DE102006060978A1

DE102006060978A1 - SMD-Bauelement

Info

Publication number: DE102006060978A1
Application number: DE102006060978A
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: DE102006060978B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein SMD-Bauelement mit einer ersten Seite, welche eine metallische Oberfläche aufweist, und mit einer zweiten Seite, welche zur Kontaktierung wenigstens eine von der ersten Seite elektrisch isolierte Kontaktstelle aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein SMD-Bauelement, auf eine Vorrichtung mit einem derartigen SMD-Bauelement, auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung sowie auf eine Verwendung eines derartigen SMD-Bauelements.
Obwohl auf beliebige SMD-Bauelemente und zugeordnete Vorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf ein SMD-Temperaturmesselement in einem Strömungswächter näher erläutert.
SMD-Temperaturmesselemente sind oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD) zur Temperaturmessung und weisen dazu wenigstens ein Widerstandselement auf. Der Widerstand des Widerstandselements ist abhängig von einer zu messenden Temperatur.
In Strömungswächtern werden solche SMD-Temperaturmesselemente zur Erfassung einer Strömungsrichtung und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums verwendet. Ein allgemein bekannter Strömungswächter weist ein Messgerätgehäuse mit einem Messfortsatz auf, welcher durch die Wandung eines Rohrs hindurch in dieses einschraubbar ist. Der Messvorsatz taucht im eingeschraubten Zustand in ein in dem Rohr strömendes Medium ein. Der Messfortsatz weist ein erstes Temperaturmesselement, ein Heizelement und ein zweites Temperaturmesselement auf. Diese sind jeweils auf eine Seite einer Trägerfolie aufgebracht, wobei die Trägerfolie Leiterbahnen aufweist, mittels der die Temperaturmesselemente und das Heizelement mit einer Auswerteelektronik verbunden sind. Auf der anderen Seite ist die Trägerfolie jeweils in den dem Heizelement und den Temperaturmesselementen gegenüberliegenden Bereichen mittels Wärmeleitpaste an einer inneren Gehäusewand des Messfortsatzes angebracht. Der Be reich der Gehäusewand, welcher mit der Wärmeleitpaste in Kontakt ist, bildet dabei einen Kopplungsabschnitt, durch den Wärme von der Gehäusewand in das Temperaturmesselement eingekoppelt wird. Ferner ist das zweite Temperaturmesselement von dem ersten Temperaturmesselement und dem Heizelement derart beabstandet angeordnet, dass das erste Temperaturmesselement eine durch das Heizelement und durch das strömende Medium bestimmte Temperatur misst, während das zweite Temperaturmesselement eine lediglich durch das strömende Medium, jedoch nicht durch das Heizelement bestimmte Temperatur misst. Aus der Temperaturdifferenz zwischen der von dem ersten Temperaturmesselement gemessenen Temperatur und der von dem zweiten Temperaturmesselement gemessenen Temperatur lässt sich auf die Strömungsrichtung und/oder auf die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums schließen.
Die Messgenauigkeit eines Strömungsmessers hängt insbesondere von einer hohen Wärmeleitfähigkeit zwischen dem strömenden Medium und den Temperaturmesselementen ab. Problematisch bei dem beschriebenen Strömungswächter ist, dass die Wärmeleitpaste eine, beispielsweise im Vergleich zu Lot, geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ferner ist die Trägerfolie, die ebenfalls von einer geringen Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist, zwischen den Temperaturmesselementen und dem strömenden Medium angeordnet. Diese führt zu einer weiteren Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem strömenden Medium und den Temperaturmesselementen. Eine solche reduzierte Wärmeleitfähigkeit resultiert in einer niedrigen Messgenauigkeit des Strömungsmessers und führt letztlich zu falschen Messergebnissen bezüglich der Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besseres SMD-Bauelement bereitzustellen, welches insbesondere eine höhere Messgenauigkeit bei einer Temperaturmessung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser Aufgaben durch SMD-Bauelemente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder Patentanspruchs 33 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 und/oder durch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30 und/oder durch eine Verwendung des SMD-Bauelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 32 gelöst.
Demgemäß wird ein SMD-Bauelement mit einer ersten Seite, welche eine metallische Oberfläche aufweist, und mit einer zweiten Seite, welche zur Kontaktierung wenigstens eine von der ersten Seite elektrisch isolierte Kontaktstelle aufweist, bereitgestellt.
Ferner wird ein SMD-Bauelement, mit wenigstens einem elektrischen Bauteil, mit einem elektrisch isolierenden Trägerelement, welches auf einer ersten oder zweiten Seite das wenigstens eine elektrische Bauteil trägt, mit wenigstens zwei ersten Lot aufweisenden Kontaktstellen, welche auf der ersten Seite des Trägerelements angeordnet sind, welche mit Anschlüssen des wenigstens einen elektrischen Bauteils elektrisch verbunden sind und welche zur Oberflächenmontage des SMD-Bauelement auf einer Leiterbahnstruktur ausgebildet sind, wobei das Trägerelement auf einer zweiten Seite eine metallische Oberfläche zum Auflöten des SMD-Bauelements auf einen Kupplungsabschnitt aufweist, bereitgestellt.
Weiterhin wird eine Vorrichtung, insbesondere ein Temperaturmessgerät, Strömungswächter, Ultraschallgeber oder Ultraschallempfänger mit einem Kopplungsabschnitt, welcher Metall aufweist, und mit wenigstens einem derartigen SMD-Bauelement, wobei die metallische Oberfläche an dem Kopplungsabschnitt verlötet ist, bereitgestellt.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung mit folgenden Schritten bereitgestellt: Bereitstellen eines derartigen SMD-Bauelement, Bereitstellen einer Leiterbahnstruktur und Auflöten des SMD-Bauelements auf die Leiterbahnstruktur.
Ferner wird eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen SMD-Bauelements zum Heizen eines Kopplungsabschnitts einer Vorrichtung bereitgestellt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass das SMD-Bauelement an seiner ersten Seite direkt auf einen Kopplungsabschnitt, beispielsweise einer Messvorrichtung, auflötbar ist und an seiner zweiten Seite direkt auf einer Leiterbahnstruktur oberflächenmontierbar ist. Im Falle einer Verwendung des SMD-Bauelements als SMD-Temperaturmesselement, wie bei dem oben beschriebenen Ansatz, ist dieses damit im aufgelöteten Zustand nicht mehr durch eine Trägerfolie und eine Wärmeleitpaste von dem Kopplungsabschnitt beabstandet angebracht, sondern direkt mit diesem Stoff schlüssig verbunden. Die Wärmeleitpaste wird nicht mehr benötigt. Vielmehr ist das SMD-Bauelement mittels wesentlich leitfähigerem Lot an dem Messabschnitt befestigt. Dies führt zu einer insgesamt wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit zwischen dem strömenden Medium und dem SMD-Bauelement.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen SMD-Bauelements besteht in seiner schnellen Montierbarkeit. Im Vergleich zu Wärmeleitpaste härtet Lot schnell aus. Dadurch lässt sich die Prozesszeit bei der Montage solcher SMD-Bauelemente deutlich verkürzen, was zu einer Prozesskosteneinsparung führt.
Aus den Unteransprüchen in Zusammenschau mit den beiliegenden Figuren ergeben sich vorteilhafte Ausführungsformen, Weiterbildungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen SMD-Bauelements ist die wenigstens eine Kontaktstelle und/oder die metallische Oberfläche lötfähig ausgebildet. Mit "lötfähig" ist vorliegend gemeint, dass die Kontaktstelle und/oder die metallische Oberfläche Lot aufweisen. Das Lot kann dabei beispielsweise als Beschichtung der metallischen Oberfläche oder auch als Lötbump, wie er beispielsweise für das Reflow-Löten zweckmäßig ist, vorgesehen sein. Eine solche lötfähige Ausbildung der Kontaktstelle beziehungsweise der metallischen Oberfläche erlaubt eine sehr schnelle und einfache Montage des SMD-Bauelements. Beispielsweise kann das SMD-Bauelement sehr einfach an einem insbesondere metallischen Kopplungsabschnitt einer Messvorrichtung angelötet werden, ohne dass Zusatzlot benötigt wird.
Bei einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel des SMD-Bauelements ist dieses mit einem elektrischen Bauteil versehen, welches mit der wenigstens einen Kontaktstelle elektrisch leitend verbunden ist. Somit können eine Vielzahl von Funktionen, beispielsweise das Messen einer Temperatur mittels des SMD-Bauelements realisiert werden. Selbstverständlich können auch mehrere Kontaktstellen auf der zweiten Seite vorgesehen sein, die dann beispielsweise mit den jeweiligen Anschlüssen des elektrischen Bauteils verbunden sind. Weiterhin ist es selbstverständlich, dass auch mehrere elektrische Bauteile vorgesehen sein können.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements, weist das elektrische Bauteil einen elektrischen Widerstand auf, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von einer Temperatur eines Kopplungsabschnitts verändert. Dies erlaubt eine sehr einfache und genaue Messung einer Temperatur des Kopplungsabschnitts.
Unter einem "Kopplungsabschnitt" ist in dieser Patentanmeldung ein solcher Bereich gemeint, über welchem Signale, beispielsweise ein Wärmefluss, in das SMD-Bauelement einkoppelbar sind und/oder Signale, beispielsweise ein Ultraschallsignal, von dem SMD-Bauelement dem Bereich zuführbar sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Widerstand eine positive Charakteristik auf. Das bedeutet, dass der Widerstand mit einer Temperaturerhöhung zunimmt.
Vorzugsweise weist der Widerstand Platin oder eine Platinlegierung auf. Solche Widerstandselemente, auch als PT-Elemente bezeichnet, weisen eine sehr lineare Temperaturabhängigkeit des Widerstands über ein vergleichsweise großen Messbereich auf.
Weiterhin bevorzugt ist das Widerstandselement mäanderförmig ausgebildet. Mittels der Mäanderform lässt sich platzsparend eine bessere Temperaturmessung erzielen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements ist das elektrische Bauteil als Ultraschallsensor und/oder Ultraschallgeber ausgebildet. Die Ultraschallerzeugung kann dabei beispielsweise über einen Piezoelektrischen Quarz- oder Keramikschwinger, an welchem eine Wechselspannung angelegt wird, vorgesehen sein.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements weist ein elektrisch isolierendes Trägerelement die erste und zweite Seite auf. Bevorzugt weist das Trägerelement dabei ein Epoxidmaterial und/oder ein Keramikmaterial auf. Solche Trägerelemente schaffen eine wirksame elektrische Isolation der metallischen Oberfläche von der wenigstens eine Kontaktstelle. Zusätzlich weisen sie die notwendige Robustheit zum Tragen beispielsweise des elektrischen Bauteils auf. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Keramikmaterial sorgt für eine geringe Ansprechzeit bei Anwendungen des SMD-Bauelements als Temperatursensor, das heißt, Temperaturveränderungen des Kopplungsabschnitts sind innerhalb kürzester Zeit mittels des Widerstandselements messbar.
Bei einer weiter bevorzugten Weiterbildung des SMD-Bauelements trägt das elektrisch isolierende Trägerelement auf seiner ersten oder zweiten Seite das elektrische Bauteil. Damit ergibt sich ein robuster Aufbau des SMD-Bauelements.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des SMD-Bauelements liegt die zweite Seite der ersten Seite, insbesondere parallel gegenüber. Dies begünstigt insbesondere in dem Fall, dass das SMD-Bauelement zur Temperaturmessung ausgebildet ist, die Wär meleitung von dem Kopplungsabschnitt zu dem Widerstandselement und reduziert somit die Ansprechzeit des Widerstandselements.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements bilden die erste Seite und die zweite Seite einen Winkel von etwa 90°. Dies kann unter bestimmten geometrischen Beschränkungen vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine weitere Kontaktstelle auf der zweiten Seite vorgesehen, welche mit der metallischen Oberfläche elektrisch leitend verbunden ist. Die weitere Kontaktstelle kann dabei unkontaktiert und/oder durchkontaktiert mit der metallischen Oberfläche elektrisch leiten verbunden sein. Eine solche weitere Kontaktstelle kann beispielsweise einfach als Null-Leiter dienen. Eine Um- und/oder Durchkontaktierung vereinfacht eine spätere SMD-Montage des SMD-Bauelements erheblich. Die weitere Kontaktstelle ist vorzugsweise auch lötfähig ausgebildet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements ist eine Passivierungsschicht, insbesondere eine Glaspassivierungsschicht, auf dem elektrischen Bauteil angeordnet. Die Passivierungsschicht schützt das elektrische Bauteil vor mechanischen und/oder elektrischen Einwirkungen.
Gemäß einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die wenigstens eine und/oder weitere Kontaktstelle zur Oberflächenmontage des SMD-Bauelements auf einer Leiterbahnstruktur ausgebildet. Dies erlaubt eine sehr rationelle Montage des SMD-Bauelements.
Unter einer "Leiterbahnstruktur" sei in dieser Patentanmeldung vorzugsweise eine Platine, Flexiprint oder Leiterfilm, jeweils mit Leiterbahnen zu verstehen.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des SMD-Bauelements weist die eine und/oder weitere Kontaktstelle Lot auf, welches sich in seiner Schmelztemperatur von der Schmelztemperatur des Lots der metallischen Oberfläche unterscheidet. Vorzugsweise ist dabei die Schmelztemperatur des Lot der metallischen Oberfläche niedriger zu wählen, als die des Lots der Kontaktstellen. Dies verhindert ein Aufschmelzen und damit mögliches Lösen des SMD-Bauelements von der Leiterbahnstruktur während einer Montage des SMD-Bauelements an einem Kopplungsabschnitt, wobei das Lot der metallischen Oberfläche zum Verbinden des SMD-Bauelements mit dem Kopplungsabschnitt aufgeschmolzen wird.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das SMD-Bauelement auf einer als Flexiprint oder als Leiterfilm ausgebildete, flexible Leiterbahnstruktur gelötet. Mittels einer solchen flexiblen Leiterbahnstruktur lässt sich das SMD-Bauelement, beispielsweise beabstandet von einer Steuereinrichtung an einem Kopplungsabschnitt anlöten. Die flexible Leiterbahnstruktur erlaubt insbesondere eine einfache Montage des SMD-Bauelements an geometrisch schwer zugänglichen Positionen, insbesondere innerhalb einer Messvorrichtung.
Bei einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Kopplungsabschnitt wenigstens in dem Bereich, in welchem er mit dem SMD-Bauelement verlötet ist, eine lötfähige Beschichtung auf. Eine solche lötfähige Beschichtung erleichtert ein Auflöten des SMD-Bauelements auf den Kopplungsabschnitt. Vorzugsweise weist die Beschichtung Kupfer oder Kupferlegierung auf, welches gute Löteigenschaften besitzt. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Kopplungsabschnitt unterhalb der lötfähigen Beschichtung eine Sperrschicht auf. Die Sperrschicht weist vorzugsweise Nickel oder Nickellegierung auf. Solche Sperrschichten verhindern eine Korrosion des Messabschnitts und bilden eine bevorzugte Haftschicht für die metallische Oberfläche.
Weiter bevorzugt weist die Sperrschicht eine Dicke im Bereich zwischen 0,4 bis 2 μm auf. Solche Dicken der Haftschicht gewährleisten einen ausreichenden Korrosionsschutz bei geringem zusätzlichen Materialaufwand.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Metall einen Edelstahl auf. Solche Vorrichtungen eignen sich bedingt durch ihre hohe Korrosionsbeständigkeit besonders gut für Messungen in chemisch-aggressiven Strömungen, beispielsweise in Abwasserrohren.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Gehäuse vorgesehen, welches den Kopplungsabschnitt aufweist. Die Anbringung des SMD-Bauelements innerhalb eines Gehäuses hat den Vorzug, dass das SMD-Bauelement hier, insbesondere vor chemischen und mechanischen Einflüssen geschützt untergebracht ist.
Bei einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche dem SMD-Bauelement zum Heizen des Kopplungsabschnitts Strom zuführt. Mittels dieser Heizeinrichtung lässt sich die Heizfunktion beispielsweise alternativ oder zusätzlich zu einer Messfunktion des SMD-Bauelements ausbilden. Die Heizeinrichtung ist dabei vorzugsweise mittels der flexiblen Leiterbahnstruktur mit einem Widerstandselement des SMD-Bauelements elektrisch gekoppelt.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Messeinrichtung vorgesehen, welche den elektrischen Widerstand des SMD-Bauelements misst. Mittels der Messeinrichtung lässt sich folglich eine Messfunktion des SMD-Bauelements ausbilden. Die Messeinrichtung ist dabei vorzugsweise mittels der flexiblen Leiterbahnstruktur mit dem Widerstandselement elektrisch gekoppelt. Selbstverständlich lässt sich das Widerstandselement auch entsprechend durch beispielsweise einen Ultraschallsensor oder -geber ersetzen. Die Messeinrichtung kann dann dementsprechend angepasst werden, also beispielsweise zum ansteuern des Ultraschallgebers.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens weist der Kopplungsabschnitt eine dem SMD-Bauelement zugewandte Seite, an welcher das SMD-Bauelement anzulöten ist und eine von diesem abgewandten Seite auf, wobei die Wärme zum Auflöten des SMD-Bauelements von der abgewandten Seite her zugeführt wird. Mittels dieses Verfahrensschrittes kann ein umständliches Lötverfahren, wie beispielsweise die Zuführung von Wärme mittels eines Lötkolbens, welcher zwischen dem Kopplungsabschnitt und dem SMD-Bauelement gehalten wird, was in vielfach geometrisch beengten Vorrichtungen erhebliche Handhabungsprobleme bedeutet, vermieden werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 schematisch eine Schnittansicht eines Kopplungsabschnitts mit einem SMD-Temperaturmesselement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 schematisch eine Schnittansicht eines Kopplungsabschnitts mit einem SMD-Temperaturmesselement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente und Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Kopplungsabschnitts 1 und eines als SMD-Temperaturmesselement 2 ausgebildeten SMD-Bauelements gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das SMD-Temperaturmesselement 2 ist mittels Oberflächenmontagetechnik (SMD-Technologie) auf Leiterbahnen 3, 4, 5 einer flexiblen Leiterfolie 6 aufgelötet. Dazu sind zwei erste Kontaktstellen 7, 8 auf die Leiterbahnen 4 bzw. 5 aufgelötet. Die ersten Kontaktstellen 7, 8 weisen dazu wenigstens teilweise aus Lot auf und sind rückseitig mit gegenüberliegenden Enden eines mäanderförmigen Platinwiderstandselements 9 elektrisch leitend verbunden. Das Platinwiderstandselement 9 ist auf der Oberseite 11 eines Keramikträgers 12 aufgebracht.
Weiterhin weist die Oberseite 11 des Keramikträgers 12 eine zweite Kontaktstelle 13, die ebenfalls wenigstens teilweise aus Lot ausgebildet und mit der Leiterbahn 3 vorderseitig verlötet ist. Rückseitig ist die zweite Kontaktstelle 13 mit einem Ende einer Umkontaktierung 14 verbunden. An ihrem anderen Ende ist die Umkontaktierung 14, welche entlang der Funktionsisolierung 14a, hier die Kante des Keramikträgers 12, verläuft, mit einer Metallisierung 16 und/oder einer Lotschicht 15, vorzugsweise aus Kupferlötzinn, elektrisch leitend verbunden. Die Lotschicht 15 ist dabei flächig auf einer die Metallisierung 16 aufweisenden Unterseite 17 des Keramikträgers 12 gegenüberliegend der Oberseite 11 aufgebracht. Hier bedecken die Lotschicht 15 sowie die Metallisierung 16 die gesamte Unter seite 17. Alternativ können diese die Unterseite 17 auch nur teilweise abdecken oder auch bestimmte Muster bzw. verschiedene Umrisse, beispielsweise rund oder polygonförmig aufweisen. Das Lot der ersten Kontaktstellen 7, 8 und der zweiten Kontaktstelle 13 weisen eine höhere Schmelztemperatur auf, als das Lot der lötfähigen Schicht 15.
Eine Glaspassivierungsschicht 10 ist oberseitig auf dem Platinwiderstandselement 9, angrenzend an erste Kontaktstellen 7, 8 aufgebracht. Die Glaspassivierungsschicht 10 schafft eine elektrische Isolation des Platinwiderstandselement 9 gegenüber der Leiterfolie 6.
Die Lotschicht 15 ist auf eine lötfähige Beschichtung 19, vorzugsweise aus Kupfer, aufgelötet. Die lötfähige Beschichtung 19 haftet dabei mittels einer Sperrschicht 20 aus Nickel an einem Edelstahlgehäuseabschnitt 21 einer Messvorrichtung 23, wie gezeigt in 3.
Für eine möglichst geringe Ansprechzeit des Platinwiderstandselements 9 sowie eine hohe Robustheit bei guter Handhabbarkeit kommt der Dimensionierung der verschiedenen Komponenten des SMD-Temperaturmesselements 2 eine große Bedeutung zu. Die Dicke 25 des Keramikträgers 12, insbesondere aus Aluminiumoxid, beträgt vorzugsweise zwischen 250 und 600 μ. Die Dicke des Platinwiderstandselements 9 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 μ. Die Dicke 26 der Glaspassivierung weist eine Dicke zwischen 5 und 50 μ auf.
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Kopplungsabschnitts 1 mit einem SMD-Temperaturmesselement 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das SMD-Temperaturmesselement 2 unterscheidet sich von dem aus 1 lediglich durch die Anordnung des Platinwiderstandselements 9 und der Passivierungsschicht 10. Diese sind gemäß diesem weiteren Ausführungsbeispiel auf der Unterseite 17 und nicht auf der Oberseite 11 des Keramikträgers 12 wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel angebracht. Weiterhin weist der Keramikträger 12 Durchkontaktierungen 22a und 22b auf, welche die Kontaktstellen 7 und 8 auf der Oberseite 11 beispielsweise mittels Lot 24a und 24b mit den jeweiligen Enden des Platinwiderstandselements 9 elektrisch leitend verbinden. Selbstverständlich kann auch hier eine Umkontaktierung 14 entsprechend dem vorherigen Ausführungsbeispiel vorgesehen sein.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt einer als Strömungswächter ausgebildeten Messvorrichtung 23 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Messvorrichtung 23 weist das SMD-Temperaturmesselement 2 aus 1 oder 2 sowie ein erstes und zweites weiteres SMD-Temperaturmesselement 31, 32, welche in ihrem Aufbau dem SMD-Temperaturmesselement 2 entsprechen, auf. Die SMD-Temperaturmesselement 31, 32 sind ausreichend von dem SMD-Temperaturmesselement 2 beabstandet sind, um eine thermische Trennung zwischen dem SMD-Temperaturmesselement 2 und dem ersten und zweiten weiteren SMD-Temperaturmesselement 31, 32 zu schaffen.
Eine Mess- und Heizeinrichtung 33 ist mittels der Leiterfolie 6 mit dem SMD-Temperaturmesselement 2 und den weiteren SMD-Temperaturmesselementen 31, 32 elektrisch verbunden. Die Mess- und Heizeinrichtung 33 ist dazu ausgebildet, das SMD-Temperaturmesselement 2 und das erste weitere SMD-Temperaturmesselement 31 mit einem Messsignal zu beaufschlagen, mittels welchem der Widerstand der jeweiligen Widerstandselemente 9 in dem SMD-Temperaturmesselement 2 und dem ersten weiteren SMD-Temperaturmesselement 31 gemessen werden. Ferner ist die Mess- und Heizeinrichtung 33 dazu ausgebildet, das zweite weitere SMD-Temperaturmesselement 32 mit einem Heizstrom zu beaufschlagen, so dass dieses einem weiteren Kopplungsabschnitt 34 Wärme zuführt.
Mittels des SMD-Temperaturmesselements 2 wird die Temperatur eines Flüssigkeitsstroms 36, welcher an dem dargestellten Abschnitt der Messvorrichtung 23 vorbeifließt, gemessen. Das erste weitere SMD-Temperaturmesselement 31 misst die Temperatur des weiteren Kopplungsabschnitts 34, welcher im Wesentlichen thermisch von dem Kopplungsabschnitt 1 getrennt ist. Die in den weiteren Kopplungsabschnitt 34 eingeleitete Wärme wird in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms 36 von der Messvorrichtung 23 abgeführt. Aus der Temperaturdifferenz zwischen der von dem SMD-Temperaturmesselement 2 und dem ersten weiteren SMD-Temperaturmesselement 31 gemessenen Temperatur wird dann mittels der Mess- und Heizeinrichtung 33 die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrom 36 berechnet.
Zum Auflöten der SMD-Temperaturmesselemente 2, 31, 32 werden diese mit ihrer die Lotschicht 15 aufweisenden Unterseite 17 mit der Innenseite 37 des Gehäuses 21 in Anlage gebracht. Daran anschließend wird ein Lötkolben an die Außenseite 38 des Gehäuses 21 gehalten, bis die lötfähige Schicht 15 mit der lötfähigen Beschichtung 19 des Kopplungsabschnitts 1 bzw. 34 verschmilzt.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch auf das zweite weitere SMD-Temperaturmesselement 32 verzichtet werden. Das erste weitere SMD-Temperaturmesselement 31 wird dann abwechselnd zum Heizen des weiteren Kopplungsabschnitts 34 oder zum Messen der Temperatur des weiteren Kopplungsabschnitts 34 mittels der Mess- und Heizeinrichtung 33 betrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Der Einsatzbereich der beschriebenen erfindungsgemäßen SMD-Bauelemente ist vielseitig. Sie können beispielsweise überall dort eingesetzt werden, wo eine Temperaturmessung an einem lötfähigen, insbesondere metallischem, Messobjekt erforderlich ist und Temperaturmesselemente in SMD-Bauweise zu montieren sind. Beispiele für solche Anwendungen sind: die Temperaturmessung an einem Verbrennungs- oder Elektromotor oder auch im PC-Bereich zur Messung einer Gehäusetemperatur.
Andere Anwendungen umfassen beispielsweise ein Auflöten der SMD-Bauelemente auf einen Kopplungsabschnitt zum Einleiten eines Ultraschallsignals in diesen. Das Platinelement ist dann als Ultraschallgeber ausbildet.

1: Kopplungsabschnitt
2: SMD-Temperaturmesselement
3, 4, 5: Leiterbahnen
6: Leiterfolie
7, 8: erste Kontaktstellen
9: Platinwiderstandselement
10: Glaspassivierung
11: Oberseite
12: Keramikträger
13: zweite Kontaktstelle
14: Umkontaktierung
14a: Funktionsisolierung
15: Lotschicht
16: Metallisierung
17: Unterseite
19: lötfähige Beschichtung
20: Sperrschicht
21: Edelstahlgehäuse
23: Messvorrichtung
25: Trägerelementdicke
26: Dicke der Glaspassivierung
27: Dicke der ersten und/oder zweiten Kontaktstellen
28: Spaltbreite
29: Spalt
31: erstes weiteres SMD-Temperaturmesselement
32: zweites weiteres SMD-Temperaturmesselement
33: Mess- und Heizeinrichtung
34: weiterer Messabschnitt
36: Flüssigkeitsstrom
37: zugewandte Seite
38: abgewandte Seite

Claims

SMD-Bauelement (2, 31, 32), – mit einer ersten Seite (17), welche eine metallische Oberfläche (16) aufweist, und – mit einer zweiten Seite (11), welche zur Kontaktierung wenigstens eine von der ersten Seite (17) elektrisch isolierte Kontaktstelle (7, 8) aufweist.
SMD-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontaktstelle (7, 8) und/oder die metallische Oberfläche (16) lötfähig ausgebildet ist.
SMD-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Bauteil (9) vorgesehen ist, welches mit der wenigstens einen Kontaktstelle (7, 8) elektrisch leitend verbunden ist.
SMD-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (9) einen elektrischer Widerstand aufweist, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von einer Temperatur eines Kopplungsabschnitts (1, 34) verändert.
SMD-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand eine positive Charakteristik aufweist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (9) Platin oder eine Platinlegierung aufweist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (9) mäanderförmig ausgebildet ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (9) als Ultraschallsensor und/oder Ultraschallgeber ausgebildet ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierendes Trägerelement (12) die erste und zweite Seite (11; 17) aufweist.
SMD-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierenden Trägerelement (12) auf seiner ersten oder zweiten Seite (11, 17) das elektrische Bauteil (9) trägt.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberfläche (16) zum Auflöten des SMD-Bauelements (2, 31, 32) auf einen Kopplungsabschnitt (1, 34) ausgebildet ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite (17) der ersten Seite (11), insbesondere parallel gegenüberliegt.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Seite (11) und zweite Seite (17) einen Winkel von etwa 90° bilden.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Kontaktstelle (13) auf der zweiten Seite (11) vorgesehen ist, welche mit der metallischen Oberfläche (16) elektrisch leitend verbunden ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passivierungsschicht (10), insbesondere eine Glaspassivierungsschicht, auf dem elektrischen Bauteil (9) angeordnet ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine und/oder weitere Kontaktstelle (7, 8) zur Oberflächenmontage des SMD-Bauelement (2, 31, 32) auf einer Leiterbahnstruktur (6) ausgebildet ist.
SMD-Bauelement nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die eine und/oder weitere Kontaktstelle (7, 8; 13) Lot aufweist, welches sich in seiner Schmelztemperatur von der Schmelztemperatur des Lots der metallischen Oberfläche (16) unterscheidet.
Vorrichtung (23), insbesondere Temperaturmessgerät, Strömungswächter, Ultraschallgeber oder Ultraschallempfänger, – mit einem Kopplungsabschnitt (1, 34), welcher Metall aufweist, und – mit wenigstens einem SMD-Bauelement (2, 31, 32) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 17, wobei die metallische Oberfläche (16) an dem Kopplungsabschnitt (1, 34) verlötet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das SMD-Bauelement (2, 31, 32) auf eine als Flexiprint oder als Leiterfilm ausgebildete, flexible Leiterbahnstruktur (6) gelötet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsabschnitt (1, 34) wenigstens in dem Bereich, in welchem er mit dem SMD-Bauelement (2, 31, 32) verlötet ist, eine lötfähige Beschichtung (19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Beschichtung (19) Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsabschnitt (1, 34) unterhalb der lötfähigen Beschichtung (19) eine Sperrschicht (20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (20) Nickel oder Nickellegierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (20) eine Dicke im Bereich zwischen 0,4 bis 2 μm aufweist.
Vorrichtung wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall einen Edelstahl aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (21) vorgesehen ist, welches den Kopplungsabschnitt (1, 34) aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung (33) vorgesehen ist, welche dem SMD-Bauelement (32) zum Aufheizen des Messabschnitts (34) Strom zuführt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (33) vorgesehen ist, welche den elektrischen Widerstand des wenigstens einen Widerstandelements (9) des SMD-Bauelements (2, 31) misst.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, insbesondere einer Vorrichtung (23) nach wenigstens einem der Ansprüche 18 bis 28, mit den Schritten: – Bereitstellen eines SMD-Bauelements (2, 31, 32) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, – Bereitstellen einer Leiterbahnstruktur (6), und – Auflöten des SMD-Bauelements (2, 31, 32) auf die Leiterbahnstruktur (6).
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsabschnitt (1, 34) eine dem SMD-Bauelement (2, 31, 32) zugewandte Seite (37), an welcher das SMD-Bauelement (2) anzulöten ist, und eine von diesem abgewandte Seite (38) aufweist, wobei die Wärme zum Auflöten des SMD-Bauelement (2, 31, 32) von der abgewandten Seite (38) her zugeführt wird.
Verwendung des SMD-Bauelements (2, 31, 32) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Heizen eines Kopplungsabschnitts (1, 34) einer Vorrichtung (23).
SMD-Bauelement (2, 31, 32), – mit wenigstens einem elektrisches Bauteil (9), – mit einem elektrisch isolierenden Trägerelement (12), welches auf einer ersten oder zweiten Seite (11; 17) das wenigstens eine elektrisches Bauteil (9) trägt, – mit wenigstens zwei ersten Lot aufweisenden Kontaktstellen (7, 8), welche auf der ersten Seite (11) des Trägerelements (12) angeordnet sind, welche mit Anschlüssen des wenigstens einen elektrischen Bauteils (9) elektrisch leitend verbunden sind und welche zur Oberflächenmontage des SMD-Bauelements (2, 31, 32) auf einer Leiterbahnstruktur (6) ausgebildet sind, – wobei das Trägerelement auf einer zweiten Seite (17) eine metallische Oberfläche (16) zum Auflöten des SMD-Bauelements (2, 31, 32) auf einen Kopplungsabschnitt (1, 34) aufweist.