DE3150435A1 - Verfahren zum herstellen eines elektrischen bauteils - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines elektrischen bauteils

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Description

R.
11.12.1981 Zr/Kc
ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1
Verfahren gum Herstellen eines elektrischen Bauteils Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils nach der Gattung des Hauptanspruchs - wie es bereits bekannt ist aus der DE-OS 19 50 Die nach dem vorstehend genannten Verfahren hergestellte elektrische Verbindung zwischen einer dünnen Metallschicht, die auf einem dünnwandigen Träger fest aufgebracht ist, und einem Anschlußteil ist für eine Massenproduktion nicht nur sehr umständlich, sondern auch zu teuer; außerdem wird ein nach diesem Verfahren hergestelltes elektrisches Bauteil im Falle von Schüttelbeanspruchungen - insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen - keine lange Lebensdauer aufweisen.
Weiterhin ist es bekannt (DE-OS- 25 ^7 683), bei elektrischen Verbindungen zwischen auf Trägern angeordneten Schichten und Anschlußteilen Nietverbindungen zu benutzen; solche Nietverbindungen sind jedoch auch weder für schüttelbeanspruchte Bauteile noch für eine Massenproduktion geeignet, insbesondere bei Verwendung von spröden Trägern.
Außerdem sind aus der DE-OS 25 26 3^0 auch Lot- und Klemmverbindungen für diesen Zweck "bekannt, die jedoch auch aus Gründen von rauhen Betriebsbedingungen oder auch aus Kostengründen nicht immer in Frage kommen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von elektrischen Bauteilen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die nach diesem Verfahren hergestellte Verbindung eines Anschlußteils an einem elektrischen Bauteil sowohl rauhen Betriebsbedingungen gewachsen als auch mit für die Massenproduktion geeigneten Fertigungseinrichtung gut und.preisgünstig herstellbar ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich; besonders vorteilhaft ist es, daß nach dem vorgeschlagenen Verfahren Zugentlastungsmittel für das Anschlußteil am Träger des elektrischen Bauteils angebracht werden können, die ebenfalls auf billige und für die Massenproduktion geeignete Weise herstellbar sind.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch den Anschlußbereich eines Trägers in vergrößerter Darstellung, Figur 2 die Draufsicht auf den Anschlußbereich nach Figur (Isolierschicht teilweise nicht dargestellt) und Figur 3 eine Draufsicht auf einen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehenen Träger mit einfacher ausgeführter Vertiefung für das Anschlußteil in vergrößerter Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte sinterfähige Träger 11 eines elektrischen Bauteils 10 "besteht aus Zirkondioxid, ist 1 mm dick und 8 mm breit und kann beispielsweise zu einem Sauer stoffsensor gehören, wie er in der DE-OS 29 13 866 beschrieben ist; anstelle eines Trägers 11 aus Zirkondioxid können aber auch andere sinterfähige Materialien wie beispielsweise Aluminiumoxid Verwendung finden und die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist auch nicht nur auf Sauerstoffsensoren begrenzt, sie kann vielmehr auch für andere Anwendungen von im wesentlichen dünnwandigen, sinterfähigen Trägern mit elektrisch leitfähigen Schichten 12 benutzt werden. Eine derartige elektrisch leitfähige Schicht 12 ist auf der ersten Großseite 13 des vorgesinterten Trägers 11 nach irgendeinem bekannten Verfahren (z. B. Siebdruck) aufgebracht, sie kann beispielsweise aus einem Platinmetall (auch aus anderen geeigneten Metallen oder Cermets) bestehen, beispielsweise 10 Jim dick und 2 mm breit sein und als Anschluß für ein (nicht dargestelltes) schichtförmiges Widerstandsheizelement auf dem Träger 11 dienen. Diese-auf dem Träger 11 festhaftende und elektrisch leitfähige Schicht 12 endet mit ihrer anschlußseitigen Begrenzungslinie 1U vorzugsweise mit etwas Abstand (z. B. 2 mm) vor der anschlußseitigen Stirnfläche 15 des Trägers 11. Der Träger ist im vorliegendem Beispiel als Plättchen dargestellt, er kann jedoch auch von gewölbter Form sein.
In der ersten Träger-Großseite 13 ist eine kanalartige Vertiefung 16 eingeformt, die- von der Träger-Stirnfläche 15 ausgeht und bis in den Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 12 hineinführt und in ihrer Breite
so bemessen ist, daß ein in diese Vertiefung 16 eingelegtes metallisches Anschlußteil 17 ,möglichst eng geführt ist; für ein Anschlußteil 17, das in der kanalartigen Vertiefung 16 festgelegt werden soll, "beispielsweise aus einem Platindraht mit einem Durchmesser iron 0,25 mm besteht, wäre eine Breite von 0,26 mm zweckmäßig. Die Tiefe dieser Vertiefung 16 könnte im entsprechenden Falle 0,3 mm betragen; diese Abmessungen der kanalartigen Vertiefung 16 gelten für den vorgesinterten, aber noch nicht fertiggesinterten Träger 11.Es sei erwähnt, daß anstelle des Anschlußteils 17 mit kreisförmigem Querschnitt auch Anschlußteile mit anderem Querschnitt (bandförmig, mehrkantig) Verwendung finden können. Das im Anschlußbereich der elektrisch leitfähigen Schicht 12 befindliche Ende der kanalartigen Vertiefung
16 setzt sich in bevorzugter Weise in einem Durchgangsloch 18 im Träger 11 fort, welches bevorzugt senkrecht zur ersten Großseite 13 verläuft, aber auch unter einem Winkel (z. B. U5 Grad) verlaufen kann; bei einem Anschlußteil 17 mit einem Durchmesser von 0,25 mm hätte das Durchgangsloch 18 im nur vorgesinterten Träger 11 einen Durchmesser von etwa 0,3 Millimeter. Dieses in der zweiten Großseite 19 des Trägers 11 mündende Durchgangsloch T8 ist in einer zweiten kanalartigen Vertiefung 20 fortgeführt, die im wesentlichen die gleiche Kanal-Breite und -Höhe aufweist wie die von der ersten Vertiefung 16 auf der ersten Träger-Großseite 13. Der in dieser Vertiefung 20 entlanggeführte freie Endabschnitt des Anschlußteils
17 hat eine Länge von etwa 2 mm und verläuft bevorzugt in gleicher Richtung wie der in der ersten Vertiefung 16 befindliche Abschnitt des Anschlußteils 17; für andere Anwendungsfälle kann es aber auch zweckmäßig sein, daß die zweite Vertiefung 20 in der zweiten Träger-Großseite 19
in anderer Richtung zu demjenigen Abschnitt des Anschlußteils 17 verläuft, der sich in der ersten Vertiefung 16 "befindet. Anstelle von rechteckigen Querschnitten bei den Vertiefungen 16 und 20 können auch abgerundete Ecken vorgesehen sein und auch die Übergänge von den Vertiefungen 16 und 20 zum Durchgangsloch 18 werden z/weckmäßigerveise mit Radien versehen. Die Vertiefungen 16 und 20 und auch das Durchgangsloch 18 werden beim Formpressen des Träger-Rohlings 11 bevorzugterweise gleich miteingepreßt. - Nach dem Herstellen des derart vorgeformten Träger-Rohlings 11 wird dieser derart in bekannter Weise vorgesintert, so daß er für die Weiterverarbeitung die erforderliche Festigkeit aufweist.
Der nun vorgesinterte Träger 11 wird anschließend mit der elektrisch leitfähigen Schicht 12 und gegebenenfalls auch noch mit anderen auf dem elektrischen .Bauteil 10 vorgesehenen Schichten versehen (z. B. Elektroden, Widerstandsheizelemente, Isolierschichten). Im nächsten Verfahrensschritt wird in das Durchgangsloch 18 und in die kanalartige Vertiefung 16 auf der ersten Träger-Großseite 13 eine sinterfähige und elektrisch leitfähige Verankerungsmasse 21 eingetropft und das entsprechend vorgeformte Anschlußteil 17 in das Durchgangsloch 18 und die beiden Vertiefungen 16 und 20 eingefädelt. Als Verankerungsmasse 21, welche zur elektrischen Verbindung zwischen dem Anschlußteil 17 und der elektrisch leitfähigen Schicht dienen soll, eignen sich bevorzugt Edelmetall-Cermets, die in Form einer Suspension in das Durchgangsloch 18 bzw. die Vertiefungen 16 und 20 eingeträufelt werden. Eine solche Cermet-Suspension kann beispielsweise aus Volumen-Prozent Platin und 50 Volumen-Prozent Zirkondioxid bestehen und darüber hinaus bekannte Suspensionsmittel enthalten; -anstelle von Platin können aber auch andere für den Verwendungszweck geeignete Metalle Verwendung finden und anstelle des Zirkondioxids auch andere sinterfähige Materialien (z. B. Aluminiumoxid).
315Θ435,
Anläßlich des nächsten Verfahrensschrittes, dem Fertigsintern, wird der Träger 11, die elektrisch leitfähige Schicht 12 und gegebenenfalls auch die anderen aufgebrachten (nicht dargestellten) Schichten -verfestigt, ■was mit einem Schwindungsvorgang der sinterfähigen Teile einhergeht und etwa "bei 1500 C stattfindet. Infolge des Schwindungsvorganges verringern sich die Abmessungen des Trägers 11 um etwa 20 %, was zu einem Einklemmen des Anschlußteils 17 führt. Das Anschlußteil 17 wird außerdem auch durch die nun festgesinterte Verankerungsmasse 21 in dem Träger 11 festgehalten und gleichzeitig mit der elektrisch leitfähigen Schicht 12 elektrisch "verbunden.
Das Anschlußteil 17, das aus der Träger-Stirnfläche 15 etwa 5 mm herausragt und anläßlich des Einbaus des elektrischen Bauteils 10 in ein nicht dargestelltes, geeignetes Gehäuse durch Löten, Schweißen oder Verklemmen mit einem (nicht dargestelltem) Anschlußdraht verbunden wird, ist gegen Losreißen - auch bei Schuttelbeanspruchungen und hohen Betriebstemperaturen - weitestgehend gesichert; der abgewinkelte Verlauf des 'Anschlußteils 17 in den Vertiefungen 16 und 20 und dem Durchgangsloch 18 stellt dabei eine bemerkenswerte Zugentlastung dar. Bei weniger starker Beanspruchung kann gegebenenfalls auf die Vertiefung 20, eventuell sogar auf das Durchgangsloch 18 verzichtet werden.
Mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt kann noch eine weitere Sicherung und Versteifung des Anschlußbereichs zwischen Anschlußteil 17 und Träger 11 erreicht werden: Mittels des bekannten Plasmaspritzverfahrens wird der vorstehend beschriebene Anschlußbereich mit einer zusatz-
lichen Isolierschicht 22 überdeckt ; diese Isolierschicht 22, die beispielsweise aus Magnesium-Spinell besteht, kann - je nach Ausführungsform des Anschlußteils, der Vertiefungen 16, 20 und des Durchgangsloches 18 - auf der ersten Großseite 13 und/oder auch auf der zweiten Großseite 19 des Trägers 11 aufgebracht werden und vorzugsweise auch etwas den aus dem Träger 11 herausragenden freien Endabschnitt des Anschlußteils 17 teilweise mit umgeben (z. B. auf eine Länge von 2 mm). Eine solche Isolierschicht 22 wird bevorzugt erweise etwa 100 bis 500 vum dick hergestellt.
In der Figur 3 ist die Draufsicht auf einen Träger 11' ähnlich dem Träger 11 nach Figur 2 dargestellt. Dieser Träger 11' ist auf seiner ersten Großseite 13' mit einer kanalartigen Vertiefung 16' versehen, die in Zick-Zack-Form verläuft und im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 12' endet; für entsprechende Anwendungsfälle dient der zick-zack-förmige Bereich der Vertiefung 16' als ausreichende Zugentlastung für das nicht dargestellte, in dieser kanalartigen Vertiefung 16' verlaufende Anschlußteil. Diese Ausführungsform einer Zugentlastung für das Anschlußteil ist einfach herstellbar und erspart das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Durchgangsloch 18 und die auf der zweiten Großseite 19 eingeformte zweite Vertiefung 20. Auf die Besehreibung der weiteren Verfahrensschritte zur Herstellung des elektrischen Bauteils 10' wird verzichtet, weil sie den Verfahrensschritten zur Herstellung des elektrischen Bauteils 10 nach den Figuren 1 und 2 entsprechen.
Für den Fall, daß auf beiden Großseiten 13 bzw. 19 Anschlußteile 17 am Träger 11 angebracht werden sollen, dann ist es vorteilhaft, wenn die Anschlußteile 17 nicht untereinander sondern seitlich zueinander versetzt im Träger 11 angeordnet werden; infolge dieser Maßnahme ist das elektrische
-X-
Bauteil 10 bzw. 10' bei seiner Fertigung weniger bruchempfindlich.
Es sei hinzugefügt, daß das beschriebene Anschlußteil auch im Träger durch Löten oder Hartlöten dann festgelegt werden kann, wenn der Träger mit der elektrisch leitfähigen Schicht und gegebenenfalls auch noch anderen Schichten bereits fertiggesintert ist. Bei dieser Ausführungsform des Anschlußbereichs ist es jedoch zweckmäßig, wenn zumindest von einem Durchgangsloch durch den Träger 11, möglichst jedoch auch noch iron einer kanalartigen Vertiefung auf der zweiten Großseite des Trägers Gebrauch gemacht wird und eine in den Figuren 1 und 2 dargestellte, zusätzliche Isolierschicht auf dem Anschlußbereich aufgebracht wird.
Eine derartige Isolierschicht 22 kann natürlich auch dann ihre schützende und stützende Funktion erfüllen, wenn der Träger 11 einschließlich der elektrisch leitfähigen Schicht 12 zwecks Anschluß eines Anschlußteils 17 nur mit einer Durchgangsbohrung 18 versehen wird und das Anschlußteil 17 hakenförmig durch die Durchgangsbohrung- hindurchgeführt wird, das Anschlußteil durch Löten bzw. durch Hartlöten mit der elektrisch leitfähigen Schicht 12 verbunden wird und dann die erwähnte Isolierschicht 22 durch Plasmaspritzen auf diesen Bereich (auf die ersten Großseite und/oder auch auf die zweite Großseite) aufgebracht wird.
Für derartige Anscfrlußteile 17 wird bevorzugt Platin, Nickel, Alumel, Wolfram und ähnliche Materialien verwendet.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß bei der Hindurchführung des Anschlußteils 17 (siehe Figur 1 und 2) durch das Durchgangsloch 18 des Trägers 11 und Entlangführung des Anschlußteils 17 in einer zweiten Vertiefung
20 auf der zweiten Großseite 19 ies Trägers 11 mittels dem in der Vertiefung 20 befindlichen Endabschnitts des Anschlußteils 17 eine auf der zweiten Großseite 19 aufgebrachte, fest haftende zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht (nicht dargestellt) in beschriebener Weise verbunden werden kann.
Leerseite

Claims (1)

1 1 .12.1981 Zr/Kc
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1
Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils mit einem im wesentlichen dünnvandigen Träger, der aus sinterfähigem Material besteht und auf mindestens einer seiner Großseiten eine festhaftende elektrisch leitfähige Schicht besitzt, welche mit mindestens einem metallischen Anschlußteil fest verbunden ist, wobei das Anschlußteil mit dem Träger und mit der elektrisch leitfähigen Schicht zusätzlich noch mit einer Verankerungsmasse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt der Träger (11, 11') im Anschlußbereich der elektrisch leitfähigen Schicht (12, 12') mit einer kanalartigen Vertiefung (16, 16') versehen wird, daß in einem zweiten Verfahrensschritt der mit Vertiefung (16, 16') versehene Träger (11, 11') vorgesintert wird, daß in einem dritten Verfahrensschritt die elektrisch leitfähige Schicht (12, 12') aufgebracht wird, daß in einem vierten Verfahrensschritt das mit der elektrisch leitfähigen Schicht (12, 12') zu verbindende Anschlußteil (17) und eine aus sinterfähigem Material bestehende Verankerungsmasse (21) in die Vertiefung (16, 16') eingebracht werden und daß in einem fünften Verfahrensschritt das Anschlußteil (17) und die Verankerungsmasse (21) in der Vertiefung (16, 16') festgesintert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16, 16') im Träger (Ί1, 11') gleich beim Formpressen des Trägers (11, 11') mit eingeformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartige Vertiefung ( 1 6'. ) ungeradlinig verläuft und daß das Anschlußteil (17) in diesem Bereich dem Verlauf der Vertiefung (16') folgt.
k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (16) ein auf der zweiten Großseite (19) mündendes Durchgangsloch (18) besitzt, durch das das Anschlußteil (17) geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) auf seiner zweiten Großseite (19) eine zweite kanalartige Vertiefung (20) aufweist, wobei das Durchgangsloch (18) in dieser zweiten Vertiefung (20) mündet.
6« Verfahren nach Anspruch 5s dadurch gekennzeichnet, daß sich die in der zweiten Großseite (19) befindliche zweite Vertiefung (20) zwar in einer anderen Ebene als die erste Vertiefung (16) erstreckt, bevorzugt jedoch in Verlängerung der ersten Vertiefung (16) verläuft.
7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (17) auch der zweiten Vertiefung (20) folgt und bevorzugt auch in diesem Abschnitt mittels einer sinterfähigen Verankerungsmasse (21) festgelegt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsmasse (21) aus einem Edelmetall enthaltenden Cermet besteht, das als Suspension zusammen mit dem Anschlußteil (17) in die Vertiefungen (16, 20) und die Bohrung (18) eingebracht wird.
9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsmasse (21) Platinmetall enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsmasse (21) Zirkondioxid enthält.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Anschlußbereichs auf dem Träger (11) mit einer Isolierschicht (21) (z. B. Magnesium-Spinell) bedeckt ist, die vorzugsweise mittels des bekannten Plasma-Spritzverfahrens aufgetragen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Einsintern von Anschlußteil (1T) und Verankerungsmasse (21) in den Vertiefungen (16, 20) bzw. in der Durchgangsbohrung (18) des Trägers (11).die elektrisch leitfähige Schicht (12) und gegebenenfalls auch noch andere, auf dem Träger (11) aufgebrachte Schichten (z. B. Isolier-, Elektroden-, Widerstandsheizelementschichten) mit fertiggesintert werden.
13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11, 11') im wesentlichen aus Zirkondioxid besteht.
1k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (12, 12') zu einem Widerstandsh.eizelem.ent gehört.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis '\k, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10, 10') ein Sauerstoffsensor für Gase ist.
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