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

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

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DE102006003070B3
DE102006003070B3 DE200610003070 DE102006003070A DE102006003070B3 DE 102006003070 B3 DE102006003070 B3 DE 102006003070B3 DE 200610003070 DE200610003070 DE 200610003070 DE 102006003070 A DE102006003070 A DE 102006003070A DE 102006003070 B3 DE102006003070 B3 DE 102006003070B3
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Andreas Mantovan
Willibald Dr. Schürz
Martin Simmet
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Continental Automotive GmbH
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    • H01L41/293Connection electrodes of multilayered piezo-electric or electrostrictive parts

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. The present invention relates to a method for electrically contacting an electronic component having a plurality of on applying an electric field-responsive material layers and a plurality of electrode layers and in which the individual layers of material are each disposed between two adjacent electrode layers. Ein solches Bauelement aus übereinander und alternierend zueinander gestapelten Schichten von Werkstoffschicht und Elektrodenschicht wird häufig allgemein als Stapel bezeichnet. Such a component from above the other and alternating with each other stacked layers of material layer and electrode layer is often generally referred to as a stack. 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. The now well-known electronic component of this type is generally designated as a piezoelectric stack that is increasingly more as an actuating element in injectors of various types of engines for motor vehicles for use. Die Werkstoffschichten sind bei diesem Piezoaktor Keramikschichten. The material layers are ceramic layers in this piezoelectric actuator.
  • Üblicherweise weist ein solcher Stapel, in Draufsicht betrachtet, einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Typically, such a stack, seen in plan view, a rectangular or square cross-section. Er wird an zwei sich gegenüberliegenden Umfangsseiten elektrisch kontaktiert. It is electrically contacted on two opposite peripheral sides. 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. In order to perform this technologically carefully, the electrode layers have been designed in the past geometrically so that only every second electrode layer to one of the two peripheral sides extend laterally, while the respective other electrode layers do not extend a circumferential side to this. Entsprechendes gilt für die andere Umfangsseite des Stapels analog. The same applies to the other circumferential side of the stack analog. Diese Situation ist in This situation is 1 1 dargestellt, wobei die Bezugszeichen folgende Bedeutung haben: shown, wherein the reference numerals have the following meaning: 1 1 : Stapel, : Stack, 2 2 : Werkstoffschicht (zB Keramik), : Material layer (eg, ceramic), 3 3 , . 4 4 : Elektrodenschichten verschiedener Polarität (im Betrieb), E1, E2: Sammelelektroden. : Electrode layers of different polarity (in operation), E1, E2: collecting electrodes.
  • Aus der From the DE 199 45 933 C1 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. are known as an electronic component in accordance with this invention, a piezoelectric actuator with isolation zone free electrical contact and a method for its production. Bei diesem bekannten Piezoaktor sind Elektrodenflächen allseitig bis an den seitlichen Rand des Stapels geführt, was vorliegend in In this known piezo actuator electrode surfaces are guided on all sides up to the lateral edge of the stack, which in the present case 2 2 ausschnittsweise dargestellt ist. is partial illustrated. Dies hat große Vorteile hinsichtlich Betätigung, Raumbeanspruchung und, daraus resultierend Betriebsverhalten des Bauelements. This has great advantages in terms of operation, bulkiness and, as a result, performance of the device. Nachteilig ist jedoch die dort vorgestellte elektrische Kontaktierung des Elektrodenschicht: jede zweite ( However, a disadvantage is the interface presented in electrical contact with the electrode layer: each second ( 3 3 ) der Elektrodenschichten ) Of the electrode layers 3 3 , . 4 4 ist bezüglich einer der beiden zur Kontaktierung vorgesehenen Seitenflächen des Stapels mit einer zB als Draht ausgeführten Metallisierung M1 verbunden. is connected with respect to one of the two provided for contacting side surfaces of the stack with a, for example embodied as a wire metallisation M1. Die jeweils anderen Elektrodenschichten The respective other electrode layers 4 4 sind auf der anderen der beiden zur Kontaktierung vorgesehenen Seitenflächen des Stapels mit einer weiteren Metallisierung M2 verbunden. the two provided for contacting side surfaces of the stack with a further metallization M2 are connected on the other. 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. Thus, this embodiment of the electrode layers advantageously as such is (uniform distribution of the electric field lines also at the lateral edge of the stack, higher electronic efficiency thanks to larger electric effective faces over 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 even at their production and also to damage in the further use. Für einen Großserieneinsatz ist sie also nur, wenn überhaupt, bedingt tauglich. So for a large-scale production it is only, if at all, of limited use.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel ausgebildeten Bauelements. Object of the present invention is therefore to provide a method for electrically contacting a formed as a stacking device.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. This object is achieved with the features of patent claim 1, advantageous embodiments and further developments are indicated in the subclaims.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. The invention will be further explained with reference to a drawing. Dabei zeigen: They show:
  • die the 1 1 und and 2 2 vorstehend bereits beschriebene, bekannte elektronische Bauelemente, already described above, known electronic components,
  • die the 3 3 ein der one of the D1 199 45933 C1 D1 199 45933 C1 entsprechendes elektronisches Bauelement, abstrakt dargestellt, corresponding electronic component shown abstract,
  • die the 4 4 bis to 6 6 das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende elektronische Bauelement nach Ausführung entsprechender Verfahrensschritte. the produced with the inventive method of electronic component according to embodiments corresponding method steps.
  • Die bereits bekannten Bauelemente, die in den The already known components, which in the 1 1 und and 2 2 dargestellt sind, wurden vorstehend bereits beschrieben. are shown, have already been described above. Die The 3 3 zeigt das der shows the 2 2 entsprechende Bauelement, den Stapel corresponding device, the stack 1 1 , in abstrakter Form, allerdings ohne die in , In abstract form, but without the in 2 2 dargestellte und vorstehend kurz beschriebene elektrische Kontaktierung. illustrated and briefly described above electrical contact. Dargestellt ist lediglich die Schichtenfolge aus Werkstoffschichten It shows only the layer sequence of layers of material 2 2 und Elektrodenschichten and electrode layers 3 3 , . 4 4 . , Bei diesem Stapel In this stack 1 1 sind die Elektrodenschichten the electrode layers 4 4 beidseitig bis an die jeweiligen Ränder des Stapels on both sides up to the respective edges of the stack 1 1 geführt; guided; er dient als Basis für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren. it serves as a basis for the below-described inventive method. Das nachstehend anhand der The below with reference to 4 4 bis to 6 6 beschriebene Verfahren könnte jedoch auch auf die (zeitlich ältere) Ausführungsform eines Stapels however, the method described could also on the (chronologically older) embodiment of a stack 1 1 gemäß according to 1 1 angewandt werden. be applied.
  • Wie in As in 4 4 dargestellt, wird ein Stapel shown, a stack 1 1 , bestehend (zumindest) aus einer Schichtenfolge von Werkstoffschichten Comprising (at least) of a layer sequence of layers of material 2 2 (wie zB einer piezoelektrisch aktiven Keramikschicht) und Elektrodenschichten (Such as a piezoelectrically active ceramic layer) and electrode layers 3 3 bzw. or. 4 4 zunächst an zwei geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen first two geometrically coherent stack peripheral regions 1a 1a und and 1b 1b mit einer jeweiligen Isolationsschicht IS1 bzw. IS2 jeweils teilweise, insbesondere aber auch ganzflächig überzogen. each coated part, but in particular over the whole area with a respective insulation layer IS1 and IS2. Als Isolationsschicht IS1, IS2 können Schichten aus Glas, Keramik oder aus einem temperaturbeständigen Kunststoff aufgebracht werden. As an insulating layer IS1, IS2 layers of glass, ceramic or from a temperature-resistant plastic can be applied. 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. Under temperature-resistant is understood to mean that the plastic material to such temperatures where the electronic component to be manufactured will be exposed to in its subsequent operation is stable. Das Aufbringen der Isolationsschichten IS1, IS2 kann dabei mittels üblicher Siebdruck- oder Spritzgussprozesse erfolgen, denen sich dann wenigstens ein Einbrennprozess anschließt. The application of the insulation layers IS1, IS2 can be carried out by conventional screen printing or injection molding processes, which then followed by at least one baking process.
  • Im weiteren Verfahren sollen, wie aus In another method, are as shown in 5 5 ersichtlich, Kontaktlöcher KL1, KL2 durch die Isolationsschichten IS1, IS2 hindurch zu den jeweiligen Elektrodenschichten apparent contact holes KL1, KL2 through the insulation layers IS1, IS2 through to the respective electrode layers 3 3 , . 4 4 erzeugt werden derart, dass die einen Kontaktlöcher KL1 zu den einen Elektrodenschichten are generated such that the contact holes KL1 to an electrode layers 4 4 führen und dass die anderen Kontaktlöcher KL2 zu den anderen Elektrodenschichten lead and that the other contact holes KL2 to the other electrode layers 3 3 führen. to lead. Als vorbereitende Maßnahme dafür wird zunächst die genaue Position jeder einzelnen der Elektrodenschichten In preparation for this, first the exact position of each of the electrode layers 3 3 , . 4 4 , bezogen auf die Höhe des Stapels , Based on the height of the stack 1 1 , ermittelt. Determined. Dies ist deshalb notwendig, weil die einzelnen Werkstoffschichten This is necessary because the individual layers of material 2 2 nie exakt genau ein und dieselbe Schichtdicke aufweisen, sondern weil diese Schichtdicken innerhalb eines vorgegebenen Toleranzmaßes voneinander verschieden sind. have never exactly exactly one and the same layer thickness, but because these layer thicknesses are different from each other within a predetermined tolerance dimension. Da nun ein fertiges elektronisches Bauelement in der Regel zwischen 300 und 450 Werkstoffschichten Now, as a finished electronic component is usually between 300 and 450 layers of material 2 2 aufweist, lassen sich die exakten Positionen der Elektrodenschichten which can be the exact positions of the electrode layers 3 3 , . 4 4 nicht berechnen, sondern nur ermitteln. do not charge, but only ascertained. Die Kenntnis der exakten Positionen ist jedoch deshalb wichtig, damit sich die Kontaktlöcher KL1, KL2 an den Stirnflächen der Elektrodenschichten However, the knowledge of the exact positions is therefore important to ensure that the contact holes CL1, CL2 at the end faces of the electrode layers 3 3 , . 4 4 exakt mittig bezüglich der Dicke der jeweiligen Elektrodenschicht exactly centered with respect to the thickness of the respective electrode layer 3 3 bzw. or. 4 4 erzeugen lassen. can be generated. Diese Positionen können beispielsweise mittels allgemein üblicher optischer Messverfahren ermittelt werden. These positions may be determined for example by means of a generally conventional optical measurement methods.
  • Daran anschließend werden erste Kontaktlöcher KL1 durch die eine Isolationsschicht IS1 hindurch zu den einen Elektrodenschichten Thereafter, first contact holes KL1 by an insulating layer IS1 be passed to an electrode layers 4 4 hin erzeugt, wobei die Positionen der einen Elektrodenschichten generated out the positions of the electrode layers a 4 4 ja bereits bekannt sind, wie vorstehend erläutert. yes are already known, as described above. Weiterhin werden zweite Kontaktlöcher KL2 durch die andere Isolationsschicht IS2 hindurch zu den anderen Elektrodenschichten Further, second contact holes are KL2 through the other insulating layer IS2 through to the other electrode layers 3 3 hin erzeugt. generated out. Auch deren Positionen sind ja bereits bekannt. And their positions are already known. Die Kontaktlöcher KL1, KL2 werden in ihrem Durchmesser vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass dieser Durchmesser maximal einem Viertel der Dicke einer Werkstoffschicht The contact holes KL1, KL2 are dimensioned in their diameter advantageously so that this diameter is a maximum of a quarter of the thickness of a layer of material 2 2 entspricht. equivalent. Die Kontaktlöcher KL1, KL2 werden zB mittels Laserstrukturieren erzeugt. The contact holes KL1, KL2 are generated for example by means of laser patterning. Sie können aber auch mittels allgemein üblicher chemischer oder elektrochemischer Verfahren erzeugt werden. but they can also be produced by generally customary chemical or electrochemical method. 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. During the patterning by means of laser, it is advantageous to carry this out by means of so-called ultra short pulse lasers that are known to be in the range of femtoseconds to picoseconds, optionally also nanoseconds, operated. 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. The resulting heat acts only on those portions of the insulation layers IS1, IS2 one in which the contact holes KL1, KL2 are to be produced, but not adjacent to corresponding areas. Die entstehenden Kontaktlöcher KL1, KL2 sind dann an ihren Oberflächenkanten auch entsprechend scharfkantig. The resulting contact holes KL1, KL2 are then correspondingly sharp edges on their surface edges. 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 It is also advantageous to use such kinds of laser beams at the material to be removed of the insulating layers IS1, IS2 have a significantly higher rate than the structuring material of the electrode layers 3 3 , . 4 4 und/oder beim Material der Werkstoffschichten and / or in a material of the material layers 2 2 . , Damit lässt sich weitgehend vermeiden, dass die Elektrodenschichten So that the electrode layers can be avoided to a large extent, 3 3 , . 4 4 und/oder die Werkstoffschichten and / or the material layers 2 2 beim Strukturieren der Isolationsschichten IS1, IS2 angegriffen werden. in patterning the insulating layers IS 1, IS2 are attacked.
  • Abschließend werden beide Isolationsschichten IS1, IS2 vorzugsweise ganzflächig mit einem elektrisch leitenden Material EL wie zB einer Metallschicht, insbesondere einer Lotschicht, oder einem elektrisch leitenden Kleber überzogen. Finally, both insulating layers IS1, IS2 preferably over the entire surface coated with an electrically conductive material such as a metal EL layer, in particular a solder layer, or an electrically conductive adhesive. Dabei werden auch die Kontaktlöcher KL1, KL2 mit dem elektrisch leitenden Material EL gefüllt, so dass die Elektrodenschichten In this case also, the contact holes KL1, KL2 are filled with the electrically conductive material EL, so that the electrode layers 3 3 , . 4 4 elektrisch kontaktiert sind. are electrically contacted. 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. The electrically conductive material EL is then available for an electrical connection of the electronic component to an electrical voltage in the form of two mutually electrically insulated bus electrodes E1 and E2 are available.

Claims (7)

  1. Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines als Stapel ( A method of electrically contacting a (as a stack 1 1 ) ausgebildeten elektronischen Bauelements, welches aus einer Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten ( ) Formed on the electronic component, which (from a plurality of responsive to applying an electric field material layers 2 2 ) und einer Mehrzahl von Elektrodenschichten ( ) And a plurality of electrodes (layers 3 3 , . 4 4 ) gebildet ist, wobei jede Werkstoffschicht ( is formed), each layer of material ( 2 2 ) zwischen zwei der Elektrodenschichten ( ) (Between two of the electrode layers 3 3 , . 4 4 ) angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aufbringen einer jeweiligen Isolationsschicht (IS1, IS2) auf einen jeweiligen ( ) Is arranged, characterized by the following process steps: - applying a respective insulation layer (IS1, IS2) (to a respective 1a 1a , . 1b 1b ) von zwei geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen ( ) Of two geometrically non-coherent stack circumferential areas ( 1a 1a , . 1b 1b ) des Stapels ( () Of the stack 1 1 ), – Ermitteln der genauen Position einer jeweiligen der Elektrodenschichten ( ) - Determine the exact position of each of the electrode layers ( 3 3 , . 4 4 ) entlang der Stapelumfangsbereiche ( ) Along the stack circumferential regions ( 1a 1a , . 1b 1b ) – Erzeugen von ersten Kontaktlöchern (KL1) durch die erste Isolationsschicht (IS) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu jeder zweiten ( ) - generating first contact holes (KL 1) through the first insulating layer (IS) of the insulating layers (IS1, IS2) (toward each second 4 4 ) der Elektrodenschichten ( () Of the electrode layers 3 3 , . 4 4 ) mittels Laserstrukturieren, – Erzeugen von zweiten Kontaktlöchern (KL2) durch die zweite (IS2) der Isolationsschichten (IS1, IS2) hin zu den verbleibenden ( ) By means of laser structuring, - generating second contact holes (KL2) by the second (IS2) of the insulating layers (IS1, IS2) (toward the remaining 3 3 ) der Elektrodenschichten ( () Of the electrode layers 3 3 , . 4 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. ) Also with laser structuring, and - at least substantially over the entire surface covering the insulating layers (IS1, IS2) with an electrically conductive material (EL), wherein the contact holes (KL1, KL2) also (with the electrically conductive material EL) to be filled.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsschichten (IS1, IS2) Schichten aus Glas, Keramik oder temperaturbeständigem Kunststoff aufgebracht werden. A method according to claim 1, characterized in that as insulating layers (IS1, IS2) layers of glass, ceramic or heat resistant polymer are applied.
  3. 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. A method according to claim 1 or 2, characterized in that deposition of the insulating layers (IS1, IS2) by a screen printing process or an injection molding process takes place, which then followed by at least one baking process.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der jeweiligen Elektrodenschichten ( Method according to one of the preceding claims, characterized in that the positions of the respective electrode layers ( 3 3 , . 4 4 ) bezüglich der Höhe des Stapels ( ) (With respect to the height of the stack 1 1 ) mittels eines optischen Messverfahrens ermittelt werden. ) Are determined by means of an optical measurement method.
  5. 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 in that the laser patterning by ultrashort pulse lasers is such that the removal of material is limited solely to the region where the contact holes (KL1, KL2) to be generated.
  6. 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 ( Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser irradiation is in laser patterning adjusted so that with respect to the insulating layers (IS1, IS2) a significantly higher structuring rate is adjusted as with respect to the among the insulating layers (IS1, IS2) disposed layers of material ( 2 2 ) und oder Elektrodenschichten ( ) And or electrode layers ( 3 3 , . 4 4 ). ).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlöcher (KL1, KL2) anstelle durch Laserstrukturieren chemisch oder elektrochemisch erzeugt werden. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the contact holes (KL1, KL2) are produced chemically or electrochemically instead of by laser patterning.
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