EP3371564A1 - Sensoranordnung und verfahren zur herstellung einer sensoranordnung - Google Patents

Sensoranordnung und verfahren zur herstellung einer sensoranordnung

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Publication number
EP3371564A1
EP3371564A1 EP16782249.3A EP16782249A EP3371564A1 EP 3371564 A1 EP3371564 A1 EP 3371564A1 EP 16782249 A EP16782249 A EP 16782249A EP 3371564 A1 EP3371564 A1 EP 3371564A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
contacting
contacting element
sensor arrangement
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16782249.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Ihle
Anke Weidenfelder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP3371564A1 publication Critical patent/EP3371564A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B11/00—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles
    • B28B11/24—Apparatus or processes for treating or working the shaped or preshaped articles for curing, setting or hardening
    • B28B11/243—Setting, e.g. drying, dehydrating or firing ceramic articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B3/00—Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
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    • H01C17/075—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors adapted for coating resistive material on a base by thin-film techniques
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    • H01C7/042—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient mainly consisting of inorganic non-metallic substances
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Definitions

  • a sensor arrangement is specified.
  • the sensor arrangement can be used in particular for measuring a temperature. Furthermore, a method for producing a sensor arrangement is described.
  • thermocouples Monitoring and control in a wide range of applications predominantly with ceramic thermistor thermistor elements (NTC), silicon temperature sensors (KTY), platinum temperature sensors (PRTD) or thermocouples (TC).
  • NTC ceramic thermistor thermistor elements
  • KTY silicon temperature sensors
  • PRTD platinum temperature sensors
  • TC thermocouples
  • the NTC thermistors are the most widespread due to the low production costs.
  • thermocouples and metallic resistive elements e.g. Pt elements, consists in the pronounced negative resistance temperature characteristic.
  • NTC ceramic metallic electrodes For electrical contacting of the NTC ceramic metallic electrodes must be applied. According to the state of the art, thick-film electrodes predominantly of silver or gold pastes are applied by way of a screen printing process with subsequent penetration.
  • the silver metallizations are particularly suitable for
  • Terminal contacts such as bonding and welding
  • Copper wires require another electrode, as a Connection to silver does not have sufficient reliability.
  • NTC temperature sensors used, which are soldered.
  • NTC chips are alternatively used, which are mounted on the underside by means of Ag sintering paste, soldering or gluing and whose
  • Top is contacted via a bonding wire.
  • NTC temperature sensors which can be applied to the board / DCB board without solder mounting and which have a high long-term stability and higher
  • An object to be solved is to provide a sensor arrangement which has improved properties.
  • the sensor arrangement has a Sensor element on.
  • the sensor element preferably has a ceramic sensor material.
  • the sensor element is
  • the sensor element has at least one electrode. Preferably, this has
  • the electrodes may also be arranged on one side, for example the top side.
  • the sensor arrangement further comprises at least one
  • the contacting element has an electrically conductive material.
  • the sensor arrangement can have exactly one contacting element.
  • Sensor arrangement may also have more than one contacting element, for example two contacting elements.
  • the contacting element is designed and arranged for wireless contacting of the sensor element.
  • the contacting element has an external structure, which makes it possible to contact the sensor element wirelessly. Furthermore, that is
  • Sensor element and contacting element is chosen so that a wireless contact is made possible. Furthermore, the contacting element is designed and arranged to increase a stability of the sensor element or of the sensor arrangement. Preferably, the contacting of the
  • the Sensor element in a process step with the mounting of the sensor assembly on a circuit board.
  • the Kunststofftechniks ⁇ element on Aufliegeflachen has at least one first support surface and at least one second support surface. At least one of the
  • the first resting surface rests on a part of the outer surface. This is what the
  • Pressure loads for example in the context of Ag sintering, can be compensated by the contacting element.
  • This provides a particularly stable sensor arrangement.
  • the other is the
  • the second bearing surface of the contacting element rests on or is fastened to the printed circuit board.
  • a wireless contacting of the sensor element is achieved.
  • the support surfaces each have a horizontally extending region.
  • the horizontally extending region of the support surfaces forms an upper side and / or a lower side of the
  • the top of the contacting element can be two defined horizontal
  • the underside of the contacting element may have two defined horizontal areas, which serve as resting surfaces.
  • the top have at least one defined horizontal area and the bottom can at least one defined
  • the bearing surfaces are preferably connected to one another by a vertically extending region of the contacting element.
  • the contacting element is step-shaped.
  • the contacting element may have a metal strap.
  • the metal bracket is preferably formed in a stepped shape, so that with the aid of the metal bracket, a connection of sensor element and circuit board can take place.
  • the contacting element may be wave-shaped. In other words, that
  • the metal bracket is preferably formed in a wave shape, so that with the help of the metal bracket, a compound of
  • the contacting element is designed such that it can rest on both a surface or outer surface of the sensor element as well as on a further surface, for example the surface of a circuit board.
  • the selected design allows the processing of the
  • the pressure sintering of the component is thereby made possible without any damage such as micro-cracks or the like to induce or even cause a fracture of the component.
  • Temperature sensor should be mounted in one process step together with the other components. In case of
  • the component undergoes a pressure load of up to 30 MPa or higher at temperatures of up to 300 ° C.
  • the sensor element has an upper side.
  • the contacting element is at least partially connected to the top.
  • Contacting element is sintered, for example, on the top.
  • the contacting element is sintered without pressure with an Ag paste on the top.
  • the contacting element but also by means of a soldering process or by gluing on the
  • the sensor arrangement has a further contacting element.
  • Contacting element is designed to another Make connection between the sensor element and the circuit board.
  • Another advantage is the ability to press the sensor element over the two surfaces of the contacting during Ag sintering, soldering or gluing so without having to be pressed on the NTC chip itself.
  • the sensor element has a bottom side.
  • the further contacting element is at least partially on the
  • the underside of the sensor element - after its mounting on a printed circuit board - which faces the circuit board
  • the contacting element is
  • the contacting element is pressure-less sintered with an Ag paste on the underside.
  • the contacting element is pressure-less sintered with an Ag paste on the underside.
  • a method of making a sensor assembly is described.
  • the method preferably produces the sensor arrangement described above. All the properties disclosed with respect to the sensor element, the contacting element, the sensor arrangement or the method are also correspondingly with reference to FIGS other respective aspects and vice versa, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the respective aspect.
  • the method comprises the following steps.
  • the ceramic base body has a perovskite structure.
  • the ceramic can be based on the system Y-Ca-Cr-Al-0 with various dopants.
  • the ceramic may have a spinel structure.
  • the ceramic on the Ni-Co-Mn-0 system may be based on various dopants.
  • the contacting element is sintered on a portion of the outer surface.
  • low-cost electrode system which allows a wireless contact of the NTC temperature sensor.
  • the contacting of the temperature sensor can be carried out during assembly together with other components in one process step.
  • Temperature measurement indicated comprising at least one
  • Electrode wherein the sensor element has an upper side, and wherein a contacting element at the top
  • the contacting element is formed in the form of a bracket.
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement
  • FIG. 2 shows the sensor arrangement according to FIG. 1 in one
  • FIG. 3 shows the sensor arrangement according to FIG. 2 according to a further exemplary embodiment
  • Figure 4 shows a mounted on a DCB board
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement 10.
  • FIG. 2 shows the sensor arrangement 10 in a side view.
  • the sensor arrangement 10 has a sensor element 1.
  • the sensor element 1 (sensor 1) from a chip NTC thermistor.
  • the chip NTC thermistor is based on perovskites in the system Y-Ca-Cr-Al-0 with various dopings or based on spinels in the system Ni-Co-Mn-0 with various dopants produced.
  • the sensor element 1 in particular has a ceramic base body 7.
  • the ceramic base body 7 is manufactured on the basis of the above-mentioned structures.
  • the sensor element 1 may have a further ceramic reinforcement or a carrier (not explicitly shown).
  • the chip NTC thermistor 1 can either be produced directly by pressing granules or be built up from ceramic films.
  • On the top and bottom 5, 6 of the sensor 1 are by screen printing or thin-film technology, such as
  • the base electrode consists of a layer (eg a nickel layer, which may contain vanadium, or a copper layer) or, in a second embodiment, two layers (eg Cr / Ni, Ti / Ni or Ni / Cu) may also have levels of vanadium.
  • the base electrode can be protected by a cover layer consisting of an oxidation-inhibiting metal. In the case of a connection by means of Ag sintering with finely dispersed silver pastes, a silver cover electrode is advantageous.
  • the thickness of the base electrode is less than 10 ⁇ , advantageously less than 3 ⁇ , ideally less than 0.5 ⁇ .
  • the thickness of the cover electrode can be up to 1 ⁇ , in exceptional cases up to 20 ⁇ .
  • the production of thick film electrodes can be carried out by a screen printing process followed by firing.
  • the pastes used can be Ag, Au or any Contain admixtures.
  • the electrodes 2, 3 are - as mentioned above - on the top and bottom 5, 6 of the chip NTC thermistor
  • the sensor arrangement 10 has a contacting element 4. Furthermore, the sensor arrangement 10 can also be further
  • the contacting element 4 is arranged.
  • the contacting element 4 is at least partially on the electrode 2, which is arranged on the upper side 5.
  • the contacting element 4 is according to this
  • the contacting element 4 is configured in steps.
  • other shapes for the contacting element 4 are conceivable, for example a curved shape of the contacting element 4.
  • the contacting element 4 has a first support surface 4a and a second support surface 4b
  • the support surfaces 4a, 4b are on the same side, for example a lower side, of the
  • Contacting element 4 is formed.
  • the tractor treads 4a, 4b also be formed on different sides, so the top and bottom of the Kunststofftechniks ⁇ elements 4 can.
  • the support surfaces 4a, 4b are in this embodiment as horizontal sections of the bottom of the
  • Contacting element 4 is formed.
  • the berth surfaces 4a, 4b are interconnected by a vertical web 4c
  • the underside of the contacting element 4 opposite upper side is formed accordingly. That is, the upper side of the contacting element also has two horizontal regions and a vertical web arranged therebetween.
  • the first bed surface 4a is located at the top
  • the first covers
  • Electrode 2 at least partially.
  • the contacting element 4 is sintered without pressure on the upper side 5 of the chip NTC thermistor with an Ag paste.
  • the second support surface 4b rests, for example, on a printed circuit board or board or a DCB board 11 (see FIG. 4).
  • the second bed surface 4b can open
  • the board can be done by Ag sintering, soldering or gluing, the chip NTC thermistor 1 on a
  • the chip NTC thermistor with Contacting element 4 consists in this
  • Embodiment thus essentially of a chip NTC thermistor, which is contacted by a metal bracket on the top side 5.
  • the contacting element 4 is used in addition to the contact with the board as protection for the chip NTC thermistor 1 during Ag pressure sintering.
  • the resistance of the individual components can be adjusted with an additional trimming process. It will be appreciated that
  • Ceramic material or electrode material by e.g.
  • the assembly of the metal bracket takes place after the adaptation of the resistor.
  • the sensor 1 can - as described above - be sintered under pressure on the patina / the DCB Board. It is also possible to contact the sensor 1 on the conductor tracks by gluing or soldering. As a result of the direct contacting in one process step, a further contacting, e.g. by bonding no more
  • the chip NTC thermistor 1 with metal bracket can therefore be mounted wirelessly.
  • the selected design allows the processing of a
  • Powder These include sample weight, wet pre-grinding, drying, screening, calcination, wet post-grinding, drying, screening.
  • the resistance of the thermistor can on the one hand over the
  • Sinter parameters / ceramic composition and the other on the chip geometry can be adjusted. Before separating the substrates, the total resistance is determined at nominal temperature. Based on the Vormesswill the geometry of each chip NTC thermistor is defined. Through a separation process, the final geometry is produced. In the case of very closely tolerated resistors, a trimming process can be carried out to set the resistance at nominal temperature by partial laser ablation.
  • FIG. 3 shows a side view of a sensor arrangement 10 according to a further exemplary embodiment.
  • the sensor arrangement 10 from FIG. 3 has two
  • Lying surface 4a at least partially rests on the top 5 of the sensor 1.
  • the second support surface 4b this
  • Contacting element 4 is designed to be arranged, for example, on a printed circuit board or DCB board 11 in order to contact the sensor 1 (see FIG. 4).
  • Electrode pad 12 b of the DCB board 11 are arranged, as shown in Figure 4 can be seen.
  • Figures 1 and 2 described contacting element thicker be formed (not explicitly shown). This allows a greater distance, in particular a greater height, to be bridged between the sensor 1 and the printed circuit board.
  • the senor 1 can thus be configured higher here or - as in this case - to another
  • Contacting element 4 ⁇ are arranged.
  • the vertical web 4c which connects the support surfaces 4a, 4b, longer
  • the further contacting element 4 ⁇ is arranged so that its first support surface 4a ⁇ rests on an underside 6 of the sensor 1 at least partially.
  • Embodiment is one of the first support surface 4a ⁇ opposite third support surface 8, for example, on the circuit board or the DCB board 11.
  • Bearing surface 8 is here at the top of the

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Abstract

Es wird eine Sensoranordnung (10) zur Temperaturmessung beschrieben, aufweisend ein Sensorelement (1) mit wenigstens einer Elektrode (2, 3) und wenigstens ein Kontaktierungselement (4), wobei das Kontaktierungselement (4) zur drahtlosen Kontaktierung des Sensorelements (1) ausgebildet und angeordnet ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (10) beschrieben.

Description

Beschreibung
Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer
Sensoranordnung
Es wird eine Sensoranordnung angegeben. Die Sensoranordnung kann insbesondere zur Messung einer Temperatur dienen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung beschrieben .
Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die
Überwachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vorwiegend mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen (NTC) , Silizium-Temperatursensoren (KTY) , Platin- Temperatursensoren (PRTD) oder Thermoelementen (TC) gemessen. Dabei sind auf Grund der geringen Herstellungskosten die NTC- Thermistoren am weitesten verbreitet. Ein weiterer Vorteil gegenüber Thermoelementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt-Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands-Temperatur-Charakteristik.
Für eine elektrische Kontaktierung der NTC-Keramik müssen metallische Elektroden aufgebracht werden. Nach dem Stand der Technik werden dazu Dickschichtelektroden vorwiegend aus Silber- oder Gold-Pasten über einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrand aufgebracht.
Die Silber-Metallisierungen eignen sich besonders für
Lötverbindungen. Aufgrund der steigenden technologischen Anforderungen hinsichtlich neuer zuverlässiger
Anschlußkontaktierungen wie Bonden und Schweißen, ist
speziell beim Bonden mit Gold- oder Aluminium- bzw.
Kupferdrähten eine andere Elektrode notwendig, da eine Anbindung an Silber keine ausreichende Zuverlässigkeit aufweist .
Im Falle von Gold-Metallisierungen können Lötverbindungen zu Anschlussdrähten nicht realisiert werden. Bondverbindungen werden aus Kostengründen nur mit Gold-Dünndraht realisiert. Aluminium-Bonddrahtverbindungen auf Gold-Elektroden erreichen nicht die Zuverlässigkeitsanforderungen. Für den Einsatz in Leistungsmodulen werden vorwiegend SMD
NTC-Temperatursensoren verwendet, die aufgelötet werden. Bei Steuermodulen für geringe Leistungen werden alternativ dazu auch NTC-Chips eingesetzt, die an der Unterseite mittels Ag- Sinterpaste, Löten oder Kleben montiert sind und deren
Oberseite über einen Bonddraht kontaktiert wird.
Aufgrund der steigenden Anforderungen bezüglich
Einsatztemperatur und Zuverlässigkeit besteht die Forderung nach NTC-Temperatursensoren, die ohne Lötmontage auf die Platine / das DCB-Board aufgebracht werden können und die eine hohe Langzeitstabilität aufweisen sowie für höhere
Einsatztemperaturen geeignet sind. Gleichzeitig müssen solche neuartigen Sensoren durch eine kostengünstige Fertigung herstellbar sein.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Sensoranordnung anzugeben, welche verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung und ein
Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird eine Sensoranordnung zur
Temperaturmessung angegeben. Die Sensoranordnung weist ein Sensorelement auf. Das Sensorelement weist vorzugsweise ein keramisches Sensormaterial auf. Das Sensorelement ist
bevorzugt ein Chip-NTC-Thermistor . Das Sensorelement weist wenigstens eine Elektrode auf. Vorzugsweise weist das
Sensorelement zwei Elektroden auf. Vorzugsweise sind die
Elektroden auf unterschiedlichen Seiten, zum Beispiel einer Oberseite und einer Unterseite, des Sensorelements
angeordnet. Alternativ dazu können die Elektroden auch auf einer Seite, beispielsweise der Oberseite, angeordnet sein.
Die Sensoranordnung weist ferner wenigstens ein
Kontaktierungselement auf. Das Kontaktierungselement weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Die Sensoranordnung kann genau ein Kontaktierungselement aufweisen. Die
Sensoranordnung kann auch mehr als ein Kontaktierungselement, beispielsweise zwei Kontaktierungselemente, aufweisen. Das Kontaktierungselement ist zur drahtlosen Kontaktierung des Sensorelements ausgebildet und angeordnet. Mit anderen
Worten, das Kontaktierungselement weist eine äußere Struktur / Beschaffenheit auf, die es ermöglicht das Sensorelement drahtlos zu kontaktieren. Ferner ist das
Kontaktierungselement in einer bestimmten Position und / oder Ausrichtung angeordnet, die es ermöglicht das Sensorelement drahtlos zu kontaktieren. Die relative Position von
Sensorelement und Kontaktierungselement ist so gewählt, dass eine drahtlose Kontaktierung ermöglich wird. Ferner ist das Kontaktierungselement dazu ausgebildet und angeordnet eine Stabilität des Sensorelements bzw. der Sensoranordnung zu erhöhen. Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung des
Sensorelements in einem Prozessschritt mit der Montage der Sensoranordnung auf einer Leiterplatte. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Kontaktierungs¬ element Aufliegeflachen auf. Das Kontaktierungselement weist wenigstens eine erste Aufliegeflache und wenigstens eine zweite Aufliegeflache auf. Wenigstes eine der
Aufliegeflachen, also eine erste Aufliegeflache, ist
zumindest teilweise auf einer Außenfläche des Sensorelements angeordnet. Vorzugsweise liegt die erste Aufliegefläche auf einem Teil der Außenfläche auf. Damit dient das
Kontaktierungselement zum Schutz des Sensorelements.
Druckbelastungen, beispielsweise im Rahmen von Ag-Sintern, können durch das Kontaktierungselement kompensiert werden. Damit wird eine besonders stabile Sensoranordnung bereit gestellt . Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die weitere der
Aufliegeflächen, also eine zweite Aufliegefläche, dazu ausgebildet und angeordnet, das Sensorelement mit einer
Leiterplatte zu verbinden. Beispielsweise liegt die zweite Aufliegefläche des Kontaktierungselement auf der Leiterplatte auf bzw. ist an dieser befestigt. Somit ist auf einfache Art und Weise eine drahtlose Kontaktierung des Sensorelements erreicht .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Aufliegeflächen jeweils einen horizontal verlaufenden Bereich auf. Der horizontal verlaufende Bereich der Aufliegeflächen bildet eine Oberseite und/oder eine Unterseite des
Kontaktierungselements . Mit anderen Worten, die Oberseite des Kontaktierungselement kann zwei definierte horizontale
Bereiche aufweisen, welche als Aufliegeflächen dienen.
Alternativ dazu kann die Unterseite des Kontaktierungselement zwei definierte horizontale Bereiche aufweisen, welche als Aufliegeflächen dienen. Alternativ dazu kann die Oberseite wenigstens einen definierten horizontalen Bereich aufweisen und die Unterseite kann wenigsten einen definierten
horizontalen Bereich aufweisen, wobei die horizontalen
Bereiche als Aufliegeflächen dienen. Die Aufliegeflächen sind vorzugsweise durch einen vertikal verlaufenden Bereich des Kontaktierungselements miteinander verbunden.
Beispielsweise ist das Kontaktierungselement stufenförmig ausgebildet. Insbesondere kann das Kontaktierungselement einen Metallbügel aufweisen. Der Metallbügel ist vorzugsweise in Stufenform ausgebildet, so dass mit Hilfe des Metallbügels eine Verbindung von Sensorelement und Leiterplatte erfolgen kann . Alternativ dazu kann das Kontaktierungselement wellenförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten, das
Kontaktierungselement kann eine geschwungene Form aufweisen. Der Metallbügel ist vorzugsweise in Wellenform ausgebildet, so dass mit Hilfe des Metallbügels eine Verbindung von
Sensorelement und Leiterplatte erfolgen kann.
Insbesondere ist das Kontaktierungselement so ausgebildet, dass es sowohl auf einer Oberfläche oder Außenfläche des Sensorelements als auch auf einer weiteren Oberfläche, beispielsweise der Oberfläche einer Platine, aufliegen kann. Dabei kann das Kontaktierungselement die Oberseite des
Sensorelements vollständig oder auch nur teilweise bedecken.
Die gewählte Bauform ermöglicht die Prozessierung des
Sensorelements mit geringen elektrischen und thermischen Toleranzen. Gleichzeitig wird durch das Design mit dem bügeiförmigen Kontaktierungselement die mechanische
Stabilität des Chip-NTC-Thermistors erhöht, indem der Chip- NTC-Thermistor selbst beim Prozess des Drucksinterns
geschützt ist. Das Drucksintern des Bauteils wird dadurch ermöglicht ohne etwaige Beschädigungen wie Mikrorisse oder ähnliches zu induzieren oder gar einen Bruch des Bauteils zu bewirken.
Auf diese Weise wird ein NTC-Temperatursensor mit
kostengünstigem Elektrodensystem bereitgestellt, welcher darüber hinaus eine drahtlose Kontaktierung des NTC- Temperatursensors ermöglicht. Die Kontaktierung des
Temperatursensors soll in einem Prozessschritt zusammen mit den weiteren Bauteilen montiert werden. Im Falle von
Leistungsmodulen ist dies eine Kontaktierung mittels Ag- Drucksintern . Das Bauteil erfährt hier eine Druckbelastung von bis zu 30MPa oder höher bei Temperaturen von bis zu 300 °C.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement eine Oberseite auf. Vorzugsweise bildet die Oberseite des
Sensorelements - nach dessen Montage auf eine Leiterplatte - die zur Leiterplatte abgewandte Oberfläche des
Sensorelements. Das Kontaktierungselement ist zumindest teilweise mit der Oberseite verbunden. Das
Kontaktierungselement ist beispielsweise auf die Oberseite aufgesintert . Vorzugsweise ist das Kontaktierungselement drucklos mit einer Ag-Paste auf die Oberseite aufgesintert . Alternativ dazu kann das Kontaktierungselement aber auch mittels eines Lötverfahrens oder durch Kleben an der
Oberseite befestigt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Sensoranordnung ein weiteres Kontaktierungselement auf. Das weitere
Kontaktierungselement ist dazu ausgebildet eine weitere Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Leiterplatte herzustellen .
Die Vorteile einer Sensoranordnung mit zwei Kontaktierungs- elementen sind ein leicht zu realisierender Niveauausgleich auf der Leiterplatte als auch eine verbesserte Anpassung während der Montage über die (Ober- ) Flächen der
Kontaktierungselemente . Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit das Sensorelement über die beiden Flächen der Kontaktierungselemente während des Ag-Sinterns, Lötens oder Klebens so anzudrücken ohne dass dabei auf den NTC-Chip selbst gedrückt werden muss.
Das Sensorelement weist eine Unterseite auf. Das weitere Kontaktierungselement ist zumindest teilweise an der
Unterseite des Sensorelements angeordnet. Vorzugsweise bildet die Unterseite des Sensorelements - nach dessen Montage auf eine Leiterplatte - die zur Leiterplatte zugewandte
Oberfläche des Sensorelements. Das weitere
Kontaktierungselement ist zumindest teilweise mit der
Unterseite verbunden. Das Kontaktierungselement ist
beispielsweise auf die Unterseite aufgesintert . Vorzugsweise ist das Kontaktierungselement drucklos mit einer Ag-Paste auf die Unterseite aufgesintert . Alternativ dazu kann das
Kontaktierungselement aber auch mittels eines Lötverfahrens oder durch Kleben an der Unterseite befestigt werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren die oben beschriebene Sensoranordnung hergestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorelement, das Kontaktierungselement, die Sensoranordnung oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf die jeweiligen anderen Aspekte offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf.
- Herstellung von NTC-Folien zur Ausbildung eines keramischen Grundkörpers .
- Sintern der gestapelten, gepressten und entkohlten
Grünfolien. Vorzugsweise weist der keramische Grundkörper eine Perowskitstruktur auf. Insbesondere kann die Keramik auf dem System Y-Ca-Cr-Al-0 mit diversen Dotierungen beruhen.
Alternativ kann die Keramik eine Spinellstruktur aufweisen.
Beispielsweise kann die Keramik auf dem System Ni-Co-Mn-0 mit diversen Dotierungen beruhen.
- Beidseitiges Aufbringen von Ni/Ag-Dünnschichtelektroden oder Dickschichtelektroden auf Basis von Ag oder Au auf den
Grundkörper .
- Aufbringen wenigstens eines Kontaktierungselements an einer Außenfläche. Vorzugsweise wird das Kontaktierungselement auf einen Teilbereich der Außenfläche aufgesintert .
- Kontaktierung der Sensoranordnung zu einer Leiterplatte, vorzugsweise mittels Ag-Sintern.
Auf diese Weise wird ein NTC-Temperatursensor mit
kostengünstigen Elektrodensystem bereitgestellt, welcher eine drahtlose Kontaktierung des NTC-Temperatursensors ermöglicht. Die Kontaktierung des Temperatursensors kann bei der Montage zusammen mit weiteren Bauteilen in einem Prozessschritt erfolgen .
Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorelement zur
Temperaturmessung angegeben, aufweisend wenigstens eine
Elektrode, wobei das Sensorelement eine Oberseite aufweist, und wobei ein Kontaktierungselement an der Oberseite
angeordnet ist, wobei das Kontaktierungselement in Form eines Bügels ausgebildet ist.
Die Sensoranordnung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt eine Sensoranordnung,
Figur 2 zeigt die Sensoranordnung nach Figur 1 in einer
Seitenansicht,
Figur 3 zeigt die Sensoranordnung nach Figur 2 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Figur 4 zeigt eine auf ein DCB-Board montierte
Sensoranordnung .
Die Figur 1 zeigt eine Sensoranordnung 10. Figur 2 zeigt die Sensoranordnung 10 in Seitenansicht. Die Sensoranordnung 10 weist ein Sensorelement 1 auf. Vorzugsweise besteht
der Sensorelement 1 (Sensor 1) aus einem Chip-NTC-Thermistor . Der Chip-NTC-Thermistor wird auf Basis von Perowskiten im System Y-Ca-Cr-Al-0 mit diversen Dotierungen oder auf Basis von Spinellen im System Ni-Co-Mn-0 mit diversen Dotierungen hergestellt. Das Sensorelement 1 weist insbesondere einen keramischen Grundkörper 7 auf. Der keramische Grundkörper 7 ist auf Basis der oben genannten Strukturen hergestellt.
Zusätzlich kann das Sensorelement 1 eine weitere keramische Verstärkung oder einen Träger aufweisen (nicht explizit dargestellt) . Der Chip-NTC-Thermistor 1 kann entweder direkt durch Pressen von Granulat hergestellt werden oder aus keramischen Folien aufgebaut werden. Auf die Ober- und Unterseite 5, 6 des Sensors 1 werden mittels Siebdruck oder Dünnschichttechnologie, wie zum
Beispiel Sputtern, Elektroden 2, 3 aufgebracht.
Bei der Aufbringung der Elektroden kann zwischen Dünn- und Dickschichttechnologie unterschieden werden. Die Herstellung von Dünnschichtelektroden kann durch Sputtern oder Aufdampfen erfolgen. Dabei besteht die Basiselektrode in einer ersten Ausführung aus einer Schicht (z.B. eine Nickelschicht, die Anteile von Vanadium aufweisen kann, oder eine Kupferschicht) oder in einer zweiten Ausführungsform aus zwei Schichten (z.B. Cr/Ni, Ti/Ni oder Ni/Cu) die ebenfalls Anteile von Vanadium aufweisen können. Die Basiselektrode kann durch eine Deckschicht bestehend aus einem oxidationshemmenden Metall geschützt werden. Im Falle einer Anbindung mittels Ag-Sintern mit feindispersen Silberpasten ist eine Silber-Deckelektrode vorteilhaft. Die Dicke der Basiselektrode beträgt weniger als 10 μιη, vorteilhafterweise weniger als 3 μιτι, idealerweise weniger als 0,5 μιη. Die Dicke der Deckelelektrode kann bis zu 1 μιτι, in Ausnahmefällen bis zu 20 μιη betragen.
Die Herstellung von Dickschichtelektroden kann durch einen Siebdruckprozess mit anschließendem Einbrand erfolgen. Die eingesetzten Pasten können Ag bzw. Au oder etwaige Beimischungen enthalten.
Die Elektroden 2, 3, werden - wie oben erwähnt - auf die Ober- und Unterseite 5, 6 des Chip-NTC Thermistors
aufgebracht.
Die Sensoranordnung 10 weist ein Kontaktierungselement 4 auf. Ferner kann die Sensoranordnung 10 auch weitere
Kontaktierungselemente 4 λ aufweisen, wie in Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben ist.
Insbesondere ist auf der Oberseite 5 des Sensors 1 das
Kontaktierungselement 4 angeordnet. Das Kontaktierungselement 4 liegt zumindest teilweise auf der Elektrode 2 auf, die auf der Oberseite 5 angeordnet ist.
Das Kontaktierungselement 4 ist gemäß diesem
Ausführungsbeispiel in Form eines Metallbügels realisiert. Insbesondere ist das Kontaktierungselement 4 stufenförmig ausgestaltet. Es sind aber auch andere Formgebungen für das Kontaktierungselement 4 vorstellbar, beispielsweise eine geschwungene Form des Kontaktierungselements 4.
In jedem Fall muss das Kontaktierungselement 4 eine erste Aufliegefläche 4a und eine zweite Aufliegefläche 4b
aufweisen. Die Aufliegeflächen 4a, 4b sind auf der gleichen Seite, beispielsweise einer Unterseite, des
Kontaktierungselements 4 ausgebildet. Alternativ dazu können die Aufliegeflächen 4a, 4b auch an unterschiedlichen Seiten, also der Oberseite und der Unterseite des Kontaktierungs¬ elements 4 ausgebildet sein.
Die Aufliegeflächen 4a, 4b sind in diesem Ausführungsbeispiel als waagerechte Abschnitte der Unterseite des
Kontaktierungselements 4 ausgebildet. Die Aufliegeflachen 4a, 4b werden durch einen vertikalen Steg 4c miteinander
verbunden. Die der Unterseite des Kontaktierungselements 4 gegenüberliegende Oberseite ist entsprechend ausgebildet. Das heißt, auch die Oberseite des Kontaktierungselements weist zwei horizontale Bereiche und einen dazwischen angeordneten vertikalen Steg auf. Die erste Aufliegeflache 4a liegt an der Oberseite
5 des Sensorelements 1. Insbesondere bedeckt die erste
Aufliegeflache 4a die an der Oberseite 5 angeordnete
Elektrode 2 zumindest teilweise. Das Kontaktierungselement 4 ist auf die Oberseite 5 des Chip-NTC-Thermistors drucklos mit einer Ag-Paste aufgesintert . Es besteht alternativ auch die Möglichkeit das Kontaktierungselement 4, beispielsweise den Metallbügel, mittels eines Lötverfahrens oder durch Kleben zu montieren . Die zweite Aufliegeflache 4b liegt beispielsweise auf einer Leiterplatte oder Platine bzw. einem DCB-Board 11 auf (siehe Figur 4) . Die zweite Aufliegeflache 4b kann auf
einem Elektrodenpad 12a, 12b des DCB-Boards aufliegen (Figur 4) .
Die Kontaktierung des Sensors 1 zum DCB-Board 11
oder der Platine kann mittels Ag-Sintern, Löten oder Kleben erfolgen, wobei der Chip-NTC-Thermistor 1 auf ein
Elektrodenpad und das Kontaktierungselement 4 auf
ein weiteres Elektrodenpad platziert werden. Die
Kontaktierung des Sensors 1 über das Kontaktierungselement 4 wird folglich in einem Prozessschritt zusammen mit den weiteren Bauteilen montiert. Der Chip-NTC-Thermistor mit Kontaktierungselement 4 besteht in diesem
Ausführungsbeispiel folglich im Wesentlichen aus einem Chip- NTC-Thermistor, der durch einen Metallbügel auf der Oberseite 5 kontaktiert ist. Das Kontaktierungselement 4 dient neben der Kontaktierung zum Board als Schutz für den Chip-NTC- Thermistor 1 beim Ag-Drucksintern .
Für besonders eng tolerierte Widerstände bei Nenntemperatur kann mit einem zusätzlichen Trimmprozess der Widerstand der einzelnen Bauelemente eingestellt werden. Dabei wird
Keramikmaterial oder Elektrodenmaterial durch z.B.
Laserschneiden, Schleifen, Einsägen partiell so entfernt, dass durch die Geometrieveränderung der Widerstand angepasst wird .
Die Montage des Metallbügels erfolgt nach der Anpassung des Widerstands. Der Sensor 1 kann - wie oben beschrieben - unter Druck auf die Patine / das DCB Board gesintert werden. Es ist auch weiterhin eine Kontaktierung des Sensors 1 auf die Leiterbahnen durch Kleben oder Löten möglich. Durch die direkte Kontaktierung in einem Prozessschritt ist eine weitere Kontaktierung z.B. durch Bonden nicht mehr
erforderlich. Der Chip-NTC-Thermistor 1 mit Metallbügel kann demnach drahtlos montiert werden.
Die gewählte Bauform ermöglicht die Prozessierung eines
Bauelements mit geringen Toleranzen des elektrischen
Widerstands. Gleichzeitig wird durch das Design mit dem
Metallbügel die mechanische Stabilität des Thermistors
erhöht, indem der Chip-NTC-Thermistor selbst beim Prozess des Drucksinterns geschützt ist. Das Drucksintern des Bauteils wird dadurch ermöglicht ohne etwaige Beschädigungen wie Mikrorisse oder ähnliches zu induzieren oder gar einen Bruch des Bauteils zu bewirken.
Im Folgenden wir die Herstellung der Sensoranordnung 10 beispielhaft beschrieben.
In einem ersten Schritt erfolgt die Herstellung von NTC
Pulver. Darunter sind Einwaage, Naß-Vormahlung, Trocknung, Siebung, Kalzination, Naß-Nachmahlung, Trocknung, Siebung erfasst.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Herstellung von NTC Folien. Danach erfolgt das Verstapeln und Pressen der
Grünfolien. Im Anschluss erfolgt das Entkohlen der
gestapelten und gepressten Grünfolien.
Anschließend erfolgt das Sintern der entkohlten Substrate. In einem weiteren Schritt werden Ni/Ag-Dünnschichtelektroden beidseitig aufgebracht, wie weiter oben bereits ausgeführt wurde.
Danach erfolgt das elektrisches Messen der Widerstände der einzelnen Substrate bei Nenntemperatur. Im Anschluss werden die Substrate in Chip-NTC-Thermistoren auf Basis der
Vormessdaten vereinzelt.
Der Widerstand des Thermistors kann zum einen über die
Sinterparameter/Keramikzusammensetzung und zum anderen über die Chip-Geometrie eingestellt werden. Vor dem Vereinzeln der Substrate wird der Gesamtwiderstand dieser bei Nenntemperatur ermittelt. Anhand der Vormessdaten wird die Geometrie des jeweiligen Chips-NTC-Thermistors definiert. Durch einen Trennprozess wird die endgültige Geometrie hergestellt. Im Falle von sehr eng tolerierten Widerständen kann ein Trimmprozess zur Einstellung des Widerstandes bei Nenntemperatur durch partiellen Laserabtrag erfolgen.
Es folgt eine visuelle Inspektion und stichprobenartige
Kontrollmessung. Danach wird der Metallbügels, wie oben beschrieben, aufgebracht. Insbesondere erfolgt die Montage des Metallbügels nach Anpassung des Widerstands. Zuletzt erfolgt nochmals eine visuelle Inspektion und
stichprobenartige Kontrollmessung .
Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht einer Sensoranordnung 10 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Im Unterschied zu der Sensoranordnung 10 gemäß der Figuren 1 und 2, weist die Sensoranordnung 10 aus Figur 3 zwei
Kontaktierungselemente 4, 4λ auf. Dabei ist ein
Kontaktierungselement 4 so angeordnet, dass seine erste
Aufliegefläche 4a zumindest teilweise auf der Oberseite 5 des Sensors 1 aufliegt. Die zweite Aufliegefläche 4b dieses
Kontaktierungselements 4 ist dazu ausgebildet, beispielsweise an einer Leiterplatte bzw. DCB-Board 11 angeordnet zu werden, um den Sensor 1 zu kontaktieren (siehe Figur 4) .
Insbesondere kann die zweite Aufliegefläche 4b auf einem
Elektrodenpad 12b des DCB-Boards 11 angeordnet werden, wie aus Figur 4 ersichtlich ist.
Der durch die zweite Aufliegefläche 4b und der
gegenüberliegenden horizontalen Fläche gebildete
Seitenschenkel des Kontaktierungselements 4 kann zu diesem Zweck und im Unterschied zu dem in Zusammenhang mit den
Figuren 1 und 2 beschriebenem Kontaktierungselement dicker ausgebildet sein (nicht explizit dargestellt) . Damit kann ein größerer Abstand, insbesondere eine größere Höhe, zwischen dem Sensor 1 und der Leiterplatte überbrückt werden.
Beispielsweise kann der Sensor 1 hier also höher ausgestaltet werden oder - wie in diesem Fall - auf ein weiteres
Kontaktierungselement 4λ angeordnet werden. Alternativ zu der dickeren Ausführung des Schenkels kann der vertikale Steg 4c, welcher die Aufliegeflächen 4a, 4b verbindet, länger
ausgeführt sein, wie in Figur 3 dargestellt ist.
Das weitere Kontaktierungselement 4 λ ist so angeordnet, dass seine erste Aufliegefläche 4a λ auf einer Unterseite 6 des Sensors 1 zumindest teilweise aufliegt. In diesem
Ausführungsbeispiel liegt eine der ersten Aufliegefläche 4a λ gegenüber liegende dritte Aufliegefläche 8 beispielsweise auf der Leiterplatte oder dem DCB-Board 11 auf. Die dritte
Aufliegefläche 8 ist hierbei an der Oberseite des
Kontaktierungselements 4λ angeordnet. Alternativ dazu kann auch ein Teilbereich der ersten Aufliegefläche 4a λ auf dem DCB-Board 11 bzw. einem Elektrodenpad 12a aufliegen (siehe Figur 4) . In diesem Fall bildet der Teilbereich der ersten Aufliegefläche 4a λ eine weitere bzw. zweite Aufliegefläche 4b die der Auflage auf dem DCB-Board 11 dient. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden . Bezugs zeichenliste
1 Sensorelement
2 Elektrode
3 Elektrode
4, 4 Kontaktierungselernent
4a, 4a λ Erste Aufliegefläche
4b, 4b λ Zweite Aufliegefläche
4c Steg
5 Oberseite
6 Unterseite
7 Grundkörper
8 Dritte Aufliegefläche
10 Sensoranordnung
11 DCB-Board
12a, 12b Elektrodenpad des DCB

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (10) zur Temperaturmessung,
aufweisend
- ein Sensorelement (1) mit wenigstens einer Elektrode (2, 3) ,
- wenigstens ein Kontaktierungselement (4),
wobei das Kontaktierungselement (4) zur drahtlosen
Kontaktierung des Sensorelements (1) ausgebildet und
angeordnet ist.
2. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1,
wobei das Kontaktierungselement (4) eine erste Aufliegefläche (4a) und eine zweite Aufliegefläche (4b) aufweist, wobei wenigstes eine der Aufliegeflächen (4a, 4b) zumindest teilweise auf einer Außenfläche des Sensorelements (1) angeordnet ist.
3. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 2,
wobei die weitere der Aufliegeflächen (4a, 4b) dazu
ausgebildet und angeordnet ist, das Sensorelement (1) mit einer Leiterplatte zu verbinden.
4. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Aufliegeflächen (4a, 4b) einen horizontal
verlaufenden Bereich einer Oberseite und/oder einer
Unterseite des Kontaktierungselements (4) bilden, und wobei die Aufliegeflächen (4a, 4b) durch einen vertikal
verlaufenden Bereich (4c) des Kontaktierungselements (4) miteinander verbunden sind.
5. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kontaktierungselement (4) stufenförmig ausgebildet ist .
6. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kontaktierungselement (4) wellenförmig ausgebildet ist .
7. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kontaktierungselement (4) einen Metallbügel aufweist.
8. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement (1) eine Oberseite (5) aufweist, und wobei das Kontaktierungselement (4) zumindest teilweise mit der Oberseite (5) verbunden ist.
9. Sensoranordnung (10) nach Anspruch 8,
wobei das Kontaktierungselement (4) auf die Oberseite (5) aufgesintert ist.
10. Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Sensorelement (1) eine Unterseite (6) aufweist und wobei ein weiteres Kontaktierungselement (4λ) zumindest teilweise an der Unterseite (6) des Sensorelements (1) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung (10) aufweisend die folgenden Schritte:
- Herstellung von NTC Folien zur Ausbildung eines keramischen Grundkörpers (7);
- Sintern der gestapelten, gepressten und entkohlten
Grünfolien; - Beidseitiges Aufbringen von Ni/Ag-Dünnschichtelektroden (2,3) auf den Grundkörper (7) zu Ausbildung eines
Sensorelements (1);
- Aufbringen wenigstens eines Kontaktierungselements (4) an einer Außenfläche des Sensorelements (1).
12. Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend den weiteren Schritt :
- Kontaktierung des Sensorelements (1) zu einer Leiterplatte mittels Ag-Sintern.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei eine Kontaktierung des Sensorelements (1) über das Kontaktierungselement (4) und eine Verbindung des
Sensorelements (1) mit einer Leiterplatte in einem
Prozessschritt erfolgt.
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