DE3150435C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen
eines elektrischen Bauteils nach der Gattung des Hauptan
spruchs - wie es bereits bekannt ist aus der DE-OS 19 50 196.
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 Bau
teil im Falle von Schüttelbeanspruchungen - insbesondere
bei hohen Betriebstemperaturen - keine lange Lebensdauer
aufweisen.
Weiterhin ist es bekannt (DE-OS 25 47 683), bei elektrischen
Verbindungen zwischen auf Trägern angeordneten Schichten und
Anschlußteilen Nietverbindungen zu benutzen; solche Niet
verbindungen sind jedoch auch weder für schüttelbean
spruchte Bauteile noch für eine Massenproduktion geeignet,
insbesondere bei Verwendung von spröden Trägern.
Außerdem sind aus der DE-OS 25 26 340 auch Löt- und Klemmverbin
dungen für diesen Zweck bekannt, die jedoch aus Gründen von rauhen
Betriebsbedingungen oder auch aus Kostengründen nicht immer in Frage
kommen.
In der US-PS 34 05 382 wurde die Verbindung zwischen einem Anschluß
draht und einer auf einem keramischen Träger befindlichen Leiterbahn
beschrieben, wobei der Anschlußdraht in Nuten und Löcher des aber
schon fertiggesinterten Trägers eingeführt und anschließend mittels
eines elektrisch leitfähigen Materials und unter Zuhilfenahme eines
separaten Erwärmungsprozesses festgelegt wird; dieses Verfahren ist
für eine Massenfertigung verhältnismäßig teuer.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, unter
Zuhilfenahme einer Verankerungsmasse ein Verfahren zum Verbinden
eines metallischen Anschlußteils mit einer auf einem sinterfähigen
Träger aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Schicht zu entwickeln,
wobei die nach diesem Verfahren hergestellte Verbindung sowohl
rauhen Betriebsbedingungen gewachsen als auch mit für die Massen
produktion geeigneter Fertigungseinrichtung gut und preisgünstig
herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mittels der im Kennzeichen
des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Anschlußbereich eines Trägers in
vergrößerter Darstellung,
Fig. 2 die Draufsicht auf den Anschluß
bereich nach Fig. 1 (Isolierschicht teilweise nicht dargestellt) und
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen mit einer elektrisch leit
fähigen Schicht versehenen Träger mit einfacher ausgeführter Ver
tiefung für das Anschlußteil in vergrößerter Darstellung.
Der in den Fig. 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 Sauerstoffsensor 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 Sauerstoff
sensoren begrenzt, sie kann vielmehr auch für andere
Anwendungen von im wesentlichen dünnwandigen, sinter
fähigen Trägern mit elektrisch leitfähigen Schichten
12 benutzt werden. Eine derartige elektrisch leitfähige
Schicht 12 ist auf der ersten Großseite 13 des vorge
sinterten Trägers 11 nach irgendeinem bekannten Ver
fahren (z. B. Siebdruck) aufgebracht, sie kann bei
spielsweise aus einem Platinmetall (auch aus anderen
geeigneten Metallen oder Cermets) bestehen, beispiels
weise 10 µm dick und 2 cm breit sein und als Anschluß
für ein (nicht dargestelltes) schichtförmiges Widerstands
heizelement auf dem Träger 11 dienen. Diese auf dem
Träger 11 festhaftende und elektrisch leitfähige Schicht
12 endet mit ihrer anschlußseitigen Begrenzungslinie 14
vorzugsweise mit etwas Abstand (z. B. 2 mm) vor der an
schlußseitigen Stirnfläche 15 des Trägers 11. Der Träger 11
ist im vorliegenden 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-Stirn
fläche 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 einge
legtes metallisches Anschlußteil 17 möglichst eng ge
führt ist; für ein Anschlußteil 17, das in der kanalar
tigen Vertiefung 16 festgelegt werden soll, beispiels
weise aus einem Platindraht mit einem Durchmesser von
0,25 mm besteht, wäre eine Breite von 0,26 mm zweck
mäßig. Die Tiefe dieser Vertiefung 16 könnte im ent
sprechenden Falle 0,3 mm betragen; diese Abmessungen
der kanalartigen Vertiefung 16 gelten für den vorgesin
terten, 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 Durchgangs
loch 18 im Träger 11 fort, welches bevorzugt senkrecht
zur ersten Großseite 13 verläuft, aber auch unter einem
Winkel (z. B. 45 Grad) verlaufen kann; bei einem Anschluß
teil 17 mit einem Durchmesser von 0,25 mm hätte das Durch
gangsloch 18 im nur vorgesinterten Träger 11 einen Durch
messer von etwa 0,3 Millimeter. Dieses in der zweiten
Großseite 19 des Trägers 11 mündende Durchgangsloch 18
ist in einer zweiten kanalartigen Vertiefung 20 fortge
führt, 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 An
wendungsfälle kann es aber auch zweckmäßig sein, daß die
zweite Vertiefung 20 in der zweiten Träger-Großseite 19
in anderer Richtung zu demjenigen Abschnitt des An
schlußteils 17 verläuft, der sich in der ersten Ver
tiefung 16 befindet. Anstelle von rechteckigen Quer
schnitten 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 zweckmäßigerweise mit Radien versehen. Die Ver
tiefungen 16 und 20 und auch das Durchgangsloch 18 wer
den beim Formpressen des Träger-Rohlings 11 bevorzugter
weise gleich miteingepreßt. - Nach dem Herstellen des der
art vorgeformten Träger-Rohlings 11 wird dieser derart
in bekannter Weise vorgesintert, so daß er für die Weiter
verarbeitung 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 vorge
sehenen Schichten versehen (z. B. Elektroden, Widerstands
heizelemente, Isolierschichten). Im nächsten Verfahrens
schritt wird in das Durchgangsloch 18 und in die kanal
artige Vertiefung 16 auf der ersten Träger-Großseite
13 eine sinterfähige und elektrisch leitfähige Veran
kerungsmasse 21 eingetropft und das entsprechend vor
geformte Anschlußteil 17 in das Durchgangsloch 18 und die
beiden Vertiefungen 16 und 20 eingefädelt. Als Verankerungs
masse 21, welche zur elektrischen Verbindung zwischen dem
Anschlußteil 17 und der elektrisch leitfähigen Schicht 12
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 50
Volumen-Prozent Platin und 50 Volumen-Prozent Zirkondioxid
bestehen und darüber hinaus bekannte Suspensionsmittel ent
halten; 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).
Anläßlich des nächsten Verfahrensschrittes, dem Fertig
sintern, wird der Träger 11, die elektrisch leitfähige
Schicht 12 und gegebenenfalls auch die anderen aufge
brachten (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 Verankerungs
masse 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 elek
trischen 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 Schüttelbeanspruchungen und
hohen Betriebstemperaturen - weitestgehend gesichert; der
abgewinkelte Verlauf des Anschlußteils 17 in den Vertie
fungen 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 zusätz
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 vor
zugsweise auch etwas den aus dem Träger 11 herausragen
den freien Endabschnitt des Anschlußteils 17 teilweise
mit umgeben (z. B. auf eine Länge von 2 mm). Eine solche
Isolierschicht 22 wird bevorzugterweise etwa 100 bis 500
µm dick hergestellt.
In der Fig. 3 ist die Draufsicht auf einen Träger 11′
ähnlich dem Träger 11 nach Fig. 2 dargestellt. Dieser
Träger 11′ ist auf seiner ersten Großseite 13′ mit einer
kanalartigen Vertiefung 16′ versehen, die in Zickzack-Form
verläuft und im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht
12′ endet; für entsprechende Anwendungsfälle dient der
zickzackförmige Bereich der Vertiefung 16′ als ausreichen
de Zugentlastung für das nicht dargestellte, in dieser kanal
artigen Vertiefung 16′ verlaufende Anschlußteil. Diese Aus
führungsform einer Zugentlastung für das Anschlußteil ist
einfach herstellbar und erspart das in den Fig. 1 und 2
dargestellte Durchgangsloch 18 und die auf der zweiten Groß
seite 19 eingeformte zweite Vertiefung 20. Auf die Be
schreibung der weiteren Verfahrensschritte zur Herstellung
des elektrischen Bauteils 10′ wird verzichtet, weil sie den
Verfahrensschritten zur Herstellung des elektrischen Bau
teils 10 nach den Fig. 1 und 2 entsprechen.
Für den Fall, daß auf beiden Großseiten 13 bzw. 19 Anschluß
teile 17 am Träger 11 angebracht werden sollen, dann ist es
vorteilhaft, wenn die Anschlußteile 17 nicht untereinander,
sondern seitlich zueinander versetzt im Träger 11 ange
ordnet werden; infolge dieser Maßnahme ist das elektrische
Bauteil 10 bzw. 10′ bei seiner Fertigung weniger bruch
empfindlich.
Für derartige Anschlußteile 17 wird bevorzugt Platin, Nickel,
Alumel, Wolfram und ähnliche Materialien verwendet.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß bei der
Hindurchführung des Anschlußteils 17 (siehe Fig. 1 und 2)
durch das Durchgangsloch 18 des Trägers 11 und Entlang
führung des Anschlußteils 17 in einer zweiten Vertiefung
20 auf der zweiten Großseite 19 des Trägers 11 mittels dem
in der Vertiefung 20 befindlichen Endabschnitts des An
schlußteils 17 eine auf der zweiten Großseite 19 aufge
brachte, fest haftende zusätzliche elektrisch leitfähige
Schicht (nicht dargestellt) in beschriebener Weise ver
bunden werden kann.
Claims (15)
1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils mit einem im
wesentlichen dünnwandigen 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 gekennzeich
net, daß in einem ersten Verfahrensschritt der noch ungesinterte
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′) derart vorgesintert
wird, so daß die Vertiefung (16, 16′) das einzulegende Anschlußteil
(17) eng fixieren 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 (11, 11′) gleich
beim Formpressen des Trägers (11, 11′) mit eingeformt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die kanalartige Vertiefung (16′) ungeradlinig
verläuft und daß das Anschlußteil (17) in diesem Bereich
dem Verlauf der Vertiefung (16′) folgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, 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 4, 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 5, 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 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verankerungsmasse (21) aus einem
Edelmetall enthaltenden Cermet besteht, das als Sus
pension zusammen mit dem Anschlußteil (17) in die Ver
tiefungen (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 gekenn
zeichnet, daß die Verankerungsmasse (21) Zirkondioxid ent
hält.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Anschlußbe
reichs 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 (17) und Verankerungsmasse (21) in den Ver
tiefungen (16, 20) bzw. in der Durchgangsbohrung (18) des
Trägers (11) die elektrisch leitfähige Schicht (12) und ge
gebenenfalls auch noch andere auf dem Träger (11) aufge
brachte Schichten (z. B. Isolier-, Elektroden-, Widerstands
heizelementschichten) mit fertiggesintert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (11, 11′) im wesentlichen
aus Zirkondioxid besteht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (12,
12′) zu einem Widerstandsheizelement gehört.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bauteil (10, 10′) ein Sauerstoff
sensor für Gase ist.
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