JP5875702B2 - 積層体を備えた電子デバイスの製造方法および電子デバイス - Google Patents

Description

本発明は、積層体である電子デバイスの電気的な接触接続方法に関する。ここでこの電子デバイスは、電界の印加に反応する多数の材料層と、多数の電子層とから形成されている。ここで各材料層は、請求項１の上位概念によれば、２つの電極層の間に配置されている。本発明はさらに、請求項９の上位概念に記載された形式の、積層体として形成された電子デバイスに関する。

材料層と電極層の、交互に重なり合って積層された層から成るこのようなデバイスは、一般的に積層体と称される。この種の、今日公知の電子デバイスは、一般的にピエゾアクチュエータと称される積層体である。これは、自動車用の種々のエンジンタイプの噴射弁において操作部材として使用される。材料層はこのピエゾアクチュエータにおいて、セラミック層である。

通常、このような積層体は、平面図で見て、正方形または長方形の横断面を有している。この積層体は、対向する２つの包囲面で電気的に接触接続される。これを技術的に注意深く行うために、電極層は過去には、幾何学形状的に次のように形成されてきた。すなわち、それぞれ二番目の電極層のみが、側方で、２つの包囲面のうちの１つにまで延在し、また、それぞれ別の電極層はこの包囲面にまで延在しないように形成されてきた。これと相応のことが、積層体の別の包囲面に対しても言える。

さらに、いわゆるフルアクティブの積層体が公知である。ここでは、電極層と材料層とが同じ面積を有している。従って、全ての電極層がそれぞれ、対向する複数の包囲面まで延在する。デバイスの全ての電極層が、対向する２つの包囲面まで延在するので、接触接続はことなる様式で行われなければならない。

ＤＥ１０１５３７７０Ａ１号から、積層されたピエゾ圧電装置の接触接続方法が公知である。この方法では、両側に、交互に、各第２の電極層に絶縁性層が設けられている。これに続いて、各包囲面の露出した電極層が導電性層を介して相互に接続される。導電性層としては、導電性の粒子を含んだ樹脂が使用される。

ＤＥ１０２００６００３０７０Ｂ３号から、積層体として形成されたデバイスの電気的な接触接続方法が公知である。これは、材料層と電極層とから成る。接触接続のために、対向する２つの面上に、絶縁層が被着される。次に、各絶縁フィルムがレーザパターニングによって、各第２の電極層の位置で開放される。次に、電極層が各包囲面で、導電性材料と相互に接続される。

一般的に、所定の要求に基づいて、アクチュエータの高い温度耐性と、高い耐久性が必要とされる。このために重要なのは、積層体の極めて薄い電極層に、外側電極を良好に取り付けることである。電極層への、外側電極の電気的な接続が低抵抗でないまたは欠損箇所を有している場合には、局部的に過度に高い電流密度、ひいては高い温度が生じ得る。これは、最悪の場合には、継続的な非接触を生じさせ得る。このような問題は殊に、次の場合に生じる。すなわち、対向する包囲面上で電極層を電気的に接触接続している外側電極の材料が、導電性接着剤から形成されている場合である。導電性接着剤は、導電性粒子を含んでいる。この導電性粒子は、例えば銀、金または任意の別の材料または金属合金から成る。これは絶縁性の担体材料、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等内に埋設されている。

従って、本発明の課題は、積層体の長期にわたる信頼性を改善することができる、積層体である電子デバイスの電気的な接触接続方法並びに電子デバイスを提供することである。

上述の課題は、請求項１の特徴部分を有する方法によって、並びに、請求項９の特徴部分に記載されている、積層体として形成されている電子デバイスによって解決される。有利な構成は、各従属請求項に記載されている。

本発明は、積層体である電子デバイスの電気的な接触接続方法を実現する。ここでこの電子デバイスは、電界の印加に反応する多数の材料層と多数の電極層とから形成されている。ここで各材料層は、２つの電極層の間に配置されている。積層体の少なくとも１つの積層体包囲領域上には絶縁構造体が形成されており、これによって、少なくとも１つの積層体包囲領域の各第２の電極層は、電気的な接触接続のために露出されている。

有利にはここで、各第２の、露出された電極層に対して有利には交互に配置された電極層は少なくとも部分的に絶縁構造体によって覆われる。

絶縁構造体の形成および各第２の電極層の、絶縁構造体からの露出は例えば次のことによって行われる。すなわち、まずは絶縁層が積層体包囲領域上に被着され、ここから次に、各第２の電極層の露出のために、再び材料が除去されることによって行われる。択一的に、絶縁構造体を、直接構造化方法を介して、例えば吹き付けまたは計量分配によって被着させることもできる。従って各第２の電極層は露出されたままになる。

次に、少なくとも１つの、絶縁構造体が設けられた積層体包囲領域に、接触接続構造体が被着される。接触接続構造体を形成するステップの前に、材料除去方法を用いて、材料層が部分的に次のように除去される。すなわち、電極層が表面近傍で露出されるように除去される。

本発明の方法の利点は、電極層の表面近傍の露出によって、より大きい面積が、電極層の電気的な接触接続に提供される、ということである。これによって、電極層をより良好に、接触接続構造体に取り付けることが可能である。これによって、局部的に高い電流密度、ひいては高い温度の危険が低減される。この結果、これによって、製造された積層体の長期間信頼性が改善される。

本発明の方法の有利な発展形態では、材料層の材料除去は次のように行われる。すなわち、電極層の表面近傍部分が、積層体包囲領域に接している端面に対して付加的に、少なくとも部分的に、自身の主要面で露出されるように行われる。従って電気的な接触接続が僅か数マイクロメートルの幅である、電極層の端面でのみ行われるのではなく、付加的に接触接続領域が、各主要面で形成される。接触接続領域の大きさは、ここで、実質的に、選択された材料除去方法および材料除去の持続時間に依存する。

電極層で大きいコンタクト面が実現される程度の材料層の材料だけが除去されるべきである。同時に、薄い電極層の安定性が材料層の除去によって弱められてはならない。積層体包囲領域によって形成された表面から出発して、材料層の材料を数マイクロメータ、深く除去すれば十分である。殊に、材料層の材料除去は、１０μｍ〜２０μｍの深さを超えない。より深い場合には、電極層と電極を制限している材料層の材料が、再処理のさらなるステップにおいて損傷されてしまう、という危険が生じる。

別の有利な構成では、材料層の材料の部分的な表面近傍の除去は、絶縁構造体を形成すする前に行われる。さらに、例えば、各積層体包囲領域（その上に外側電極が被着される）を、絶縁構造体の形成前に平坦に表面加工することができ、これによって、電極層が、各積層体包囲領域の表面で、材料層と同一平面を成す。次に、材料層の材料の表面近傍の部分的な除去が行われ、これによって、電極層はほぼ同じ形状で、表面近傍で露出される。

択一的に、材料層の材料の、部分的な表面近傍の除去が、絶縁構造体を形成するステップの後に行われる。殊に、各第２の電極層の露出と材料層の材料の除去とを同じ処理方法によって行うことができる。この手法の利点は、デバイス積層体の製造の範囲において、付加的な工具または処理ステップを準備する必要がない、ということである。少なくとも１つの積層体包囲領域の各第２の電極層の露出と、露出された領域における材料層の材料の除去は、例えば、レーザを用いることによって同時に行われる。

材料層の材料の部分的な、表面近傍の除去は、例えば研磨、ブラッシング、ブラストまたはレーザによって行われる。ブラストは例えば、キャリヤーフロー内に入れられた粒子（例えば砂）によって行われる。上述の処理方法によって、次のことが保証される。すなわち、材料層の材料のみが処理プロセスの間に除去され、電極層の材料が除去されないことが保証される。同様にこの方法は、積層体包囲領域上に被着された絶縁層の材料を、各第２の電極層を露出させるために、除去するのに適している。

別の実施形態では、絶縁構造体を形成するステップおよび場合によってはそれに続く、材料層の材料の部分的な除去のステップの後、薄い金属層が、殊にスパッタリングによって、積層体包囲領域上に被着される。この上に後続のステップにおいて、接触接続構造体が、薄い金属層上に被着される。この薄い金属層は、積層体の電極層の確実かつ欠損箇所無い接触接続を可能にする。接触接続構造体が、有利であるように、導電性接着剤によって実現される場合には、導電性接着剤内に含まれる金属粒子は、薄い金属層を、絶縁構造体の領域内においても電気的に接触接続させ、これによって付加的に、電流を導くのに寄与する。これによっても、電子デバイスの信頼性が高まる。

本発明はさらに、積層体として形成された電子デバイスを実現する。これは多数の電極層と、電界の印加に反応する多数の材料層とを含んでいる。ここで、各材料層は、２つの電極層の間に配置されている。さらに、絶縁構造体が設けられている。これは、積層体の少なくとも１つの積層体包囲領域上に被着されている。ここでこの絶縁層は次のように形成されている。すなわち、積層体包囲領域の各第２の電極層が電気的な接触接続のために露出されるように、形成されている。接触接続構造体は、少なくとも１つの、絶縁構造体が設けられている積層体包囲領域上に被着されている。積層体として形成された電子デバイスは次の特徴を有する。すなわち材料層が、積層体の長手軸に対して平行に、かつ、積層体包囲領域を通って垂直に延在する部分において、電極層に接する表面近傍領域において少なくとも部分的に除去され、絶縁構造体または接触接続構造体の材料によって置換される、という特徴を有している。

殊に有利には、材料層は、露出された電極層に接している表面近傍領域において少なくとも部分的に除去され、接触接続構造体の材料によって置き換えられる。これによって、有利には、各第２の電極層は接触接続構造体と接続される。

絶縁構造体と接触接続構造体とがまだ、積層体包囲領域上に被着されていない場合には、積層体の表面近傍領域とはここでは、積層体包囲領域の平面ないしは表面である。被着後には、絶縁構造体ないしは接触接続構造体は、材料層の表面近傍領域に接する。

本発明と相応に形成された積層体は、これまで、本発明の方法に関連して説明してきたのと同じ利点を有している。

材料除去によって処理された材料層の表面構造は基本的に任意に形成可能であるが、材料層が、隣接する２つの電極層間の切断による断面図において、凹形を有するのが有利である。この凹型の形状、また、積層体の材料層の別の任意の表面形状は、処理のために選択された材料除去方法から生じる。殊に、材料層は、積層体包囲領域に対して、部分的に、最大で１０μｍ〜２０μｍ引き下げられる。この僅かな材料削除は一方では、電極層の露出部分の改善された接触接続を可能にし、他方では、このように事前準備された積層体の再処理に、絶縁構造体および接触接続構造体を被着するステップの変更が必要とされない程度に、材料低減は僅かである。殊に、この僅かな材料除去によって、露出された積層体の表面が平らであることも保証される。

有利には、接触接続構造体の材料は、キャリヤーを備えた導電性接着剤を含んでいる。この導電性接着剤は、非導電性材料、殊にポリイミドとその中に埋設された金属粒子から成る。導電性接着剤を、接触接続構造体の材料として使用することの利点は、導電性接着剤の非導電性キャリヤー材料が、絶縁構造体の形成のために使用された材料と、類似の特性を有している、ということである。これによって、積層体の高い長期信頼性が促進される。なぜなら、高い温度は、絶縁構造体および接触接続構造体の異なる伸長を生じさせないからである。さらに、電極層の拡大された接触接続面によって、欠損箇所を有している接触接続箇所の危険が低減される。

本発明を次に、実施例に基づいて図示する。

既知のデバイスの概略的な横断面図であり、材料層と電極層とから成る、このデバイスの積層体に、絶縁構造体と接触接続構造体とが被着されている 材料層が部分的に除去されている、本発明のデバイス積層体の第１の実施形態の一部の概略的な横断面図 材料層が交互に、部分的に除去されている、本発明のデバイス積層体の第２の実施形態の一部の概略的な横断面図 デバイス積層体の電極層の領域における、材料除去部分の拡大図

開始点は、積層体１として形成された電子デバイスである。この積層体１は、電界の印加に反応する多数の材料層２と、多数の電極層３、４とから形成される。各材料層２は、２つの電極層３、４の間に配置されている。電極層３、４は両側で、積層体１の各縁部まで案内されている。電気的な接触接続は例えば、対向し、幾何学的につながっていない積層体包囲領域５、６の相互作用において行われる。積層体包囲領域５、６の表面は、通常、研磨されており、これによって、さらなる製造ステップのための平らな表面が得られる。このような積層体１は、従来技術から、基本的に知られており、例えば、内燃機関のためのピエゾインジェクター用のピエゾアクチュエータとして用いられる。

図１の概略的な横断面図から見て取れるように、積層体包囲領域５上には、絶縁構造体７が被着されている。この絶縁構造体７は、次のように被着されている。すなわち、電極層４が積層体包囲領域５上で露出されるように、被着されている。このために、絶縁壁９が電極層３上に被着されている。単なる例として、絶縁壁のエッジは、デバイス積層体１の方向へと傾斜して延在している。エッジは、例えば積層体包囲領域の平面に対して垂直または湾曲して形成可能である。

これと相応に、積層体包囲領域６上には、電極層４上に、絶縁壁１０を備えた絶縁構造体８が設けられている。絶縁壁１０のエッジは同様に、単に例示的に、デバイス積層体１の方向に延在している。ここでこの電極３は露出されている。当業者には、絶縁壁１０のエッジも図示の形とは異なり得ることが明らかである。

絶縁構造体７、８の形成は、例えば、減算方法によって行われる。ここでははじめに、電気的な絶縁に適した層（これは例えば、ポリマーまたはセラミックまたは温度安定ガラスから成る）が、面状に、各積層体包囲領域５、６上に被着される。パターニング方法、例えばレーザ除去または光パターニングを介して、電極層３、４のそれぞれ二番目が、各積層体包囲領域上で露出される。選択的に、絶縁構造体が、ダイレクトパターニング方法を介して、例えば吹き付けまたは計量分配を介して被着されてもよい。絶縁構造体の材料が温度安定ガラスから形成される限り、これが低減された銀移行を有しているのは有利である。これによって、長期間にわたったガラスの絶縁特性が悪影響を受けることはない。

積層体包囲領域５上での電極層４ないしは積層体包囲領域６上での電極層３の電気的な接触接続は、接触接続構造体によって実現される。これは例えば、導電性接着剤によって実現され得る。導電性接着剤の場合には、非導電性材料、例えばポリイミドまたはエポキシドから成る樹脂内に、導電性の金属粒子が埋設される。材料としては殊に、金、銀、パラジウム、白金、銅またはニッケル並びにその合金が考えられる。接触接続構造体の厚さは、接触接続構造体の、実現されるべき許容電流に依存する。同様に、接触接続構造体が、金属または金属合金から形成されてもよい。

従って、各接触接続構造体１３、１４は、露出された電極層３ないし４への電気的な接続の機能を担い、所定の許容電流での電流案内のために用いられる。従って接触接続構造体１３、１４は、各外側電極を形成する。

電極層４は僅か数マイクロメータ、典型的には１〜４μｍの厚さであるので、殊に、導電性接着剤を接触接続構造体の材料として使用する場合には、次のような危険が生じる。すなわち、個々の電極層または電極層部分が、十分に電気的に、接触接続構造体に接続されていない、という危険が生じる。これによって、高い接触接続抵抗が生じ、局部的に過度に高い電流密度および高い温度が生じ得る。

接触接続構造体の材料を電極層により良好に取り付けるために、本発明は、接触接続構造体を形成する前に、材料除去方法によって、電極層が表面近傍で露出されるように、材料層を部分的に除去することを提案する。これは例えば、図２に示されている。ここでは材料層の材料の部分的な除去が、絶縁構造体を被着する前に行われる。

材料層の材料の除去は、例えば、研磨、ブラッシング、ブラストまたはレーザによって行われる。積層体包囲領域５、６（図２においては、積層体包囲領域５のみが示されている）がサンドブラストによって処理される場合には、例えば２つの隣接する電極層の間で、材料層２の表面が凹状になる。図２に示された断面はここで、積層体の長手軸に対して平行に延在し（これは、図２において、図平面において左から右に延在する）、積層体包囲領域５を通って垂直に延在する（すなわち、図平面において上から下へ）。この材料除去方法によって、電極層３、４の表面近傍部分は、積層体包囲領域５、６に接している自身の端面２１に対して付加的に、少なくとも部分的に、対向する主要面２２、２３で露出される。これは拡大されて、相互に接する２つの材料層２に対してのみ、図４に示されている。

材料層２の材料の材料除去の深さＴは、最大で１０μｍ〜２０μｍである。これは、電極層３、４の最も外側の終端部から、処理された材料層２の最も深い点まで続く。選択された処理方法に依存して、ここでは、電極層の領域において、場合によっては、例えば、２つの電極層の間の中央部分と比べて、材料除去が少ない。これによって、電極層の表面近傍領域における僅か数マイクロメータのみが、材料層２の材料から開放される。しかし電極層の、この露出された接触接続面は、接触接続構造体の材料へのより良好な電気的な取り付けを提供するのに十分である。

図３には、デバイス積層体１の一部が示されている。ここでは、材料除去部２０の形成は、絶縁構造体７の形成後に初めて行われる。絶縁部９における接触接続構造体に必要な領域の露出および材料除去２０の形成は、ここでは、同じ除去方法を用いて行われる。例えば、絶縁構造体７における溝の形成は、レーザによって行われる。これは、さらに、材料層２の材料を、２つの壁部９の間の領域において除去するために使用される。従って、同様に、凹状の材料除去が生じる。

択一的な形態では、絶縁構造体７における溝の形成および材料層２における材料除去部２０の形成は、種々の処理方法によっても行われる。

接触接続構造体１３、１４の、電極層３、４への電気的な取り付けをさらに改善するために、さらに、図２および３において形成された表面構造上に、薄い金属層を殊にスパッタリングによって被着することができる。この薄い金属層上に、次に、後続のステップにおいて、上述した接触接続構造体が被着される。

材料層内の材料除去部２０は浅いので、絶縁構造体および接触接続構造体を形成した後でも、完成されたデバイス積層体が平らな表面を有していることが保証される。

当業者には、図２および図３に示された、材料除去部２０の横断面が単に例示的なものであり、材料除去に使用される方法に依存することが明らかである。殊に、２つの電極層の間の幅全体にわたって、材料層の同じ材料壁厚を除去することも可能である。同様に、材料層の除去を、２つの電極の間の幅全体にわたって行わず、電極層の直近の領域においてのみ行うことが可能である。

同様に、電極層の全長にわたった均一な材料除去は不必要である。使用されている除去方法に依存せずに、各電極層の長さにわたった除去を変えることもできる。

提案された方法は殊に、導電性接着剤を、接触接続構造体の材料として使用することに関連して有利である。なぜなら、接触接続構造体の材料の被着後に、導電性接着剤内に含まれている金属粒子がランダムに分散するからである。しかし、金属粒子に対して提供される接触接続面が大きくなるほど、高い接触抵抗を有する局部的な箇所が生じる恐れは低くなる。

Claims (10)

1. 積層体（１）を備えた電子デバイスの製造方法であって、
   前記電子デバイスは、電界の印加に反応する複数の材料層（２）と、複数の電極層（３、４）とから形成されており、
   各材料層（２）は、前記２つの電極層（３、４）の間に配置されており、
   ・前記積層体（１）の上面および下面上に絶縁構造体（７、８）を形成するステップと、その結果、前記電極層（３、４）は、電気的な接触接続のために一つ置きに露出され、
   ・前記絶縁構造体（７、８）が設けられている、前記積層体（１）の上面および下面上に接触接続構造体（１３、１４）を被着するステップと、を有する、電子デバイスの製造方法において、
   ・前記接触接続構造体（１３、１４）を形成するステップの前に、少なくとも一つ置きの電極層（３、４）が表面近傍で露出されるように、材料除去方法によって前記材料層（２）を部分的に除去するステップを有し、ここで当該除去後の前記材料層（２）は、前記積層体（１）の長手軸に対して平行に延在し、かつ、前記積層体（１）の上面および下面を垂直に通って延在する断面において、隣接する２つの電極層（３、４）の間に凹状の形を有しており、ここで前記凹状の形とは、前記電極層（３、４）の領域では、前記２つの電極層（３、４）の間の中央部分と比べて、前記材料層（２）の材料の材料除去が少ない形のことである、
   ことを特徴とする、電子デバイスの製造方法。
2. 前記電極層（３、４）の端面に加えて、前記電極層（３、４）の表面近傍部分が少なくとも部分的に、前記電極層（３、４）の主要面で露出されるように、前記材料層（２）の前記材料除去を行うステップを有する、請求項１記載の方法。
3. 前記材料層（２）の部分的な表面近傍の材料除去を、前記絶縁構造体を形成するステップの前に行うステップを有する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記材料層（２）の部分的な表面近傍の材料除去を、前記絶縁構造体を形成するステップの後に行うステップを有する、請求項１または２記載の方法。
5. 電気的な接触接続のための電極層（３、４）の一つ置きの露出と、当該露出領域における前記材料層（２）の材料除去とを同時に行うステップを有する、請求項４記載の方法。
6. 一つ置きの電極層（３、４）の前記露出と、前記材料層（２）の材料除去とを、同じ処理方法によって行うステップを有する、請求項４または５記載の方法。
7. 前記材料層（２）の部分的な表面近傍の材料除去を、研磨、ブラッシング、ブラストを用いて、またはレーザによって行うステップを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記絶縁構造体（７、８）を形成するステップと、前記絶縁構造体（７、８）を形成するステップに続く、前記材料層（２）の材料を部分的に除去するステップとの後に、薄い金属層を、殊にスパッタリングによって前記絶縁構造体（７、８）上に被着するステップを有し、後続のステップにおいて、前記接触接続構造体（１３、１４）を前記薄い金属層上に被着する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 積層体（１）を備えた電子デバイスであって、当該電子デバイスは、
   ・複数の電極層（３、４）と、
   ・複数の材料層（２）と、
   ・絶縁構造体（７、８）と、
   ・接触接続構造体（１３、１４）と
   を有しており、
   前記材料層（２）は電界の印加に反応し、各材料層（２）は前記２つの電極層（３、４）の間に配置されており、
   前記絶縁構造体（７、８）は、前記積層体（１）の上面および下面上に被着されており、電極層（３、４）が一つ置きに、電気的な接触接続のために露出されるように前記絶縁構造体（７、８）が形成されており、
   前記接触接続構造体（１３、１４）は、前記絶縁構造体（７、８）が設けられている、前記積層体（１）の上面および下面上に被着されている、電子デバイスにおいて、
   ・前記材料層（２）は、前記積層体（１）の長手軸に対して平行に、かつ、前記積層体（１）の上面および下面を垂直に通る断面において、少なくとも、前記露出された電極層（３、４）に接している表面近傍領域において少なくとも部分的に除去されており、前記絶縁構造体（７、８）または前記接触接続構造体（１３、１４）の材料によって置き換えられており、ここで当該除去後の前記材料層（２）は、前記積層体（１）の長手軸に対して平行に延在し、かつ、前記積層体（１）の上面および下面を垂直に通って延在する断面において、隣接する２つの電極層（３、４）の間に凹状の形を有しており、ここで前記凹状の形とは、前記電極層（３、４）の領域では、前記２つの電極層（３、４）の間の中央部分と比べて、前記材料層の材料の材料除去が少ない形のことである、
   ことを特徴とする電子デバイス。
10. 前記接触接続構造体（１３、１４）の材料は、非導電性材料から成るキャリヤーと、当該キャリヤー内に埋設された金属粒子とを備えた導電性接着剤を含む、請求項９記載の電子デバイス。

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