DE19621001A1 - Sensoranordnung zur Temperaturmessung und Verfahren zur Herstellung der Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Temperaturmessung bestehend aus einem temperaturempfindlichen Meßwiderstand, der auf einem Keramiksubstrat einen dünnen Metall­ film als Widerstandsschicht und Kontaktflächen aufweist, wobei die Widerstandsschicht durch eine elektrisch isolierende Schutzschicht abgedeckt ist, die Kontaktflächen jedoch elektrisch lei­ tend und direkt mechanisch fest mit elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen auf einer Platine verbunden sind, die in ein einseitig geschlossenes, rohrförmiges, metallisches Gehäuse geschoben wird sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Sensoranordnung.

Zum Beispiel aus der DE 39 39 165 C1 oder DG 87 16 103 U1 sind Platinen als Träger für pas­ sive oder aktive Bauelemente hinlänglich bekannt. Da die meisten Bauteile Anwendungen im Temperaturbereich bis maximal 150°C finden, ist auch das Platinenmaterial meist nur für die­ sen Temperaturbereich ausgelegt. In der Regel handelt es sich dabei um Kunststoffe, die oft­ mals mit anorganischen Materialien verstärkt sind. Soweit eine drahtlose Kontaktierung der Bauteile vorgesehen ist, wie dies beispielsweise auch bei Temperaturmeßwiderständen für die Anwendung als Wärmemengenfühler (DE 44 24 630 C1 oder DG 29 504 105) üblich ist, erfolgt diese durch Weichlote oder/und mittels leitfähiger Kleber. Diese Verbindungstechniken auf Kunststoffplatinen sind jedoch für Temperaturen oberhalb 300°C vollkommen ungeeignet.

Sensoranordnungen mit Temperaturmeßwiderständen für die Hochtemperaturanwendung sind deshalb nach dem Stand der Technik, - dokumentiert z. B. in DGm 1 681 483, DGm 1 713 442, DGm 1 784 455, DGm 1 808 504, DGm 1 855 262, DBP 855 627 -, so aufgebaut, daß zunächst die Anschlußdrähte des Meßwiderstandes durch elektrisch isolierte Anschlußdrähte der An­ schlußleitung verlängert werden. Die Verbindung von dem recht dünnen Anschlußdraht des Meßwiderstandes zum meist dickeren Anschlußdraht der Zuleitung wird durch Schweißen oder Hartlöten hergestellt. Wird eine Glasseide ummantelte Zuleitung verwendet, muß sie zunächst abisoliert werden. Um einen Kurzschluß während des Betriebszustandes aber auszuschließen, muß in irgendeiner Form eine elektrische Isolierung für die Anschlußdrähte des Meßwiderstan­ des und für den Bereich der Schweiß- oder Hartlotverbindung vorgesehen werden. Außerdem müssen die Anschlußdrähte entweder durch Vergußmassen oder durch spezielle keramische Formteile (siehe DGm 1 855 262) zugentlastet werden. Die elektrische Isolierung der Anschluß­ leitung für die Hochtemperaturanwendung wird entweder von keramischen Kapillarrohren er­ füllt, die aber hohen Anteil an den gesamten Materialkosten haben und wegen ihrer geometri­ schen Abmessung einer Miniaturisierung oftmals im Wege stehen, - oder von Glasseideumhül­ lungen gewährleistet -, die herstellungsbedingt durch eine organische Tränkung versteift sind. Diese Tränkung muß in einem Extra-Ausheizprozeß entfernt werden. Zur Lagefixierung des Meßwiderstandes ist es darüber hinaus üblich, einen keramischen Kleber in die Spitze des Meßeinsatzschutzrohres einzubringen. Ein Hochtemperaturmeßeinsatz wird also nach dem Stand der Technik mit einer Vielzahl von Einzelteilen und Verfahrensschritten hergestellt, die entweder gar nicht oder nur mit großem Aufwand automatisierbar sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aus wenigen standardisierten Einzelteilen bestehende Sensoranordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, das zur Temperaturmessung oberhalb etwa 400°C geeignet ist und das aufgrund leicht auto­ matisierbarer Prozeßschritte aus der SMD-Technik kostengünstig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Sensoranordnung dadurch gelöst, daß der planare temperaturabhängige Meßwiderstand auf dafür vorgesehene Kontaktflächen an einem Ende ei­ ner hochtemperaturfesten, elektrisch isolierenden Platine aufgebracht wird. Von dem Meßwi­ derstand aus, der die Kontaktflächen überbrückt, führen mindestens zwei Leiterbahnen an das andere Ende der langgestrecken Platine, wo sich ein weiteres Paar von Kontaktflächen für den Stecker- oder Kabelanschluß befindet. Als hochtemperaturfeste Werkstoffe für die Platine kom­ men Keramik, Glas, Glaskeramik oder ein auf seiner Oberfläche elektrisch isoliertes Metall in Frage, wobei sich Aluminiumoxid (Al₂O₃) als übliches Substratmaterial für Dickfilm- oder Dünn­ filmschaltungen bewährt hat. Darüber hinaus sind auch andere oxidkeramische oder nichtoxidi­ sche keramische Werkstoffe sowie eine breite Palette von Gläsern und Glaskeramiken geeig­ net, soweit sie den Anforderungen an den jeweiligen Temperaturbereich (800° im Dauerbetrieb, kurzzeitig bis 1000°C) und der Temperaturwechselbeständigkeit genügen. Temperaturwechsel sind insofern zu berücksichtigen, als daß eine erfindungsgemäße Sensoranordnung beispiels­ weise zur Temperaturüberwachung eines pyrolytischen Reinigungsvorgangs bei Haushaltsbacköfen verwendet wird, der zyklisch bei ca. 550°C abläuft und der durch Zwangs­ kühlung beendet bzw. unterbrochen werden kann. Ein ähnlicher Anwendungsfall stellt die Koch­ feldüberwachung dar, bei der es auch zu extremen Temperaturwechseln kommen kann. Die Maximaltemperatur hierbei beträgt 750°C. Das Material für die Leiterbahnen und die Kontakt­ flächen, die in Dickfilm- oder/und Dünnfilmtechnik auf die vorzugsweise keramische Platine auf­ gebracht werden, muß ebenso den geschilderten Anforderungen entsprechen. Die Strukturie­ rungsmöglichkeiten der Dick- und Dünnfilmtechnik erlauben eine kostengünstige Aufbringung der einfachen Schaltungsbilder im Mehrfachnutzen, wobei bei einer Substratfläche von ca. 100 × 100 mm² bis zu 35 Platinen der Größe 100 × 2,5 mm² in einem Arbeitsgang metallisiert (und bestückt) werden können. Für die Kontaktflächen zur Kontaktierung des Meßwiderstandes ha­ ben sich als oberste kontaktbildende Schicht Dickschichtpasten aus Au, AgPd, AgPt, Pt be­ währt. Da der Meßwiderstand als Standardbauteil häufig mit Goldkontaktflächen ausgestattet ist, liegt die Verwendung einer Goldpaste auf der keramischen Platine nahe, zumal für diese Au-Au Verbindung Einbrenntemperaturen (in einem konventionellen Durchlaufofen) von etwa 850°C durchaus ausreichend sind. Die Kontaktflächen für den Stecker- oder Kabelanschluß am "kalten" Ende der Platine müssen, je nach dem welche Verbindungstechnik gewählt wird, kratzfest oder/und lötbar sein. Für eine Lötverbindung kommen insbesondere Kontaktflächen aus Silber bzw. Silberpalladium in Frage, soll ein Kontakt lediglich aufgesteckt werden, kann ei­ ne Goldkontaktfläche sinnvoll sein.

Wird für eine bestimmte Einbaulage eine besonders schmale Bauform der Sensoranordnung verlangt, so kann die keramische Platine auf eine Breite von etwa 1 mm reduziert werden. In diesem Fall wird man die beiden Leiterbahnen und die Kontaktflächen für den Stecker- oder Kabelanschluß nicht mehr auf einer Seite der Platine unterbringen, sondern wird eine Leiter­ bahn und eine Steckerkontaktfläche auf der Rückseite der Platine anordnen. Mittels einer Durchkontaktierungsbohrung durch die Platine im Bereich des zu kontaktierenden Meßwider­ standes wird die Verbindung von der rückseitigen Zuleitungsleiterbahn zur entsprechenden Kontaktfläche für den Meßwiderstand hergestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kontaktflächen für die Kontaktierung und Befestigung des Meßwiderstandes unmittelbar vor dem Auflegen des Meßwiderstandes auf die Platine eine feuchte Dickfilmleitpaste aufgebracht wird. Das Aufbrin­ gen dieser Paste kann beispielsweise durch Siebdrucken oder Aufpinseln erfolgen. Anschlie­ ßend wird der Meßwiderstand in sogenannter Flipchip-Technik kontaktiert, d. h. er wird mit seinen freien Kontaktflächen ("face down") auf die entsprechenden mit feuchter Dickfilmleitpa­ ste vorbereiteten Kontaktflächen der Trägerplatine aufgesetzt und bei Temperaturen bis circa 1000°C eingebrannt und damit kontaktiert und befestigt. Dieses Verfahren, das sonst bei Hy­ brid-Schaltungen im Zusammenhang mit Loten oder Klebern angewendet wird, ist leicht automatisierbar.

Das Bestücken der mit Leiterbahnen und Kontaktflächen vorbereiteten, vorzugsweise kerami­ schen Platine erfolgt im Mehrfachnutzen mit SMD-Bestückungsautomaten. Unmittelbar vor der Zuführung zu dem Bestückungsautomat werden die Kontaktflächen für den Meßwiderstand im Siebdruckverfahren mit einer Dickfilmleitpaste bedruckt. Auf diese noch feuchten Kontaktpads wird der Meßwiderstand so aufgesetzt, daß seine Kontaktflächen die feuchten Kontaktflächen auf der Platine bedecken. Anschließend werden die bestückten Platinen getrocknet und in ei­ nem Durchlaufofen eingebrannt. Hierdurch wird sowohl eine mechanische Befestigung des Meßwiderstandes auf der Platine über die Kontaktflächen erzielt, als auch die elektrische Ver­ bindung zwischen Meßwiderstand und den Zuleitungen auf der Platine hergestellt. Im Anschluß daran wird der Mehrfachnutzen vereinzelt, was mittels Brechen entlang vorgeritzter Linien auf den Platinennutzen oder durch Sägen oder Lasern geschehen kann. Bei entsprechender Lay­ out-Ausführung können auch die Meßwiderstände in einem zeilenförmigen Mehrfachnutzen auf den Platinenmehrfachnutzen aufgesetzt werden. In diesem Fall werden dann die Meßwider­ stände gemeinsam mit den Platinen vereinzelt. Über eine elektrische Durchgangsprüfung, sinn­ vollerweise vor der Vereinzelung der bestückten Platinen können fehlerhafte oder nicht voll funktionsfähige Sensoranordnungen ermittelt und gegebenenfalls aussortiert werden. Zur Ver­ vollständigung zu einem Meßeinsatz benötigt man nun zu dem Herzstück der bestückten Plati­ nen nur noch zwei weitere Teile, nämlich ein Schutzrohr und einen Stecker- oder Kabelan­ schluß. Das Zusammenfügen dieser Teile ist mit sehr rationellen Fertigungstechniken leicht möglich. Im Gegensatz zum Stand der Technik läßt das geschilderte Herstellungsverfahren durchgängig einen hohen Automatisierungsgrad zu.

Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Sensoranordnung auf einer Keramikplatine,

Fig. 2 eine Sensoranordnung auf einer Keramikplatine mit einer Durchkontaktierung,

Fig. 3 eine Explosionszeichnung eines Temperaturmeßeinsatzes.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform für die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Tempera­ turmessung dargestellt. Der flache Meßwiderstand 1 ist an einem Ende der Keramikplatine 2 aufgelegt. Die Kontaktflächen 3, 4 auf der Platine 2 entsprechen in ihren Geometrien und Ab­ ständen denen des Meßwiderstandes 1, der durch einen Fixiereinbrand gemeinsam mit der frisch aufgetragenen Dickfilmleitpaste (zum Beispiel eine Goldpaste) befestigt und kontaktiert ist. Die Leiterbahnen 5, 5′ führen parallel nebeneinander zum kalten Ende der Keramikplatine 2, wo sie in Kontaktflächen 6, 6′ für den Stecker- oder Kabelanschluß enden. Das Leiterbahnmate­ rial kann beispielsweise Au, AgPt, Pt oder AgPd sein. Die oberste Schicht 3, 4, 6, 6′ der Kontakt­ flächen besteht vorzugsweise aus einer Au-Dickfilmpaste. Bei erhöhten Anforderungen hin­ sichtlich der Hochspannungsfestigkeit kann es ratsam sein, die Leiterbahnen 5, 5′ mit einem Dielektrikum abzudecken. Außerdem ist es, um Nebenschlüsse am Meßwiderstand 1 auszu­ schließen, vorteilhaft - wie auch aus der Fig. 1 zu erkennen - die Leiterbahn 5, die weiter an die Spitze der Trägerplatine führt und dort in einem Kontaktpad für den Meßwiderstand endet zumindest in dem Bereich durch eine Abdeckschicht 7 zu isolieren, in dem die Leiterbahn den aufliegenden Flachmeßwiderstand tangiert. Nennwiderstände für dieses Bauteil können bei­ spielsweise 100, 500 oder 1000 Ohm sein, je nach dem wie die kundenspezifische Applikation es vorsieht. Typische Abmessungen für die beschriebene Trägerplatine 2 sind: Länge 100 mm, Breite 3 mm, Dicke 1 mm.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 hauptsächlich durch die Anordnung der beiden Zuleitun­ gen 5, 5′ und der jeweiligen Steckerkontaktflächen 6, 6′. Diese sind nicht auf einer Seite der Pla­ tine, sondern auf Vorder- und Rückseite der keramischen Trägerplatine 2 angeordnet. Die bei­ den Kontaktflächen 3, 4 für den Flachmeßwiderstand 1 sind jedoch wie im ersten Beispiel auf einer Seite der Platine 2, wobei die Verbindung zur rückseitigen Leiterbahn 5 durch eine Durch­ kontaktierungsbohrung 8 gewährleistet ist. Die Durchkontaktierung 8 liegt im Bereich der zwei­ ten Kontaktfläche 4 für den Meßwiderstand. Eine isolierende Abdeckschicht für den vom Meß­ widerstand 1 abgedeckten Bereich der Platine 2 ist hier nicht nötig. Darüber hinaus ermöglicht diese Konstruktion eine besonders schmale Sensoranordnung, die typischerweise folgende Ab­ messungen aufweist: für die Trägerplatine 2: 100 × 1 × 1 mm, für den Flachmeßwiderstand 1: 5 × 1 × 0,4 mm.

In Fig. 3 ist der Aufbau eines Temperaturmeßeinsatzes mit einem Temperatursensor 1 auf ei­ ner keramischen Trägerplatine 2 dargestellt. In diesem Beispiel wird die Trägerplatine 2 aus Fig. 2 verwendet. Sie wird in ein einseitig geschlossenes metallisches Schutzrohr 9 geschoben, das einen Anschlagbund 10 zur Verschraubung mit einem Gehäuseteil aufweist. Am "kalten" Ende wird ein Stecker auf die Steckerkontaktflächen 6, 6′ der Trägerplatine 2 aufgesteckt. Der Stecker 11 dient gleichzeitig als Verschlußelement für das metallische Schutzrohr 9.

Claims (7)

1. Sensoranordnung zur Temperaturmessung mit einem temperaturempfindlichen Meßwi­ derstand, der auf einem Keramiksubstrat einen dünnen Metallfilm als Widerstandsschicht und Kontaktflächen aufweist, wobei die Widerstandsschicht durch eine elektrisch isolie­ rende Schutzschicht abgedeckt ist und die Kontaktflächen elektrisch leitend und direkt mechanisch fest mit elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen auf einer Platine ver­ bunden sind, wobei der Meßwiderstand an einem Ende der Platine kontaktiert wird und an dem dem Meßwiderstand abgekehrten Ende der Platine Kontaktflächen zum Anschluß eines Steckers oder Kabels angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (2) aus einem hochtemperaturfesten, elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet ist und hochtemperaturfeste Leiterbahnen (5, 5′) und Kontaktflächen (3, 4, 6, 6′) aufweist.

2. Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Platinenwerkstoff Keramik, Glas, Glaskeramik oder ein auf seiner Oberfläche elektrisch isoliertes Metall ist.

3. Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterbahnen (5, 5′) und Kontaktflächen (3, 4, 6, 6′) auf der Platine (2) in Dick- und/oder Dünnfilmtechnik aufgebracht sind.

4. Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Lage der Kontaktflächen (3, 4) für die Kontaktierung des Meßwiderstandes (1) aus einer Dickfilmleitpaste gebildet ist, die Au, AgPd, AgPt, Pt aufweist.

5. Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kontaktflächen (6, 6′) für den Stecker- oder Kabelanschluß aus lötbarem oder/und kratzfestem Material bestehen.

6. Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (5, 5′) und die Kontaktflächen (6, 6′) für den Stecker- oder Kabelanschluß auf einer Seite der Platine (2) angeordnet sind oder jeweils eine Leiterbahn (5) oder/und eine Streckerkontaktfläche (6) auf einer Seite und die andere Lei­ terbahn (5′) oder/und Streckerkontaktfläche (6′) auf der anderen Seite der Platine (2) an­ geordnet sind.

7. Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung zur Temperaturmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kontaktflächen (3, 4) für die Kontaktierung und die Befestigung des Meßwiderstandes (1) unmittelbar vor dem Auflegen des Meßwider­ standes (1) auf die Platine (2) eine noch feuchte Dickfilmleitpaste aufgebracht wird, auf die der Meßwiderstand (1) mit seinen freien Kontaktflächen aufgesetzt und bei Tempera­ turen bis 1000°C auf der Platine (2) eingebrannt und damit kontaktiert und befestigt wird.