wie zum Beispiel Schrauben oder eine Verklebung der Kontaktflächen von Zwischenelement und Substrat erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Baueinheit weist eine hohe Dauerhaltbarkeit auf. Bei der erfindungsgemäßen Baueinheit, die im allgemeinen beispielsweise auch eine mit verschiedenen Bauteilen bestückte Leiterplatte sein kann, wird ferner eine aus der Verbindung von Zwischenelement und Substrat herrührende, unerwünschte Verunreinigung unter anderem aufgrund des mit der Erfindung ermöglichten Verzichts auf eine Lötverbindung von Zwischenelement und Substrat zuverlässig ausgeschlossen. Erfindungsgemäß ist – aufgrund des unmittelbaren Aufliegens des Zwischenelementes auf dem Substrat – der das Zwischenelement haltende Werkstoff seitlich zu dem Zwischenelement angeordnet; dadurch wird eine sehr hohe Präzision für den Abstand des zweiten Bauteils von dem Substrat erreicht.

Man könnte sich beispielsweise vorstellen, dass das Zwischenelement aus dem gleichen Werkstoff besteht wie das Substrat. Vorzugsweise besteht das Zwischenelement allgemein aus einem temperaturbeständigen und ausgasungsfreien Werkstoff. Noch weiter vereinfacht wird die Herstellung der Baueinheit jedoch, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Zwischenelement aus einem metallischen Werkstoff besteht. Vorzugsweise besteht das Zwischenelement aus Edelstahl.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Zwischenelement senkrecht zum Substrat einen rechteckigen Querschnitt auf. Auf diese Weise ist es besonders einfach und stabil an dem Substrat anordenbar. Vorzugsweise kann das Zwischenelement in einer sehr einfachen Form im Wesentlichen die Form eines Quaders haben und zum Beispiel ein Edelstahlplättchen sein.

Insbesondere wenn die Baueinheit ein elektromechanisches Bauelement, beispielsweise ein passiver magnetischer Positionssensor, und das zweite Bauteil gegenüber dem Substrat bewegbar ist, ist es für einen kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Baueinheit vorteilhaft, wenn das Zwischenelement sehr klein ist; vorzugsweise weist das Zwischenelement eine Dicke von nicht mehr als etwa 0,5 mm auf.

Grundsätzlich ist das Substrat ein elektrisch nicht leitender Träger, zum Beispiel eine Glasplatte oder eine Kunststoffplatte. Es sind für das Substrat aber auch andere Materialien wie Silizium oder Epoxid-Leiterplattenmaterial vorstellbar. Auch könnte es sich um ein elektrisch isoliertes Metallsubstrat handeln. Insbesondere für die Herstellung der erfindungsgemäßen Baueinheit ist es hingegen besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Substrat eine Keramikplatte ist.

Eine besonders sichere und dauerhafte Verbindung von Zwischenelement und Substrat wird gewährleistet, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Zwischenelement an seinem gesamten an das Substrat angrenzenden Umfang von dem das Zwischenelement haltenden Werkstoff umgeben ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der das Zwischenelement haltende Werkstoff ein Dickschicht-Leiterbahnwerkstoff. Auf diese Weise kann für den Haltewerkstoff dasselbe Material verwendet werden wie für ge gebenenfalls auf das Substrat aufzubringende Leiterbahnstrukturen, und es kann das Zwischenelement gewünschtenfalls zudem leicht elektrisch kontaktiert werden.

Eine sehr gute, haltbare und kostengünstige Befestigung des Zwischenelementes wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass das Zwischenelement mittels einer Sinterverbindung an dem Substrat befestigt ist.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Bauteil mittels einer Löt- oder Schweißverbindung mit dem Zwischenelement verbunden, so dass auf einfache Weise eine elektrische Kontaktierung des zweiten Bauteils über das Zwischenelement und die Löt- oder Schweißverbindung erfolgen kann.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Baueinheit beliebig ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Baueinheit gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein elektromechanisches Bauelement, und zwar ein magnetischer Positionssensor mit einer unmagnetischen, Kontaktflächen aufweisenden Trägerplatte als Substrat, einem metallischen Abstandshalter als Zwischenelement, einer Dickschichtpaste als den Abstandshalter haltenden Werkstoff und einer Kontaktfedern zur elektrischen Kontaktierung mit den Kontaktflächen aufweisenden, von dem Abstandselement gehaltenen Kontaktfederstruktur als zweites Bauteil ist. Bei einem solchen passiven Positionssensor ist die mit der Erfindung erreichbare präzise Einhaltung eines vorbestimmten Abstandes zwischen Kontaktfederstruktur und Kontaktflächen von hoher Wichtigkeit und besonders vorteilhaft. Aufgrund seiner kostengünstigen, einfachen Herstellbarkeit und hohen Betriebssicherheit lässt sich der Positionssensor vorteilhaft bei Großserienprodukten, beispielsweise Kraftfahrzeugen, einsetzen.

Die oben zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art auf das Substrat ein aushärtbarer Werkstoff zum Halten des Zwischenelementes aufgedruckt wird, dass anschließend in den Werkstoff das Zwischenelement eingedrückt wird bis es an dem Substrat zum Anschlag kommt und dass danach der Werkstoff mit dem Substrat und das Zwischenelement mit dem Werkstoff in einem Brennvorgang unlösbar miteinander verbunden werden.

Der das Zwischenelement haltende Werkstoff wird bei der Erfindung vorteilhaft während des Brennvorgangs zum Schaffen einer festen, dauerhaften Verbindung ausgehärtet. Das Verfahren umfasst vorzugsweise einen Sinterprozess. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die elektrische Baueinheit vorteilhaft zum Beispiel als Dickschichthybridschaltung aufgebaut und hergestellt sein, wobei Dickschichtpasten mittels Siebdrucks auf ein Trägersubstrat aus Keramik aufgedruckt werden und anschließend einen Sinterprozess durchlaufen, so dass ein Sinterverbund entsteht. Dabei können auf dem Substrat auch Leiterbahnen, Widerstände und Isolierschichten hergestellt und im Anschluss daran auf die Leiterbahnen diskrete Bauteile wie zum Beispiel Kondensatoren, integrierte Schaltkreise und Transistoren aufgelötet oder mittels eines Silberleitklebers kontaktiert werden.

In einem einfachen, weiteren Fertigungsschritt wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das zweite Bauteil an das Zwischenelement angelötet oder angeschweißt, beispielsweise in einem Laserschweißverfahren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Ausschnittes einer elektrischen Baueinheit,
2 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Ausschnittes einer anderen elektrischen Baueinheit,
3 eine Draufsicht auf die Baueinheit nach 2 und
4 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes eines Substrates mit Zwischenelementen.
Sich jeweils entsprechende Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer Seitenansicht einen Ausschnitt einer als elektromechanisches Bauelement ausgebildeten elektrischen Baueinheit 1. Die elektrische Baueinheit 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein passiver magnetischer Positionssensor 2 mit einem ersten Bauteil 6, das ein als Keramikplatte ausgebildetes Substrat 3 ist. Unmittelbar auf dem Substrat 3 aufliegend ist als Abstandshalter 4 ein Zwischenelement 5 angeordnet.
Der Abstandshalter 4 hält ein als Kontaktfederstruktur 7 mit Kontaktfedern, von denen eine Kontaktfeder 8 in der Seitenansicht zu sehen ist, ausgebildetes zweites Bauteil 9 in einem vorgegebenen, festgelegten Abstand a zu dem Substrat 3. Die Kontaktfederstruktur 7 ist mittels einer Schweißverbindung 10 mechanisch fest und elektrisch leitend mit dem Zwischenelement 5 verbunden.
Ein auf dem Substrat 3 angeordneter, von einer Leiterbahn-Dickschichtpaste 11 gebildeter Werkstoff 12 hält das Zwischenelement 5 starr an dem Substrat 3 fest. Dazu ist das Zwischenelement 5 an seinem gesamten an das Substrat 3 angrenzenden Umfang 13 von dem das Zwischenelement 5 haltenden Werkstoff 12 umgeben. Eine Sinterverbindung 14 befestigt das Zwischenelement 5 an dem Substrat 3.
Das Zwischenelement 5, das hier eine Dicke h von in etwa 5 mm aufweist und ein Metallplättchen ist, weist senkrecht zum Substrat 3 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Langseiten des den Querschnitt bildenden Rechtecks mit dem Substrat 3 und der Kontaktfederstruktur in direktem Kontakt stehen. Die Dicke h des Zwischenelementes 5 entspricht dem Abstand a von zweitem Bauteil 9 zu Substrat 3.
Das Substrat 3 weist ferner einen Widerstand 15 mit Widerstandsbahnen als Kontaktflächen auf, die von den Kontaktfedern der Kontaktfederstruktur 7 kontaktierbar sind. Diese Kontaktierung erfolgt in Abhängigkeit von der Stellung und unter Einwirkung eines Permanentmagneten 16, der in einer Richtung senkrecht zur Figurenebene gegenüber der Kontaktfederstruktur 7 bewegbar ist. Der Permanentmagnet 16 bewirkt eine – hier nicht dargestellte – Auslenkung von Kontaktfedern der Kontaktfederstruktur 7 auf den Widerstand 15.
Einen alternativen passiven magnetischen Positionssensor 2 mit einem auf einem Substrat 3 angeordneten Abstandshalter 4, der mittels einer Schweißverbindung 10 ein eine Kontaktfederstruktur 7 aufweisendes Bauteil 9 in vorgegebenem Abstand a zu dem Substrat 3 trägt, zeigt das weitere Ausführungsbeispiel nach 2. Ein eine Leiterbahn-Dickschichtpaste 11 aufweisender, auf dem Substrat 3 angeordneter Werkstoff 12 hält den Abstandshalter 4 an dem Substrat 3 und umfasst einen Widerstand 15. Ein Permanentmagnet 16 dient der Auslenkung einzelner oder mehrerer nebeneinander liegender Kontaktfedern (von denen eine Kontaktfeder 8 in der Seitenansicht dargestellt ist) der Kontaktfederstruktur 7 zur Kontaktierung des Widerstandes 15.
Eine Draufsicht auf den Positionssensor 2 nach 2 ist 3 zu entnehmen. Von den Kontaktfedern 8 der Kontaktfederstruktur 7, mittels derer Kontaktflächen 17 des Widerstandes 15 kontaktierbar sind, sind der Übersichtlichkeit halber nur drei Stück dargestellt. Es ist zu erkennen, dass in diesem Ausführungsbeispiel drei Zwischenelemente 5 als Abstandshalter 4 für die Kontaktfederstruktur 7 vorgesehen sind. Die Zwischenelemente 5 sind kreisrunde Metallplättchen, die in einer Ebene parallel zu dem Substrat 3 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Diese Ausgestaltung der Zwischenelemente 5 und ihre Einbettung in die Leiterbahn-Dickschichtpaste 12 wird in der perspektivischen Ansicht nach 4 verdeutlicht, wobei die auf den Zwischenelementen 5 zur Auflage kommende Kontaktfederstruktur weggelassen ist.

1: Baueinheit
2: Positionssensor
3: Substrat
4: Abstandshalter
5: Zwischenelement
6: Bauteil
7: Kontaktfederstruktur
8: Kontaktfeder
9: Bauteil
10: Schweißverbindung
11: Dickschichtpaste
12: Werkstoff
13: Umfang
14: Sinterverbindung
15: Widerstand
16: Permanentmagnet
17: Kontaktfläche
a: Abstand
h: Dicke

Claims

Elektrische Baueinheit, insbesondere elektronisches oder elektromechanisches Bauelement, mit einem ersten, ein Substrat bildenden Bauteil und einem von dem Substrat mittels eines Zwischenelementes in einem vorgegebenen Abstand zu dem Substrat gehaltenen zweiten Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) unmittelbar auf dem Substrat (3) aufliegt und von einem auf dem Substrat (3) angeordneten Werkstoff (12) gehalten wird.
Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) senkrecht zum Substrat (3) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) eine Dicke (h) von nicht mehr als etwa 0,5 mm aufweist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) eine Keramikplatte ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) an seinem gesamten an das Substrat (3) angrenzenden Umfang (13) von dem das Zwischenelement (5) haltenden Werkstoff (12) umgeben ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der das Zwischenelement (5) haltende Werkstoff (12) ein Dickschicht-Leiterbahnwerkstoff ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) mittels einer Sinterverbindung (14) an dem Substrat (3) befestigt ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (9) mittels einer Löt- oder Schweißverbindung (10) mit dem Zwischenelement (5) verbunden ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baueinheit (1) ein magnetischer Positionssensor (2) mit einer unmagnetischen, Kontaktflächen (17) aufweisenden Trägerplatte als Substrat (3), einem metallischen Abstandshalter (4) als Zwischenelement (5), einer Dickschichtpaste als den Abstandshalter (4) haltenden Werkstoff (12) und einer Kontaktfedern (8) zur elektrischen Kontaktierung mit den Kontaktflächen (17) aufweisenden, von dem Abstandselement (4) gehaltenen Kontaktfederstruktur (7) als zweites Bauteil (9) ist.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (3) ein aushärtbarer Werkstoff (12) zum Halten des Zwischenelementes (5) aufgedruckt wird, dass anschließend in den Werkstoff (12) das Zwischenelement (5) eingedrückt wird bis es an dem Substrat (3) zum Anschlag kommt und dass danach der Werk stoff (12) mit dem Substrat (3) und das Zwischenelement (5) mit dem Werkstoff (12) in einem Brennvorgang unlösbar miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (9) an das Zwischenelement (5) angelötet oder angeschweißt wird.