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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Thermistor zur Temperatur-Messung,
-Steuerung und/oder zum Temperaturausgleich und auf ein Verfahren
zum Herstellen desgleichen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf einen Thermistor, welcher mehrere Schichten von Elektrodenmetall
aufweist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Thermistoren
(thermisch empfindliche Widerstände)
sind keramische Halbleiter, welche große Veränderungen im elektrischen Widerstand
mit entsprechenden Veränderungen
der Temperatur aufweisen. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit, Genauigkeit
und Stabilität
werden Thermistoren allgemein anerkannt, der vorteilhafteste Sensor
für viele
Anwendungen zu sein, die Temperatur-Messung, -Ausgleich und -Steuerung
beinhalten. Thermistoren werden in großem Maße für gewerbliche Konsumelektronikprodukte,
Fahrzeug-, Industrie- und medizinische Elektronikanwendungen, Lebensmittelverarbeitung
und -veredelung, Kommunikation und Instrumentierung, Computer, Militär und Luft-
und Raumfahrt, und Forschung und Entwicklung verwendet. Einige praktische
Anwendungen von Thermistoren beinhalten die Flüssigkeitsstands-Messung, Fotografie,
Thermometer, intravenöse
Katheder, Blutanalyse, Herzmuskelnadelsonden, Fahrzeugklimasteuerung,
Treibstoffniveau/-Temperatur, Temperatursensoren für Haushaltsanwendungen,
sowie Klimaanlagen, Kaffeemaschinen, und Datenregistrieranwendungen,
sowie Luft-, Boden-, Flüssigkeitstemperatursonden.
Die Verwendung in Mobiltelefonen, Autotelefonen, Quarzoszillatoren
und Transceivern nimmt ständig
zu.
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Die
wichtigsten Merkmale von Thermistoren sind ein extrem hoher Temperaturkoeffizient
des Widerstandes und genaue Widerstand- über Temperaturcharakteristik.
Die Empfindlichkeit bezüglich
eines Temperaturveränderung
kann in einer Thermistorwiderstandsveränderung von 10 000 000 : 1 über einen Betriebstemperaturbereich
resultieren. Chip-Thermistoren des Standes der Technik weisen eine
kleine Größe, quadratische
Konfiguration auf, sind beschichtet oder unbeschichtet, in verbleiten
oder bleifreien Umgebungen verfügbar,
weisen Betriebstemperaturbereiche von –80 °C bis 300 °C und Widerstandsbereiche von
0,5 Ohm bis 40 Mega-Ohm auf.
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Die
DE-A-3900787 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer keramisch-elektrischen
Vorrichtung, so wie einen NTC- oder PTC-Thermistor, wobei die keramisch-elektrische
Vorrichtung zwei Schichten für
jede Elektrode aufweist, wobei die erste Schicht durch eine Siebdruck-Technik
(screen printing) hergestellt wird.
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Im
Patent Abstract of Japan Vol. 015, No. 351 (E-1108) vom 5. September
1991 und in der
JP 03
136204 A wird ein Element beschrieben, welches durch Bilden
einer Lötschicht
auf Elektroden und einer Doppelschichtstruktur, die auf beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
eines Thermistorchips gebildet wird, hergestellt wird.
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Der
elektrische Widerstand eines positiven Temperaturkoeffizienten(PTC)-Thermistors
nimmt mit einer Zunahme der Temperatur zu. PTC-Thermistoren schalten
von einem niedrigen zu einem hohen Widerstandszustand bei einer
spezifischen Temperatur. Sie werden weitgehend als Strombegrenzer
von –80 °C bis 300 °C, 0,5 Ohm
bis 40 Mega-Ohm verwendet. Umgekehrt nimmt der elektrische Widerstand
eines negativen Temperaturkoeffizienten-(NTC)-Thermistors mit einer
Zunahme der Temperatur ab. NTC-Thermistoren werden verwendet, um
Temperaturen von –80 °C bis 300 °C mit einem nominellen
Widerstand bei 25 °C
von 0,5 Ohm bis 40 Mega-Ohm zu messen. Deshalb weisen sie einen großen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands und einen großen
Bereich von Widerstandswerten auf. Sie sind auch in einem weiten
Größenbereich von
3 mm im Durchmesser bis 22 mm im Durchmesser in anpassbaren Formen
und Größen für eine große Vielzahl
mechanischer Umgebungen erhältlich. Typische
Anwendungen von NTC-Thermistoren beinhalten eine Lüftersteuerung,
Temperaturfühlung, Schalkreisschutz
und Temperatursteuerung. NTC-Thermistoren werden gewählt, wenn
eine entfernte Messung benötigt
wird, eine geringe Größe erwünscht ist,
oder wo geringe Temperaturunterschiede gemessen werden müssen.
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NTC-Thermistoren,
die für
eine Temperaturmessung und einen -Ausgleich verwendet werden, werden
gewöhnlich
aus unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt, die Oxide von
Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer, Eisen und anderen Metallen beinhalten,
um ein keramisches Halbleitermaterial zu bilden. Thermistoren können in
unterschiedlichen Formen eines Wulstes (bead), einer Scheibe, eines Stabs,
eines Chips oder einer Dünnschicht-Konfiguration
ausgeformt sein. Der Thermistor in Dünnschicht-Bauweise ist einfach
eine kleinere Größen-Version
des Chip-Thermistors. Wafer-Thermistoren werden hergestellt, indem
dünne Scheiben vom
Material gebildet werden, welche Oxidpulver von Mangan, Nickel und
anderen Oxiden beinhalten, die in einem Bindemittel kombiniert werden.
Das Material wird bei erhöhten
Temperaturen gesintert, mit einer leitfähigen Metallzusammensetzung
beschichtet, und dann auf eine Größe gewürfelt. Zuleitungen werden durch
Löten angebracht.
Die Einheiten werden schließlich
in einem Epoxid- oder einem anderen elektrischen Isolationsmaterial
zum endgültigen Schutz
und für
eine Stabilisierung beschichtet. Ein typisches Thermistorelement
des Standes der Technik, welches in 1 dargestellt
ist, stellt einen Thermistor in Chip-Bauweise dar, der aus gesinterten
Metallpulveroxiden (1) zusammengesetzt ist, auf welchen Elektroden
(2) und (3) aufgebracht sind.
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Insbesondere
wenn Thermistoren des Standes der Technik mit Dickfilm-Elektroden,
die aus Ag, PdAg oder Au hergestellt sind, auf Substraten (Oberflächenbefestigungs-Konfigurationen, 1) oder auf Zuleitungen (diskrete Komponenten-Konfigurationen, 2) mit Hochtemperatur-Lötmitteln
bzw. -Loten angebracht sind, die Verfahren verwenden, die zwischen
200 °C und
380 °C,
bei Verweildauern, die von 5 Sekunden bis 3 Minuten reichen, betrieben werden,
verschiebt sich ihr elektrischer Widerstand außerhalb der zulässigen spezifizierten
Widerstandstoleranz (typischerweise 2 – 5 %). Dies ergibt ein fehlerhaftes
oder unzureichendes Endprodukt oder Untereinheit, in welche der
Thermistor eingebaut ist.
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Bei
diesen Widerstandsveränderungen
von Thermistoren des Standes der Technik hat man herausgefunden,
dass diese durch ein Phänomen,
welches als Durchsickern bezeichnet wird, hervorgerufen werden,
welches während
des Lötvorgangs
auftritt. Ein Durchsickern tritt auf, da das Metall in der Elektrode
eine höhere
Affinität
zu dem geschmolzenen Lötmittel
aufweist als seine Bindung mit einer Glasfritte oder einem frittenlosen
Bindemittel der Elektrode. Da die Thermistor-Elektrode gelötet wird, wird
das Metall von seiner Bindung mit der Glasfritte oder einem frittenlosen
Bindemittel der Elektrode abgelöst
und wird in das geschmolzene Lötmittel
absorbiert. Als Ergebnis erhöht
sich der elektrische Widerstand des Thermistors zu seinem ursprünglichen Wert
vor dem Lötvorgang.
Mit anderen Worten, das Metallelement, welches die externen Elektroden
bildet, wird aufgrund des Durchsickerns des Lötmittels beeinträchtigt.
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Die
Durchsickerungsrate der Thermistor-Dickfilm-Elektrode ist abhängig von
der Art des Elektrodenmaterials und der Temperatur und der Dauer
des Lötvorganges,
welchem der Thermistor ausgesetzt wird. Üblicherweise wird ein Aussetzen von
Thermistoren des Standes der Technik einem geschmolzenem Lötmit tel
bei Temperaturen über
200 ° C
für längere Zeitspannen
(mehr als 5 Sekunden) von Dickfilmelektrodenherstellern nicht empfohlen, da
eine Degradation bzw. Verschlechterung der Elektrode über dieser
Temperatur und nach dieser Dauer schneller ansteigt. Zusätzlich zu
der Veränderung
im elektrischen Widerstand verursacht das Durchsickern eine Degradation
der Lötelektrode
und eine Elektroden-Halbleiterbindung. Geschwächte Bindungen können Thermistoren
ergeben, die eine stark verringerte Stabilität und Zuverlässigkeit
aufweisen.
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Bei
Dickfilm-Pt-Elektroden hat man herausgefunden, dass diese einem
Durchsickern, verglichen mit anderen Elektrodenmaterialien, resistent sind.
Jedoch machen die hohen Kosten von Dickfilm-Pt-Elektroden den Thermistor
des Standes der Technik für
eine Herstellung nicht kosteneffektiv. Ebenso ist es schwieriger
einen Au-Draht an Dickfilm-Pt-Elektroden zu binden, wobei der thermosonische
oder der äquivalente
Draht-Ballbonden-Vorgang
(wire ball bonding process) verwendet wird.
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Zusätzlich werden
Thermistoren des Standes der Technik mit Dickfilm-Ag- oder PdAg-Elektroden
allgemein nicht in Hybrid-Mikroschaltkreis-Anwendungen
verwendet, die einen 0,001'' AD-Gold-Draht(OD gold
wire; OD = outer diameter; AD = Außendurchmesser) (oder Äquivalentes)
benötigen,
um gebunden zu werden, wobei der thermosonische oder der äquivalente
Draht-Ball-Verklebungs-Vorgang
verwendet wird, da die Drahtbindungen an diesen Elektroden über längere Dauer
nicht zuverlässig
sind. (1'' = 1 Zoll = 2,54
cm).
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Ein
Thermistorelement, welches zwei Schichten von Dünnfilmelektroden verwendet,
wurde in dem Stand der Technik (U.S. 4,712,085) beschrieben. Weiterer
Stand der Technik (U.S. 6,008,717) beschreibt einen Thermistor mit
einem Elektrodenpaar in einer kürzeren
inneren Elektrode und einer längeren
inneren Elektrode, die einander gegenseitig gegenüberliegen und
mittels eines Spalts getrennt sind. Jedoch löst dieser Stand der Technik
nicht das beschriebene Durchsickerungsproblem.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Beruhend
auf dem Vorhergehenden, ist es ein Ziel der Erfindung, einen kosteneffektiven
Thermistor mit Elektroden bereitzustellen, die einen hohen Grad
von Löt-Durchsickerungswiderstand
aufweisen und bei einem Lötvorgang
resistent zu sein, der bei Temperaturen zwischen typischerweise
200 °C und
380 °C,
mit Verweildauern zwischen typischerweise 5 Sekunden und 3 Minuten
durchgeführt wird.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines
Thermistors mit Durchsickerungs-resistenten Elektroden bereitzustellen,
welche die Anbringung von Zuführungen
zur Verwendung von Hochtemperatur-Lötmittel oder leitfähigen Zusammensetzungen
bei schwacher Hitze erlauben, weil dabei die maximale Betriebstemperaturfähigkeit über den
im Stand der Technik erzielten erhöht wird.
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Diese
und weitere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht,
die auf einen Thermistor gerichtet ist, welcher einen Halbleiterkörper mit
einer ersten Elektrodenschicht aufweist, die nach außen von
den gegenüberliegenden
Oberflächen des
Halbleiterkörpers,
wie in Anspruch 1 definiert ist, aufgebracht ist. Die erste Schicht,
die eine Dicke von nicht weniger als 5 Mikrometer aufweist, wird
aus einem Elektrodenmaterial gebildet, welches irgendein passendes
leitfähiges
Metall ist. Die zweite Schicht wird außerhalb der ersten Schicht
aufgebracht und weist eine Dicke von nicht mehr als 5 Mikrometer
auf. Die zweite Schicht wird aus einem Elektrodenmaterial gebildet,
welches irgendein „reaktives
Metall" ist. Die
dritte Elektrodenschicht wird außerhalb der zweiten Schicht
aufgebracht und weist eine Dicke von bevor zugt nicht mehr als ungefähr 5 Mikrometer
auf. Die dritte Elektrodenschicht wird aus einem Elektrodenmaterial
gebildet, welches irgendein „Barrieren"-Metall ist. Die
vierte Schicht, die optional, abhängig von den elektrischen Kontakten
ist, die daran gebunden werden, wird aus einem Elektrodenmaterial
gebildet, welches mit dem elektrischen Kontakt und/oder Mittel zum
Binden außerhalb
der dritten Schicht kompatibel ist und bevorzugt eine Dicke von nicht
mehr als ungefähr
5 Mikrometer aufweist. Jede der Schichten ist in elektrischem Kontakt
mit den anderen Schichten und dem Halbleiterkörper.
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung werden Metalle betrachtet, die irgendein Metall
sind, Kombinationen von Metallen oder Metalllegierungen. „Reaktive" Metalle werden als
Metalle betrachtet, die irgendeine Kombination oder Legierung beinhalten, die
bei einem gewissen Niveau mit einem benachbarten Metall reagieren,
um eine verbesserte Bindung bereitzustellen. „Barrieren"-Metalle werden als Metalle betrachtet,
die irgendeine Kombination oder Legierung beinhalten, die einem
Durchsickern entgegenwirkt, d.h. Migration des Metalls in das Lötmittel
unter Hochtemperaturbedingungen, was sie passend für Hochtemperatur-Lötvorgänge macht,
wobei dabei eine Degradation der darunterliegenden Schichten verhindert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit irgendeiner Art von Halbleiter verwendet
werden, die von irgendwelchen passenden Vorgängen, die aus dem Stand der
Technik bekannt sind, abgeleitet werden, die einen Scheiben-, einen
Stab-, einen Chip- und Dünnschicht-Halbleiter
beinhalten aber nicht darauf beschränkt sind. Die vorliegende Erfindung
wird bei PTC- oder NTC-Halbleitern angewandt.
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Das
Verfahren zum Herstellen der Thermistoren dieser Erfindung, welches
durch Anspruch 8 definiert ist, beinhaltet ein Aufbringen der ersten Schicht
auf den Halbleiterkörper
durch irgendein bekanntes Mittel. Die aufeinanderfolgenden Schich ten werden
dann außerhalb
der ersten Schicht aufgebracht, so dass sich die reaktive Schicht
außerhalb der
ersten Schicht befindet und sich die Barrierenschicht außerhalb
der reaktiven Schicht befindet. Falls die elektrischen Kontakte
mit der Barrierenschicht verbunden werden können, wird keine zusätzliche
Schicht betrachtet. Falls jedoch der Kontakt nicht mit dem Barrierenmetall
kompatibel ist, wird eine vierte optionale Schicht über der
Barrierenschicht aufgebracht. Die Wahl der Metalle hängt von der
Art der Plättchen
(die) und/oder Materialien des Drahtbondens bzw. Drahtanschlusses
(wire bonding) ab, die für
das Befestigen des Thermistors verwendet werden.
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Als
Ergebnis der Durchsickerungs-resistenten Eigenschaften, die durch
die vorliegende Erfindung ermöglicht
werden, weist der Thermistor sowohl während als auch nach dem Lötvorgang,
der zum Befestigen des Thermistors auf den Substraten verwendet
wird, eine viel größere Stabilität und Zuverlässigkeit
auf als jene, die durch den Stand der Technik erreicht werden. Ein
Thermistorelement der vorliegenden Erfindung, welches beispielsweise
an einen elektrischen Kontakt unter den gleichen Bedingungen gelötet wird
und die gleichen Plättchen und/oder
Draht-Bindungstechniken verwendet und verarbeitet wird, wie vorhergehend
für den
Stand der Technik beschrieben worden ist, zeigte Widerstandsveränderungen
von weniger als 1 % verglichen mit 6 % bis 20 % für einen
Thermistor des Standes der Technik mit Dickfilm-Au-Elektroden.
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ZEICHNUNGEN
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Die
folgenden Zeichnungen, in welchen Bezugszeichen ähnliche Teile darstellen, sind
beabsichtigt, nur eine oder mehrere der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darzustellen, ohne die Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
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1a ist
eine Draufsicht eines Thermistorelements des Standes der Technik.
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1b ist
eine Querschnittsaufrissansicht des Thermistorelements von 1a.
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2a ist
eine Querschnittsebenenansicht eines Thermistorelements einer zweiten
Konfiguration des Standes der Technik.
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2b ist
eine Querschnittsaufrissansicht des Thermistorelements von 2a.
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3a ist
eine Draufsicht eines Thermistorelements einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3b ist
eine Querschnittsaufrissansicht des Thermistorelements von 3a.
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3c ist
ein größerer teilweiser
Querschnitt des Thermistorelements von 3b.
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4a ist
eine Querschnittsebenenansicht eines Thermistors, welcher die bevorzugte
Ausführungsform
des Thermistorelements von 3a-c verwendet.
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4b ist
eine Querschnittsaufrissansicht des Thermistors von 4a.
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4c ist
ein vergrößerter teilweiser
Querschnitt des Thermistorelements von 4b.
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5a ist
eine perspektivische Ansicht eines alternativen Thermistors der
vorliegenden Erfindung, wobei eine Lötverbindung zwischen der unteren
Elektrode des Thermistorelements und einem Kontaktpad eines elektrischen
Schaltkreissubstrats dargestellt wird.
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5b ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht einer oberen Ecke des Thermistors von 5a.
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5c ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht des Thermistorelements von 5b.
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5d ist
eine perspektivische Ansicht des Thermistors von 5a von
der rechten Seite aus gesehen.
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5e ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht des Thermistorelements von 5d.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
in den Zeichnungen, und insbesondere in den 3a-c dargestellt
ist, besteht die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung aus einem keramischen Halbleiterkörper (11), welcher
gegenüberliegende
Seiten (42 und 43) umfasst, die ein oder mehr Metalloxide
beinhalten. Eine erste Schicht des Metall-Elektrodenmaterials, welches
leitfähiges
Metall (12a und 13a) umfasst, welches eine Dicke
von nicht weniger als 5 Mikrometer aufweist, wird auf jeder Oberfläche der
gegenüberliegenden
Seiten (42 und 43) aufgebracht. Auf der ersten
Schicht (12a und 13a) wird eine zweite Schicht
eines Metall-Elektrodenmaterials
(12b und 13b) gefolgt durch eine dritte Schicht
eines Metall-Elektrodenmaterials (12c und 13c)
auf der zweiten Schicht (12b und 13b) aufgebracht.
Wahlweise wird eine vierte Schicht eines Metall-Elektrodenmaterials
(12d und 13d) auf der dritten Schicht (12c und 13c)
auf gebracht.
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Ein
elektrischer Kontakt wird auf die äußere Elektrodenschicht auf
dem Halbleiterkörper
zur Verwendung des vorliegenden Thermistors aufgebracht. Dieser
elektrische Kontakt und die Mittel zum Binden der äußeren Thermistor-Elektrodenschicht
bestimmen die Zusammensetzung der vierten Schicht und ob die vierte
Schicht (12d und 13d) verwendet wird.
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Der
Thermistor (100) der vorliegenden Erfindung kann aus irgendeinem
passenden Halbleiterkörper,
bevorzugt einen keramischen Halbleiter, gebildet sein.
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Es
gibt viele unterschiedliche Wege, um Halbleiterkörper für Thermistoren herzustellen.
Solange passende keramische Verarbeitungstechniken verwendet werden,
kann diese Erfindung bei Halbleiterkörpern angewandt werden, die
mit irgendeinem bekannten Verfahren des Standes der Technik hergestellt
sind, so wie Bandgießen,
Pressen, Extrusion, Spritzguss oder ein anderes passendes Verfahren. Der
Halbleiterkörper
(11) kann eine Dünnschicht, eine
Scheibe, ein Stab, ein Chip oder irgendeine passende Art oder Form
sein.
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Die
erste Schicht des Metall-Elektrodenmaterials (12a und 13a)
kann irgendein passendes leitfähiges
Material oder eine Legierung sein, die aus Ag, Pt, Pd, Au oder irgendeiner
Kombination davon besteht, kombiniert mit einer Glasfritte oder
einem frittenlosen Bindemittel und wird als das erste Schichtenmaterial
verwendet. Die erste Schicht (12a und 13a) wird
bevorzugt auf den Wafer (11) mittels Sprühen aufgebracht.
Sie kann jedoch durch Siebdruck (screening), Malen, Pinselauftrag,
Spin-Coating bzw. Rotationsbeschichtung, Eintauchen oder anderen Mitteln,
die bekannt sind oder später
entwickelt werden, aufgebracht werden. Die Stärke der ersten Schicht beträgt nicht
weniger als ungefähr
5 Mikrometer (1 Mikrometer = 10–6 m),
bevorzugt ungefähr 10
bis 40 μm,
und am meisten bevorzugt 25 μm.
Deshalb wird eine „Dick"-Filmschicht betrachtet.
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Die
zweite Elektrodenschicht (12b und 13b) wird am
bevorzugtesten auf der ersten Dickschicht (12a und 12b)
durch irgendeine passende Technik, so wie Elektroplattierung oder
Dampfdeposition aufgebracht, wobei eine physikalische Dampfdeposition (PVD,
physical vapor deposition) am meisten bevorzugt ist. Das zweite
Elektrodenmaterial umfasst Ti.
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Die
zweiten (12b und 13b), wie auch die dritten (12c und 13c)
und optional vierten Schichten (12d und 13d) sind
größer als
0,01 Mikrometer und kleiner als ungefähr 5 μm. Deshalb werden die bevorzugten
zusätzlichen
Schichten als „Dünn"-Film-Schichten betrachtet.
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Für diese
Erfindung ist das zweite Schichtmetall Ti. Ti wird über der
Dickfilm-Ag-Schicht (12a und 12b) aufgrund ihrer
Kosteneffektivität
und ihrer „reaktiven" Charakteristik aufgebracht,
d.h. ihrer Eignung für
eine Bindung mit dem dicken Ag-Film und mehreren anderen Metallen.
Die bevorzugte Stärke für diese
zweite Schicht (12a und 13a) beträgt ungefähr 0,05
bis ungefähr
1 μm.
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Die
dritte Elektrodenschicht (12c und 13c) wird auf
der zweiten Schicht (12b und 13b) durch PVD von
irgendeinem Barrierenmetall, so wie Pt, Pd, Re, w, Ni oder Mo aufgebracht.
Für diese
Erfindung umfasst die dritte Schicht Pt, weil es unter Hochtemperaturbedingungen
nicht oxidiert, was es für
Hochtemperatur-Lötvorgänge passend
macht. Die dritte Schicht (12c und 13c) ist das
Schlüssel-„Barrieren"-Metall, welches
ein Durchsickern der Elektrodenschichten unter dieses verhindert.
Die bevorzugte Stärke
dieser dritten Schicht (12c und 13c) beträgt ungefähr 0,1 bis
1,5 μm.
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Die
optionale vierte Elektrodenschicht (12d und 13d)
wird auf der dritten Schicht (12c und 13c) durch
PVD aufgebracht und besteht aus einem vierten Elektrodenmaterial,
welches irgendein Metall sein kann, welches mit dem Metall eines
elektrischen Kontaktes, an welchen es gebunden werden soll, kompatibel
ist. Die Wahl des Metalls hängt
von der Art des Materials ab, welches in der Plättchenbindung (dargestellt
in den 5a bis 5e) verwendet
wird und/oder Mittel für
das Drahtbonden (dargestellt in den 4a bis 4c),
die zum Befestigen des Thermistorelements verwendet werden. Für die bevorzugteste
Ausführungsform
dieser Erfindung ist Au das bevorzugte vierte Dünnfilm-Schichtmaterial. Au
ist bevorzugt, da die Anwendungen, für welche dieses Thermistorelement
ausgelegt worden ist, eine nicht oxidierbare Au-Oberfläche benötigen, an
welche das Lötmittel
und ein Golddraht mit einem hohen Zuverlässigkeitsgrad gebunden werden
können.
Die bevorzugte Stärke dieser
vierten Schicht (12d und 13d) reicht von ungefähr 0,5 bis
ungefähr
2,5 μm.
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Die 4a-c
und 5a-e enthalten das gleiche Thermistorelement (100),
welches in den 3a-c mit einer diskreten Komponente
und entsprechenden Oberflächenbefestigungs-Drahtbindungs/Plättchenbindungs-Komponentenkonfigurationen
dargestellt ist. Bezüglich
der 4a-c weisen die elektrischen Kontakte die Form
von Drahtzuleitungen (24 und 25) auf, die aus
einem Material hergestellt sind, welches passend für die maximale
Betriebstemperatur ist, die durch die Anwendung definiert ist, für welche
der Thermistor verwendet werden soll. Beispielsweise kann ein derartiges
Zuführungsmaterial
Ag sein, welches mit Cu überzogen
ist, Ag, welches mit Ni überzogen
ist, Ag, welches mit Cu/Ni-Legierung überzogen ist, oder Au, welches
mit DUMET (Fe-Ni-Kern, welcher mit Kupfer beschichtet ist) überzogen
ist. Das Lötmittel
(26) bedeckt die Drahtzuleitungen, welche SN10, SN95 oder
SN96 sein können.
Für höhere Temperaturanwendungen können andere
Bindungsmaterialien, so wie eine Niedertemperatur (typischerweise
500 °C)
leitfähige Verbindung
verwendet werden.
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Ein
isolierendes Beschichtungsmaterial (27), welches ein Hochtemperaturepoxid
oder Niedertemperatur-Glas (typischerweise 500 °C) sein kann, abhängig von
der Wahl der Bindungsmaterialien und Zuleitungen, kann verwendet
werden, um die Oberfläche
des Thermistors zu beschichten. Beispielsweise war die in dieser
Erfindung verwendete Kombination mit Ag, welches mit Cu-Zuleitungen überzogen ist,
die mit SN96-Lötmittel
verbunden sind und mit einem Hochtemperaturepoxid beschichtet sind.
Eine weitere Kombination könnte
Ag sein, welches mit Ni-Zuleitungen überzogen ist, die mit SN10-Lötmittel verbunden
sind und mit einem Hochtemperaturepoxid beschichtet sind. Ähnlich könnte eine
weitere Kombination Au sein, welches mit EUMET-Zuleitungen überzogen
ist, die mit einer Niedertemperatur-leitfähigen Komposition verbunden
sind und mit einem Nie dertemperaturglas beschichtet sind. Alle derartigen
Kombinationen, wie auch irgendwelche anderen bekannten oder später entwickelten,
sind beabsichtigt, durch die vorliegende Erfindung abgedeckt zu
werden.
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Die 5a-e
stellen die Konfiguration zum Befestigen an ein Hybrid-Mikroelektronik-Schaltkreissubstrat
dar. Der Thermistor (100) ist auf einem Substratkontakt
oder Lötauge
(pad) (31) angebracht, wobei Lötvorgänge und Lötmittel (32) verwendet
werden, wie vorhergehend beschrieben wurde. Ein 0,001''AD-Golddraht (33) wird mit
der äußeren Schicht
(12d) der obersten Elektrode des Thermistors (100)
und mit einem weiteren Substrat-Lötauge (34) verbunden,
wobei eine thermosonische Kompression oder ein äquivalentes Draht-Ball-Bindungs-Verfahren
angewendet werden (1'' = 1 Zoll = 2,54
cm).
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Die
Herstellung des Thermistors (100) der vorliegenden Erfindung
beginnt mit einem Bereitstellen eines passenden Halbleiters für die gewünschte Anwendung.
Irgendein Halbleiterkörper,
welcher im Allgemeinen aus einem Wafer oder einer Gruppe von Wafern
hergestellt ist, die sich aus einem gesinterten, keramischen Thermistor-Material
zusammensetzen, wie sie aus dem Stand der Technik passend entnommen
werden können,
kann in dieser Erfindung verwendet werden. Diese Wafer sind bevorzugt
scheibenförmig
(typischerweise 30 mm bis 50 mm AD, 0,08 bis 0,4 mm dick) oder quadratförmig (typischerweise
50 mm2 mal 0,08 bis 0,4 mm dick). Die Wafer können in
der Oberfläche
größer oder
kleiner sein und/oder größer in der
Stärke,
abhängig
von den Vorgängen,
die für
die Anwendung der Elektroden verwendet werden. Wafer, die dünner sind,
können
verwendet werden, aber die Handhabung während des restlichen Vorganges
wird schwieriger.
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Wafer,
die sich für
die vorliegende Erfindung als passend herausgestellt haben, setzen
sich aus den Oxiden von Mn, Ni, und Fe zusammen und sind ungefähr 50 mm2 groß.
Drei Stärken wurden
für den Zweck
einer Herstellung von Thermistorelementen mit drei unterschiedlichen
Größen und/oder
Widerstandswerten gewählt – ungefähr 0,08
mm, 0,2 mm und 0,3 mm. NTC- oder
PTC-Halbleiter können
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
Wafer-Bauweise mit den meisten Testdaten ist der 0,08 mm dicke Wafer,
welcher verwendet wurde, um relativ kleine Thermistorelemente (ungefähr 0,40
bis 0,44 mm2) herzustellen mit einem nominellen
elektrischen Widerstand von 10000 Ohm bei 25 °C, welcher ausgelegt war, um
die Anforderungen von Hybrid-Mikroschaltkreis-Anwendungen
zu erfüllen.
Diese Hybrid-Mikroschaltkreis-Anforderungen reichen
von MIL-Specs, so wie MIL-STD-883 und MIL-G-45204 bis zu einfachen
kommerziellen Spezifikationen, die durch den Mikroschaltkreis-Hersteller und/oder
Verpacker (packager) irgendwo dazwischen definiert sind.
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Es
gibt im Moment eine praktische physikalische Beschränkung der
Hantierung von Wafern, die dünner
als 0,08 mm sind und von Chips, die viel kleiner als 0,44 mm2 sind. Falls sich jedoch die Technologie
zum Anordnen geringerer Größen, die
aus dünneren
Wafern abgeleitet werden können,
verbessert, wird sich diese Erfindung auch anwenden lassen. Darüber hinaus
wird die Form oder Konfiguration (z.B. Quadrat, Rechteck oder Scheibe)
des endgültigen
Thermistorelements einen Effekt auf diese Erfindung haben, solange
das Element mit dem Halbleitermaterial in der Mitte und den Elektroden,
die auf den gegenüberliegenden
Seiten gebildet sind, gebildet wird.
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Wenn
einmal der Wafer, welcher verwendet wird, um den Halbleiterkörper (11)
zu bilden, bereitgestellt wird, wird eine Dickfilm-Ag-fähige-Bindung, welche
eine Glasfritte oder ein frittenloses Bindemittel, von dem aus dem
Stand der Technik bekannt ist, dass er zum Binden des Halbleitermaterials
geeignet ist, durch Sprühen
auf beide Seiten des Wafers aufge tragen und getrocknet. Natürlich können weitere Verfahren
zum Aufbringen der Dickfilm-Ag-Schicht, von der bekannt ist, dass
sie passend ist oder anschließend
im Stand der Technik entwickelt wird, verwendet werden, welche Siebdruck,
Pinselauftrag, Spin-Coating, Eintauchen oder andere äquivalente Vorgänge beinhaltet
aber nicht darauf beschränkt
ist.
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Die
Wafer mit der ersten Metallschicht (12a und 12b)
werden anschließend
in einem Ofen gebrannt, um das Dickfilm-Ag-Material (3b, 4b und 5 – (12a)
und (13a)) an den Halbleiter-Wafer zu binden. Die gebrannte
Dickfilm-Ag-Schicht
(12a und 12b) ist auf jeder Seite bevorzugt ungefähr 25 Mikrometer
dick, aber ein Stärkebereich
von 10 Mikrometer bis 40 Mikrometer ist akzeptierbar.
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Sofort
nach dem Herausnehmen aus dem Ofen werden die Wafer, welche darauf
die erste Elektrodenschicht aufweisen, vorsichtig in eine Aluminiumfolie
verpackt und in einen Trockenapparat gebracht, welcher zu einem
Vakuum von ungefähr
20'' (= 508 mm) von Hg
abgepumpt wird, um die Bildung von Sulfaten, anderen aus der Luft
stammenden Fremdkörpern,
die Staubteilchen auf der Oberfläche der
Dickfilm-Ag-Schichten beinhalten, zu verhindern. Eine derartige
Oberflächen-Kontamination
auf den Dickfilm-Ag-Elektroden (12a und 13a) würde eine schlechte
Adhäsion
und Oberflächendefekte
in den darauf folgenden Dünnfilmschichten,
die aufgebracht werden, hervorrufen. Deshalb werden die Wafer mit darauf
gebrannten Dickfilm-Ag-Elektroden in dem Trockenapparat gelagert,
bis der nächste
Prozessschritt, der als physikalische Dampfdeposition (PVD) bezeichnet
wird, eingeleitet wird.
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Die
Wafer, welche darauf die erste Schicht aufweisen, werden von dem
Trockenapparat entfernt, in die PVD-Vorrichtung gebracht, welcher
dünne Metallfilme
auf beiden Seiten aufbringt.
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Irgendein
PVD-Prozess oder anderer Prozess, der aus dem Stand der Technik
für eine
Dünnfilm-Deposition
als geeignet bekannt ist, kann verwendet werden. Für dieses
Beispiel wurden die folgenden Metalle und ihre entsprechenden Stärken aufeinanderfolgend
durch PVD in der folgenden Reihenfolge aufgebracht: Ti – 0,15 μm; Pt – 0,5 μm; Au – 1,50 μm. Die PVD-Vorrichtung erlaubt
eine Toleranz von ± 10
% der nominellen Stärke
für jede
aufgebrachte Schicht einzuhalten.
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Nachfolgend
ist eine Liste allgemein akzeptabler Alternativmetalle (von welchen
nicht alle innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung fallen) und
ihrer entsprechenden ungefähren
Stärke,
die mittels PVD auf den Wafern in der folgenden Reihenfolge aufgebracht
werden können,
aufgeführt:
- Zweite („reaktive") Metallschicht (12b und 13b) – Ti, V,
Cr, Zr, Nb, Tc oder Kombinationen und Legierungen – 0,05 bis
1,0 und bevorzugt 0,1 bis 0,3 μm,
abhängig
von dem Metall.
- Dritte („Barrieren"-) Metallschicht
(12c und 13c) – Pt, Pd, Re, W, Ni, Mo oder
Kombinationen und Legierungen – 0,05
bis 2,0 und bevorzugt 0,3 bis 0,7 μm, abhängig von dem Metall.
- Vierte optionale Metallschicht (12d und 13d) – entsprechendes
Bindungsmetall – 0,3
bis 5,0 und bevorzugt 1,0 bis 3,0 μm, abhängig von dem Metall und elektrischem
Kontakt.
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Die
Wafer einer 0,08 mm gesinterten Stärke mit einer Dickfilm-Ag-Schicht
(12a und 13a), Dünnfilm-Ti-Schicht (12b und 13b),
Pt-Schicht (12c und 13c) und Au-Schicht (12d und 13d)
sind in Blattform auf einer 4'' × 4''-Keramikkachel
angebracht worden, welche einen unbelasteten Anbringungszement verwen det,
welcher zum Halten von Keramikmaterialien, die bearbeitet werden,
ausgelegt ist.
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Die
gemäß dieser
Erfindung befestigten Thermistorblätter wurden gewürfelt, wobei
eine Säge mit
einem Diamantblatt verwendet worden ist, welches zum Würfeln von
Thermistor-Wafern in Chips (wie in 3 dargestellt)
eingerichtet ist, die ungefähr
0,44 mm2 aufweisen, um ein Thermistorelement (100)
mit einem Widerstandswert (R-Wert) von 10000 Ohm bei 25 °C herzustellen.
Die Förderrate des
Sägetisches
der Würfelungssäge betrug
ungefähr
40 Zoll (101,6 cm) pro Minute. Die Förderrate kann geringer sein,
sollte aber nicht viel schneller sein, um Seitengrate auf den Thermistorelementen (100)
zu minimieren.
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Andere
Verfahren zum Würfeln
eines Wafers, welcher die beschriebenen Elektrodenschichten aufweist,
sind Thermistorelemente (100), die als passend im Stand
der Technik bekannt sind, und beinhalten ein Laserwürfeln und
-stanzen mit Ultraschall-Mahltechniken, sind allerdings nicht darauf
beschränkt.
Thermistorelemente (100) können in anderen Formen, so
wie Rechtecken oder Scheiben hergestellt werden. Thermistorelemente
(100) können
in anderen Größen, die
für Scheiben
von 0,4 mm bis 2 mm AD (AD = Außendurchmesser)
oder größer und für Quadrate
und Rechtecke von 0,4 mm bis 2 mm oder größer hergestellt werden, abhängig von
dem gewünschten
Endprodukt für
welches das Element ausgelegt ist.
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Selbstverständlich sind
Veränderungen,
Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung von sich
aus für
Fachleute im Lichte des Vorhergehenden offensichtlich. Beispielsweise
können zusätzliche
leitfähige
Schichten zwischen dem Wafer und der ersten Elektrodenschicht, zwischen
der ersten und zweiten Elektrodenschicht, etc. verwendet werden,
solange die elektrische Leitfähigkeit
zwischen den Schichten erhalten ist. Jedoch sind alle derartigen
Variationen beabsichtigt, innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden
Erfindung zu fallen, die nur durch die angehängten Ansprüche beschränkt ist.