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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Verfahren zur Herstellung elektrischer
Bauelemente, welche einen Schichtaufbau mit mindestens einem Substrat
und mindestens einer Struktur für eine elektrische Schaltung
aufweisen.
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Ein
besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung liegt auf der
Herstellung von elektrischen Bauelementen in Form von keramischen
Sensorelementen, wie Sie beispielsweise für die Bestimmung
mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem
Messgasraum eingesetzt werden. Ein bekanntes Beispiel derartiger
keramischer Sensorelemente sind Sensorelemente, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen und werden
dort auch als Lambdasonden bezeichnet. Für Beispiele verschiedener Ausführungsformen
derartiger keramischer Sensorelemente sei auf Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", Juni 2001, Seite 112
bis 117 oder T. Baunach et al.: „Sauberes
Abgas durch Keramiksensoren", Physikjournal 5 (2006) Nr. 5, Seiten
33 bis 38, verwiesen. Es sei darauf hingewiesen, dass die
vorliegende Erfindung jedoch auch auf andere Arten elektronischer
Bauelemente anwendbar ist.
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Für
die Herstellung des Schichtaufbaus, insbesondere eines keramischen
Schichtaufbaus, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt.
So werden beispielsweise für einen keramischen Schichtaufbau üblicherweise
mehrere Funktionsschichten zusammengefügt, wobei beispielsweise
ein oder mehrere Druck- und/oder Laminierverfahren eingesetzt werden
können. Auch andere Verfahren sind bekannt. Ein derartig
erzeugter Schichtaufbau wird anschließend einem oder mehreren
thermischen Behandlungsschritten, beispielsweise Sinterschritten,
unterzogen.
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Um
das Aufbringen verschiedener Schichten und die Erzeugung eines Grünlings
für die Herstellung keramischer Bauelemente zu erleichtern,
ist aus
DE 196 33
675 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem Schichten oder
Schichtsysteme auf einen sinterfähigen Schichtträger
mittels eines Transferverfahrens übertragen werden. Dabei
wird mindestens eine metallische, keramische oder metallisch/keramische Schicht
oder ein Schichtsystem auf eine flexible Trägerfolie aufgebracht
und anschließend mittels dieser Trägerfolie auf
den sinterfähigen Schichtträger übertragen.
Auch andere Arten der Erzeugung von Schichtsystemen sind jedoch
bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
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Eine
besondere Schwierigkeit bei der Herstellung des Schichtaufbaus liegt
darin, dass dieser in der Regel eine oder mehrere elektrische Schaltungen
in einer oder mehreren Schichtebenen aufweist, welche elektrisch
kontaktiert werden müssen, beispielsweise um diese Schaltungen
mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder Signale dieser elektrischen
Schaltungen abzugreifen. Weiterhin sind Kontaktierungen dieser elektrischen
Schaltungen auch erforderlich, um beispielsweise in unterschiedlichen Schichtebenen
des Schichtaufbaus angeordnete elektrische Schaltungen miteinander
zu verbinden.
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Die
Problematik der Kontaktierung der elektrischen Schaltung von einer
anderen Schichtebene her wird üblicherweise dadurch gelöst,
dass innenliegende, elektrisch leitende Schaltungen bzw. Schaltungsteile
mittels Durchkontaktierungen elektrisch angebunden werden. Derartige
elektrische Durchkontaktierungen, welche auch als Vias bezeichnet werden,
werden in der keramischen Schichttechnologie üblicherweise
dadurch erzeugt, dass in einem oder mehreren Substraten, auf welche
die elektrische Schaltung aufgebracht ist, ein oder mehrere Löcher
durch ein Bohr- und/oder Stanzverfahren erzeugt werden. Die Ränder
dieser Löcher müssen anschließend isoliert
werden, damit diese Löcher dann mit einer elektrisch leitenden
Durchkontaktierung (beispielsweise in Form einer elektrisch leitfähigen Paste)
versehen werden können. Insgesamt sind für eine
derartige Durchkontaktierung zahlreiche Arbeitsschritte und ein
hoher Materialaufwand erforderlich, so dass üblicherweise
versucht wird, die Zahl der Durchkontaktierungen durch ein geeignetes
Design der Bauelemente auf ein Minimum zu reduzieren.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Arten der Kontaktierung
elektrischer Bauelemente, insbesondere der elektrischen Schaltungen
dieser Bauelemente, bekannt. So beschreibt beispielsweise
DE 10 2004 012 672
A1 ein Verfahren zur Kontaktierung elektrischer Kontaktstellen
eines Messfühlers mittels eines flexiblen Anschlusskabels,
auf welchem elektrische Leiter angeordnet sind. Das elektrische Anschlusskabel
weist mindestens eine hochtemperaturfeste flexible Folie auf, auf
welcher die Leiterbahnen angeordnet sind.
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Aus
DE 10 2004 025 549
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauelementen
bekannt, bei welchem auf einem Substrat wenigstens eine Struktur
für eine elektrische Schaltung in einer noch zu sinternden
Form aufgebracht wird. Dabei wird die wenigstens eine Struktur derart
deponiert, dass sie über eine Außenbegrenzung
des späteren Bauelements in der Ebene des Substrats herausragt. Diese
herausragenden Bestandteile der Struktur können anschließend
zur elektrischen Kontaktierung der Bauelemente genutzt werden.
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Die
beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind
jedoch auf spezielle Anwendungsfälle der Kontaktierung
beschränkt. So ist beispielsweise bei dem in
DE 10 2004 012 672 A1 beschriebenen
Verfahren die Herstellung von Kontaktstellen auf eine Oberseite
des Messfühlers erforderlich, was nicht in jedem Fall konstruktiv
möglich ist und was in vielen Fällen gerade die
Verwendung von Durchkontaktierungen erforderlich macht, um Anschlüsse
tiefer liegender Schichten auf diese Oberfläche zu führen.
Der in
DE 10 2004
025 549 A1 beschriebene Kontaktierungsansatz ermöglicht
zwar die Kontaktierung auch innenliegender Schichten des Bauelements,
ermöglicht jedoch nicht ohne weiteres eine elektrische
Verbindung von unterschiedlichen Schichtebenen angeordneten elektrischen Schaltungen,
beinhaltet die Gefahr von Kurzschlüssen einzelner Kontakte
und weist eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber
mechanischen Belastungen auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements,
insbesondere eines elektrischen Bauelements nach der obigen Beschreibung,
vorgeschlagen sowie ein keramisches Sensorelement, welches beispielsweise
nach dem Verfahren einer der beschriebenen Ausführungsformen
herstellbar ist. Das Verfahren und das keramische Sensorelement vermeiden
zumindest weitgehend die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente. Insbesondere
lässt sich das Verfahren kostengünstig und einfach
realisieren und großtechnisch umsetzen, da ein Umkontaktierungsverfahren
vorgeschlagen wird, bei welchem gegenüber bekannten Durchkontaktierungsverfahren
zahlreiche kritische Arbeitsschritte entfallen können.
So können insbesondere die oben beschriebenen, für
die Herstellung von Durchkontaktierungen in der Regel erforderlichen
Arbeitsschritte eines Bohrens oder Stanzens von Substraten, einer
Durchisolierung und einer Kontaktierung der Löcher entfallen.
Weiterhin können auch einige Druckschritte eingespart werden,
insbesondere Druckschritt auf einer Rückseite eines Substrats. Weiterhin
weisen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Sensorelemente eine höhe Temperaturstabilität
auf, da Umkontaktierungen im Gegensatz zu Durchkontaktierungen beispielsweise
außerhalb stark temperaturbelasteter Bereiche der Sensorelemente
angeordnet sein können, beispielsweise soweit wie möglich
entfernt vom eigentlichen, temperierten Messbereich der Sensorelemente.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin,
dass in vielen Fällen alle eingesetzten Schichten, insbesondere
die Umkontaktierung, visuell kontrolliert werden können.
Zudem ist, im Gegensatz zu Durchkontaktierungen, bei dem vorgeschlagenen Umkontaktierungsverfahren
ein Nachbessern und/oder ein Aufbringen zusätzlicher Schichten
möglich.
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Das
elektrische Bauelement weist einen Schichtaufbau mit mindestens
einem Substrat, insbesondere einem keramischen Substrat (wobei hierunter
auch eine Vorform eines keramischen Substrates, beispielsweise eine
keramische Folie und/oder ein Braunling zu verstehen sein kann)
und mindestens einer Struktur für eine elektrische Schaltung
auf. Diese Struktur für eine elektrische Schaltung kann beispielsweise
eine oder mehrere Leiterbahnen, Elektroden, Anschlusskontakte oder ähnliche
elektrisch leitfähige Elemente oder Vorformen dieser elektrisch
leitfähigen Elemente (welche beispielsweise erst nach einem
oder mehreren nachfolgenden Sinterschritten zu den elektrisch leitfähigen
Elementen umgewandelt werden) und/oder Kombinationen der genannten
Elemente auf. Weiterhin kann die Struktur zusätzliche Elemente
enthalten, beispielsweise Isolationselemente, welche die einzelnen Komponenten
der elektrischen Schaltung untereinander trennen, welche die einzelnen
Elemente der elektrischen Schaltung von dem mindestens einen Substrat
trennen oder welche weitere Funktionen, beispielsweise dielektrische
Funktionen, übernehmen können. Weiterhin können
Bauelemente vorgesehen sein, welche eine mechanische Stabilität
der Struktur bewirken, so dass diese beispielsweise ein oder mehrere
Trägerschichten für die elektrische Schaltung
aufweisen können. Beispiele derartiger Strukturen werden
nachfolgend näher erläutert.
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Der
Schichtaufbau kann mehrere derartiger Strukturen gleicher oder unterschiedlicher
Art sowie mehrere derartiger Substrate umfassen. Dabei ist die Struktur
im Wesentlichen auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet,
beispielsweise auf einer Ebenen oder auch unebenen (zum Beispiel
gestuften) Oberfläche des Substrats. Unter dem Begriff „im
wesentlichen auf einer ersten Seite angeordnet" ist somit eine Struktur
zu verstehen, bei welcher wesentliche Elemente der Struktur auf
der ersten Seite angeordnet sind, auch wenn weitere Elemente der
Struktur, wie beispielsweise Zuleitungen, auf einer anderen Seite,
beispielsweise einer zweiten Seite und/oder außerhalb des
Substrats, angeordnet sein können.
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Wie
oben beschrieben, besteht eine häufig bei der Herstellung
auftretende Problematik darin, dass die Struktur, insbesondere die
elektrische Schaltung dieser Struktur, in vielen Fällen
aus einer anderen Ebene des Schichtaufbaus heraus kontaktiert werden
muss, beispielsweise um die elektrische Schaltung mit in anderen
Ebenen angeordneten elektrischen Schaltungen zu verbinden und/oder
um die elektrische Schaltung von einer Außenseite des Schichtaufbaus
eher zu kontaktieren. Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, dass zur Kontaktierung der Struktur mindestens ein
Anschlussbereich der Struktur in mindestens einem Umkontaktierungsschritt
in mindestens einem Umkontaktierungsbereich um einen Kantenbereich
des Substrats herum auf mindestens eine zweite, von der ersten Seite
verschiedene Seite des Substrats geführt wird, so dass auf
dieser zweiten Seite mindestens ein Kontaktbereich zum Kontaktieren
der elektrischen Schaltung gebildet wird. Anstelle einer „Durchkontaktierung" wird
also eine „Umkontaktierung" vorgeschlagen, bei welcher
zur Kontaktierung aus einer anderen Schichtebene ein Teil der Struktur
um den Kantenbereich des Substrats außen herumgeführt
wird. Diese Umkontaktierung weist die oben beschriebenen Vorteile
sowie andere zahlreiche Vorteile auf, da beispielsweise die Umkontaktierung
beliebig breit ausgestaltet sein kann, so dass die Stromtragfähigkeit dieser
Umkontaktierung beispielsweise die Stromtragfähigkeit von
Durchkontaktierungen bei weitem überschreiten kann. Anschließend
an die Umkontaktierung, welche eine oder mehrere Schichten umfassen
kann, können sich weitere Verfahrensschritte anschließen,
beispielsweise die Aufbringung einer oder mehrerer weiterer Schichten
auf die derart umkontaktierte Einheit.
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Die
Struktur kann in verschiedenen Formen auf das Substrat aufgebracht
werden, um die Umkontaktierung zu erzeugen. So besteht eine Möglichkeit darin,
die Struktur bereits in vorgeformtem Zustand auf das Substrat aufzubringen,
so dass die Struktur bereits im Wesentlichen ihre Endform, die sie
nach der Umkontaktierung einnimmt, aufweist. Eine bevorzugte Möglichkeit
besteht jedoch darin, die Struktur in einem im Wesentlichen ebenen
auf das Substrat aufzubringen, wobei der Anschlussbereich einen
im Kantenbereich des Substrats überstehenden Bereich bildet.
Dies kann beispielsweise ähnlich zu den in
DE 10 2004 025 549 A1 beschriebenen
herausragenden Enden der Strukturen erfolgen. Anschließend
wird in einem weiteren Schritt der Anschlussbereich um den Kantenbereich
herum umgebogen, beispielsweise hin zu der zweiten Seite des Substrats.
Unter einem „im wesentlichen Ebenen Zustand" soll dabei
ein Zustand zu verstehen sein, bei welchem die Struktur im Wesentlichen
bereits der Oberflächenkontur des Substrats entspricht.
Hierunter kann neben einer ebenen Form auch, wenn die Oberfläche
des Substrats gestuft oder anders profiliert ausgestaltet ist, eine
gestufte oder andersartig profilierte Form der Struktur zu verstehen
sein. Bevorzugt ist jedoch eine ebene Form, da diese sich in der
Regel am problemlosesten verarbeiten lässt.
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Für
das Aufbringen der Struktur können unterschiedliche, beispielsweise
aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden.
So bieten sich insbesondere Laminierverfahren, Druckverfahren, Sprühverfahren,
Klebeverfahren oder Kombinationen dieser und/oder anderer Verfahren an.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn für das Aufbringen
der Struktur auf das Substrat ein Transferverfahren eingesetzt wird,
beispielsweise das aus
DE
196 33 675 A1 bekannte Transferverfahren in einer oder
mehrerer der dort dargestellten Verfahrensvarianten. So wird zunächst
eine zu transferierende Schicht auf eine Trägerfolie, wobei
es sich beispielsweise um eine starre oder flexible Trägerfolie
handeln kann, aufgebracht. Anschließend wird mittels dieser
Trägerfolie die zu transferierende Schicht (wobei es sich
auch um einen Mehrschichtaufbau handeln kann) auf das Substrat übertragen.
Anschließend wird die Trägerfolie entfernt, wobei
dieses Entfernen der Trägerfolie vor oder nach dem Umkontaktieren,
insbesondere dem Umbiegen des Anschlussbereiches um den Kantenbereich
des Substrats, erfolgen kann. Die zu transferierende Schicht kann
beispielsweise eine oder mehrere metallische Schichten, eine oder
mehrere keramische Schichten, eine mehrere metallisch/keramische
Schichten, ein Schichtsystem und/oder eine Kombination der genannten
Elemente aufweisen. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die zu
transferierende Schicht weiterhin auf der der Trägerfolie
abgewandten Seite, also auf der Seite, welche beim Auf bringen auf
das Substrat (zum Beispiel beim Auflaminieren) dem Substrat zuweist,
zur Verbesserung der Haftung auf dem Substrat mindestens einen Folienbinder
aufweist. Hierbei kann ein anorganischer und/oder organischer Folienbinder,
beispielsweise ein Klebstoff, eingesetzt werden.
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Wie
oben beschrieben, ist es besonders bevorzugt, wenn die Struktur
mindestens eine Isolationsstruktur aufweist, welche vorzugsweise
auf der dem Substrat zugewandten Seite der Struktur angeordnet ist.
Auch an anderen Stellen der Struktur können jedoch Isolationsstrukturen
angeordnet sein, insbesondere Isolationsschichten, welche beispielsweise
einzelne elektrisch leitfähige Bauelemente der Struktur
gegeneinander und/oder von anderen Bestandteilen des elektrischen
Bauelements isolieren. Umfasst das Substrat beispielsweise einen
oder mehrere Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes
Zirkondioxid (YSZ), so kann mittels dieser Isolationsstrukturen
beispielsweise verhindert werden, dass metallische Bestandteile
der elektrischen Schaltung an unerwünschten Stellen diesen Festelektrolyten
kontaktieren und Elektroden bilden.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante des vorgeschlagenen Verfahrens
wird das Substrat vor dem Umkontaktierungsschritt in dem Kantenbereich ausgefräst
und/oder angephast. Auf diese Weise kann beispielsweise verhindert
werden, dass durch das Umkontaktieren im Kantenbereich Spannungen, mechanische
Beschädigungen und sogar Brüche im Anschlussbereich
entstehen. Zudem kann die äußere Form des elektrischen
Bauelements durch ein geeignetes Ausfräsen angepasst werden.
Der Anschlussbereich der Struktur kann beim Umkontaktierungsschritt
beispielsweise durch diese mindestens eine Ausfräsung hindurchgeführt
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Anschlussbereich im
Umkontaktierungsbereich im Wesentlichen frei liegt und somit mechanischen
und/oder elektrischen Einflüssen ausgesetzt sein kann.
Es wird daher vorgeschlagen, den Anschlussbereich zumindest auf
einer dem Substrat abgewandten Seite mindestens in dem Umkontaktierungsbereich
mit einer zusätzlichen Abdeckschicht zu versehen. Diese
Abdeckschicht kann bereits vor dem Umkontaktieren, also beispielsweise
vor einem Umbiegen des Anschlussbereichs, auf die Struktur aufgebracht
werden oder kann, alternativ oder zusätzlich, auch nach
dem Umkontaktierungsschritt auf den Anschlussbereich aufgebracht
werden. Auf diese Weise kann der Umkontaktierungsbereich beispielsweise
elektrisch isoliert und/oder gegenüber mechanischen Belastungen
geschützt werden.
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Weiterhin
kann die Struktur derart ausgestaltet sein, dass diese in dem Anschlussbereich
eine Zusammensetzung mit einer gegenüber der übrigen Struktur
erhöhten Haftung auf dem Substrat aufweist. So kann beispielsweise
in diesem Anschlussbereich bei der Herstellung keramischer Sensorelement
ein keramischer Anteil der Struktur erhöht werden, so dass
sich dieser Anschlussbereich besser mit einem keramischen Substrat
verbindet. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich,
in diesem Anschlussbereich auch eine Leitfähigkeit der
Struktur, insbesondere eines Bestandteils der elektrischen Schaltung
(beispielsweise von Anschlusskontakten) erhöht werden, zum
Beispiel indem der Anteil leitfähiger Elemente in der Struktur
erhöht wird (zum Beispiel durch eine Erhöhung
der Konzentration und/oder der Dicke dieser leitfähigen
Anteile), beispielsweise durch eine Verstärkung leitfähiger
Pasten in diesem Bereich. Auf diese Weise kann, durch besondere
Ausgestaltung des Anschlussbereiches, sichergestellt werden, dass eine
ausreichende elektrische Verbindung zwischen den auf der zweiten
Seite des Substrats angeordneten Kontaktbereichen und den auf der
ersten Seite des Substrats angeordneten Bestandteilen der elektrischen
Schaltung erzeugt wird.
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Wie
oben beschrieben wird neben dem Verfahren weiterhin ein keramisches
Sensorelement vorgeschlagen, welches insbesondere nach dem Verfahren
in einer der oben dargestellten Verfahrensvarianten hergestellt
sein kann. Für die Details möglicher Ausgestaltungen
des Sensorelements kann daher weitgehend auf die obige Beschreibung
verwiesen werden. Insbesondere kann es sich dabei um ein keramisches
Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft
eines Gases in einem Messgasraum handeln, insbesondere zur Bestimmung
einer Konzentration einer Gaskomponente (Partialdruck) in einem
Messgas, beispielsweise einem Abgas eines Kraftfahrzeugs. Besonders
bevorzugt ist die Ausgestaltung des keramischen Sensorelements als
Lambdasonde. Dabei wird insbesondere vorgeschlagen, das oben beschriebene
Verfahren der Umkontaktierung in dem keramischen Sensorelement zur
Kontaktierung eines oder mehrerer Heizelemente zu verwenden, welche üblicherweise
in derartigen keramischen Sensorelementen enthalten sind, um die
physikalischen Eigenschaften mindestens eines Festelektrolyts zu
kontrollieren. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine besonders
einfache und kostengünstige Kontaktierung des Heizelements
möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines Schichtaufbaus zur Erläuterung
des vorgeschlagenen Umkontaktierungsverfahrens am Beispiel eines Heizelements;
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2 den
Aufbau gemäß 1 nach Durchführung
der in 1 dargestellten Verfahrensschritte von einer ersten
Seite (Vorderseite);
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3 den
Aufbau gemäß 2 von einer zweiten
Seite (Rückseite); und
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4 den
Aufbau gemäß 2 in einer Schnittdarstellung
von der Seite.
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Das
vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 am
Beispiel eines keramischen Sensorelements 110 beispielhaft
erläutert, wobei ausschließlich die Verfahrensschritte
zur Umkontaktierung eines Heizelements 112 dargestellt werden.
An die dargestellten Verfahrensschritte können sich somit
weitere Verfahrensschritte anschließen, insbesondere der
Aufbau einer oder mehrerer Sensorzellen, welche in der Regel ein
oder mehrere Festelektrolyte und zwei oder mehrere Elektroden, welche
den Festelektrolyt kontaktieren, anschließen. Das in den 2 bis 4 dargestellte
Produkt stellt somit in der Regel lediglich ein Zwischenprodukt
bei der Herstellung des keramischen Sensorelements 110 dar.
Bei den weiteren Verfahrensschritten kann sich dabei das dargestellte
Umkontaktierungsverfahren wiederholen und/oder es können „konventionelle" Kontaktierungstechniken,
insbesondere Durchkontaktierungen, verwendet werden.
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In 1 ist
eine Schichtenfolge des keramischen Sensorelements dargestellt,
anhand derer die Verfahrensschritte erläutert werden sollen.
Dabei wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Variante
des oben beschriebenen Transferverfahrens verwendet.
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Zunächst
wird hierfür eine Heizer-Funktionsschichtfolge 114 in
spiegelverkehrter Druckreihenfolge auf eine Trägerfolie 116 aufgedruckt.
Bei dieser Trägerfolie 116 handelt es sich um
eine flexible, transferfähige Unterlage. Dabei können
beispielsweise als Trägerfolie 116 Folien vom
Typ „Pacothane dünn" oder Kapton-Folien verwendet
werden. Die Heizer- Funktionsschichtfolge 114 setzt sich
zusammen aus der elektrischen Heizerschaltung 118, welche
in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Heizergrundfolie 120 aufgebracht
ist, sowie zwei sich anschließenden Heizer-Isolationsfolien 122, 124.
Die Heizer-Funktionsschichtfolge 114 der beschriebenen Art
bildet eine auf ein Substrat 126 (beispielsweise ein keramisches
Substrat) zu transferierende Struktur 128.
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Das
Substrat 126 kann beispielsweise als keramische Grundfolie
ausgestaltet sein und weist eine erste Seite 130 (Vorderseite)
und eine zweite Seite 132 (Rückseite in 1)
auf. Das Substrat 126 wird im Kantenbereich 134,
in welchem die Umkontaktierung von Zuleitungen 136 der
elektrischen Heizerschaltung 118 erfolgen soll, vorzugsweise
ausgefräst, wobei der Kantenbereich 134 hierbei
auch die hintere Schnittkante des Sensorelements 110 darstellt.
Diese hintere Schnittkante des Kantenbereichs 134 kann
beidseitig angephast oder abgerundet werden.
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Die
Druckschichten der Heizer-Funktionsschichtfolge auf der Trägerfolie 116 werden
anschließend in einem Laminiervorgang auf das Substrat 126 übertragen.
Dies kann beispielsweise auf bekannte Weise im Bereich bekannter
Parameter erfolgen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Laminierung
mit einem Flächendruck von 20 bis 60 KN in einem Temperaturbereich
von ca. 40 bis 100°C, wobei die Dicke der als Substrat 126 verwendeten
keramischen Trägerfolie beispielsweise im Bereich zwischen
0,1 und 2 mm liegen kann.
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Die
zu transferierende Struktur 128 weist einen Anschlussbereich 138 auf,
welcher nach dem Aufbringen auf das Substrat 126 einen über
den Kantenbereich 134 des Substrats 126 herausragenden bzw. überstehenden
Bereich 140 bildet. Dieser überstehende Bereich 140 der
Struktur 128 wird durch die Fräsung im Bereich
des Kantenbereichs 134 gezogen und umgeklappt bzw. umgebogen
auf die Rückseite 132 des Substrats 126 und
vorzugsweise auf der Rückseite 132 und auf der
Vorderseite beidseitig durch Laminieren mit dem Substrat 126 verbunden. Das
Umbiegen kann mit oder ohne die Trägerfolie 116 erfolgen,
also vor oder nach dem Abziehen dieser Trägerfolie 116 von
der zu transferierenden Struktur 128. Zur Verbesserung
der Übertragbarkeit der Struktur 128 auf die Oberflächen 128, 130 des Substrats 126 kann
auf die Oberfläche der Struktur 128, welche von
der Trägerfolie 116 weg weist, zusätzlich
zu der genannten Schichtenfolge weiterhin ein laminierfähiger
Folienbinder aufgedruckt sein. Die Laminierfähigkeit kann
beispielsweise auf der Zugabe eines geeigneten Lösungsmittels
zu der Heizer-Funktionsschichtfolge 114 erfolgen, wie beispielsweise
DEH (2-Diethyl-1-hexanol). Diese Art des laminierfähigen
Folienbinders kann beispielsweise derart eingestellt werden, dass
die Heizer-Funktionsschichtfolge 114 eine Oberfläche
aufweist, welche ähnlich einer trockenen Lackschicht ausgestaltet ist.
Durch Einwirkung von Druck und/oder Temperatur bei der Laminierung
wird das Lösemittel jedoch ausgetrieben, wodurch eine klebrige
Oberfläche der Struktur 128 entsteht. Durch geeignete
Rezeptierung der Funktionspasten kann auf diese Weise auf eine zusätzliche
Laminierschicht verzichtet werden, welche üblicherweise
beim Laminieren verwendet wird.
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In
den 2 und 3 ist das Zwischenprodukt, welches
nach Durchführung der in 1 gezeigten
Verfahrensfolge entsteht, einmal in perspektivischer Darstellung
von der Vorderseite 130 (2) und einmal
in perspektivischer Darstellung mit Blickrichtung von der Rückseite 132 (3)
gezeigt. Dabei ist der überstehende Bereich 140 in
dem Umkontaktierungsbereich, welcher in 1 mit der
Bezugsziffer 142 bezeichnet ist, bereits umgebogen, und
es ist ein beidseitiger Laminierungsvorgang erfolgt. Dabei ist zu
erkennen, dass durch dieses Umkontaktieren auf der zweiten Seite 132 ein
Kontaktbereich 144 ausgebildet wurde, welcher durch die
Heizer-Isolationsfolien 122, 124 gegenüber
dem Substrat 126 elektrisch isoliert ist. Über
die Zuleitungen 136 in diesem Kontaktbereich 144 kann
die elektrische Heizerschaltung 118 des Heizelements 112 von
der Rückseite 132 her elektrisch kontaktiert werden,
auch wenn weitere, in den Figuren nicht dargestellte Schichten auf
die Vorderseite 130 des Sensorelements 110 aufgebracht
werden und somit die Vorderseite 130 nicht mehr für
eine Kontaktierung zugänglich ist.
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Somit
lassen sich gegenüber herkömmlichen Durchkontaktierungsverfahren
zahlreiche Arbeitsschritte einsparen. Bei einem derartigen Durchkontaktierungsverfahren
müssten in der Regel zunächst im Substrat 126 entsprechende
Löcher bzw. Öffnungen gestanzt und/oder gebohrt
werden. Anschließend müssten Anschlusskontaktisolationen
auf die Rückseite 132 des Substrats 126 aufgedruckt
werden, und die Löcher müssten durchisoliert werden. Anschließend
müsste ein Durchkontaktieren erfolgen, gefolgt von einem
Drucken der Anschlusskontakte auf der Rückseite 132.
Insgesamt ließen sich also durch das beschriebene Umlaminierungs-
bzw. Umkontaktierungsverfahren gemäß den 1 bis 3 zahlreiche
Arbeitsschritte, beispielsweise bis zu acht Arbeitsschritte, einsparen.
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In 4 ist
eine Schnittdarstellung des Zwischenprodukts des Sensorelements 110 gemäß den 2 und 3 gezeigt.
Anhand dieser Schnittdarstellung von der Seite sollen optionale
bevorzugte Weiterbildungen des beschriebenen Verfahrens dargestellt
werden, welche sich auf eine besondere Ausgestaltung des Umkontaktierungsbereichs 142 beziehen.
So ist insbesondere im Umkontaktierungsbereich 142 im Kantenbereich 134 eine
besonders gute Haftung der Struktur 128 auf dem Substrat 126 erforderlich,
um hier Defekte, welche beispielsweise durch die Umlenkung mit kleinem
Radius auftreten können, zu vermeiden. Zu diesem Zweck
ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 zusätzlich
eine Verstärkungsschicht 146 eingefügt,
welche als Platin-Schicht mit einem höheren Keramikanteil
ausgestaltet sein kann. Dieser erhöhte Keramikanteil in
der Platin-Paste bewirkt eine verbesserte Haftung der Zuleitungen 136 auf
den Heizer-Isolationsfolien 122, 124 und/oder
auf dem Substrat 126. Die Verstärkungsschicht 146 weist
vorzugsweise selbst elektrische Leitfähigkeit auf (beispielsweise
indem, wie ausgeführt, eine Platin-Paste mit Keramikanteil
verwendet wird) und kann somit zur Erhöhung der Leitfähigkeit
der Zuleitungen 136 beitragen und sogar selbst einen Teil
dieser Zuleitungen 136 im Kantenbereich 134 bilden.
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Alternativ
oder zusätzlich kann in diesem Umkontaktierungsbereich 142 auch
eine Verstärkung der Heizer-Isolationsfolien 122, 124 eingesetzt
werden.
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Weiterhin
kann, ebenfalls alternativ oder zusätzlich, in diesem Umkontaktierungsbereich 142 eine
zusätzliche Abdeckschicht 148 aufgebracht werden,
welche in diesem Fall die Zuleitungen 136 im Kantenbereich 134 abdeckt.
Diese Abdeckschicht 148 kann einen besseren mechanischen
Schutz der Zuleitungen 136 und/oder eine elektrische Isolierung derselben
bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19633675
A1 [0004, 0015]
- - DE 102004012672 A1 [0007, 0009]
- - DE 102004025549 A1 [0008, 0009, 0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", Juni 2001, Seite 112
bis 117 [0002]
- - T. Baunach et al.: „Sauberes Abgas durch Keramiksensoren",
Physikjournal 5 (2006) Nr. 5, Seiten 33 bis 38 [0002]