DE102011103828B4

DE102011103828B4 - Massenproduktion kleiner Temepratursensoren mit Flip-Chips

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Publication number: DE102011103828B4
Application number: DE102011103828.4A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Wienand; Gernot Hacker; Karlheinz Eckert; Thomas Jost
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102809442A; AT511498B1; DK201270293A; DK179268B1; AT511498A3; AT511498A2; DE102011103828A1; CN102809442B

Abstract

Zur Herstellung eines Temperatursensors mit einer in 3 Ebenen strukturierten Leiterbahn, wird die Leiterbahn einer Messspitze aus einer Platinebene strukturiert, und mit je einem Leiterbahnteil auf der Vorder- und Rückseite eines 10–30 mm langen Kunststoffstreifens verbunden, und in einer Schicht zwischen zwei 20–200 μm beabstandeten Platten von einer Platte auf die andere geführt und dabei die Messspitze mit einem Leiterbahnteil aus einer Pt Struktur auf einer anorganischen Platte mit Kupferbahnen entlang des Kunststoffstreifens verlängert. Vom Kunststoffstreifen beabstandet, werden zwei Kontaktfelder aus Kupfer mit der Platinstruktur überbrückt. Die Pt-Struktur mit den Cu-Bahnen und damit die beiden Platten daran verbindet man über Kontaktfelder miteinander, indem man an die Platinstruktur Kontaktfelder aus AgPt oder AgPtPd Paste druckt und einbrennt, und an den Leiterbahnteil aus Kupfer ein Zinn Lot aufgebringt, das Ag, Cu oder Pb aufweist und die Kontaktfelder mit dem Weichlot an die eingebrannte Metallpaste lötet. Insbesondere wird eine keramische Leiterplatte als Messspitze längs auf den Kunststoffstreifen gelötet und der Kunststoffstreifen zwischen zwei Adern eines Kabels fixiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Temperatursensoren, bei dem Flip-Chips auf einem Nutzen fertig gestellt werden, bevor sie vereinzelt werden, um auf Leiterplatten befestigt zu werden. Die Erfindung betrifft ferner Temperatursensor bei dem eine in drei Ebenen angeordnete Leiterbahnstruktur in einer Schicht, die zwei dieser Ebenen aufweist, zwischen zwei Platten von einer Platte auf die andere führt, so dass ein Leiterbahnteil aus Kupfer entlang eines Kunststoffstreifens mit einem Leiterbahnteil aus Pt auf einem anorganischen Substrat zur Messspitze verlängert wird.
Die DE 39 39 165 C1 zeigt einen Temperatursensor, bei dem eine Kunststofffolie vorder- und rückseitig mit einem Anschlusskabel verbunden wird und ein Bauteil auf einer Seite der Folie angeordnet wird und über eine vorder- und rückseitige Leiterbahn mit dem Anschlusskabel verbunden wird. Die Kabelkontaktierung ist jedoch für eine automatische Fertigung behinderlich. Derartige flexible Folien werden zwar in anderen Schriften als Dinge, die im Unterschied zu einer Platte flexibel sind, als flexible Leiterplatten bezeichnet. Das Adjektiv beschreibt somit den Unterschied zur Platte, deshalb weder eine Platte noch eine Leiterplatte. Die DE 87 16 103 U1 beschreibt eine beidseitige Kontaktierung eines Messwiderstands über Leiterbahnen einer Leiterplatine, wobei eine Kontaktierung über eine Durchkontaktierung zu einer Leiterbahn auf der Rückseite der Leiterplatine erfolgt. Hinsichtlich einer dauerhaft zuverlässigen und präzisen Temperaturmessung, wie auch der Reproduzierbarkeit und einem robusten Aufbau, ist diese Anordnung verbesserbar. Die DE 295 04 105 U1 zeigt eine Anschlussplatine mit mäanderförmig verlaufendem Strompfad zwischen einem Anschlusskabel und einem funktionellen Bauteil. Eine rückseitige Kontaktierung ist nicht vorgesehen. Die DE 31 27 727 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur, bei der Widerstände auf der Vorder- und Rückseite einer Substratplatte angeordnet sind und jeweils auf den entsprechenden Seiten elektrisch kontaktiert werden. Eine zusätzliche Leiterplatte ist nicht vorgesehen. Die DE 101 04 493 A1 offenbart einen Temperatursensor, bei dem ein temperatursensitives Element auf die Leiterbahnen eines Trägers aufgelegt und dort festgesintert werden. Aus der EP 2 312 288 A1 ist ein Temperatursensor mit einer Multilayer-Leiterplatine bekannt, bei der der Messwiderstand über Vias mit innenliegenden Leiterbahnen kontaktiert ist. Die EP 0 809 094 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung für die Temperaturmessung mit einem temperaturempfindlichen Messwiderstand, der auf einem Keramiksubstrat einen dünnen Metallfilm als Widerstandsschicht und Kontaktflächen aufweist, wobei die Widerstandsschicht durch eine elektrisch isolierende Schutzschicht abgedeckt ist und die Kontaktflächen elektrisch leitend und direkt mechanisch fest mit elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen auf einer hochtemperaturfesten Platine verbunden sind. Der Messwiderstand wird an einem Ende der Platine kontaktiert. An dem dem Messwiderstand abgekehrten Ende der Platine werden Kontaktflächen zum Anschluss eines Trägers oder Kabels angeordnet. Auf die Kontaktflächen für die Kontaktierung und Befestigung des Messwiderstands wird unmittelbar vor dem Auflegen des Messwiderstands auf die hochtemperaturfeste Platine eine noch feuchte Dickfilmleitpaste auf die Platine aufgebracht, auf die der Messwiderstand mit seinen freien Kontaktflächen aufgesetzt und bei Temperaturen bis 1000°C auf der Platine eingebrannt und damit kontaktiert und befestigt wird. In einer Ausführung ist je eine Steckerkontaktfläche auf der Vorder- und Rückseite der Trägerplatine angeordnet. Das Verfahren ist jedoch aufwendig. Die DE 197 50 123 A1 offenbart einen weiteren Hochtemperatursensor, bei dem ein Messwiderstand als Flip-Chip auf einer keramischen Trägerplatine angeordnet wird. Die DE 197 42 236 A1 offenbart einen Temperatursensor mit einer langgestreckten Leiterplatte, die wenigstens eine Leiterbahn auf einem Substrat aus temperaturbeständigem Materialien mit elektrisch isolierender Oberfläche aufweist, wobei auf der Oberfläche zwei mit der Leiterbahn verbundene Anschlusskontaktfelder zur elektrischen Verbindung mittels Schmelzvorgang mit Enden von Anschlussleitern eines Anschlusskabels angeordnet sind. Ein erstes Anschlusskontaktfeld ist auf der Vorderseite und ein zweites Anschlusskontaktfeld auf der Rückseite der Leiterplatine platziert. Die Leiterplatte besteht aus Epoxid, Triazinen, Polyimiden oder aus Polytetrafluorethylen. Die Leiterbahn ist in der Draufsicht mäanderförmig verlaufend gestaltet und im Bereich der Anschlusskontaktfelder als Ebene ausgebildet. Damit wurde ein Sensor zur dauerhaft zuverlässig präzisen Temperaturmessung bereitgestellt, der einen einfachen robusten Aufbau und eine hohe Qualität liefert. Die AT 502636 A2 betrifft die Herstellung eines Temperatursensors wonach an einem Kunststoffstreifen an je einem Ende eines vorder- und rückseitigen Strompfades ein Anschlusskabel angeschlossen wird. Die Befestigung der Chips aneinander geschieht auf elegante Weise sehr rationell über die Kontaktflächen an den Leiterbahnen. Der Flip-Chip ist eine an Kontaktfeldern befestigte Brücke zwischen den Leiterbahnen auf dem Kunststoffstreifen. Insofern müssen die elektrischen Kontakte mechanisch belastbar sein. Deshalb erfolgt eine aufwändige Metallisierung an und um die Schmalseiten der Chips. Aufwändig und ggf. die Qualität beeinträchtigend sind derartige Behandlungen von Chips nach deren Vereinzelung.
Die vorliegende Erfindung macht sich eine Qualitätssteigerung und die Vereinfachung der Massenproduktion zur Aufgabe.
Erfindungsgemäß werden Flip-Chips, mechanisch stabil ohne Metallisierung der Stirnseiten befestigt. Der Chip wird dabei erfindungsgemäß auf einem Nutzen bis zu dessen Vereinzelung fertig gestellt.
Für die Massenproduktion stellt sich auch die Aufgabe nach Vereinfachung und Materialeinsparung ohne Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit. Würde man die Fläche der Kontaktfelder verkleinern, würde die mechanische Befestigung verringert. Verkürzt man zur weiteren Vereinfachung der Massenproduktion den Mäander zur Wärmeentkopplung auf der Kunststoffplatine, würde man eine verschlechterte Ansprechzeit und damit einhergehend eine schlechtere Messgenauigkeit erwarten. Insofern überrascht es, dass erfindungsgemäß mit geraden Leiterbahnen auf einer kürzeren Kunststoffplatine kaum Auswirkungen auf die Ansprechzeit realisiert werden. Zur Lösung der Aufgabe werden trotz erheblich verkürzter Leiterbahnen zur Wärmeentkopplung auf verkleinerten Kunststoffplatinen genaue Sensoren bereitgestellt indem die Leiterbahnen gerade verlaufen und die Kunststoffplatinen daran angepasst in allen Dimensionen verkleinert werden.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß werden Temperatursensoren zur Heizkostenberechnung bereitgestellt, die mit kürzeren Leiterbahnen auf einer Kunststoffplatine mit einer Länge unter 20 mm eine immer noch ausgezeichnete Ansprechzeit liefern, selbst bei einer Breite unter 5 mm.
Zur Massenproduktion von Temperatursensoren, deren Leiterbahnen für 3 Ebenen strukturiert werden, die zueinander parallel angeordnet werden, werden erfindungsgemäß auf der Vorder- und Rückseite einer Kunststofffolie pro vereinzelbarem Streifen und je Ebene eine Kupferbahn und Kontaktfelder strukturiert. Je zwei zur Befestigung eines Chips vorgesehene Kontaktfelder werden mit Weichlot beschichtet, insbesondere Zinn Lot, das Ag, Cu oder Pb aufweist. Als dritte Ebene werden auf einer anorganischen Platte mindestens 100 Ohm aufweisende Widerstände zwischen Kontaktfeldern an Längsenden aus einer Dünnschicht, insbesondere Platindünnschicht strukturiert. Auf die Kontaktfelder wird eine Platinpaste, insbesondere AgPt oder AgPtPd Paste gedruckt und eingebrannt. Die Widerstände dienen als Meßspitzen. Deshalb werden sie aus der Platinebene in einen kurvigen Verlauf strukturiert. Nach Vereinzelung der anorganischen Platte in Chips werden die Chips auf den Kontaktfeldern mit dem Weichlot befestigt wobei die Platinstruktur als Teil der Leiterbahn je einem Teil der Leiterbahn auf der Vorder- und Rückseite des Kunststoffstreifens verbunden wird. Erfindungsgemäß führt die Leiterbahn in einer – zwei dieser Ebenen umfassenden – Schicht zwischen zwei durch die Platindickschicht und die Weichlotschicht 20–200 μm beabstandeten Platten von einer Platte auf die andere. Dabei wird die auf der anorganischen Platte strukturierte Platinstruktur als Teil der Leiterbahn mit einem Leiterbahnteil aus Kupfer entlang des Kunststoffstreifens verlängert. Mit dem Leiterbahnteil aus Platin werden vom Kunststoffstreifen beabstandet, zwei Kontaktfelder aus Kupfer überbrückt. Über die Verbindung der Leiterbahnteile aus Pt mit denen aus Cu werden die beiden Platten daran über Kontaktfelder aneinander befestigt. Indem an die Leiterbahnteile aus Platin Kontaktfelder aus AgPt oder AgPtPd Paste gedruckt und eingebrannt werden und an die Leiterbahnteile aus Kupfer das Zinn Lot aufgebracht wird, das Ag, Cu oder Pb aufweist und die Kontaktfelder mit dem Weichlot an die eingebrannte Metallpaste gelötet werden, erfolgt die Befestigung der Chips auf der Kunststoffplatte. Somit überbrücken die Platinstrukturen, von den Kunststoffstreifen beabstandet, je zwei Kontaktfelder aus Kupfer.
Diese Massenproduktion ermöglicht die Herstellung hochwertiger miniaturisierter Sensoren mit je einer geradlinigen Kupferbahn zwischen Kontaktfeldern auf der Vorder- und Rückseite der Kunststoffstreifen.
Zur weiteren Vereinfachung der Massenproduktion kann die Vereinzelung der Kunststoffplatte zu Streifen abschnittsweise erfolgen, damit die Kabel rationeller angeschlossen werden können.
Zur Herstellung eines Mini-Temperatursensors, dessen Leiterbahn in 3 Ebenen strukturiert wird, erfolgt eine Strukturierung einer Platinebene in einen kurvigen Verlauf zu einem Messwiderstand von mindestens 100 Ohm, und dessen Verbindung mit je einem geradlinigen Leiterbahnteil auf der Vorder- und Rückseite eines Kunststoffstreifens. Hierzu wird erfindungsgemäß die Leiterbahn in einer – zwei dieser Ebenen umfassenden – Schicht zwischen zwei Platten, die 20–200 μm beabstandet werden, von einer Platte auf die andere geführt. Dabei wird die Platinstruktur vom Kunststoffstreifen beabstandet, indem zwei Kontaktfelder aus Kupfer überbrückt werden. Dazu werden die Pt-Struktur mit den Cu-Bahnen und damit die beiden Platten daran über Kontaktfelder miteinander verbunden, indem man an die Platinstruktur Kontaktfelder aus AgPt oder AgPtPd Paste druckt und einbrennt, und an den Leiterbahnteil aus Kupfer ein Zinn Lot aufgebracht wird, das Ag, Cu oder Pb aufweist und die Kontaktfelder mit dem Weichlot an die eingebrannte Metallpaste lötet.
Die so gelötete Überbrückung zwischen den Kontaktfeldern auf dem Kunststoffstreifen ermöglicht bei erheblich verkürzten Kupferbahnen zur Wärmeentkopplung auf verkleinerten Kunststoffplatinen genaue Sensoren, indem die Leiterbahnen gerade verlaufen und die Kunststoffplatinen daran angepasst in allen Dimensionen verkleinert werden. Insbesondere wird eine keramische Leiterplatte als Messspitze längs zum Kunststoffstreifen auf diesen gelötet. Die schmalere Messspitze ist so auf dem breiteren Kunststoffstreifen berührungsfrei in ein Schutzrohr einführbar.
Der erfindungsgemäße Sensor kann besonders einfach mit seinem Kunststoffstreifen zwischen zwei Adern eines Kabels fixiert werden. Zwischen den Adern wird der Kunststoffstreifen selbstfixierend gehalten. Diese einfache Technik erspart sonstige Maßnahmen zur Fixierung und Isolierung und erspart viele Fehlerquellen oder verschleißanfällige Konstruktionen. Der zwischen den Adern eines Kabels selbstzentrierend befestigte Chip kann besonders einfach mit dem Kabel in ein Schutzrohr geführt werden.
Erfindungsgemäß schützen zwei Platten den Platinteil der Leiterbahn sandwichartig indem an den Leiterbahnteil aus Platin Kontaktfelder einer Dickschicht aus Pt und einem weiteren Edelmetall mit einem Zinn Lot an dem Leiterbahnteil aus Kupfer aneinander gelötet sind, so dass die Kontaktfelder die Leiterbahnteile aus Pt und Cu und damit die beiden Substrate miteinander verbinden und dadurch mechanisch aneinander befestigen.
So wird ein miniaturisierter Temperatursensor bereitgestellt bei dem eine in 3 Ebenen angeordnete Leiterbahnstruktur in einer Schicht, die zwei dieser Ebenen aufweist, zwischen zwei Platten von einer Platte auf die andere führt so dass ein Leiterbahnteil aus Kupfer entlang eines Kunststoffstreifens mit einem Leiterbahnteil aus Pt auf einem anorganischen Substrat zur – Messspitze verlängert wird; die Leiterbahn in der Messspitze in einen kurvigen Verlauf strukturiert ist und über eine Durchkontaktierung mit einem Leiterbahnteil auf der Rückseite des Kunststoffstreifens verbunden ist. Dessen Messspitze weist eine mindestens 10 mm lange, 3 bis 100 μm breite und 0,1 bis 5 μm dicke Platinbahn mit einem Widerstand von mindestens 100 Ohm auf einer 1 bis 10 mm² großen Fläche eines 0,1 bis 1 mm dicken keramischen Plättchen auf, dessen Verhältnis Länge zu Breite zwischen 1,2 bis 2,5 beträgt, wobei die Platinbahn an ihren beiden Enden in 20 bis 500 fach verbreiterte Felder übergeht, auf denen jeweils eine AgPt oder Ag Pt Pd Dickschicht befestigt ist, die wiederum mit dem Weichlot an je einem Kontakfeld des Kunststoffstreifens befestigt sind. Damit hält auch das keramische Substrat auf dem Kunststoffstreifen, der erfindungsgemäß als 10 bis 30 mm lange und 1 bis 5 mm breite Kunststoffplatte ausgebildet ist auf der je ein gerades Teil der Leiterbahn aus Kupfer auf der Vorder- und Rückseite verläuft. Der rückseitige Teil der Leiterbahn wird mittels Durchkontaktierung an ein Kontaktfeld auf der Vorderseite des Kunststoffstreifens angeschlossen. Die drei anderen Enden der beiden geraden Leiterbahnenteile werden zu Kontaktfeldern verbreitert. Die beiden Kontaktfelder zur Befestigung des keramischen Plättchens werden mit einem Zinn-Lot beschichtet, mit dem die Platindickschicht angelötet wird.
Ein Brückenchip des Temperatursensors mit einer Leiterbahn aus Platin wird über Kontaktfelder an zwei Leiterbahnteilen aus Kupfer befestigt, wobei diese Befestigung die elektrische Verbindung des Leiterbahnteils aus Platin und des Leiterbahnteils aus Kupfer ist. Das Substrat des Flip-Chips ist ein 0,1 bis 1 mm, insbesondere 0,3 bis 0,7 mm dickes keramisches Plättchen mit einer 1 bis 10 mm², insbesondere 2 bis 5 mm² großen rechteckigen Fläche mit einem bevorzugten Seitenverhältnis von 1,2 bis 1,8, insbesondere 1,3 bis 1,6. Zu dünne oder zu lange Substrate sind schwerer verarbeitbar und mechanisch unbrauchbar wenn sie aufgrund mangelnder Starrheit Kurzschlüsse erzeugen können. Dickere Substrate verschlechtern die Messgenauigkeit ebenso wie quadratische. Kunststoffsubstrate sind zwar weniger aufwendig herstellbar aber für Leiterbahnen aus Platin ungeeignet. Leiterbahnen aus Platin vereinfachen die Temperaturmessung gegenüber anderen Leiterbahnen. Auf diesem Substrat des Flip-Chips geht die Leiterbahn aus Platin-Dünnschicht als eine kurvenreiche 0,1 bis 1 m insbesondere 0,3 bis 0,7 m lange, 10 bis 100 μm, insbesondere 20 bis 30 μm breite und 1 bis 5 μm, insbesondere 1 bis 3 μm dicke Platinbahn an ihren beiden Enden in 2 bis 10 fach, insbesondere 3 bis 6 fach verbreiterte Kontaktfelder über. Kürzere, schmalere, breitere und dünnere Platinbahnen verschlechtern die Messgenauigkeit. Längere Platinbahnen erfordern größere Substrate. Dickere Platinbahnen erfordern mehr Dünnschichtbeschichtungen. Dickschicht-Platinbahnen verschlechtern die Messgenauigkeit. Sind die Dünnschichtkontaktfelder größer, verbleibt weniger Platz für die Platinbahn. Kleinere Dünnschichtkontaktfelder verschlechtern die Messgenauigkeit.
Die Platine ist ein 10 bis 30 mm langer und 1 bis 5 mm breiter, rigider 0,3–0,4 mm starker faserverstärkter Kunststoffstreifen, insbesondere aus Epoxid, Triazin, Polyimid oder Fluorpolymer und Glasfasern. Andere Kunststoffe sind ggf. den thermischen Anforderungen nicht gewachsen. Dickere, breitere und kürzere Platinen verschlechtern die Messgenauigkeit. Längere Platinen müssen der Starrheit wegen dicker sein, dünnere der Starrheit wegen kürzer und schmalere der mechanischen Belastbarkeit wegen. Auf dem Kunststoffstreifen verläuft je eine Leiterbahn aus Kupfer auf der Vorder- und Rückseite. Die Messgenauigkeit ist bei reinem Kupfer am besten und nicht etwa mit Silber. Die Abhängigkeit der Messempfindlichkeit bezüglich Zusätzen im Kupfer ist bezogen auf deren Abhängigkeit hinsichtlich der Dimensionierungen der Leiterbahnen, Leiterplatten oder Substrate gering. Das Führen einer der beiden Leiterbahnen auf der Vorderseite der Leiterplatte 10 und der anderen Leiterbahn auf deren Rückseite gewährt dauerhaft gute elektrische Isolierung voneinander und vereinfacht den Anschluss der Adern eines Kabels indem das Substrat zwischen die Adern geschoben wird oder je eine Ader auf eine Seite der Platine geschoben wird. Diese Selbstzentrierung gewährt nicht nur eine einfache vor Kurzschluss sichere Befestigung der Adern sondern stabilisiert die zwischen den Adern gehaltene Platine 10, die deshalb präzise fixiert ist und einfacher in ein Schutzrohr eingeführt werden kann. Die Selbstzentrierung bewirkt im Schutzrohr eine sichere Beabstandung der Leiterbahnen vom Schutzrohr. Dies erspart Abstandshalter und ist dauerhaft sicher. Insofern wird eine selbstzentrierende Verwendung der Platine zur Fixierung zwischen zwei Adern eines Anschlusskabels ermöglicht.
Die rückseitige Leiterbahn schließt man mittels Durchkontaktierung 15 an ein Kontaktfeld 14 auf der Vorderseite der Platine 10 an und die drei anderen Enden der beiden Leiterbahnen 12 werden als breite Kontaktfelder 11, 13 strukturiert, die man mit Zinn-Lot beschichtet wobei man die beiden Kontaktfelder 13, 14 zur Befestigung des keramischen Plättchens mit einem Zinn-Lot 2 beschichtet, mit dem man die Platindickschicht 3 anlötet. Aus Stabilitätsgründen sind die Befestigung auf dem Kontaktfeld 14 und die Stromdurchführung 15 voneinander beabstandet. Die Kontaktfelder dieser Kunststoffplatine sind vollflächig und ermöglichen eine einfache rationelle Kontaktierung und ausreichende Stabilität der Kontakte. Größere Kontaktfelder oder breitere Leiterbahnen verschlechtern die Messgenauigkeit, aber ebenso schmalere Leiterbahnen.
Die Leiterbahn auf der Rückseite zwischen der Durchkontaktierung 15 und dem Kontaktfeld ist geradlinig in der Nähe der Mitte der Kunststoffplatine 10 angeordnet.
Das Substrat ist im Bereich der Kontaktfelder 13, 14 parallel über der Leiterplatte 10 befestigt. Im Bereich der Kurven der Leiterbahn ist die Kunststoffplatine 10 frei von Leiterbahnen elektrisch isolierend.
Die Dickschichten werden an je einem Kontaktfeld einer Platine befestigt und halten damit auch das keramische Substrat auf der Platine.
In Massenproduktion werden zur Herstellung von Temperatursensoren erfindungsgemäß Flip-Chips auf einem Nutzen fertig gestellt, bevor sie vereinzelt werden, um auf Leiterplatten befestigt zu werden. Hierzu ist maßgeblich, dass die Flip-Chips ein anorganisches Substrat aufweisen, auf dem vor der Vereinzelung des Nutzens eine ebene Dünnschicht zu einer Leiterbahn zwischen zwei Kontaktfeldern strukturiert wurde. Die vereinzelten Flip-Chips werden dann auf einem Nutzen auf Basis eines faserverstärkten Kunststoffs, z. B. einer BT-Epoxy Folie auf sich widerholenden Einheiten des Nutzens befestigt. Diesbezüglich werden die Leiterplatten als wiederholende Einheiten aus einer beidseitig mit Kupferebenen beschichteten faserverstärkten Kunststofffolie strukturiert, mit einer Kontaktdurchführung versehen und nach der Bestückung mit den Flip-Chips vereinzelt. Dabei werden die drei strukturierten Ebenen zu einer zusammenhängenden Leiterbahn des Temperatursensors verbunden, wobei die Verbindung der Leiterbahnen des Flip-Chips mit denen der Platine über Kontaktfelder erfolgt, an denen der Flip-Chip als Brücke befestigt wird.
Erfindungsgemäß können Temperatursensoren mit einer Leiterplatte zur Fixierung zwischen zwei Adern eines Kabels und deren Herstellung, bei der man eine Leiterbahn aus Platin über zwei Kontaktfelder mit zwei Leiterbahnen der Leiterplatte verbindet, wobei die Platinbahn in Dünnschichttechnik als eine 0,1 bis 1 m lange, 10 bis 100 μm breite und 1 bis 5 μm dicke Platinbahn auf einer 1 bis 10 mm² großen rechteckigen Fläche eines 0,1 bis 1 mm dicken keramischen Plättchen an ihren beiden Enden in 2 bis 5 fach verbreiterte Kontaktfelder übergeht vorgesehen sein.
In den folgenden Beispielen wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen verdeutlicht.
1 zeigt die Überbrückung mit einem Flip-Chip.
2 zeigt die Seite einer Leiterplatte mit Kontaktfeldern zum überbrücken.
Beispiel 1
Eine 300 mm × 150 mm × 0,4 mm beidseitig mit 50 μm Kupfer beschichtete glasfaserverstärkte BT-Epoxy Folie 10 wird in 1000 15 mm × 3 mm große Einheiten 10 strukturiert. Jede Einheit 10 erhält dabei an einem Ende eine Kontaktdurchführung 15 und am anderen Ende je ein 3,5 × 2,5 mm großes Kontaktfeld 11 auf der Vorder- und Rückseite. Das große Kontaktfeld 11 wird über die Leiterbahn 12 mit dem kleinen Kontaktfeld 13 verbunden. Auf der Rückseite wird die Kontaktdurchführung 15 mit dem großen Kontaktfeld über eine gerade Leiterbahn verbunden. Auf der Vorderseite werden zwei kleinere sich 1,5 mm in Längsrichtung der Platine 10 erstreckende Kontaktfelder 13, 14 erstellt und mit einem Flip-Chip 40 überbrückt. Die Kontaktdurchführung 15 erfolgt an einem der kleinen Kontaktfelder 14. Zwischen dem anderen kleinen Kontaktfeld 13 und dem großen Kontaktfeld 11 wird eine gerade 1 mm breite Leiterbahn 12 strukturiert. Die Kontaktfelder werden mit Weichlot 2 beschichtet. Das Weichlot 2, insbesondere der kleinen Kontaktfelder 13, 14 enthält Zinn, Silber und Kupfer. Der Flip-Chip 40 wird nur mit Kontaktfeldern befestigt. Der Flip-Chip 40 enthält gegenüber üblichen SMD-Bauteilen keine Lötkontakte auf seinen Stirnseiten. In der Massenproduktion werden die Flip-Chips 40 auf dem Nutzen befestigt. Zur Herstellung der Flip-Chips wird eine 2 μm dicke Platindünnschicht auf einer 0,5 mm dicken keramischen Platte in je 2 × 1,5 mm Einheiten zu kurvenreichen, je 50 mm langen, 20 μm breiten Platinbahnen mit einem Widerstand von etwa 1000 Ohm als Mäander zwischen je zwei Kontaktfeldern lithographisch strukturiert. Als Pad 3 wird eine Pt-Ag Paste aufgetragen und eingebrannt. Danach werden die Einheiten zu Chips 40 vereinzelt. Die vereinzelten Chips 40 werden mit der eingebrannten Pt-Ag Paste 3 auf dem Weichlot 2 über den kleinen Kontaktfeldern 13, 14 aus Kupfer auf dem Nutzen befestigt. Hierzu werden die vereinzelten Chips nicht wie für entsprechende SMD Bauteile üblich, zuvor an und um ihre Schmalseiten metallisiert. Der Nutzen wird vereinzelt. Die großen Anschlusskontaktfelder 11, 17 werden paarweise zwischen zweiadrigen Kabeln zwischen den Aderpaaren fixiert. Die bestückte Leiterplatte 10 zentriert sich somit selbst zwischen den Adern eines Kabels. Am Kabel befestigt folgt ein selbst zentriertes Einschieben in ein metallisches Schutzrohr. Die Selbstzentrierung und die Flip-Chip-Befestigung verhindern einen Kurzschluss im Metallrohr. Die Eleganz dieser Technik liegt in ihrer Einfachheit als Grundlage für hohe Sicherheit, da keine Bauteile benötigt werden, um Leiterbahnen vom Schutzrohr zu beabstanden. Flexible Leiterplatten wären unbrauchbar, da sie keine Platten sind und deshalb die für Massenproduktion erforderliche Starrheit fehlt. Ein mechanischer Schutz des Messwiderstands ist nicht mehr erforderlich, da der Messwiderstand durch den metallfreien Bereich zwischen den kleinen Kontaktfeldern 13, 14 auf der Folie 10 geschützt ist. Eine Glaspassivierung 61 oder Glaskeramik 61 schützt den Messwiderstand vor chemischen Angriffen.
Beispiel 2
Eine 150 mm × 100 mm × 0,3 mm beidseitig mit 50 μm Kupfer beschichtete glasfaserverstärkte BT-Epoxy Folie wird in 500 besonders kleine Einheiten 10 der Abmessungen 10 mm × 2,5 mm strukturiert. Jede Einheit 1 erhält dabei an einem Ende eine Kontaktdurchführung 15 und am anderen Ende je ein 2,5 × 2 mm großes Kontaktfeld 11 auf der Vorder und Rückseite. Auf der Rückseite wird die Kontaktdurchführung 15 mit dem Kontaktfeld über eine gerade Leiterbahn verbunden. Auf der Vorderseite werden zwei kleinere sich 1 mm in Längsrichtung der Platine 10 erstreckende Kontaktfelder 13, 14 erstellt und mit einem Flip-Chip 40 überbrückt. Das innere der kleinen Kontaktfelder 13 wird während der Strukturierung der Kupferbeschichtung über eine Leiterbahn 12 mit dem großen Kontaktfeld 11 verbunden. Die Stromdurchführung 15 erfolgt am äußeren der kleinen Kontaktfelder 14. Zwischen der Kontaktdurchführung 15 und dem großen Kontaktfeld wird eine gerade 1 mm breite Leiterbahn strukturiert. Die Kontaktfelder 11, 13, 14 werden mit Weichlot beschichtet. Das Weichlot 2 der kleinen Kontaktfelder ist eine Zinnlegierung, die Silber oder Kupfer enthält. Der Flip-Chip 40 wird nur über seine mit dem Substrat verankerten Pads 3 an seinen Kontaktfeldern befestigt. Der Flip-Chip 40 enthält gegenüber üblichen SMD-Bauteilen keine Lötkontakte auf seinen Stirnseiten. In der Massenproduktion werden die Flip-Chips 40 auf dem Nutzen befestigt.
Zur Herstellung besonders kleiner Flip-Chips wird eine 1 μm dicke Platindünnschicht auf einer 0,3 mm dicken keramischen Platte in 1,5 × 1 mm Einheiten zu kurvenreichen, je 30 mm langen, 20 μm breiten Platinbahnen mit einem Widerstand von etwa 1000 Ohm als Mäander zwischen je zwei Kontaktfeldern lithographisch strukturiert. Dabei werden die Kontaktfelder jeweils an den beiden Längsenden je rechteckiger Einheit als nach außen offener Kamm strukturiert. Auf diese Kämme wird eine Pt-Pd-Ag Paste bis an die Kanten der Stirnseiten aufgetragen und eingebrannt. Die eingebrannte Paste 3 haftet in den strukturierten Lücken der Platin-Kontaktfelder direkt und besonders fest am keramischen Substrat des Flip-Chips 40. Abschließend werden die Einheiten zu Chips vereinzelt ohne danach an den Schmalseiten metallisiert zu werden. Die vereinzelten Chips 40 werden nur mit der eingebrannten Pt-Ag-Pd Paste 3 auf dem Weichlot 2 über den kleinen Kontaktfeldern 13, 14 auf dem Nutzen befestigt. Der Nutzen wird in Zweierreihen geteilt, bei denen die großen Anschlusskontaktfelder 11 nach außen zeigen. Diese Anschlusskontaktfelder 11 werden paarweise zwischen zweiadrigen Kabeln zwischen den Aderpaaren fixiert und danach vereinzelt. Die bestückte Leiterplatte zentriert sich somit selbst zwischen den Adern eines Kabels. Am Kabel befestigt folgt ein selbst zentriertes Einschieben in ein metallisches Schutzrohr. Die Selbstzentrierung und die Flip-Chip-Befestigung verhindern einen Kurzschluss im Metallrohr. Die Eleganz dieser Technik liegt in ihrer Einfachheit als Grundlage für hohe Sicherheit, da keine Bauteile benötigt werden, um Leiterbahnen vom Schutzrohr zu beabstanden. Eine Glaspassivierung 61 oder Glaskeramik 61 zum Schutz des Messwiderstands schützt den Messwiderstand vor chemischen Angriffen. Mechanisch ist der Messwiderstand durch den metallfreien Bereich zwischen den kleinen Kontaktfeldern 13, 14 auf der Folie 10 geschützt. Ein Epoxidharz schützt als Abdecklack die Platine vor chemischem Angriff. Mechanisch ist sie aufgrund der Selbstzentrierung geschützt.
Beispiel 3
Eine 200 × 150 × 0,3 mm beidseitig mit 20 μm Kupfer beschichtete glasfaserverstärkte Polyimidfolie wird in 1000 10 × 3 mm große Einheiten 10 strukturiert. Jede Einheit erhält dabei an einem Ende zwei 3,5 × 1,5 mm große Kontaktfelder 11 und zwar je eines auf der Vorder- und Rückseite und am anderen Ende zwei 1,5 × 1 mm Kontaktfelder 13, 14 auf der Vorder- oder Frontseite. Dort werden die beiden kleinen Kontaktfelder 13, 14 mit einem Flip-Chip 40 überbrückt. Eines der kleinen Kontaktfelder 14 ist an die Stromdurchführung 15 angeschlossen, das andere über eine gerade 1 mm breite Leiterbahn 12 an das große Kontaktfeld 11. Das Substrat des Flip-Chips 40 ist ein 0,1 bis 0,5 mm, insbesondere 0,2 bis 0,3 mm dickes keramisches Plättchen mit einer 1 bis 5 mm², insbesondere 2 bis 3 mm² großen rechteckigen Fläche mit einem bevorzugten Seitenverhältnis von 1,2 bis 2,5 insbesondere 1,3 bis 2,0. Zu dünne oder zu lange Substrate sind schwerer verarbeitbar und mechanisch unbrauchbar wenn sie aufgrund mangelnder Starrheit Kurzschlüsse erzeugen können. Dickere Substrate verschlechtern die Messgenauigkeit ebenso wie quadratische. Kunststoffsubstrate sind zwar weniger aufwendig herstellbar aber für Leiterbahnen aus Platin ungeeignet. Leiterbahnen aus Platin vereinfachen die Temperaturmessung gegenüber anderen Leiterbahnen. Auf diesem Substrat des Flip-Chips geht die Leiterbahn aus Platin-Dünnschicht als eine mindestens 100 Ohm insbesondere 500 bis 10000 Ohm aufweisende kurvenreiche mindestens 10 mm, vorzugsweise 20 bis 500 mm, insbesondere 40 bis 200 mm lange, 3 bis 100 μm, insbesondere 20 bis 30 μm breite und 1 bis 5 μm, insbesondere 1 bis 3 μm dicke Platinbahn an ihren beiden Enden in 2 bis 10 fach, insbesondere 3 bis 6 fach verbreiterte Kontaktfelder über. Vor allem dünnere, aber auch kürzere, schmalere und breitere Platinbahnen verschlechtern die Messgenauigkeit. Längere Platinbahnen erfordern größere Substrate. Dickere Platinbahnen erfordern mehr Dünnschichtbeschichtungen. Dickschicht-Platinbahnen verschlechtern die Messgenauigkeit. Sind die Dünnschichtkontaktfelder breiter, verbleibt weniger Platz für die Platinbahn. Schmalere Dünnschichtkontaktfelder verschlechtern die Messgenauigkeit.
Schichtenfolge:

50 μm Keramikfolie
1 μm Platindünnschicht = Platinbahn + Dünnschichtkontaktfelder
Verbund = (AgPt) + Binder
Weichlot = Sn + Ag
10 μm Kupferschicht = Kontaktfeld 3 × 1,5 mm, Kupferbahn 5× 0,5
0,3 mm Kunststoffstreifen 10 × 2,5 mm
10 μm Kupferschicht
Weichlot

0,5 mm Keramikplatte
2 μm Platindünnschicht = Platinbahn + Dünnschichtkontaktfelder
Verbund = (PtAg) + Binder
Weichlot = Sn + Ag
15 μm Kupferschicht = Kontaktfeld 3 × 1,5 mm, Kupferbahn 5 × 0,5
0,35 mm Kunststoffstreifen 15 × 2,5 mm – Stromdurchführung
15 μm Kupferschicht
Weichlot

Bezugszeichenliste

2: SAC-Weichlot/Zinn-Lot
3: Platin-Dickschicht-Pad
10: Platine/Folie/Einheit
11: großes Kontaktfeld
12: Leiterbahn
13, 14: kleine Kontaktfelder
15: Kontaktdurchführung
40: Flip-Chip
61: Glaspassivierung/Glaskeramik

Claims

Verfahren zur Herstellung von Temperatursensoren, bei dem Flip-Chips (40) auf einem Nutzen fertig gestellt werden, bevor sie vereinzelt werden, um auf Leiterplatten (10) befestigt zu werden, wobei die Flip-Chips (40) ein anorganisches Substrat aufweisen, auf dem vor der Vereinzelung des Nutzens eine ebene Dünnschicht zu einer Leiterbahn zwischen zwei Kontaktfeldern strukturiert wurde, die Leiterplatten (10) als wiederholende Einheiten aus einer beidseitig mit Kupferebenen beschichteten faserverstärkten Kunststofffolie (10) strukturiert, mit einer Kontaktdurchführung (15) versehen und nach der Bestückung mit den Flip-Chips (40) vereinzelt werden, und die drei strukturierten Ebenen zu einer zusammenhängenden Leiterbahn des Temperatursensors verbunden werden, wobei die Verbindung der Leiterbahnen des Flip-Chips (40) mit denen der Leiterplatte (10) über Kontaktfelder erfolgt an denen der Flip-Chip (40) als Brücke befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine ebene Platinfläche zu Platinstrukturen auf der anorganischen Platte (40) als die Leiterbahn erzeugt wird, wobei die Platinstruktur aus der Platinebene in einem kurvigen Verlauf strukturiert wird, und mit den beiden Leiterbahnen auf der Vorder- und Rückseite der als Kunststoffstreifen (10) ausgebildeten Leiterplatte (10) verbunden wird, und die dadurch erzeugte zusammenhängende Leiterbahn des Temperatursensors in einer – zwei dieser Ebenen umfassenden – Schicht zwischen den zwei 20–200 μm beabstandeten Platten (10, 40) von einer Platte auf die andere geführt wird und dabei die auf der anorganischen Platte (40) strukturierte Platinstruktur mit der Leiterbahn aus Kupfer entlang des Kunststoffstreifens (10) verlängert wird, und mit der Leiterbahn aus Platin, vom Kunststoffstreifen (10) beabstandet, zwei Kontaktfelder (13, 14) aus Kupfer überbrückt werden; und die Leiterbahnteile aus Platin (Pt) mit denen aus Kupfer (Cu) und damit die beiden Platten (10, 40) daran über Kontaktfelder (13, 14, 2, 3) miteinander verbunden werden, indem an den Leiterbahnteil aus Platin Kontaktfelder (3) aus AgPt oder AgPtPd Paste gedruckt und eingebrannt werden und an den Leiterbahnteil aus Kupfer ein Zinn Lot (2) aufgebracht wird, das Ag, Cu oder Pb aufweist und die Kontaktfelder (13, 14) mit dem Weichlot (2) an die eingebrannte Metallpaste (3) gelötet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatte (10) 10 bis 30 mm lang und 1 bis 5 mm breit ist und auf der je ein gerades Teil der Leiterbahn aus Kupfer auf der Vorder- und Rückseite strukturiert wird, der rückseitige Teil der Leiterbahn mittels Durchkontaktierung (15) an ein Kontaktfeld (14) auf der Vorderseite des Kunststoffstreifens (10) angeschlossen wird und die drei anderen Enden der beiden geraden Leiterbahnenteile (12) zu Kontaktfeldern (11, 13) verbreitert werden, wobei die beiden Kontaktfelder (11) zur Befestigung des keramischen Plättchens mit einem Zinn-Lot (2) beschichtet werden, mit dem die Silber-Platindickschicht (3) angelötet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffstreifen (10) zwischen zwei Adern eines Kabels fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens 100 Ohm aufweisender Messwiderstand eine mindestens 10 mm lange, 3 bis 100 μm breite und 0,1 bis 5 μm dicke Platinbahn auf einer 1 bis 10 mm² großen Fläche des 0,1 bis 1 mm dicken keramischen Plättchens (40) strukturiert wird, dessen Verhältnis Länge zu Breite zwischen 1,2 bis 2,5 beträgt, wobei die Platinbahn an ihren beiden Enden 20 bis 500 fach verbreitert wird, und auf diesen verbreiterten Feldern jeweils die AgPt oder Ag Pt Pd Dickschicht (3) eingebrannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Felder mit der eingebrannten Platinpaste (3) an je einem Kontaktfeld (13, 14) des Kunststoffstreifens mit dem Weichlot (2) befestigt werden und damit auch das keramische Substrat über dem Kunststoffstreifen (10) halten.
Temperatursensor bei dem eine in drei Ebenen angeordnete Leiterbahnstruktur in einer Schicht, die zwei dieser Ebenen aufweist, zwischen zwei Platten (10, 40) von einer Platte (10, 40) auf die andere führt, so dass ein Leiterbahnteil aus Kupfer entlang der als Kunststoffstreifen (10) ausgebildeten Platte mit einem Leiterbahnteil aus Pt auf dem anorganischen Substrat (40) zur Messspitze verlängert wird; die Leiterbahn in der Messspitze in einen kurvigen Verlauf strukturiert ist und über eine Durchkontaktierung (15) mit einem Leiterbahnteil auf der Rückseite des Kunststoffstreifens (10) verbunden ist, wobei die Platten (10, 40) den Platinteil der Leiterbahn sandwichartig schützen, indem an dem Leiterbahnteil aus Platin Kontaktfelder einer Dickschicht aus Pt und einem weiteren Edelmetall mit einem Zinn Lot an dem Leiterbahnteil aus Kupfer aneinander gelötet sind, so dass die Kontaktfelder (13, 14, 2, 3) die Leiterbahnteile aus Pt und Cu und damit die beiden Platten (10, 40) übereinander befestigen.
Temperatursensor nach Anspruch 7, dessen Messspitze eine mindestens 10 mm lange, 3 bis 100 μm breite und 0,1 bis 5 μm dicke Platinbahn auf einer 1 bis 10 mm² großen Fläche des 0,1 bis 1 mm dicken keramischen Plättchens (40) aufweist, dessen Verhältnis Länge zu Breite zwischen 1,2 bis 2,5 beträgt, wobei die Platinbahn an ihren beiden Enden in 20 bis 500 fach verbreiterte Felder übergeht, auf denen jeweils eine AgPt oder Ag Pt Pd Dickschicht (3) befestigt ist, die wiederum mit dem Weichlot (2) an je einem Kontaktfeld (13, 14) des Kunststoffstreifens (10) befestigt sind und damit auch das keramische Substrat (40) auf dem Kunststoffstreifen (10) halten, wobei die Kunststoffplatte (10) 10 bis 30 mm lang und 1 bis 5 mm breit ist und auf der je ein gerades Teil der Leiterbahn (12) aus Kupfer auf der Vorder- und Rückseite verläuft, der rückseitige Teil der Leiterbahn mittels Durchkontaktierung (15) an eines der Kontaktfelder (14) auf der Vorderseite des Kunststoffstreifens (10) angeschlossen ist und die drei anderen Enden der beiden geraden Leiterbahnenteile zu Kontaktfeldern verbreitert sind, wobei die beiden Kontaktfelder zur Befestigung des keramischen Plättchens (40) mit einem Zinn-Lot beschichtet sind, mit dem die Platindickschicht angelötet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die gegenüberliegenden Leiterbahnteile an dem der Messspitze abgewandten Ende des Streifens (10) jeweils eine Ader eines Anschlusskabels angeschlossen ist, wobei die beiden Adern voneinander so gespreizt sind, dass ihre abisolierten Bereiche voneinander getrennt auf je einer Seite der Kunststoffplatte (10) an je einem Kontaktfeld (11) befestigt sind.