DE10324871A1

DE10324871A1 - Elektrotechnisches Erzeugnis und Verfahren zur Herstellung des Erzeugnisses

Info

Publication number: DE10324871A1
Application number: DE10324871A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2005-01-05
Also published as: WO2004107464A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrotechnisches Erzeugnis (1) mit einem elektrischen Bauteil (2, 11) und mindestens einem weiteren elektrischen Bauteil (11, 6), wobei zwischen den Bauteilen ein elektrisch leitfähiger und kraftschlüssiger Kontakt besteht, der durch mindestens eine ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende, zusammenhängende, gemeinsame Beschichtung (4) von Oberflächenabschnitten (21, 21', 22, 22', 31) der Bauteile hervorgerufen wird. Die Beschichtung ist eine Abscheidung, vorzugsweise eine Abscheidung aus der Dampfphase. Das elektrotechnische Erzeugnis ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor mit einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise. Der Aktorkörper weist übereinander gestapelte, gemeinsam gesinterte Elektrodenschichten (12, 13) und Piezokeramikschichten (14) auf. Die Elektrodenschichten und benachbarte, weitere Elektrodenschichten sind alterniederend elektrisch kontaktiert. Dazu sind diese Elektrodenschichten abwechselnd an zwei voneinander getrennte, seitliche Oberflächenabschnitte (21, 22) des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung (23, 24) auf. An diese Metallisierungen sind weitere elektrische Bauteile in Form von Metalldrähten (6) angeordnet. Die Metalldrähte und die Oberflächenabschnitte (21', 22') des Aktorkörpers (11) weisen eine gemeinsame Beschichtung auf. Die gemeinsame Beschichtung besteht aus einer aus der Dampfphase abgeschiedenen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrotechnisches Erzeugnis mit einem elektrischen Bauteil und mindestens einem weiteren elektrischen Bauteil, wobei zwischen den Bauteilen ein elektrisch leitfähiger und kraftschlüssiger Kontakt besteht, der durch mindestens eine ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende, zusammenhängende, gemeinsame Beschichtung von Oberflächenabschnitten der Bauteile hervorgerufen wird. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen des elektrotechnischen Erzeugnisses angegeben.
Ein elektrotechnisches Erzeugnis der eingangs genannten Art besteht beispielsweise aus zwei elektrischen Bauteilen in Form von metallischen Drähten, die mit Hilfe eines Lots zusammengelötet sind. Das Lot benetzt zumindest teilweise Oberflächenabschnitte der Drähte. Durch das Verlöten der Drähte wird ein kraftschlüssiger und elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den Drähten hergestellt.

Aus der DE 100 26 635 A1 ist ein elektrotechnisches Erzeugnis in Form eines piezoelektrischen Aktors bekannt. Der Aktor besteht aus einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise, der übereinander gestapelte, gemeinsam gesinterte Piezokeramikschichten und Elektrodenschichten aufweist. Die Piezokeramikschichten und die Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung abwechselnd angeordnet. Zur abwechselnden elektrischen Kontaktierung benachbarter Elektrodenschichten sind die Elektrodenschichten abwechselnd bis an zwei, elektrisch von einander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. Auf diesen Oberflächenabschnitten, die sich in Stapelrichtung, also entlang einer Expansions- und Kontraktionsrichtung, des Aktorkörpers nahezu über eine gesamte Höhe des Aktorkörpers erstrecken, ist an jedem der Oberflächenabschnitte jeweils eine streifenförmige, elektrische Außenmetallisierung angebracht. Die Außenmetallisierung ist eine silberhaltige Einbrennpaste. An diese Außenmetallisierung sind Metalldrähte angelötet. Zum Herstellen der Lotverbindungen zwischen einer Außenmetallisierung und den Drähten wird eine Lotbahn auf der Außenmetallisierung angebracht, die mit den Drähten in Kontakt gebracht und danach erwärmt wird. Durch das Erwärmen verflüssigt sich das Lot, wodurch ein elektrisch leitfähiger und kraftschlüssiger Kontakt erzeugt wird.

Grundvoraussetzung für die beschriebenen Verfahren ist eine gute Verlötbarkeit der Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers und der Drähte. Dazu wird beispielsweise auf den Drähten oder auf den durch die Metallisierungsstreifen erzeugten Oberflächenabschnitten des Aktorkörpers eine Haftvermittlungsschicht aus Gold aufgetragen. Diese Haftvermittlungsschicht führt zu einer verbesserten Verlötbarkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit dem bekannten Stand der Technik vergleichbaren, guten elektrischen und kraftschlüssigen Kontakt zwischen zwei elektrischen Bauteilen abzugeben, die sich durch eine Verlötbarkeit auszeichnen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektrotechnisches Erzeugnis mit einem elektrischen Bauteil und mindestens einem weiteren elektrischen Bauteil angegeben, wobei zwischen den Bauteilen ein elektrisch leitfähiger und kraftschlüssiger Kontakt besteht, der durch mindestens eine ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende, zusammenhängende gemeinsame Beschichtung von Oberflächenabschnitten der Bauteile hervorgerufen wird. Das elektrotechnische Erzeugnis ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen dieses elektrischen Erzeugnisses mit den folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Zusammenbringen der Bauteile und b) Auftragen mindestens eines elektrisch leitfähigen Materials auf den Oberflächenabschnitten der Bauteile zumindest einer zusammenhängenden, gemeinsamen Beschichtung der Bauteile, wobei zum Auftragen des elektrisch leitfähigen Materials ein Abscheideverfahren durchgeführt wird.

Die Beschichtung ist elektrisch leitfähig. Darüber hinaus sorgt die Beschichtung für den kraftschlüssigen Kontakt zwischen den Bauteilen. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik ist dazu keine Haftvermittlungsschicht zwischen den Bauteilen notwendig. Es ist nicht notwendig, die Oberflächenabschnitte der Bauteile vorzubehandeln. Die Oberflächenabschnitte müssen nicht mit einer Haftvermittlungsschicht vor dem Zusammenbringen der Bauteile ausgestattet werden. So muss beispielsweise keine Goldschicht auf der eingangs erwähnten Metallisierungsbahn des Aktorkörpers aufgebracht werden. Auch ist eine Vorverzinnung der zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Aktors verwendeten Drähte nicht notwendig. Es resultiert ein im Vergleich zum Stand der Technik vereinfachter Aufbau und ein vereinfachtes Verfahren.

Das elektrisch leitfähige Material wird auf den Oberflächenabschnitten der Bauteile abgeschieden. Dazu kann das elektrisch leitfähige Material in Form einer Lösung aufgetragen werden. Die Lösung ist beispielsweise eine Dispersion oder eine Emulsion des elektrisch leitfähigen Materials in einem Lösungsmittel. Aus der Lösung scheidet sich durch Entfernen des Lösungsmittels ein dünner Film aus dem elektrisch leitfähigen Material aus.

Vorzugsweise wird als Abscheideverfahren ein sog. Dampfabscheideverfahren durchgeführt. Dabei wird das elektrisch leitfähige Material aus der Gasphase auf den Oberflächenabschnitten der Bauteile abgeschieden. Derartige Dampfabscheideverfahren sind beispielsweise das PVD-(physical vapor deposition) oder das CVD-(chemical vapor deposition) Verfahren. Ein bekanntes PVD-Verfahren ist beispielsweise Sputtern.

Insbesondere wird das Abscheideverfahren mehrmals durchgeführt, so dass eine mehrlagige Beschichtung aus Lagen mit unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt wird. Dies führt dazu, dass mit einer ersten Lage eine gute Anbindung der Beschichtung an den oder die Oberflächenabschnitte der Bauteile hervorgerufen werden kann. Die weiteren Lagen dienen beispielsweise als Haftvermittlungsschicht für weitere elektrische Beschichtungen. Diese weiteren elektrischen Beschichtungen erhöhen beispielsweise eine Stromtragfähigkeit der gesamten Beschichtung.

Das Bauteil ist beispielsweise ein Vielschichtkondensator oder ein Vielschichtaktor. Vorzugsweise ist das Bauteil ein Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise mit übereinander gestapelten, gemeinsam gesinterten Piezokeramikschichten und Elektrodenschichten, bei dem zur abwechselnden elektrischen Kontaktierung benachbarter Elektrodenschichten diese Elektrodenschichten abwechselnd bis an zwei seitliche Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers geführt sind.

Das weitere Bauteil ist vorzugsweise aus der Gruppe Draht und/oder Drahtgeflecht ausgewählt. Der Draht oder das Drahtgeflecht bestehen aus einem Metall. Wie eingangs geschildert, können die Drähte bzw. das Drahtgeflecht direkt an den seitlichen Oberflächenabschnitten des Aktorkörpers angebracht werden. Denkbar ist aber auch, dass an den seitlichen Oberflächenabschnitten die bereits beschriebene Außenmetallisierung angebracht ist. Die Außenmetallisierung bildet die eigentlichen Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers. An diesen Oberflächenabschnitt sind die Drähte elektrisch und mechanisch fest. Aufgrund der hohen Flexibilität der Drähte und aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit des elektrischen Kontakts der Drähte an die Außenmetallisierungen des Aktorkörpers zeichnet sich der beschriebene piezoelektrische Aktor monolithischer Vielschichtbauweise durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Diese Zuverlässigkeit führt zu einer Zyklenzahl von bis zu 10⁹ Zyklen, innerhalb derer es durch Ansteuerung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers zu einer Expansion und Kontraktion des Aktorkörpers kommt.

Damit die Elektrodenschichten mit einem für die Auslenkung des Aktorkörpers notwendigen elektrischen Strom versorgt werden können, muss für eine dafür notwendige Stromtragfähigkeit des elektrischen Kontakts gesorgt werden. Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit des elektrischen Kontakts wird in einer weiteren Ausgestaltung auf die über das Abscheideverfahren erzeugte Beschichtung weiteres elektrisch leitendes Material aufgetragen. Dieses weitere elektrisch leitfähige Material wird beispielsweise durch Galvanisieren, also elektrochemisches Abscheiden aus einer Lösung erzeugt. Vorzugsweise wird als weiteres, elektrisch leitfähiges Material ein Lot verwendet. Das Lot wird beispielsweise dadurch aufgetragen, dass die Lotpaste auf die bereits bestehenden, gemeinsame Beschichtung der Bauteile aufgetragen wird. Denkbar ist auch das nachträgliche Aufbringen einer Lotbahn. Durch Erwärmen der Lotpaste oder der Lotbahn kommt es zu einer Verflüssigung des Metalls der Lotpaste bzw. der Lotbahn. Dadurch bildet sich eine weitere Beschichtung aus dem Lot aus.

In einer weiteren Ausgestaltung wird zum Anordnen des weiteren, elektrisch leitfähigen Materials ein Leitklebstoff mit dem weiteren elektrisch leitfähigen Material aufgetragen. Durch nachfolgendes Erwärmen oder durch chemische Reaktion mindestens zweier Klebstoff-Komponenten kommt es zu einem Aushärten des Leitklebstoffs. Dadurch wird eine elektrische Kontaktierung mit einer erhöhten Stromtragfähigkeit erzeugt. Darüber hinaus führt der Leitklebstoff zusätzlich zu einer guten mechanischen Verbindung zwischen den Bauteilen.

Das elektrotechnische Erzeugnis ist, wie bereits beschrieben, vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktor mit einem Aktorkörper mit monolithischer Vielschichtbauweise. Zur elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Aktorkörpers werden vorzugsweise Drähte an den seitlichen Oberflächenabschnitten des Aktorkörpers angeordnet.

Der piezoelektrische Aktor kann beliebig eingesetzt werden. Vorzugsweise findet der piezoelektrische Aktor aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit bei einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine Verwendung. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise ein Motor eines Kraftfahrzeugs.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1A zeigt einen Ausschnitt elektrotechnisches Erzeugnis in einem seitlichen Querschnitt.
2 zeigt einen Ausschnitt eines elektrotechnischen Erzeugnisses mit einer mehrlagigen Beschichtung auf einem elektrischen Bauteil.
3 zeigt ein elektrotechnisches Erzeugnis in einem seitlichen Querschnitt.
4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Erzeugnisses gemäß 1.
Das elektrotechnische Erzeugnis 1 ist ein piezoelektrischer Aktor (1 und 3). Der piezoelektrische Aktor 1 weist einen Aktorkörper 11 mit übereinander gestapelten Elektrodenschichten 12 und 13 und Piezokeramikschichten 14 auf. Die Elektrodenschichten 12 und benachbarte, weitere Elektrodenschichten 13 sind alternierend elektrisch kontaktiert. Dazu sind diese Elektrodenschichten 12, 13 abwechselnd an zwei voneinander getrennte Oberflächenabschnitte 21 und 22 des Aktorkörpers 11 geführt. An diesen Oberflächenabschnitten 21 und 22 weist der Aktorkörper 11 jeweils eine streifenförmige Metallisierung 23 und 24 auf. An diese streifenförmigen Metallisierungen 23 und 24, die die eigentlichen Oberflächenabschnitte 21' und 22' des Aktorkörpers 11 bilden, sind weitere elektrische Bauteil 3 in Form von Metalldrähten 6 angeordnet. Die Metalldrähte 6 und die Oberflächenabschnitte 21' und 22' des Aktorkörpers 11 weisen eine gemeinsame Beschichtung 4 auf. Die gemeinsame Beschichtung 4 besteht aus einem aus der Dampfphase abgeschiedenen Beschichtung aus Gold.
Alternativ dazu besteht die Beschichtung 4 aus Silber oder Kupfer. In einer weiteren Alternative dazu ist die Beschichtung 4 mehrlagig. Die Beschichtung 4 besteht aus einer ersten Teilschicht 41 aus Chrom, einer zweiten Teilschicht 42 aus Platin oder Nickel und einer dritten Teilschicht 43 aus Gold (2).
Über der Beschichtung 4 ist eine Beschichtung 5 aus einem Lot aufgebracht. Dieses Lot besteht aus einem weiteren elektrisch leitfähigen Material. Diese Schicht aus dem Lot sorgt für eine hohe Stromtragfähigkeit der elektrischen Kontaktierung.
Die Metalldrähte 6 sind an einer vom Aktorkörper 11 abgewandten Seite mit starren elektrischen Anschlussstiften 23 bzw. 33 verbunden. Die Anschlussstifte 23 und 33 dienen der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten 12 und 13 des Aktorkörpers 11 über die Metalldrähte 6. Dazu sind die Metalldrähte 6 mit Hilfe einer weiteren, nicht dargestellten, gemeinsamen Beschichtung elektrisch und mechanisch mit den Metalldrähten 6 verbunden. Diese weitere Beschichtung ist ebenfalls eine Abscheidung. In einer dazu alternativen Ausführungsform sind die Metalldrähte 6 an die starren Anschlussstifte 23 und 33 angelötet. Dazu bestehen die Anschlussstifte aus einem elektrisch leitfähigen, gut verlötbaren Material (z.B. Messing).
Zum Herstellen des piezoelektrischen Aktors 1 werden die Metalldrähte 6 und die durch die Metallisierungsstreifen 23 und 24 gegebenen Oberflächenabschnitt 21' und 22' zusammengebracht (4, 401). Anschließend wird ein Dampfabscheideverfahren zum Herstellen der Beschichtung 4 durchgeführt (4, 402). Dadurch wird der elektrische Kontakt zwischen den Metalldrähten 6 und dem Aktorkörper 11 erzeugt. Nachfolgend wird auf der erzeugten Beschichtung 4 eine Beschichtung 5 aus weiterem elektrisch leitfähigen Material aufgetragen (4, 403). Dazu wird gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eine Lotpaste und gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ein Leitklebstoff aufgetragen. Nach dem Auftragen dieser Ausgangsmaterialien erfolgt ein Erwärmen. Beim Leitklebstoff wird als Alternativ zum Erwärmen nach dem Auftragen eine Reaktionsvernetzung des Leitklebstoffs durchgeführt. Durch die Erwärmung bzw. durch die Reaktionsvernetzung wird die weitere elektrisch leitfähige Beschichtung 5 gebildet.

Claims

Elektrotechnisches Erzeugnis (1) mit – einem elektrischen Bauteil (2, 11) und – mindestens einem weiteren elektrischen Bauteil (3, 6), wobei – zwischen den Bauteilen (2, 3, 11, 6) ein elektrisch leitfähiger und kraftschlüssiger Kontakt besteht, der durch mindestens eine ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende, zusammenhängende, gemeinsame Beschichtung (4) von Oberflächenabschnitten (21, 21', 22, 22', 31) der Bauteile (2, 3, 11, 6) hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Beschichtung (4) eine Abscheidung des elektrisch leitfähigen Materials ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (4) mehrlagig ist.
Erzeugnis nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf der Beschichtung (4) eine weitere Beschichtung (5) aus einem weiteren, elektrisch leitfähigen Material aufgetragen ist.
Erzeugnis einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bauteil (2) ein Aktorkörper (11) in monolithischer Vielschichtbauweise mit übereinander gestapelten, gemeinsam gesinterten Piezokeramikschichten (14) und Elektrodenschichten (12, 13) ist, bei dem zur abwechselnden elektrischen Kontaktierung benachbarter Elektrodenschichten (12, 13) diese Elektrodenschichten (12, 13) abwechselnd bis an zwei seitliche, voneinander elektrisch isolierte Oberflächenabschnitte (21, 22) des Aktorkörpers (11) geführt sind.
Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das weitere Bauteil (3, 6)) aus der Gruppe Draht und/oder Drahtgeflecht ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit den Verfahrensschritten: a) Zusammenbringen der Bauteile (2, 3) und b) Auftragen mindestens eines elektrisch leitfähigen Materials auf Oberflächenabschnitten (21, 21', 22, 22', 31) der Bauteile (2, 3) zu mindestens einer zusammenhängenden, gemeinsamen Beschichtung (4) der Bauteile (2, 3), wodurch der elektrisch leitfähige und kraftschlüssige Kontakt zwischen den Bauteilen (2, 3) hergestellt wird, wobei zum Auftragen des elektrisch leitfähigen Materials ein Abscheideverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Abscheideverfahren ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Abscheideverfahren mehrmals durchgeführt wird, so dass eine mehrlagige Beschichtung (4) aus Lagen (41, 42, 43) mit unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei als elektrisches Bauteil (2) ein Aktorkörper (11) in monolithischer Vielschichtbauweise verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das weitere Bauteile (3, 6) aus der Gruppe Draht und/oder Drahtgeflecht ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei auf der zusammenhängenden, gemeinsamen Beschichtung (4) der Oberflächenabschnitte (21, 21', 22, 22', 31) der Bauteile (2, 3) ein weiteres, elektrisch leitfähiges Material angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei als weiteres, elektrisch leitfähiges Material ein Lot verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei zum Anordnen des weiteren, elektrisch leitfähigen Materials ein Leitklebstoff mit dem weiteren, elektrisch leitfähigen Material aufgetragen wird.