DE102008058011A1

DE102008058011A1 - Als Stapel ausgebildetes elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102008058011A1
Application number: DE102008058011A
Authority: DE
Inventors: Andreas Mantovan; Willibald Dr. Schürz; Martin Simmet
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein als Stapel (1) ausgebildetes elektronisches Bauelement. Das als Stapel (1) ausgebildete elektronische Bauelement umfasst eine Mehrzahl von Elektrodenschichten (3, 4) sowie eine Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten (2), wobei jede Werkstoffschicht (2) zwischen zwei der Elektrodenschichten (3, 4) angeordnet ist. Des Weiteren weist das elektronische Bauelement eine erste Seitenelektrode (5) auf, die auf einer ersten Seite (7) des Bauelements angeordnet ist und eine erste Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten (3, 4) elektrisch kontaktiert. Die Erfindung weist außerdem eine zweite Seitenelektrode (6) auf, die auf einer der ersten Seite (7) gegenüberliegenden (22, 23) zweiten Seite (7) des Bauelements angeordnet ist und eine zweite Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten (3, 4) elektrisch kontaktiert. Es ist eine erste Außenkontaktierung (9) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der ersten Seitenelektrode (5) vorgesehen sowie eine zweite Außenkontaktierung (10) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der zweiten Seitenelektrode (6). Die erste und/oder die zweite Außenkontaktierung (10) sind jeweils durch einen einstückigen und kammartigen Metallleiter (20) gebildet, wobei erste, freie Enden (22) von Zinken (21) des Metallleiters (20) jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode (6) elektrisch ...

Description

Die Erfindung betrifft ein als Stapel ausgebildetes elektronisches Bauelement. Ein solches Bauelement umfasst eine Mehrzahl von Elektrodenschichten sowie eine Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten, wobei jede Werkstoffschicht zwischen zwei der Elektrodenschichten angeordnet ist. Eine erste Seitenelektrode ist auf einer ersten Seite des Bauelements angeordnet und kontaktiert eine erste Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten. Eine zweite Seitenelektrode ist auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Bauelements angeordnet und kontaktiert eine zweite Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten. Ferner umfasst das Bauelement eine erste Außenkontaktierung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der ersten Seitenelektrode und eine zweite Außenkontaktierung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der zweiten Seitenelektrode.
Das 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 kommst. Die Werkstoffschichten sind bei diesem Piezoaktor Keramikschichten.
Üblicherweise weist ein solcher Stapel, in der Draufsicht betrachtet, einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Er wird an zwei sich gegenüberliegenden Umfangsseiten elektrisch kontaktiert. Um dies technologisch sorgfältig durchführen zu können, werden die Elektrodenschichten geometrisch so ausgelegt, dass sich nur jede zweite Elektrodenschicht seitlich bis zu einer der beiden Umfangsseiten erstrecken, während sich die jeweils anderen Elektrodenschichten nicht bis hin zu dieser einen Umfangsseite hin erstrecken. Entsprechendes gilt für die andere Umfangsseite des Stapels analog. Dies ist beispielhaft in 1 dargestellt.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Teil eines als Stapel 1 ausgebildeten elektronischen Bauelements. Mit 2 sind die Werkstoffschichten, z. B. aus einer Keramik, gekennzeichnet, zwischen denen jeweils Elektrodenschichten 3 bzw. 4 angeordnet sind, welche im Betrieb eine unterschiedliche Polarität aufweisen. An den gegenüberliegenden Seiten 7, 8 des Stapels 1 sind Seitenelektroden 5, 6 angeordnet. Die Seitenelektrode 5 kontaktiert die Elektrodenschichten 4. Die Seitenelektrode 6 kontaktiert die Elektrodenschichten 3. 1 zeigt eine Ausgestaltungsvariante, bei der die Seitenelektroden 5, 6 um eine jeweilige, sich in Längsrichtung erstreckende Seitenkante des Stapels geführt sind. Prinzipiell ist es ausreichend, wenn die Seitenelektroden 5, 6 lediglich an der ersten bzw. zweiten Seite 7, 8 des Stapels 1 vorgesehen sind.
Nach dem Aufbringen der Seitenelektroden 5, 6, welche auch als Sammelelektrode bezeichnet werden, erfolgt die Anbringung der sog. Außenkontaktierung (diese ist in 1 nicht dargestellt). Diese stellt die Verbindung zwischen den Seitenelektroden 5, 6 des Stapels und Kontaktstiften zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements her. Die Kontaktstifte werden im weiteren Herstellungsverlauf mit einem Injektorstecker elektrisch verbunden.
Die Außenkontaktierung zum Kontaktstift wird derzeit in einem Drahtwickelprozess realisiert. Bei diesem wird ein Draht bis zu 140-mal um den Stapel gewickelt. Die einzelnen Drähte werden auf die Seitenelektroden und die Kontaktstifte gelötet und im Anschluss geschnitten. Nachteilig an dem Drahtwickelprozess sind der hohe Herstellungsaufwand und die damit verbundenen Kosten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein als Stapel ausgebildetes elektronisches Bauelement anzugeben, welches auf einfachere und kostengünstigere Weise herstellbar und eine im Vergleich zum Drahtwickelprozess vergleichbare Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Außenkontaktierung jeweils durch einen einstückigen und kammartigen Metallleiter gebildet sind, wobei erste, freie Enden von Zinken des Metallleiters jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode elektrisch leitend verbunden sind.
Die Kontaktierungsmethode ermöglicht eine Außenkontaktierung des mit den Seitenelektroden versehenen elektronischen Bauelements ohne einen Wickelprozess, da konstruktionsbedingt auf Einzeldrähte verzichtet wird. Stattdessen wird zur Kontaktierung ein vorgefertigtes Bauteil, ein kammartiger Metallleiter, verwendet, der die Verbindung zwischen einer jeweiligen Seitenelektrode und dem außen kontaktierenden Kontaktstift vornimmt. Hierdurch kann der Kontaktierungsprozess zur Ausbildung einer Außenkontaktierung des elektronischen Bauelements vereinfacht werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt sind. Die Struktur des Metalleiters kann kostengünstig durch verschiedene Fertigungsverfahren erzeugt werden. Insbesondere kann der Metallleiter durch Ätzen, Laserschneiden oder Stanzen hergestellt werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung münden zweite Enden der Zinken in eine alle Zinken elektrisch verbindende Traverse, wobei mit der Traverse ein Kontaktstift elektrisch leitend verbunden ist, der sich in etwa parallel zu der ersten und zweiten Seitenelektrode erstreckt. Über den Kontaktstift sind der Metallleiter und damit die Elektroden von außen bestrombar.
Die ersten, freien Enden der Zinken enden gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante auf einer Linie. Die Zinken weisen eine unterschiedliche Länge auf, so dass die zweiten Enden auf einer bogenförmigen Randlinie der Traverse enden. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der Metallleiter nur einem geringen mechanischen Stress ausgesetzt ist, da der bogenförmige Verlauf der Randlinie der Traverse eine Elastizität des Metallleiters ermöglicht. Darüber hinaus ist die Stromtragfähigkeit des Metallleiters optimiert. Alternativ enden die ersten, freien Enden der Zinken auf einer Linie und weisen eine gleiche Länge auf, so dass die zweiten Enden auf einer geraden Randlinie der Traverse enden.
Aus Gründen der Stromtragfähigkeit des Metallleiters ist es ferner zweckmäßig, wenn der Kontaktstift punktuell mit der Traverse des Metallleiters verbunden ist. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die punktförmige Verbindung bezüglich der Erstreckungsrichtung der Traverse mittig und entfernt von den zweiten Enden der Zinken vorgesehen ist. Hierdurch wird ein in etwa gleichförmiger Stromfluss durch sämtliche Zinken des Metallleiters erreicht, unabhängig davon, ob sich diese in der Mitte oder an den Rändern des Metallleiters befinden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Kontaktstift in Erstreckungsrichtung der Traverse sowie der ersten und der zweiten Seitenelektrode zumindest abschnittsweise mit dem Metallleiter elektrisch verbunden.
Zweckmäßigerweise weisen die Zinken des Metallleiters jeweils eine im Wesentlichen plane Fläche für die elektrische Verbindung mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode auf. Im Gegensatz zu den Einzeldrähten, welche einen runden Querschnitt aufweisen, können die Zinken des Metallleiters derart ausgebildet werden, dass diese im Querschnitt rechteck- oder quaderförmig sind. Hierdurch ergibt sich eine plane Fläche zur Herstellung der elektrischen Verbindung mit der jeweiligen Seitenelektrode. Hierdurch kann eine einfachere und verbesserte Kontaktierung zwischen der jeweiligen Seitenelektrode und der Außenkontaktierung hergestellt werden. Die Zinken weisen in zumindest einer Querschnittsrichtung zweckmäßigerweise eine Dicke zwischen 50 und 70 μm, bevorzugt zwischen 55 und 65 μm und am meisten bevorzugt 60 μm auf.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weisen die Zinken jeweils einen ersten und einen zweiten Längsabschnitt auf, welche in einem Winkel zueinander stehen, so dass die Zinken jeweils an zumindest zwei Seitenflächen des Bauelements grenzen. Durch die gewinkelte Ausgestaltung der Zinken des Metallleiters kann dieser nahe an die Seitenflächen des elektronischen Bauelements geführt werden, so dass sich insgesamt ein geringes Volumen des elektronischen Bauelements ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kontaktstift derart an der Traverse des Metallleiters angeordnet ist, dass dieser zwischen dem Metallleiter und dem Bauelement gelegen ist. Hierdurch kann eine mechanische Belastung der Zinken des Metallleiters reduziert werden.
Der Metallleiter kann durch ein Metallblech, insbesondere aus Kupfer oder Bronze oder Edelstahl, gebildet sein. Ein Metallblech ist vorteilhaft, da dieses auf einfache und kostengünstige Weise bearbeitet werden kann. Dadurch lässt sich mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit der gewünschte kammartige Metallleiter herstellen. Prinzipiell kann der Metallleiter jedoch auch aus anderen, elektrisch leitenden Materialien hergestellt werden.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die ersten, freien Enden der Zinken mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode verlötet sind. Alternativ können auch andere Verbindungsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere können die ersten, freien Enden der Zinken mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode auch durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sein.
Die erste und die zweite Seitenelektrode sind im Bereich einer inaktiven Zone der Werkstoffschichten angeordnet, um insbesondere die Ausdehnung der Werkstoffschichten eines Piezoaktors zu ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein vorstehend bereits beschriebenes, bekanntes als Stapel ausgebildetes elektronisches Bauelement,
2A, 2B einen erfindungsgemäßen Metallleiter in unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen zur Bereitstellung einer Außenkontaktierung eines elektronischen Bauelementes, und
3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement, bei dem ein Stapel aus Werkstoffschichten mit einer erfindungsgemäßen Außenkontaktierung versehen ist.
Das bereits bekannte Bauelement, das in 1 dargestellt ist, wurde einleitend bereits beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Bauelement basiert auf dem bekannten Bauelement, wobei auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
Die 2A und 2B zeigen den Aufbau einer erfindungsgemäßen Außenkontaktierung in Gestalt eines einstückigen und kammartigen Metallleiters 20 in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten. Der Metallleiter 20 ermöglicht eine Außenkontaktierung des in 1 dargestellten elektronischen Bauelements ohne die Durchführung eines Wickelprozesses, da konstruktionsbedingt auf Einzeldrähte verzichtet wird. Der Me tallleiter 20 ist beispielsweise durch ein Metallblech, insbesondere aus Kupfer oder Bronze oder Edelstahl, gebildet. Der Metallleiter 20 kann durch Ätzen, Laserschneiden oder Stanzen hergestellt werden.
Der Metallleiter 20 umfasst eine Traverse 24, mit welcher eine Anzahl an Zinken 21 verbunden ist. Erste, freie Enden 22 der Zinken 21 enden auf einer geraden Linie und werden mit einer jeweiligen Seitenelektrode 5, 6 des Bauelements gemäß 1 elektrisch verbunden. Die Herstellung der elektrischen Verbindung kann beispielsweise durch einen Lötprozess erfolgen. Die Zinken 21 weisen eine unterschiedliche Länge auf, so dass die zweiten Enden 23 auf einer bogenförmigen Randlinie der Traverse enden. Die Zinken 21 und die Traverse 24 sind aus dem gleichen Werkstück herausgearbeitet, d. h. einstückig ausgebildet.
Die Zinken 21 des Metallleiters weisen zweckmäßigerweise eine Rechteck- oder Quaderform im Querschnitt auf. Hierdurch ergibt sich eine im Wesentlichen plane Fläche eines jeweiligen Zinkens 21 für die elektrische Verbindung mit der betreffenden Seitenelektrode 5, 6 des Bauelements. Die plane Fläche erleichtert bzw. verbessert die Ankontaktierung der Zinken 21 an die entsprechende Seitenelektrode 5, 6.
In den 2A und 2B stehen ein jeweiliger erster und ein zweiter Längsabschnitt 26, 27 eines jeweiligen Zinkens 21 in einem Winkel zueinander, so dass die Zinken 21 nach Herstellung der Kontaktierung an zwei Seitenflächen des Bauelements grenzen (vgl. 3).
Aus 2B ist ferner erkennbar, dass ein Kontaktstift mit der Traverse 24 des Metallleiters 20 verbunden ist. Die Verbindung kann durch Löten oder Schweißen hergestellt sein, so dass über den Kontaktstift 25 ein Strom in den Metallleiter 20 eingespeist werden kann. Der Kontaktstift 25 ist zweckmäßigerweise, wie in 2B dargestellt, punktuell mit der Traverse 24 des Metallleiters 20 elektrisch verbunden. Die punktuelle elektrische Verbindung ist hierbei bezüglich der Erstreckungsrichtung der Traverse 24 vorzugsweise mittig und entfernt von den zweiten Enden 23 der Zinken 21 vorgesehen. In Verbindung mit dem bogenförmigen Randverlauf der Traverse ergibt sich eine hohe Stromtragfähigkeit, da ein in etwa gleichförmiger Strom in jeden der Zinken 21 eingespeist werden kann. Darüber hinaus ist die Anordnung aufgrund der implizit vorhandenen Elastizität nur einem geringen mechanischen Stress ausgesetzt.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsvariante könnte der Kontaktstift 25 auch zumindest abschnittsweise oder vollständig bezüglich der Erstreckungsrichtung der Trabverse 24 mit der Traverse 24 verbunden sein.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement, bei dem erfindungsgemäße Metallleiter 20 als Außenkontaktierung 9 bzw. 10 mit den Seitenelektroden 5, 6 des Bauelements verbunden sind. Hierbei ist gut erkennbar, dass die zweiten Längsabschnitte 27 der Zinken 21 mit der Seitenelektrode 5 bzw. 6 in elektrischen Kontakt gebracht sind und sich der erste Längsabschnitt 26 der Zinken 21 längs einer benachbarten Seite des Stapels 1 erstreckt, wobei die Kontaktstifte 25 jeweils zwischen dem Metallleiter 20 und der betreffenden Seite des Bauelements gelegen sind.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante könnten die Kontaktstifte 25 auch auf der von dem Bauelement abgewandten Seiten des Metallleiters 20 angeordnet sein.
Die Erfindung ermöglicht eine einfache Methode zur Außenkontaktierung elektronischer Bauelemente, insbesondere Piezostapelaktoren. Dabei wird vorgeschlagen, zur Vereinfachung des Kontaktierungsprozesses einen vorgefertigten einstückigen kammartigen Metallleiter anstelle der bislang verwendeten Einzeldrähte zu verwenden.

Claims

Als Stapel (1) ausgebildetes elektronisches Bauelement, mit: – einer Mehrzahl von Elektrodenschichten (3, 4); – einer Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten (2), wobei jede Werkstoffschicht (2) zwischen zwei der Elektrodenschichten (3, 4) angeordnet ist; – einer ersten Seitenelektrode (5), die auf einer ersten Seite (7) des Bauelements angeordnet ist und eine erste Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten (3, 4) elektrisch kontaktiert; – einer zweiten Seitenelektrode (6), die auf einer der ersten Seite (7) gegenüberliegenden (22, 23) zweiten Seite (7) des Bauelements angeordnet ist und eine zweite Anzahl der Mehrzahl an Elektrodenschichten (3, 4) elektrisch kontaktiert; – eine erste Außenkontaktierung (9) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der ersten Seitenelektrode (5); und – eine zweite Außenkontaktierung (10) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an einer Vielzahl an Kontaktstellen zu der zweiten Seitenelektrode (6); dadurch gekennzeichnet, dass – die erste und/oder die zweite Außenkontaktierung (10) jeweils durch einen einstückigen und kammartigen Metallleiter (20) gebildet sind, wobei erste, freie Enden (22) von Zinken (21) des Metallleiters (20) jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode (6) elektrisch leitend verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Enden (23) der Zinken (21) in eine alle Zinken (21) elektrisch verbindende Traverse (24) münden, wobei mit der Traverse (24) ein Kontaktstift (25) elektrisch leitend ver bunden ist, der sich in etwa parallel zu der ersten und zweiten Seitenelektrode (5, 6) erstreckt.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, freien Enden (22) der Zinken (21) auf einer Linie enden und die Zinken (21) eine unterschiedliche Länge aufweisen, so dass die zweiten Enden (23) auf einer bogenförmigen Randlinie der Traverse (24) enden.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, freien Enden (22) der Zinken (21) auf einer Linie enden und die Zinken (21) eine gleiche Länge aufweisen, so dass die zweiten Enden (23) auf einer geraden Randlinie der Traverse (24) enden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (25) punktuell mit der Traverse (24) des Metallleiters (20) elektrisch verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmige Verbindung bezüglich der Erstreckungsrichtung der Traverse (24) mittig und entfernt von den zweiten Enden (23) der Zinken (21) vorgesehen ist.
Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (25) in Erstreckungsrichtung der Traverse (24) sowie der ersten und der zweiten Seitenelektrode (5, 6) zumindest abschnittsweise mit dem Metallleiter (20) elektrisch verbunden ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (21) des Metallleiters (20) jeweils eine im Wesentlichen plane Fläche für die elektrische Verbindung mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode (5, 6) aufweisen.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (21) im Querschnitt rechteck- oder quaderförmig sind.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (21) in zumindest einer Querschnittsrichtung eine Dicke zwischen 50 und 70 μm, bevorzugt zwischen 55 und 65 μm und am meisten bevorzugt 60 μm aufweisen.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (21) jeweils einen ersten und einen zweiten Längsabschnitt aufweisen, welche in einem Winkel zueinander stehen, so dass die Zinken (21) jeweils an zumindest zwei Seitenflächen des Bauelements grenzen.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (25) derart an der Traverse (24) des Metallleiters (20) angeordnet ist, dass dieser zwischen dem Metallleiter (20) und dem Bauelement gelegen ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallleiter (20) durch ein Metallblech, insbesondere aus Kupfer oder Bronze oder Edelstahl, gebildet ist.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, freien Enden (22) der Zinken (21) mit der ersten bzw. der zweiten Seitenelektrode (5, 6) verlötet sind.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Seitenelektrode (5, 6) im Bereich einer inaktiven Zone der Werkstoffschichten (2) angeordnet sind.