WO2006079488A2

WO2006079488A2 - Thermosäule

Info

Publication number: WO2006079488A2
Application number: PCT/EP2006/000548
Authority: WO
Inventors: Karlheinz Wienand; Tim Asmus; Detlef Rengshausen
Original assignee: Heraeus Sensor Technology Gmbh; Vereta Gmbh
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2006-08-03
Also published as: WO2006079488A3; EP1842245A2; DE102005003723A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Thermosäule aus mehreren Thermo elementen, bei dem auf einem sich selbsttragenden, elektrisch isolierenden Substrat mehrere Leiterbahnen in Dünn- oder Dickschichttechnik aufgetragen werden, insbesondere dass in ei nem weiteren Schritt auf dem Substrat angeordnete Leiterbahnen mittels Resinattechnik aufge tragen werden oder Bonddrähte an die Leiterbahnen elektrisch angeschlossen werden.

Description

Unser Zeichen: P10470 WO

23. Januar 2006

Patentanmeldung

Heraeus Sensor Technology GmbH und Vereta GmbH Thermosäule

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Thermosäule sowie Verfahren zu deren Herstellung.

DE 197 46 204 offenbart in Figur 12 kaskadierte Thermoelementpaare.

DE 42 35 768 A1 offenbart die Verwendung miniaturisierter Thermoelemente für einen Laserchip.

Nach www.hplanar.de konnten durch Mikrostrukturtechnik mit Silizium auf einer freigeätzten Membran mehrere Thermopaare strahlenförmig strukturiert und zu einer Thermosäule verschaltet werden.

DE 100 35 343 A1 offenbart einen Detektorkopf mit sternförmig ausgebildetem Starr-Flex-Print zur berührungslosen Temperaturmessung, bei dem mindestens zwei Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden. Dieses Prinzip der sogenannten Thermopiles ermöglicht das Detektieren feiner Temperaturgradienten. Diese Technik ist für zentral einfallende Wärmestrahlung geeignet und beruht auf dem Prinzip der teuren Siliziumbeschichtungs-, Strukturierungsund Ätz-Technologie.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Thermosäule zum Messen von Temperaturdifferenzen bereit zu stellen, die Herstellung hierfür einfach zu halten, insbesondere zu automatisieren und dabei besonderen Wert auf eine miniaturisierte und leicht anpassungsfähige Ausführung zu legen.

Weiterhin soll die Messung nicht auf zentral einfallende Wärmestrahlung beschränkt sein.

SSR/RI/GOI/2006000550 Zur Lösung der Aufgabe erfolgt ein Auftrag wenigstens eines Thermoerementbestandteils in Dünnschicht- oder Dickschicht-Technik auf einem elektrisch isolierenden und schlecht wärmeleitenden, selbsttragenden Substrat.

Dies ermöglicht die Herstellung einer Thermosäule als Chip aus mehreren Thermoelementen, so dass auf einem sich selbst tragenden, elektrisch isolierenden Substrat mehrere Leiterbahnen in Dünn- oder Dickschichtttechnik aufgetragen werden. Mittels der Auftragung der Leiterbahnen können nun erste Thermohalbelemente der Thermosäule gebildet werden. Analog ist die Erstellung zweiter Thermohalbelemente ermöglicht.

Lösungen der Aufgabe sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche sind bevorzugte Ausführungen davon.

Erfindungsgemäß wird als eine Lösung ein Thermosäulenchip bereit gestellt, der eine Vielzahl von Thermoelementen umfasst. Die Vielzahl der Thermoelemente weist Leiterbahnen als erste Thermohalbelemente auf. Die zweiten Thermohalbelemente sind als Bonddraht oder weitere Leiterbahnen ausführbar. Die Auftragung von Leiterbahnen als erste Thermohalbelemente einer Thermosäule ergibt einen Thermosäulenrohling, der unterschiedlich zu einer Thermosäule weiter verarbeitet werden kann. Maßgeblich für den Thermosäulenrohling ist, dass eine Anordnung mehrerer elektrisch nebeneinander isolierter Leiterbahnen auf einer Dünn- oder Dickschichtbe- schichtung auf einem elektrisch isolierenden Substrat basiert.

In bevorzugten Ausführungen

■ werden streifenförmige Thermohalbelemente mit Bondpads oder Anschlusspads ausgebildet, insbesondere in einem Verfahrensschritt,

■ wird eine Vielzahl von je zwei Thermohalbelementen über Bondpads zu Thermoelementen verbunden,

■ werden mindestens zwei Thermohalbelemente mit Anschlusspads ausgebildet oder verbunden.

■ wird die Dünnschicht mittels Resinattechnik oder physikalischer Abscheideprozesse wie Aufdampfen oder Sputtern hergestellt,

■ erfolgt die Strukturierung mittels photolithografischer Abbildung der Leiterbahnen und Ätz-Technik,

■ erfolgt die Strukturierung mittels Laserstrukturierung,

SSR/RI/GOI/2006000550 ^■ erfolgt die Strukturierung durch Aufdrucken und Sintern von Pasten oder Resinat mittels Siebdruckverfahren,

^■ werden die zweiten Thermoschenkel aus einem Bonddraht gebildet,

^■ erfolgt die Verbindung zwischen Bonddrähten und Streifen durch Reibschweißen, durch Thermokompressionsschweißen oder Schmelzflussschweißen oder ähnliche Verfahren,

^■ bestehen die Thermosäulen aus den Thermoelementen mit den Schenkeln der Material- kombination Platin oder Platin-Rhodium mit Aluminium, Nickel, Nickel-Chrom-Legierung, Kupfer-Nickel-Legierung, oder Halbleitern wie InSb, GaAs, Telluriden oder Metalloxiden wie Rutheniumoxid,

^■ werden zusätzliche Heizelemente auf die Substrate aufgebracht,

^■ werden zusätzliche Kühlelemente auf die Substrate aufgebracht.

In erfinderischer Weiterbildung erfolgt ein Aufbringen eines zweiten Thermohalbelements auf vorstrukturierte Thermohalbelemente. Als zweite Thermoschenkel eignen sich besonders dünne und leicht verarbeitungsfähige Drähte, sogenannte Bonddrähte. Diese Bonddrähte können nach den bekannten Bonding-Verfahren mit den ersten Thermoschenkeln verbunden werden, insbesondere über Bondpads vorzugsweise mittels automatisierter Verbindungstechnik. Analog sind elektrische Anschlüsse herstellbar, insbesondere über Anschlusspads.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren verdeutlicht.

Figur 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Thermosäulenchips.

Figur 2 zeigt einen Chip in perspektivischer Darstellung.

Figur 3 zeigt einen Chip in Draufsicht.

Das Substrat 1 ist als in sich stabile Platte ausgebildet. Hierzu eignen sich beispielsweise kommerziell erhältliche Objektträger aus der Mikroskopie. Neben den hierzu verwendeten Gläsern können auch Kunststoffe, insbesondere die aus der Leiterplattentechnik bekannten Epoxidharze, Polyimide oder Fluorpolymere angewendet werden. Weiterhin können schlecht wärmeleitfä- hige Keramiken, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von unter 10 Watt pro Meter Kelvin oder selbsttragende, isolierte dünne Metallfolien als Substrat 1 verwendet werden. Das Substrat 1 ist als Platte ausgebildet und kann Scheiben- oder quaderförmig ausgebildet sein.

SSR/RI/GOI/2006000550 Auf dem Substrat ist eine Thermosäule angeordnet. Die Thermosäule 6 besteht aus einer Vielzahl von Thermoelementen 8, wobei jedes Thermoelement 8 aus zwei Halbelementen 2, 5 besteht. Eine Hälfte der Halbelemente ist in Form von zebrastreifenförmig angeordneten, voneinander isolierten Streifen 2 ausgebildet. Die Streifen 2 können als elektrische Leiter, beispielsweise als Metalle oder als Halbleiter, wie beispielsweise Indium-Antimon, Gallium-Arsen, Telluride oder Rutheniumoxid ausgebildet werden. Die Streifen 2 können direkt auf dem Substrat 1 aufgedruckt werden, insbesondere unter Anwendung der Resinattechnik nach der noch nicht veröffentlichten DE 10 2004 018 050. Die Streifen können aber auch mit anderen bekannten Resinat- oder Dickschicht-Techniken aufgedruckt werden. Weiterhin ist es auch möglich, zuerst Schichten aufzutragen und sich hierzu physikalische Abscheideprozesse wie Aufdampfen oder Sputtem zu bedienen. In diesem Falle erfolgt nach dem Auftrag der Schicht eine Strukturierung dieser Schicht. Dies kann fotolithografisch unter Anwendung von Ätztechnik gemäß DE 2706418 oder mittels Laserstrukturierung gemäß DE 3843230 geschehen. Die bevorzugte Resinattechnik eignet sich dabei sowohl für den direkten Auftrag von Streifen als auch für die indirekte Strukturierung. Die Metallstreifen 2 weisen an ihren beiden Enden jeweils Bondpads 3 für das zweite Halbelement 5 auf. Die Bondpads 3 und Anschlusspads 4 können dabei im gleichen Vorgang mit dem Leitermuster 2 erzeugt werden. Weiterhin können die Bondpads 3 und Anschlusspads 4 nach ihrer Erzeugung verstärkt werden, beispielsweise durch Pastenauftrag gemäß Dickschichttechnik. Alternativ können die Bondpads 3 und Anschlusspads 4 auch nach der Erzeugung des streifenförmigen Musters 2 erzeugt werden. Über die Bondpads 3 werden die ersten Halbelemente 2 mit den zweiten Halbelementen 5 verbunden. Dies kann durch Reibschweißen, Thermokompressionsschweißen, Schmelzflussschweißen oder ähnliche Verfahren geschehen. Alternativ können die zweiten Halbelemente 5 analog den ersten Halbelementen 2 aufgetragen werden.

Beim Schweißverfahren haben sich sogenannte Bonddrähte 5 bewährt. Diese sehr dünnen leicht verarbeitungsfähigen Drähte aus Metall, Legierungs-oder Halbleitermaterial unterscheiden sich vorzugsweise deutlich in der thermoelektrischen Wertigkeit von den ersten Thermo- halbelementen 2. Beim Bonden entstehen über die Bondpads 3 vollständige Thermoelemente 8, deren Verkettung wiederum zu Thermosäulen 6 führt. Für das serienmäßige Bonden werden vorzugsweise automatisierte Verbindungstechniken angewendet. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Dünndrahtbonder gemäß http://www.hesse-knipps.com/bonder- dispenser/de/products/automatic-ultrasonic-thin-wire-bonder/. Mehr zu dieser Technik findet sich unter http://www.tzm.de.

SSR/RI/GOI/2006000550 Die Art der Bonddrähte 5, die Länge der Verkettung und die Abstände zwischen den Elementen lassen sich in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung variieren.

Zusätzliche Heizelemente können gleichzeitig mit den ersten Halbelementen 2 aufgetragen werden. Zusätzliche Heizmuster können auf den Substraten 1 auch rückseitig zu den Thermo- säulen 6 angeordnet werden. Heizleiter können auch auf Zwischenschichten über den Thermo- säulen angeordnet werden.

Dadurch lassen sich Temperaturdifferenzen beeinflussen oder aktiv herbeiführen und die Lehre gemäß DE 19846970 C1 nutzen.

Ein auf diese Weise hergestellter Chip 7 wird vorzugsweise noch mit einer Schutzschicht versehen. Beispielsweise wird hierzu eine dünne Glasschicht per Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik aufgetragen. Eine derart dünn aufgetragene Membranschicht ist im Gegensatz zum Substrat 1 nicht selbsttragend.

SSR/RI/GOI/2006000550

Claims

Unser Zeichen: P10470 WO

23. Januar 2006

Patentanmeldung

Heraeus Sensor Technology GmbH und

Vereta GmbH

Thermosäule

Patentansprüche

1. Herstellung einer Thermosäule (6) aus mehreren Thermoelementen (8), dadurch gekennzeichnet, dass auf einem sich selbsttragenden, elektrisch isolierenden Substrat (1) mehrere Leiterbahnen (2) in Dünn- oder Dickschichttechnik aufgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dünne Schicht mittels Resinattechnik oder physikalischer Abscheideprozesse, insbesondere Sputtem oder Dampfen hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturierung der dünnen Schicht mittels fotolithografischer Abbildung der Leiterbahnen und Ätztechnik oder mittels Laserstrukturierung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht als Paste oder Resinat mittels Siebdruckverfahren aufgedruckt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mehrere voneinander isolierte Leiter (2) auf dem Substrat angeordnet werden, insbesondere zebrastreifenförmig.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt Leiter (5) aus einem anderen Material als dem im ersten Schritt verwendeten, auf dem Substrat (1) aufgetragen und mit den im ersten Schritt hergestellten Leiterbahnen (2)

BBβttπaUNONCfB SSRZR₁ZGOIZ₂OO₆OOO₅₅₂ elektrisch kontaktiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im zweiten Schritt auf dem Substrat (1) angeordneten Leiterbahnen (5) mittels Resinattechnik aufgetragen werden oder Bonddrähte (5) an die Leiterbahnen (2) elektrisch angeschlossen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bonddrähte (5) durch Reibschweißen, Thermokompressionsschweißen oder Schmelzflussschweißen mit den Leiterbahnen (2) verbunden werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auftragung der Leiterbahnen (2) erste Thermohalbelemente der Thermosäule (6) gebildet werden.

10. Thermosäulenrohling mit mindestens einer Dünn- oder Dickschichtbeschichtung auf einem elektrisch isolierenden Substrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiterbahnen (2) elektrisch isoliert nebeneinander angeordnet sind.

11. Thermosäulenrohling nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) als parallel nebeneinander angeordnete Streifen angeordnet sind.

12. Thermosäulenrohling nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) an ihren Enden mit Anschlusspads begrenzt sind.

13. Thermosäulenchip (7), umfassend eine Vielzahl von Thermoelementen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Thermoelemente (8) eine auf einem elektrisch isolierenden, selbsttragenden Substrat (1) angeordnete dünne Leiterbahnen (2) aufweisen, die jeweils mit einem Bonddraht (5) oder einer weiteren dünnen auf dem Substrat aufgebrachten Leiterbahn (5) verbunden sind.

14. Verwendung einer Dünn- oder Dickschichtbeschichtung auf einem elektrisch isolierenden Substrat (1), als Rohling für eine Thermosäule aus mehreren Thermoelementen, wobei die Beschichtung eine Anordnung aus mehreren elektrisch isoliert nebeneinander angeordneten Leiterbahnen (2) aufweist und wobei die Leiterbahnen als erste Thermohalbelemente der Thermosäule vorgesehen sind.

SSR/RI/GOI/2006000552