DE102015110607A1

DE102015110607A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements

Info

Publication number: DE102015110607A1
Application number: DE102015110607.8A
Authority: DE
Inventors: Josef Mörth; Gilbert Landfahrer; Gerald Kloiber; Anna Moshammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Also published as: EP3317888A1; JP2018522425A; WO2017001415A1; EP3317888B1; US20180197662A1; US10446298B2

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements sieht das Bereitstellen eines Trägerelements (10) sowie das Bereitstellen eines Materials, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, vor. Zum Erzeugen einer Widerstandschicht (20) wird das Material auf einer Oberfläche (O10) des Trägerelements (10) aufgebracht. Nachfolgend erfolgt das Sintern der Widerstandsschicht (20) zur Anbindung der Widerstandsschicht (20) an das Trägerelement (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements, insbesondere zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit einer temperaturabhängigen Widerstandscharakteristik. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektrisches Bauelement, insbesondere ein elektrisches Bauelement mit einer temperaturabhängigen Widerstandscharakteristik.
Zur Messung von Temperaturen können elektrische Bauelemente mit einem temperaturabhängigen Widerstandsverhalten eingesetzt werden. Bei NTC-Bauelementen nimmt der elektrische Widerstand beispielsweise mit steigender Temperatur ab. Derartige elektrische Bauelemente weisen ein Material auf, dessen Widerstandswert von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Das temperaturempfindliche Widerstandsmaterial ist üblicherweise in einem Gehäuse des Bauteils, beispielsweise einem SMD-Gehäuse, angeordnet. Zum Messen einer Temperatur eines Körpers werden die Bauelemente üblicherweise mit ihrem Gehäuse auf der Oberfläche des Körpers angeordnet.
Der Nachteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die thermische Ankopplung des Materials mit der temperaturabhängigen Widerstandscharakteristik an den Körper, dessen Temperatur ermittelt werden soll, aufgrund des umgebenden Gehäuses des Bauelements nicht optimal ist. Beispielsweise ist zwischen dem temperaturempfindlichen Material und dem Gehäuse des Bauelements ein Luftspalt vorhanden, durch den die Wärmeübertragung von der Oberfläche des Körpers auf das temperaturempfindliche Material beeinflusst und die Temperaturmessung letztendlich verfälscht wird.
Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements anzugeben, bei dem die Ankopplung eines in Bezug auf seinen Widerstand temperaturempfindlichen Materials an eine Oberfläche eines Körpers, dessen Temperatur ermittelt werden soll, verbessert ist. Es soll des Weiteren ein elektrisches Bauelement angegeben werden, bei dem die Ankopplung des in Bezug auf seinen Widerstand temperaturempfindlichen Materials an die Oberfläche eines Körpers, dessen Temperatur bestimmt werden soll, verbessert ist.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen elektrischen Bauelements ist im Patentanspruch 1 angegeben. Das Verfahren sieht das Bereitstellen eines Trägerelements und das Bereitstellen eines Materials, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, vor. Das Material wird auf einer Oberfläche des Trägerelements zum Erzeugen einer Widerstandschicht aufgebracht. Zur Anbindung der Widerstandsschicht an das Trägerelement wird die Widerstandsschicht nachfolgend gesintert.
Wenn die Oberflächentemperatur eines Körpers, beispielsweise die Oberflächentemperatur eines Behälters, gemessen werden soll, ist es erforderlich, dass zwischen dem Körper und der temperaturabhängigen Widerstandsschicht des Bauelements eine elektrische Isolation vorliegt. Des Weiteren soll zwischen der Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dem temperaturempfindlichen Material der Widerstandsschicht eine gute thermische Wärmleitfähigkeit vorhanden sein. Vorzugsweise wird daher für das Trägerelement ein nichtelektrisch leitfähiges Material verwendet. Für die Widerstandsschicht kann eine elektrisch leitfähige Keramik, beispielsweise im Falle eines NTC-Bauelements ein NTC-Thermistormaterial, verwendet werden.
Durch Kombination eines nichtelektrisch leitfähigen Trägermaterials mit einer elektrisch leitfähigen Keramik wird mit dem angegebenen Verfahren ein neues Herstellungsverfahren für temperaturempfindliche elektrische Bauelemente bereitgestellt, mit dem sich Bauelemente fertigen lassen, dessen Widerstandsschicht über das Trägerelement gut an einen Untergrund angekoppelt werden kann.
Für die Widerstandsschicht wird vorzugsweise ein nichtgesintertes Material verwendet. Es kann beispielsweise ein kalziniertes Metalloxidpulver verwendet werden. Aus diesem Ausgangsmaterial wird eine siebdruckfähige Keramikpaste hergestellt. Die Paste kann auf das Trägerelement in Form von beliebigen Strukturen aufgebracht werden. Die Strukturen können beispielsweise auf das Material des Trägerelements gedruckt werden. Zum Zeitpunkt der Bedruckung besitzt das temperaturempfindliche Material der Widerstandsschicht noch nicht seine Endeigenschaften. Die Endeigenschaften nimmt das Material erst nach dem Sinterprozess an.
Die Stabilität einer derartigen Anordnung aus einem nichtgesinterten Material, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, und einem Trägerelement, an das das Material erst nach dem Aufdrucken der Paste durch einen Sinterprozess fest angebunden ist, weist eine deutlich höhere Stabilität auf, als wenn Pasten, insbesondere gesinterte Pasten, verwendet würden, die bereits beim Aufbringen auf das Trägerelement ihre Endeigenschaften besitzen. Durch das Aufdrucken des Materials mit dem temperaturabhängigen Widerstand auf das Trägerelement können komplexe Widerstandsstrukturen realisiert werden. Des Weiteren bietet das Verfahren den Vorteil der Miniaturisierung.
Mittels des angegebenen Herstellungsverfahrens lässt sich somit ein Temperatursensorelement realisieren, dessen sensitive Keramikschicht über einen Sinterprozess an das elektrisch nicht leitfähige, jedoch thermisch hochleitfähige Material des Trägerelements fest angebunden wird. Damit können Temperaturmessapplikationen bedient werden, bei denen die Ankopplung eines Temperatursensorelements über flächige Oberflächen erfolgt, wobei eine maximale thermische Ankopplung erfolgt und die thermische Masse minimiert werden kann.
Eine Ausführungsform eines derartigen elektrischen Bauelements ist im Patentanspruch 11 angegeben. Das elektrische Bauelement umfasst ein Trägerelement und eine Widerstandsschicht aus einem Material, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist. Die Widerstandsschicht ist auf einer Oberfläche des Trägerelements angeordnet und durch einen Sinterprozess an das Trägerelement angebunden.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung des elektrischen Bauelements sowie des elektrischen Bauelements sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung des elektrischen Bauelements sowie Ausführungsformen des elektrischen Bauelements zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements,
2A eine Ausführungsform eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements,
2B eine weitere Ausführungsform eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements,
3A eine weitere Ausführungsform eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements,
3B eine weitere Ausführungsform eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements 1. Verschiedene Ausführungsformen des elektrischen Bauelements 1 sind in den nachfolgenden 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt. Das Verfahren wird im Folgenden anhand von 1 erläutert, wobei dabei auch auf die in den 2A bis 3B gezeigten Ausführungsformen des Verfahrens Bezug genommen wird.
In einem Verfahrensschritt A wird zunächst ein Trägerelement 10 bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt B wird des weiteren ein Material, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt C wird das Material auf einer Oberfläche O10 des Trägerelements 10 zum Erzeugen einer Widerstandsschicht 20 auf dem Trägerelement aufgebracht. Nachfolgend erfolgt in einem Verfahrensschritt D das Sintern der Widerstandsschicht 20 zur Anbindung der Widerstandsschicht 20 an das Trägerelement 10. In einem Verfahrensschritt E erfolgt das Aufbringen von Elektroden 30a, 30b an das bis dahin gefertigte elektrische Bauelement zum Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht 20 des Bauelements. Mindestens eine der Elektroden 30a und 30b kann auf einer Oberfläche O20 der Widerstandsschicht 20 oder auf einer weiteren Oberfläche U10 des Trägerelements 10 angeordnet werden.
In den 2A, 2B, 3A und 3B sind verschiedene Ausführungsformen des elektrischen Bauelements 1, das mit dem in 1 skizzierten Verfahrensablauf hergestellt worden ist, dargestellt. Das temperaturempfindliche elektrische Bauelement 1 umfasst das Trägerelement 10 sowie die Widerstandsschicht 20 aus einem Material, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist. Die Widerstandsschicht 20 ist auf der Oberfläche O10 des Trägerelements 10 angeordnet und durch einen Sinterprozess an das Trägerelement 10 angebunden.
Zum Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht 20 umfasst das temperaturempfindliche elektrische Bauelement der 2A bis 3B des weiteren die Elektroden 30a und 30b. Mindestens eine der Elektroden 30a und 30b ist auf der Oberfläche O20 der Widerstandsschicht 20 oder auf einer weiteren Oberfläche U10 des Trägerelements 10 angeordnet.
Im Verfahrensschritt A wird das Trägerelement 10 vorzugsweise aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bereitgestellt. Die Trägerschicht 10 des in den 2A bis 3B gezeigten elektrischen Bauelements weist daher vorzugsweise für das Trägerelement 10 ein Material auf, das nicht elektrisch leitfähig ist. Des Weiteren kann das Trägerelement 10 im Verfahrensschritt A vorzugsweise aus einem Material bereitgestellt werden, das thermisch hochleitfähige Eigenschaften aufweist. Das Trägerelement 10 kann beispielsweise aus einem Material bereitgestellt werden, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/K aufweist. Das in den 2A bis 3B gezeigte elektrische Bauelement 1 weist daher vorzugsweise ein thermisch hochleitfähiges Material, beispielsweise ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/K auf.
Im Verfahrensschritt A kann das Trägerelement 10 beispielsweise aus einem Material aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Kombinationen davon bereitgestellt werden. Entsprechend dem Verfahrensschritt A kann das in den 2A bis 3B gezeigte elektrische Bauelement daher ein Material aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder aus Kombinationen davon aufweisen. Das Trägerelement 10 kann eine Dicke zwischen 100 µm und 2 mm aufweisen.
Im Verfahrensschritt B wird das Material der Widerstandsschicht 20 vor dem Aufbringen der Widerstandsschicht auf dem Trägerelement 10 beispielsweise als ein Material, das nicht gesintert ist, bereitgestellt. Das Material der Widerstandsschicht 20 kann als ein kalziniertes Metalloxid, das nicht gesintert ist, bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Widerstandsschicht 20 im Verfahrensschritt B aus einem Material aus Nickeloxid, Manganoxid, Kupferoxid, Zinkoxid oder aus Kombinationen davon bereitgestellt werden.
Entsprechend dem Verfahrensschritt B weist das in den 2A bis 3B gezeigte temperaturempfindliche elektrische Bauelement 1 als Material für die Widerstandsschicht 20 vorzugsweise ein nicht gesintertes Material auf. Die Widerstandsschicht 20 kann beispielsweise ein kalziniertes Metalloxid, das nicht gesintert ist, enthalten. Insbesondere kann die Widerstandsschicht 20 Nickeloxid, Manganoxid, Kupferoxid, Zinkoxid oder Kombinationen davon enthalten. Die Widerstandsschicht 20 kann eine Schichtstärke zwischen 5 µm und 15 µm aufweisen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens kann zunächst im Verfahrensschritt B vor dem Aufbringen der Widerstandsschicht 20 auf das Trägerelement 10 das Material der Widerstandschicht 20 als eine siebdruckfähige Keramikpaste bereitgestellt werden, die noch nicht gesintert ist und daher noch nicht ihre Endeigenschaften aufweist. Im nachfolgenden Verfahrensschritt C kann vor dem eigentlichen Sintern der Widerstandsschicht 20 eine Struktur der Widerstandsschicht 20 auf das Trägerelement 10 gedruckt werden. Die Struktur der Widerstandsschicht 20 kann insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens auf das Trägerelement 10 gedruckt werden, bevor die Widerstandsschicht gesintert wird und dadurch fest an das Trägerelement angebunden wird.
Die druckfähige Paste kann als eine Metalloxid-Keramik-Pulvermischung mit einer NTC-Charakteristik ausgebildet sein. Da die Paste beim Aufbringen auf das Trägerelement noch nicht gesintert ist, besitzt das Material der Widerstandsschicht 20 zum Zeitpunkt der Bedruckung noch nicht seine Endeigenschaften, die es erst nach dem Sinterprozess annimmt. Die Stabilität des temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements ist daher höher als wenn Pasten verwendet würden, die bereits beim Aufbringen auf das Trägerelement 10 ihre Endeigenschaften besitzen, beispielsweise Pasten, die ein gesintertes Material enthalten. Die Herstellung der siebdruckfähigen Keramikpaste ermöglicht es, beliebige Strukturen auf das Material des Trägerelements 10 zu drucken und diese thermisch und mechanisch an das Material des Trägerelements 10 anzubinden.
Durch die Verwendung des Trägerelements als Substrat, auf das die temperaturabhängige Widerstandsschicht aufgebracht wird, weist das temperaturempfindliche elektrische Bauelement eine hohe mechanische Stabilität auf. Des Weiteren besitzt das elektrische Bauelement eine hohe thermische Wärmeleitfähigkeit und gewährleistet zugleich eine elektrische Isolation zwischen dem Material der Widerstandsschicht 20 und einem Untergrund, auf den das Trägerelement 10 aufgebracht wird.
Bei der in 2A gezeigten Ausführungsform des elektrischen Bauelements sind die Elektroden 30a und 30b zum Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht 20 auf der Oberfläche O20 der Widerstandsschicht 20 aufgebracht. Die beiden Elektroden 30a und 30b können beispielsweise auf der Oberseite der Widerstandsschicht 20 angeordnet sein. Bei der in 2B gezeigten Ausführungsform des elektrischen Bauelements 1 ist eine der Elektroden 30a auf der Oberfläche O20 der Widerstandsschicht 20 und eine weitere Elektrode 30b auf einer Oberfläche U10 des Trägerelements 10 angeordnet. Die Elektrode 30a kann beispielsweise auf der Oberseite der Widerstandsschicht 20 aufgebracht sein. Die Elektrode 30b kann auf der Unterseite des Trägerelements 10 angeordnet sein. Die Elektrode 30b kann beispielsweise über eine Durchkontaktierung 60 durch das Trägerelement 10 mit der Widerstandsschicht 20 verbunden sein. Die Elektroden 30a und 30b können mittels eines Siebdruck- oder Sputterverfahrens auf die Oberfläche O20 der Widerstandsschicht 20 oder auf die Oberfläche U10 des Trägerelements 10 aufgebracht sein.
3A zeigt die in 2A gezeigte Ausführungsform des temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements 1, wobei zusätzlich auf der Unterseite U10 des Trägerelements 10 eine Klebeschicht 40 zum Aufkleben des elektrischen Bauelements 1 auf einen Untergrund angeordnet ist. Die Klebeschicht 40 kann beispielsweise ein hochwärmeleitfähiger Kleber sein, mit dem die Unterseite U10 des Trägerelements 10 beschichtet ist. Ein Anwender kann bei Verwendung des temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements 1 der in 3A gezeigten Ausführungsform das Trägerelement 10 mittels der unterseitig an dem Trägerelement 10 angebrachten Klebeschicht 40 direkt auf die Oberfläche eines Körpers, dessen Temperatur zu messen ist, aufkleben. Alternativ dazu kann ein Anwender die Unterseite U10 des Trägerelements 10 auch selbst mit einer Klebeschicht 40 versehen.
3B zeigt eine Ausführungsform des temperaturempfindlichen elektrischen Bauelements 1 entsprechend der in 2B gezeigten Ausgestaltungsform, wobei die Unterseite U10 des Trägerelements 10 mit einer Silberschicht 50 beschichtet ist. Die Silberschicht 50 ermöglicht es, das Trägerelement 10 auf einen Untergrund aufzulöten, um die Temperatur des Untergrundes zu ermitteln.
Bezugszeichenliste

1: elektrisches Bauelement
10: Trägerelement
20: Widerstandsschicht
30a, 30b: Elektroden
40: Klebeschicht
50: Silberschicht
60: Durchkontaktierung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements, umfassend: – Bereitstellen eines Trägerelements (10), – Bereitstellen eines Materials, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, – Aufbringen des Materials auf einer Oberfläche (O10) des Trägerelements (10) zum Erzeugen einer Widerstandschicht (20) auf dem Trägerelement (10), – nachfolgend Sintern der Widerstandsschicht (20) zur Anbindung der Widerstandsschicht (20) an das Trägerelement (10).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Aufbringen von Elektroden (30a, 30b) zum Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht (20), wobei mindestens eine der Elektroden (30a, 30b) auf einer Oberfläche (O20) der Widerstandsschicht (20) oder auf einer weiteren Oberfläche (U10) des Trägerelements (10) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend: Bereitstellen des Trägerelements (10) aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/K aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Bereitstellen des Trägerelements (10) aus einem Material aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: Bereitstellen des Materials der Widerstandsschicht (20) vor dem Aufbringen der Widerstandsschicht auf dem Trägerelement (10) als ein kalziniertes Metalloxid, das nicht gesintert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Bereitstellen der Widerstandsschicht (20) aus einem Material aus Nickeloxid, Manganoxid, Kupferoxid, Zinkoxid oder aus Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: – Bereitstellen des Materials der Widerstandschicht (20) als eine siebdruckfähige Keramikpaste vor dem Aufbringen der Widerstandsschicht (20) auf das Trägerelement (10), – Drucken einer Struktur der Widerstandsschicht (20) auf das Trägerelement (10) vor dem Sintern der Widerstandsschicht (20) mittels eines Siebdruckverfahrens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, umfassend: Aufbringen der Elektroden (30a, 30b) mittels eines Siebdruck- oder Sputterverfahrens auf die Oberfläche (O20) der Widerstandschicht (20) oder auf die weitere Oberfläche (U10) des Trägerelements (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: – Aufbringen der Widerstandsschicht (20) auf eine Oberseite (O10) des Trägerelements (10), – Aufbringen einer Klebeschicht (40) auf eine Unterseite (U10) des Trägerelements (10) zum Aufkleben des elektrischen Bauelements (1) auf einen Untergrund.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: – Aufbringen der Widerstandsschicht (20) auf eine Oberseite (O10) des Trägerelements (10), – Aufbringen einer Silberschicht (50) auf eine Unterseite (U10) des Trägerelements (10) zum Löten des elektrischen Bauelements (1) auf einen Untergrund.
Elektrisches Bauelement, umfassend: – ein Trägerelement (10), – eine Widerstandsschicht (20) aus einem Material, das einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, – wobei die Widerstandsschicht (20) auf einer Oberfläche (O10) des Trägerelements (10) angeordnet ist und durch einen Sinterprozess an das Trägerelement (10) angebunden ist.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, umfassend: – Elektroden (30a, 30b) zum Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht (20), – wobei mindestens eine der Elektroden (30a, 30b) auf einer Oberfläche (O20) der Widerstandsschicht (20) oder auf einer weiteren Oberfläche (U10) des Trägerelements (10) angeordnet ist.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Material des Trägerelements (10) nicht elektrisch leitfähig ist und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/K aufweist.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, – wobei das Trägerelement (10) eine Dicke zwischen 100 µm und 2 mm aufweist, – wobei die Widerstandsschicht (20) eine Schichtstärke zwischen 5 µm und 15 µm aufweist.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, – wobei das Trägerelement (10) ein Material aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Kombinationen davon enthält, – wobei die Widerstandsschicht (20) ein kalziniertes Metalloxid enthält.