WO2007082795A1 - Piezostack mit neuartiger passivierung - Google Patents

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WO2007082795A1
WO2007082795A1 PCT/EP2007/050073 EP2007050073W WO2007082795A1 WO 2007082795 A1 WO2007082795 A1 WO 2007082795A1 EP 2007050073 W EP2007050073 W EP 2007050073W WO 2007082795 A1 WO2007082795 A1 WO 2007082795A1
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Michael Kaspar
Carsten Schuh
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the present invention relates to a method for the electrical passivation of surfaces of electronic components having electrodes and the correspondingly produced electronic components.
  • Such components may be, for example, multilayer piezo stacks, bending transducers and monolithic piezo components.
  • US 2004/135235 A1 discloses an integrated circuit structure, for example a
  • Semiconductor device having a passivation region having self-passivating copper laser contactor.
  • the laser contactor has passivation areas on open copper surfaces of the contactor.
  • US 5629531 A discloses an arrangement of a silicon carbide device with a thermally generated oxide passivation layer, which is substantially free of a dopant, is highly electrically integrated and has small amounts of aluminum or carbon oxides.
  • the design of known piezoceramic multilayer actuators or multilayer sensors conventionally includes internal electrodes that are completely routed to the stack side surfaces. These internal electrodes have the smallest possible inactive contacting region. Thus, a large part of the lateral actuator / sensor surface is electrically active. This must therefore be electrically passivated for the application, in particular to avoid short circuits. Passivation is conventionally provided by the application of silicone elastomers to the ceramic surface. In particular, the passivation, which corresponds to a provision of electrically inactive side surfaces, proves to be complex to produce in multi-layer piezo stacks. In particular, conventional passivations are thermally and chemically not sufficiently resilient. Further liability is the liability of the passivation on the component ceramic surfaces. Conventionally, the space required for the passivation is large, the heat dissipation performance is small. In particular, when using piezostacks in the automotive sector are not swellable
  • Passivation materials required in conjunction with fuel Another problem associated with the prior art is the passivation of irregularly shaped, rough and uneven surfaces of electrical or electronic components. Further problems arise when several side surfaces of a component to be coated simultaneously. This applies in particular to two opposite side surfaces.
  • a piezoceramic multilayer stack of conventional design for electrical passivation of the side surface is laminated with a plastic film.
  • This plastic film has, for example, an epoxide or polyimide.
  • the electrical contacting is here in particular the Siemens internally known contacting means of planar structures in particular metal structures pointed.
  • the provision of electrical passivation according to the present invention has the following advantages.
  • the provided insulation layer can be provided thermally stable up to about 200 ° C.
  • the materials used are also chemically strong. Applications can be found, for example, in the fuel injection. Due to the lamination process, especially in autoclaves or in high-pressure vacuum presses, a very good adhesion can be provided, in particular on piezoceramic surfaces. Due to the small thickness of the passivation layers produced according to the invention, the necessary space around the passivated component is low. Furthermore, the small thickness of the passivation layer produced causes improved heat dissipation properties, especially in the dynamic operation of actuators or sensors.
  • Piezostacks are coated simultaneously. Likewise, two opposing side surfaces can be laminated in a simple manner by means of a laminating process according to the invention become.
  • the use of conventional inkjet processes is also possible. In this way, a direct structuring of the passivating insulating layers can be carried out. It is advantageous as an insulation, for example, epoxy or polyimide having, plastic film or a
  • electrode areas Prior to applying the insulation, electrode areas, for example by means of Kapton foil or metallic structures, are particularly advantageously covered or sealed in order to prevent the adhesion of the insulation.
  • the production of the openings can be done in a simple manner by mechanical or physical removal of the insulation.
  • Insulating layer printed and cured by means of UV radiation and / or temperature.
  • Electrode regions This conventional methods such as bonding can be avoided and provided in a simple way electrical contacts.
  • the present invention is based on
  • Figure 1 shows a first embodiment of an electrical passivation of a surface of an electrical component
  • Figure 2 shows a second embodiment of a passivation of a side surface of an electronic component
  • Figure 3 shows a third embodiment of an electrical
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of a passivation of a side surface of an electronic component
  • Figure 5 shows an embodiment of an electrically passivated device.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an electrical passivation.
  • necessary contacting areas of an electrical or electronic component in particular a piezo stack, are covered or sealed prior to the application of an insulation applied with a second method step S2 with a first method step S1.
  • the covering can take place, for example, by means of a Kapton foil or by means of metallic structures.
  • the sealing should prevent the adhesion of an insulation provided with the second method step S2 by means of a laminating film. With the sealing can targeted areas of the second Step S2 lamination to be excluded. Non-laminated film surfaces can be removed, for example, by means of mechanical processing with a third method step S3.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an electrical passivation.
  • the passivation layer is structured after the lamination carried out with a first method step S1. This is done with a second
  • Method step S2 by physical removal, for example by means of laser processing after lamination. In this removal or this laser processing contact surfaces are selectively opened.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of an electrical passivation.
  • a pre-structured insulating film is produced by a first method step S1. The structuring is done for example by punching. Thereafter, with a second method step S2, the pre-structured insulating film is laminated onto the side surface of the electronic or electrical component to be passivated.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of an electrical passivation.
  • an insulating layer is printed with a first method step Sl, for example by means of an ink jet method, directly on the surface to be passivated.
  • a second method step S2 the insulation is cured by means of UV radiation or by using a specific temperature range.
  • the openings required for contacting are kept clear. These opening areas are therefore not printed.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of an electrically passivated piezo multilayer stack 1 with side surfaces 2 led out electrodes 3 and an associated passivation layer 4.
  • the passivation layer 4 is provided in the region of the electrodes 3 with openings.
  • the inventive method is not limited to the passivation of piezo multilayer stacks. Other uses can be found in electronic components such as bending transducers or monolithic piezo components. Also encompassed by the scope of protection are all electronic or electrical components produced by the aforementioned methods. The embodiments are merely embodiments and do not limit the scope of the present invention.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die elektrische Passivierung Elektroden aufweisende Oberflächen eines elektronischen Bauelements. Die Passivierung soll auf eine einfache und wirksame Weise erfolgen sowie in chemisch und thermisch ungünstigen Umgebungen stabil sein. Zur Passivierung wird eine beispielsweise aus Epoxid besehende Kunststoff folie auf die Oberfläche auf laminiert. Anwendungen finden sich beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzungen.

Description

Beschreibung
Piezostack mit neuartiger Passivierung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Passivierung von Elektroden aufweisenden Flächen elektronischer Bauelemente und die entsprechend hergestellten elektronischen Bauelemente. Derartige Bauelemente können beispielsweise Vielschicht-Piezostacks, Biegewandler und monolithische Piezo-Bauelemente sein.
Die US 2004/135235 Al offenbart eine integrierte Schaltungsstruktur, beispielsweise eine
Halbleitervorrichtung, mit einem einen Passivierungsbereich aufweisenden selbst passivierenden Kupferlaserschütz. Der Laserschütz weist Passivierungsbereiche auf offenen Kupferoberflächen des Schützes auf.
Die US 5629531 A offenbart eine Anordnung einer Siliziumkarbidvorrichtung mit einer thermisch erzeugten Oxidpassivierungsschicht, die weitgehend frei von einem Dotierstoff ist, elektrisch hoch integriert ist und kleine Mengen Aluminium oder Kohlenstoffoxide aufweist.
Aufgrund der gegebenen Performance-Anforderungen beinhaltet das Design bekannter piezokeramischer Multilayer-Aktoren oder Multilayer-Sensoren herkömmlicher Weise Innenelektroden, die vollständig zu den Stack-Seitenflächen geführt werden. Diese Innenelektroden weisen einen möglichst klein gehaltenen inaktiven Kontaktierungsbereich auf. Damit ist ein Großteil der seitlichen Aktor/Sensor-Oberfläche elektrisch aktiv. Dieser muss deshalb für die Anwendung elektrisch passiviert sein, um insbesondere Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Passivierung wird herkömmlicher Weise durch das Aufbringen von Silikon-Elastomeren auf die Keramikoberfläche bereitgestellt . Insbesondere die Passivierung, die einer Bereitstellung von elektrisch inaktiven Seitenflächen entspricht, erweist sich bei Vielschicht-Piezostacks als aufwändig herstellbar. Insbesondere sind herkömmliche Passivierungen thermisch und chemisch nicht ausreichend belastbar. Weitere Probleme bereitet die Haftung der Passivierung auf den Bauelement- Keramik-Oberflächen. Herkömmlicherweise ist der Raumbedarf für die Passivierung groß, die Wärmeableitungsleistung ist klein. Insbesondere bei der Verwendung von Piezostacks im Automobilbereich sind nicht quellbare
Passivierungsmaterialien in Verbindung mit Kraftstoff erforderlich. Weiterhin problematisch gemäß dem Stand der Technik ist die Passivierung unregelmäßig geformter, rauer und unebener Flächen von elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelementen. Weitere Probleme ergeben sich, wenn mehrere Seitenflächen eines Bauelements gleichzeitig beschichtet werden sollen. Dies betrifft insbesondere zwei gegenüber liegende Seitenflächen.
Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf eine einfache und wirksame Weise Flächen eines elektrischen Bauelements, insbesondere Seitenflächen eines Vielschicht- Piezostacks, eines Biegewandlers oder eines monolithischen Piezo-Bauelements, elektrisch zu passivieren. Es soll die Verwendung in chemisch und thermisch ungünstigen Umgebungen sicher gestellt sein.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Ein Aufbringen einer elektrischen Isolierung auf die Fläche des elektronischen Bauelements, sowie ein Erzeugen von Öffnungen in der Isolierung im Bereich von Elektroden kann in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Ebenso ist ein gleichzeitiges Aufbringen bei gleichzeitigem Freilassen von Öffnungen möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere auf einen piezokeramischen Multilayerstack herkömmlicher Bauart zur elektrischen Passivierung der Seitenfläche eine Kunststofffolie auflaminiert . Diese Kunststofffolie weist beispielsweise ein Epoxid beziehungsweise Polyimid auf. Mit Bezug auf die elektrische Kontaktierung wird hier insbesondere auf das Siemens-intern bekannte Kontaktieren mittels planarer Strukturen insbesondere Metallstrukturen hingewiesen .
Die Bereitstellung einer elektrischen Passivierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgende Vorteile auf. Die bereitgestellte Isolationsschicht kann bis ca. 200° C thermisch stabil bereitgestellt werden. Die verwendeten Materialien sind ebenso chemisch stark belastbar. Anwendungen finden sich beispielsweise bei der Kraftstoffeinspritzung. Aufgrund des Laminierprozesses, insbesondere in Autoklaven oder in Hochdruck-Vakuumpressen, kann eine sehr gute Haftung insbesondere auf Piezokeramik-Oberflachen bereitgestellt werden. Aufgrund der geringen Dicke der erfindungsgemäß erzeugten Passivierungsschichten ist der notwendige Raum um das passivierte Bauelement gering. Weiterhin bewirkt die geringe Dicke der erzeugten Passivierungsschicht verbesserte Wärmeableitungseigenschaften, insbesondere bei dem dynamischen Betrieb von Aktoren oder Sensoren. Insbesondere bei der Verwendung im Bereich der Automobiltechnik, im Zusammenhang mit Kraftstoffen können auch chemisch stabile, insbesondere nicht quellbare Passivierungsmaterialien verwendet werden. Aufgrund der neuartigen Passivierungsverfahren können insbesondere unregelmäßig geformte, raue beziehungsweise unebene oder andersartig mit ungünstigen Oberflächen bereitgestellte Flächen insbesondere von Piezostacks passiviert werden. Ebenso können Kunststoffschlauche verwendet werden, die eine gleichzeitige Beschichtung von vier Seitenflächen insbesondere eines
Piezostacks gleichzeitig beschichtet werden. Ebenso können mittels eines erfindungsgemäßen Laminierprozesses zwei gegenüberliegende Seitenflächen auf einfache Weise laminiert werden. Der Einsatz von herkömmlichen Inkjetverfahren ist ebenso möglich. Auf diese Weise ist eine Direktstrukturierung der passivierenden Isolierschichten ausführbar. Vorteilhaft wird als Isolierung eine, beispielsweise Epoxid oder Polyimid aufweisende, Kunststoff-Folie oder ein
Kunststoff-Schlauch auflaminiert . Damit können auf besonders einfache Weise die vorstehend genannten Vorteile bewirkt werden .
Vor dem Aufbringen der Isolierung werden besonders vorteilhaft Elektrodenbereiche, beispielsweise mittels Kaptonfolie oder metallischen Strukturen, zur Verhinderung der Haftung der Isolierung abgedeckt oder versiegelt.
Das Erzeugen der Öffnungen kann auf einfache Weise durch mechanisches oder physikalisches Abtragen der Isolierung erfolgen .
Besonders vorteilhaft wird auf einfache Weise als Isolierung, beispielsweise mittels eines Tintenstrahlverfahrens, eine
Isolierschicht aufgedruckt und mittels UV-Strahlung und/oder Temperatur ausgehärtet .
Zur Isolierung gegenüber Kraftstoffen können besonders physikalisch und chemisch stabile Materialen verwendet werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt nach dem Aufbringen der elektrischen Isolierung und nach dem Erzeugen der Öffnungen ein flächiges elektrisches Kontaktieren der
Elektrodenbereiche. Damit können herkömmliche Verfahren wie beispielsweise Bonden vermieden werden und auf einfache Weise elektrische Kontaktierungen bereit gestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das flächige elektrische Kontaktieren unter Verwendung eines flexiblen Leadframes erfolgt . Der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung umfasst ebenso jedes elektronische Bauelement, dass nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Verfahrensansprüche erzeugt wurde .
Die vorliegende Erfindung wird anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung einer Oberfläche eines elektrischen Bauelements;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements;
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen
Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements;
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch passivierten Bauelements.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Dabei werden mit einem ersten Verfahrensschritt Sl notwendige Kontaktierungsbereiche eines elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelements, insbesondere eines Piezostacks, vor dem Aufbringen einer mit einem zweiten Verfahrensschritt S2 aufgebrachten Isolierung abgedeckt oder versiegelt. Das Abdecken kann beispielsweise mittels einer Kaptonfolie oder mittels metallischer Strukturen erfolgen. Das Versiegeln soll die Haftung einer mit dem zweiten Verfahrensschritt S2 mittels einer Laminierfolie bereitgestellten Isolierung verhindern. Mit dem Versiegeln können gezielt Bereiche von der mit dem zweiten Verfahrensschritt S2 erfolgenden Laminierung ausgeschlossen werden. Nicht laminierte Folienflächen können beispielsweise mittels mechanischer Bearbeitung mit einem dritten Verfahrensschritt S3 abgetragen werden.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nach dem mit einem ersten Verfahrensschritt Sl erfolgenden Auflaminieren die Passivierungsschicht strukturiert. Dies erfolgt mit einem zweiten
Verfahrensschritt S2 durch physikalisches Abtragen beispielsweise mittels Laserbearbeitung nach der Laminierung. Bei diesem Abtragen beziehungsweise dieser Laserbearbeitung werden Kontaktflächen gezielt geöffnet.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird mit einem ersten Verfahrensschritt Sl eine vorstrukturierte Isolierfolie erzeugt. Die Strukturierung erfolgt beispielsweise durch Stanzen. Danach erfolgt mit einem zweiten Verfahrensschritt S2 ein Auflaminieren der vorstrukturierten Isolierfolie auf die zu passivierende Seitenfläche des elektronischen beziehungsweise elektrischen Bauelements .
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Isolierschicht mit einem ersten Verfahrensschritt Sl, beispielsweise mittels eines Ink jet-Verfahrens, direkt auf die zu passivierende Oberfläche aufgedruckt. Danach erfolgt mit einem zweiten Verfahrensschritt S2 ein Aushärten der Isolierung mittels UV-Strahlung oder mittels Nutzung eines bestimmten Temperaturbereichs. Die für die Kontaktierung erforderlichen Öffnungen werden frei gehalten. Diese Öffnungsbereiche werden also nicht bedruckt.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch passivierten Piezo-Multilayerstacks 1 mit an Seitenflächen 2 herausgeführten Elektroden 3 und einer dazugehörigen Passivierungsschicht 4. Die Passivierungsschicht 4 ist im Bereich der Elektroden 3 mit Öffnungen bereitgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Passivierung von Piezo-Multilayerstacks beschränkt. Weitere Verwendungsmöglichkeiten finden sich bei elektronischen Bauelementen wie Biegewandlern oder monolithischen Piezobauelementen . Vom Schutzumfang ebenso umfasst sind sämtliche mit den vorstehend genannten Verfahren erzeugten elektronischen oder elektrischen Bauelemente. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich Ausführungsformen und beschränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur elektrischen Passivierung mindestens einer mindestens eine Elektrode aufweisenden Fläche eines elektronischen Bauelementes, insbesondere eines Vielschicht- Piezostacks, eines Biegewandlers oder eines monolithischen Piezobauelements, gekennzeichnet durch in der Schrittfolge beliebiges aufeinander folgendes oder gleichzeitiges -Aufbringen einer elektrischen Isolierung auf die Fläche des elektronischen Bauelements,
-Erzeugen von Öffnungen in der Isolierung im Bereich der Elektroden .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierung eine, beispielsweise Epoxid oder Polyimid aufweisende, Kunststoff-Folie oder ein Kunststoff-Schlauch auflaminiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Isolierung, Elektrodenbereiche, beispielsweise mittels Kaptonfolie oder metallischen Strukturen, zur Verhinderung der Haftung der Isolierung abgedeckt oder versiegelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Öffnungen durch mechanisches oder physikalisches Abtragen der Isolierung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierung, beispielsweise mittels eines
Tintenstrahlverfahrens, eine Isolierschicht aufgedruckt und mittels UV-Strahlung und/oder Temperatur ausgehärtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung gegenüber Kraftstoffen physikalisch und chemisch stabil ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der elektrischen Isolierung und nach dem Erzeugen der Öffnungen ein flächiges elektrisches Kontaktieren der Elektrodenbereiche erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige elektrische Kontaktieren mittels eines flexiblen Leadframes erfolgt.
9. Elektronisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wurde.
PCT/EP2007/050073 2006-01-11 2007-01-04 Piezostack mit neuartiger passivierung WO2007082795A1 (de)

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