JP6564533B2 - センサ素子およびセンサ素子を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明はセンサ素子に関する。このセンサ素子は、特に温度の測定に用いることができる。たとえばこのセンサ素子は、ＮＴＣセンサ素子（negative temperature coefficient）、すなわち高温導体（Heissleiter）である。さらに本発明は、センサ素子を製造するための方法に関する。

従来技術では、様々なアプリケーションにおけるモニタリングおよび制御のために主にセラミック高温導体サーミスタ素子（ＮＴＣ），シリコン温度センサ（ＫＴＹ），白金温度センサ（ＰＲＴＤ），または熱電対（ＴＣ）を用いて、温度が測定されていた。この際その低い製造コストのために、ＮＴＣサーミスタが最も広く普及している。ＮＴＣサーミスタ素子のもう１つの利点は、熱電対またはたとえばＰｔ素子のような金属抵抗素子とは逆に、顕著に負の抵抗温度特性を有していることである。

パワーモジュールにおける使用の場合には、主に表面実装デバイスのＮＴＣ温度センサ（複数）が用いられ、これらははんだ付けされる。低パワー用の制御モジュールでは、この代替として、ＮＴＣチップ（複数）も用いられ、これらはその下面で銀焼結，はんだ付け，または接着を用いて取り付けられており、そしてその上面でボンディングワイヤを介して接続される。

このＮＴＣセラミックの電気的接続のためには、金属電極が取り付けられなければならない。このため従来技術では、主に銀ペーストまたは金ペーストから成る厚膜電極がシルクスクリーン印刷およびこれに続く焼成によって取り付けられる。

銀メタライジングは、とりわけはんだ結合に適している。増大する技術的な要求のため、ボンディングおよび溶接のような、最近の信頼性のある外部接続に関して、特に金ワイヤ、アルミニウムワイヤ、あるいは銅ワイヤを用いたボンディングの際には、もう１つの電極が必要であるが、これは銀への結合が充分な信頼性を全く備えないからである。

金メタライジングの場合には、接続ワイヤへのはんだ付けは実現することができない。ボンディング接続は、費用的な理由から、金の細いワイヤを用いてのみ実現されている。金電極へのアルミニウムボンディングワイヤ接続は、上記の必要とされる信頼性を達成しない。

使用温度および信頼性に関して増大する要求のため、さらにはんだ付け無しに回路基板へ取り付けることができ、かつ高い長時間安定性を備えるとともに、より高い温度での使用に適したＮＴＣ温度センサが求められている。

本発明の課題は、改善された特性を備えるセンサ素子を提示することである。

この課題は独立請求項に記載のセンサ素子によって解決される。

１つの態様によれば、温度測定用の１つのセンサ素子が提示される。このセンサ構成体は、好ましくは１つのセラミックのセンサ材料を備える。このセンサ材料は、たとえば少なくとも１つのＮＴＣ層の形態で上記のセンサ素子に配設されている。このセンサ素子は、好ましくは１つのＮＴＣセンサチップである。とりわけ好ましくは、このセンサ素子は、１つのＮＴＣ厚膜センサである。

このセンサ素子は、少なくとも１つのセラミックの担体を備える。この担体は、上記のＮＴＣ層を用いて少なくとも部分的に印刷されている。このＮＴＣ層はこの担体の１つの表面の少なくとも一部を覆っている。換言すれば、このＮＴＣ層は、この担体表面全部、またはこの担体表面の一部のみを覆っていてよい。たとえばこのＮＴＣ層は、この担体の下面を少なくとも部分的に覆っている。しかしながら、このＮＴＣ層は、この担体の第１の表面、たとえばこの担体の下面を完全に覆ってよい。このセンサ素子は、ワイヤリング無しの接続用に構成されている。

１つの実施形態例によれば、本発明によるセンサ素子は、少なくとも１つの電極、好ましくは少なくとも２つの電極を備える。これらの電極は、上記のＮＴＣ層上に配設されており、たとえば２つの電極パッドの形態で配設されている。これよりこれらの電極は、好ましくはこのセンサ素子の同じ面上に、たとえば下面上に存在している。これらの電極は、空間的に互いに離間されている。たとえばこれらの部分領域は空き領域によって互いに離間されている。この空き領域は、たとえば１つのウェブの形態で形成されていてよい。上記の電極（複数）は、このウェブによって互いに離間されている。

好ましくは、この空き領域は、セラミックのセンサ材料を備える。上記のセンサ素子は、このセンサ素子のワイヤリング無しの接続が可能であるように構成されている。具体的には、上記の電極（複数）は、これらの電極が銀焼結可能であるように構成され、そして配設されている。以上により柔軟に使用可能なセンサ素子が提供される。

１つの実施形態例によれば、上記のＮＴＣ層の厚さあるいはこのＮＴＣ層の抵抗は、印刷処理の回数によって調整することができる。製造プロセス中のこの印刷処理の回数が多いほど、このＮＴＣ層は厚くなり、そしてその抵抗は大きくなる。製造プロセス中のこの印刷処理の回数が少ないほど、このＮＴＣ層は薄くなり、そしてその抵抗は小さくなる。

１つの実施形態例によれば、それぞれの上記の電極は、少なくとも１つのスパッタリングされた層を備える。これらの電極は、たとえば薄膜電極である。このスパッタリングされた層は、好ましくは上記のＮＴＣ層上に直接取り付けられている。この少なくとも１つのスパッタリングされた層は、好ましくはニッケルを含む。さらにこの層は、バナジウム成分を含んでよい。もう１つの実施形態においては、上記の電極は２つの層を備え、ここで下側の層はクロムまたはチタンを含み、そして第２の層はニッケルを含み、ここでこの第２の層も同様にバナジウム成分を含んでよい。上述の実施形態（複数）には、上記のニッケル層上に１つのカバー層を取り付けると有利である。このカバー層は、たとえば銀または金のような１つの酸化しにくい金属から成っている。

１つの実施形態によれば、それぞれの上記の電極は、少なくとも１つの印刷された層を備える。これらの電極は、たとえば厚膜電極である。この印刷された層は、好ましくは直接上記のＮＴＣ層上に印刷されている。この印刷処理によって、より厚い電極層を実現することができる。

１つの実施形態例によれば、上記のＮＴＣ層は、１つの凹部を備える。この凹部は、このＮＴＣ層の抵抗を調整するために設けられている。極めてバラつきの少ない抵抗とする場合には、定格温度での抵抗の調整のために、いわゆるトリミング処理が行われてよい。この際部分的なレーザーアブレーションによって、１つの部分領域、たとえば上記のＮＴＣ層の１つの部分領域が除去され、こうして１つの凹部が生成される。このトリミング処理によって、この層の幾何形状が変更され、そしてその抵抗が所定の値に対応して調整される。

上述のＮＴＣ厚膜センサの構造によって、このＮＴＣ厚膜センサは、たった１つの処理ステップにおいて（加圧焼結またははんだ付け）、プリント基板上に取り付けることができる。これにより、たとえばボンディングを用いたさらなる接続は必要でない。さらに１つの有利な点は、この製造プロセスにおけるこのＮＴＣチップのより小さな熱応力である。このようにして安価な電極系を有する１つのＮＴＣ温度センサが提供され、これはさらに加えてこのＮＴＣ温度センサのワイヤリング無しの接続を可能とする。

１つの態様によれば、１つのセンサ素子を製造するための方法が示される。好ましくは、この方法によって上述のセンサ素子が製造される。本センサ素子または本方法に関して開示された全ての特徴は、これに対応してそれぞれの他の態様に関しても開示されているものであり、そしてこの逆も成り立っている。またそれぞれの特徴がそれぞれの態様に関連して顕わに示されていない場合でこれらは成り立っているものである。

本方法は、以下の処理ステップを備える。
−１つのセラミック担体材料を準備するステップ。担体材料として、たとえばＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＡＴＺ材料，またはＺＴＡ材料，またはＭｇＯをベースにした、セラミック基板が用いられる。
−この担体材料を少なくとも部分的に、ＮＴＣ層を形成するためのＮＴＣペーストを用いて印刷するステップ。このＮＴＣペーストは、様々なドーピングを含むＹ−Ｃａ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｏ系のペロブスカイトをベースにして製造され、または様々なドーピングを含むＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ−Ｏ系のスピネルをベースにして製造される。この担体材料の印刷は、少なくとも１回の印刷処理において、好ましくは複数回の印刷処理において行われる。たとえば２回、３回、５回、または１０回の印刷処理が行われる。上記のＮＴＣ層の厚さおよび抵抗は、好ましくはこの印刷処理の回数によって調整される。
−この担体材料およびＮＴＣペーストからなる系を焼結するステップ。
−薄膜電極（複数）をこのＮＴＣ層上にスパッタリングするステップ。代替として、これらの電極は、このＮＴＣ層上に印刷されてもよい（厚膜電極）。
−所定の抵抗値に調整するために、レーザーアブレーションを用いてこのＮＴＣ層を部分的に除去するステップ。

１つの態様によれば、以下のものを備える温度測定用の１つのセンサ素子が提示される。
−１つのセラミック担体。
−少なくとも２つの電極。
−少なくとも１つのＮＴＣ層。ここで上記の担体はこのＮＴＣ層を用いて印刷されており、このＮＴＣ層は、この担体の表面の少なくとも一部を覆っている。
ここで上記の電極（複数）は、このＮＴＣ層上に配設されており、これらの電極は空間的に互いに離間されており、そして上記のセンサ素子は、このセンサ素子のワイヤリング無しの接続が可能であるように構成されている。

実施形態例とこれに付随する図を参照して、本発明によるセンサ素子を以下に詳細に説明する。

以下に説明する図面は、寸法を正確に示すものではない。むしろより見易いように、個々の寸法は、拡大、縮小、または歪んで表示されていることがあり得る。

互いに同じ要素、または同じ機能を担う要素は、同じ参照番号で示されている。

１つの第１の実施形態における、１つのセンサ素子を示す。 もう１つの実施形態における、１つのセンサ素子を示す。 もう１つの実施形態における、１つのセンサ素子を示す。 もう１つの実施形態における、１つのセンサ素子を示す。

図１は、１つのセンサ素子１、具体的には１つのセンサチップを示す。このセンサ素子１は、好ましくは温度の測定用に構成されている。このセンサ素子１は、１つのセラミックのセンサ材料を備える。このセラミックのセンサ材料は、１つのＮＴＣ層３の形態で形成されている。このセンサ素子１は、好ましくは１つのＮＴＣ厚膜センサである。このＮＴＣ層は、５μｍ〜２００μｍの厚さを有してよい。好ましくは、この層厚は、１０μｍ〜１００μｍである。

上記のセンサ材料は、１つのＮＴＣセラミックである、例えばこのセラミックは１つのペロブスカイト構造を備える。具体的にはこのセラミックは、様々なドーピングを含むＹ−Ｃａ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｏ系をベースにするものであってよい。このようなセンサ素子１は、高温のアプリケーションにとりわけ適している。代替としてこのセンサ素子１は、特に適用温度が低い場合には、スピネル構造を有するセラミックを備えてよい。たとえばこのセラミックは、様々なドーピングを含むＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ−Ｏ系をベースにするものであってよい。

上記のＮＴＣ厚膜センサは、その上に上記のＮＴＣ層３が印刷されている１つのセラミック担体２から成っている。担体材料として、たとえばＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＡＴＺ材料，またはＺＴＡ材料，またはＭｇＯをベースにした、セラミック基板が用いられる。これらの材料は、様々なドーピングを含むＹ−Ｃａ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｏ系のペロブスカイトまたは様々なドーピングを含むＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ−Ｏ系のスピネルをベースにしたＮＴＣペーストを用いて印刷され、そして焼成される。

上記のＮＴＣ層３上には、上記の焼成に続いて、電極（複数）４が取り付けられている。これらの電極４は、センサ１の同じ外面上に、たとえばこのセンサ１の下面上に、取り付けられている。具体的にはこれらの電極４は、上記のＮＴＣ層３の下面上に取り付けられている。これらの電極４は、空間的に離れて配設されている。これらの電極４は１つの空き領域５によって互いに離間されている。この空き領域５には、電極材料が無くなっているか、あるいは１つの保護層によって充填されていてよい。

後で詳細に記載するように、上記のＮＴＣ層３上には、シルクスクリーン印刷またはスパッタリング技術（ＰＶＤ）を用いて取り付けられる。

図２は、空き縁部７を有する１つのセンサ素子１を示す。図１に示すセンサ素子１と異なり、この図２に示すセンサ素子１では、担体２を周回する縁部領域にはセンサ材料が無くなっている、すなわちＮＴＣ層３が無くなっている。これに対し図１においては、センサ材料（ＮＴＣ層３）が、担体２の外面、たとえばこの担体２の下面を完全に覆っている。

この実施形態例においては、上記の空き縁部７は周回している。しかしながらこの空き縁部７は、部分的にのみ周回していてもよい。

上記のＮＴＣ層３の幾何形状、すなわちこのＮＴＣ層３によって担体２が覆われる程度は、このＮＴＣ層３を用いたこの担体２の印刷処理によって決定される。具体的には、ＮＴＣペーストを用いたこの担体２の印刷の際に、空き縁部７とするために、この担体２の対応する縁部でＮＴＣペーストが無いままとされてよい。

極めてバラつきの少ない抵抗とする場合には、定格温度での抵抗の調整のために、いわゆるトリミング処理が、たとえば部分的なレーザーアブレーションによって行われてよい。これに対応する実施形態例を図３および４に示す。具体的には、図３および４に示すセンサ素子１では、電極（複数）４の間のＮＴＣ層３の１つの部分領域がレーザーアブレーションによって部分的に除去されている。換言すれば、これらの電極（複数）４を互いに離間しているＮＴＣ層３の空き領域５から１つの領域が除去されている。このＮＴＣ層３は、この部位に１つの凹部６を備える。これはこのＮＴＣ層３の幾何形状の変更をもたらし、これによってこのＮＴＣ層３あるいはこのセンサ素子１の抵抗が調整される。

さらに図４には再び１つの空き縁部７が示されている。具体的にはこの図４に示すセンサ素子１では、担体２を周回する縁部領域には、センサ材料が無くなっている。

この結果本発明では、２つのセンサタイプが区別されており、１つの第１の実施例においては、ＮＴＣ厚膜３が担体表面を完全に覆っており（図１および３）、そして１つの第２の実施例においては、このＮＴＣ厚膜３は基板表面の一部上にのみ取り付けられている（図２および４）。このＮＴＣ層３の厚さおよびこれによる抵抗は、印刷処理の回数によって調整することができる。

上記の電極（複数）４の取り付けの際には、上記で示唆されているように、薄膜技術と厚膜技術とが区別されてよい。上記の薄膜電極の製造は、スパッタリングまたは蒸着によって行うことができる。この際１つの第１の実施例におけるこのベース電極は、ニッケル層から成っており、このニッケル層はバナジウム成分を含んでよい。ニッケルを含む層は、特にセラミックへのとりわけ良好な機械的および電気的結合を可能とする。バナジウム成分は、特にスパッタリング処理でのプロセス技術的な理由から、有利であり得る。たとえば上記のニッケルを含む層において、バナジウムは７％までの重量比で存在している。ニッケルは、例えば少なくとも９３％の重量比で存在している。このニッケルを含む層の厚さは、たとえば０．３μｍ〜１０μｍの範囲にある。

１つの第２の実施形態においては、上記のベース電極は、２つの層から成っており、ここで下側の層はクロムまたはチタンを含み、そして第２の層はニッケルから成っており、この第２の層も同様にバナジウム成分を含んでよい。

このベース電極は、たとえば銀、金、銅、アルミニウム等の酸化しにくい１つの金属から成るカバー層によって保護されてよい。このカバー電極は、純粋にニッケルのベース電極の腐食保護（酸化）用にのみ用いられてよく、または接続用に有利なものあるいはむしろ必要なものであってもよい。

微細分散した銀ペーストでの銀焼結を用いた結合の場合には、たとえば銀のカバー電極が必要である。１つのとりわけマイグレーション耐性のある、鉛フリーの銀結合とするために、１つの金カバー層が取り付けられてよい。

ＮＴＣ厚膜３上には、図１〜４に見て取れるように、２つの電極パッドが取り付けられ、これらは空き領域５によって空間的に互いに離間されている。このベース電極の厚さは、後の銀焼結またははんだ付けを用いた接続処理に依存して、１０μｍより小さくなっており、さらに有利には３μｍより小さく、理想的には０．５μｍより小さくなっている。上記のカバー電極の厚さは１μｍまでであってよく、特別な場合は２０μｍまでであってよい。

もう１つの変形例においては、電極（複数）４は、厚膜技術を用いて、ＮＴＣ厚膜３上に印刷され、これによってより厚い電極層（複数）を実現することができる。

このメタライジングされた基板は、電気的に事前測定される。この事前測定データを参照して、フリップチップセンサ素子の幾何形状が画定される。多くの場合、長さが固定されているので、調整パラメータとしては幅が、変化可能な寸法として残されている。

定格温度でとりわけバラつきの少ない抵抗とするためには、上述したように、追加的なトリミング処理を用いて個々のデバイスの抵抗を調整することができる。この際セラミック材料または電極材料が、たとえばレーザー切断、グラインディング、ソーイングによって、部分的に除去されて、この抵抗の幾何形状の変更によって調整される。

セラミックの長期安定性を改善するために、メタライジングされていない領域に渡って、たとえばセラミック，ガラス，プラスチック，または金属酸化物から成る、１つの薄い、非導電性の保護層が取り付けられてよい。これらは、スパッタリング，蒸着，リソグラフィー，または印刷および焼成によって実現されてよい。

プリント基板への使用のために、このようにメタライジングされたＮＴＣ厚膜センサ１が導電路（複数）上に接着、はんだ付け、または焼結されてよい。銀焼結処理は、 圧力下でまたは無圧で行われてよい。ワイヤまたはボンディングを用いたさらなる接続は必要ではない。

従来技術に対し、これに対応する上記のＮＴＣ厚膜センサ１は、２つの電極４への銀焼結可能性によって、そして微小損傷の虞があるボンディングによる大きな機械的応力の無い、高い使用温度でもより高度な信頼性を有する構造を可能とする。

上記のＮＴＣ厚膜センサの構造によって、このＮＴＣ厚膜センサは、たった１つの処理ステップにおいて（加圧焼結またははんだ付け）、プリント基板上に取り付けることができる。これにより、たとえばボンディングを用いたさらなる接続は必要でない。

さらに１つの有利な点は、この製造プロセスにおけるこのＮＴＣ厚膜センサ１のより小さな熱応力である。スパッタリングを用いた電極４の取り付けのおかげで、７００−８００℃でのメタライジングペーストの焼成は必要ではない。さらに、たとえばＡｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＡＴＺ材料，またはＺＴＡ材料，またはＭｇＯをベースにした、セラミックの担体材料の使用によって、センサ素子１の機械的剛性が高められる。

バラつきの少ない抵抗を有する上記のフリップチップＮＴＣの製造は、たとえば以下のようなやり方で行われる。

第１のステップにおいて、ＮＴＣ粉末の製造が行われる。このステップには、たとえば計量、湿式の一次造粒、乾燥、ふるい分け、か焼、湿式の二次造粒、乾燥、ふるい分け、および再度のふるい分けが含まれる。

これに続いて、ペースト製造のために、このＮＴＣ粉末の計量が行われる。これに続いて、このペースト用の有機成分の計量が行われる。

次のステップにおいて、これらのペースト成分が撹拌によって予備均質化される。続いて３ローラを用いてこれらのペースト成分の均質化が行われる。

次のステップにおいて、このＮＴＣペーストがシルクスクリーン印刷を用いて、セラミック担体材料が少なくとも部分的に印刷される。このステップにおいて、後のフリップチップＮＴＣの幾何形状が決定される。

続いてこのセラミック担体材料およびＮＴＣ層から成る系が脱炭される。次のステップにおいて、このセラミック担体材料およびＮＴＣ層から成る系が焼結される。

続いてスパッタリング技術を用いて、Ｎｉ／Ａｇ薄膜電極（複数）の上記の焼結されたフリップチップＮＴＣへの取り付けが行われる。代替として厚膜電極（複数）が取り付けられてもよい。

次のステップにおいて、個々のフリップチップＮＴＣの定格温度での抵抗の電気的測定が、まだ裁断されていない担体材料上で行われる。続いて個々のＮＴＣ層が要求されている抵抗値となるまでレーザーアブレーションによってトリミングされる。

最後にこの担体材料のソーイングによってフリップチップＮＴＣの個々の分離が、印刷されたＮＴＣ領域（複数）の間で行われる。裁断処理によって、センサ１の最終的な幾何形状が生成される。続いて目視検査および抜き取り検査的な試験測定が行われる。

ここで提示した物の記載は、個々の特定の実施形態に限定されるものではない。むしろこれらの個々の実施形態の特徴は、技術的に意味がある限り、任意に互いに組み合わせることができる。

１ ： センサ素子
２ ： 担体
３ ： ＮＴＣ層
４ ： 電極
５ ： 空き領域
６ ： 凹部
７ ： 空き縁部

Claims (13)

1. 温度測定用のセンサ素子（１）であって、
   １つのセラミック担体（２）と、
   少なくとも１つのＮＴＣ層（３）と、
   を備え、
   前記担体（２）は前記ＮＴＣ層（３）で印刷されており、
   前記ＮＴＣ層（３）は、前記担体（２）の１つの表面の少なくとも一部を覆っており、
   前記ＮＴＣ層（３）の抵抗は、印刷処理の回数によって決定されており、
   前記センサ素子（１）は、ワイヤリング無しの接続用に構成されている、
   ことを特徴とするセンサ素子。
2. 請求項１に記載のセンサ素子において、
   前記センサ素子（１）は、少なくとも２つの電極（４）を備え、 前記電極（４）は、
   前記ＮＴＣ層（３）上に配設されており、
   前記電極（４）は、１つの空き領域（５）によって互いに離間されている、
   ことを特徴とするセンサ素子。
3. 前記ＮＴＣ層（３）は、前記担体（２）の第１の表面を完全に覆っていることを特徴と
   する、請求項１または２に記載のセンサ素子。
4. それぞれの前記電極（４）は、少なくとも１つのスパッタリングされた層を備えること
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
5. 前記スパッタリングされた層は、前記ＮＴＣ層（３）上に直接取り付けられていること
   を特徴とする、請求項４に記載のセンサ素子。
6. それぞれの前記電極（４）は、少なくとも１つの印刷された層を備えることを特徴とす
   る、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ素子。
7. 前記印刷された層は、直接前記ＮＴＣ層（３）上に印刷されていることを特徴とする、
   請求項６に記載のセンサ素子。
8. 前記ＮＴＣ層（３）は、１つの凹部（６）を備え、当該凹部（６）は、前記ＮＴＣ層（
   ３）の抵抗を調整するために設けられていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれ
   か１項に記載のセンサ素子。
9. センサ素子（１）を製造するための方法であって、
   １つのセラミック担体材料を準備するステップと、
   前記担体材料を少なくとも部分的に、ＮＴＣ層（３）を形成するためのＮＴＣペースト
   を用いて印刷するステップであって、当該印刷が、少なくとも１回の印刷処理で行われる
   ステップと、
   担体材料およびＮＴＣペーストからなる系を焼結するステップと、
   複数の薄膜電極を前記ＮＴＣ層（３）上にスパッタリングするステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
10. 前記ＮＴＣ層（３）の厚さおよび抵抗は、前記印刷処理の回数によって調整されること
    を特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 請求項９または１０に記載の方法において、
    前記方法はさらに、
    所定の抵抗値に調整するために、レーザーアブレーションを用いて前記ＮＴＣ層（３）
    を部分的に除去するステップを備えることを特徴とする方法。
12. 前記センサ素子（１）は、プリント基板の導電路上に接着、はんだ付け、または焼結されるように設計される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ素子。
13. 前記電極（４）は、銀焼結可能なように構成され配設される、請求項２乃至８のいずれか１項に記載のセンサ素子。

Images