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Dokumentenidentifikation DE102004057795B4 28.12.2006
Titel Kontaktierung von Vielschicht-Piezoaktoren bzw. -sensoren
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Kaspar, Michael, 85640 Putzbrunn, DE;
Magori, Erhard, Dr., 85622 Feldkirchen, DE;
Weinke, Robert, 81825 München, DE
DE-Anmeldedatum 30.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004057795
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse H03H 9/15(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegend Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren.

Herkömmlicher Weise bestehen Piezostacks aus vielen einzelnen Aktor- oder Sensor-Schichten. Der Aufbau ist mit Keramikkondensatoren vergleichbar. Zunächst werden an je einer Kante des Aktors/Sensors alle Elektroden eines Poles miteinander durch einen aufgedruckten Metallstreifen verbunden. Beim Kondensator kann nun auf diesen Kontakt die Anschlussleitung gelötet werden. Da der Aktor/Sensor jedoch seine Länge verändert, entstehen Spannungsrisse in den kontaktierten Bereichen. Dadurch wird die Kontaktierung unterbrochen. Um Piezostacks zu kontaktieren wird deshalb an möglichst vielen Stellen die Kontaktierung mit den Anschlussleitungen flexibel verbunden. Dazu wird derzeit eine so genannte Drahtharfe aus vielen Einzeldrähten auf die Stackelektroden und Anschlussleitungen gelötet. Um diese Drahtharfe und die Aktor- bzw. Sensorelektroden voneinander zu isolieren, wird der Aktor/Sensor mit Isolationsmaterial beschichtet. Anschließend wird der Aktor/Sensor nochmals durch einen elastischen Verguss verpackt, um die Anschlussleitungen zu stabilisieren und die Drahtharfe zu schützen.

Nachteilig ist, dass durch die Aktor- bzw. Sensor-Längenveränderungen erzeugte Spannungsrisse in den kontaktierten Bereichen nicht vollständig ausgeschlossen werden können.

Die DE 196 48 545 A1 offenbart eine Außenelektrode für einen monolithischen Vielschichtaktor. Gemäß dieser Offenbarung ist zwischen einer Grundmetallisierung und elektrischen Anschlusselementen eines monolithischen Vielschichtaktors eine dreidimensional strukturierte, elektrisch leitende Elektrode angeordnet, die über partielle Kontaktstellen mit der Grundmetallisierung verbunden ist und zwischen den Kontaktstellen dehnbar ausgebildet ist.

Die US 5 920 972 offenbart ein Anschlussverfahren einer Mehrschichtwandleranordnung. Gemäß dem hier dargestellten Verfahren werden Anschlüsse für eine Anordnung mit Mehrschichtwandlerelementen eines Ultraschallwandlers mit folgenden Schritten erzeugt. Es wird ein elektrisch leitendes Material auf einem Substrat in einem Muster erzeugt, das Leiterbahnen entsprechend der Anordnung der Mehrschichtwandlerelemente umfasst. Es wird zumindest ein Bereich des Substrats entfernt, wobei das Muster aus elektrisch leitendem Material erhalten bleibt. Es entsteht ein breiter Bereich des Musters, der von dem Substrat nicht mehr gestützt wird. Dieser Bereich des Musters ist damit als einander gegenüber liegende bloß gestellte erste und zweite Oberfläche erzeugt. Zumindest ein Abschnitt des freigelegten Bereiches wird zwischen ersten und zweiten piezoelektrischen Schichten des Wandlers derart angeordnet, dass die ersten und zweiten Oberflächen des Musters jeweils die ersten und zweiten piezoelektrischen Schichten kontaktieren. Danach erfolgt die Ausbildung einer länglichen Nut und es werden die Wandlerelemente in Quader eingeteilt. Eine entsprechende Maschine schneidet sowohl die erste piezoelektrische Schicht als auch den breiten Bereich des leitenden Materials durch.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kontaktierung von Piezo-Stapelaktoren (Piezostacks) preisgünstig und zuverlässig bereit zu stellen. Piezos sollen insbesondere im Fall von Aktoren sicher mit einer elektrischen Leistungsversorgungsvorrichtung und im Fall von Sensoren sicher mit einer Signalerfassungsvorrichtung elektrisch verbunden sein.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Die Kontaktierung erfolgt durch einen flexiblen Leiterrahmen bzw. Leadframe mit freitragenden oder freiliegenden Anschlüssen.

Ein Piezostack besteht dabei aus einer Mehrzahl aufeinander gestapelter Aktor- oder Sensor-Schichten mit Elektroden, die mittels eines flexiblen, insbesondere TAB-(tape-automated bonding), Leadframes in Form von Leiterstrukturen auf einer Isolierfolie mit freitragenden Leiterstrukturbereichen über Öffnungen der Isolierfolie kontaktiert sind. Unter den Elektroden des Piezostacks werden hier die Stellen jedes Piezos verstanden, die mit den freitragenen Leiterstrukturen, insbesondere mittels eines Verbindungsmaterials kontaktiert sind. Eine Elektrode grenzt dabei entweder an einen positiv oder einen negativ gepolten Bereich eines Piezos an. Elektroden sind Piezostack-Kontaktierungen.

Diese vorteilhafte Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Kontaktierung einzelner Stackelektroden. Dadurch werden passive Bereiche auf der Piezooberfläche vermieden und der Wirkungsgrad erhöht. Zusätzlich kann die Kontaktierung beider Pole von einer Seite erfolgen (Einsparung von Kosten/Arbeitsschritten).

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind alle Elektroden des Piezostacks auf einer Seite des Piezostacks angeordnet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Piezos derart gestapelt, dass Bereiche gleicher Polung aneinander anliegen und in deren Übergangsbereich eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem elektrischen Pol eine mäanderförmige Leiterstruktur zugeordnet, die zueinander parallel verlaufen. Damit wird auf vorteilhafte Weise jeder Piezo bzw. jede Piezoschicht direkt mit dem Pluspol und dem Minuspol verbunden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leadframe mit der Seite seiner Isolierfolie auf dem Piezostack fixiert. Dadurch sind die Leiterstrukturen auf einfache Weise zu den Piezos im Bereich außerhalb der Elektroden elektrisch isoliert. Die Leadframefolie sollte dünn sein, damit die Distanz zwischen freitragenden Bereichen der Leiterstrukturen und den Elektroden einfacher durch Verbindungsmaterial überbrückt werden kann.

Unter Isolierfolie wird durchgängig elektrisch nicht leitende Folie verstanden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leadframe mit der Seite der Leiterstrukturen auf dem Piezostack fixiert, wobei zwischen Leiterstrukturen und den Piezos eine zusätzliche Isolierung zur Vermeidung von Kurzschlüssen ausgebildet ist. Damit ist die Distanz der freitragenden Bereiche der Leiterstrukturen zu den Elektroden verringert. D.h. leitfähiges Verbindungsmaterial muss lediglich eine relativ kurze Distanz überbrücken.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Leiterstrukturen, optional über den Stack hinaus geführte, Anschlussflächen für Zuleitungen, insbesondere zu einer Leistungsversorgung oder zu einer Signalerfassung, auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leiterstrukturen mit Elektroden und Zuleitungen mittels leitfähiger Verbindungsmaterialien kontaktiert.

Bei einem Verfahren zur Kontaktierung von Piezostacks, wird ein flexibler Leadframe, insbesondere TAB-Leadframe, erzeugt, der Leiterstrukturen auf einer Isolierfolie und der elektrischen Verbindung mit den Elektroden dienenden freitragende Bereiche der Leiterstrukturen über Öffnungen der Isolierfolie aufweist, und dessen Positionen der freitragenden Bereiche an die Positionen der zu kontaktierenden Elektroden angepasst sind. Danach erfolgt die Aufbringung von Verbindungsmaterial, beispielsweise von Lotballs oder Lotpaste auf die zu kontaktierenden Elektroden, das Positionieren des Leadframes auf den Elektroden, die Aktivierung des Verbindungsmaterials durch Löten, beispielsweise Bügellöten oder Reflowlöten. Abschließend erfolgt das Anbringen von elektrischen Zuleitungen an dem Leadframe, insbesondere zu einer Leistungsversorgung oder Signalerfassung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden beim Erzeugen des Leadframes die freitragenden Leiterstrukturen mit einer lötbaren Oberfläche versehen. Dies vereinfacht die Kontaktierung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungsmaterial Lotball, Lotpaste, leitfähiger Kleber und/oder ein ACA (anisotropic conductive adhesive).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Aktivierung des Verbindungsmaterials mittels Löten, z.B. Bügellöten oder Reflowlöten, bewirkt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Anbringen von elektrischen Zuleitungen an dem Leadframe mittels Schweißen, Bonden, Löten, Kleben mit Leitkleber, Klemmen oder Direktstecker.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird auf der Leiterstrukturseite des Leadframes und/oder auf der die Elektroden aufweisenden Seite des Piezostacks eine zusätzliche Isolierung erzeugt. Diese ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Leadframe mit der Seite der Leiterstrukturen auf die Elektrodenseite des Stacks aufgebracht wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich eine Außenisolierung, ein Vibrationsschutz und/oder eine Zugentlastung mittels Tauchlackierung, Sprühlackieren, (Vakuum-)Verguss oder Spritzguss erzeugt. Zugentlastungen dienen beispielsweise der Sicherstellung der elektrischen Verbindung von Zuleitungen und Leiterstrukturen.

Vorteile der vorliegenden Erfindung:

  • – Auf das Anbringen des aufgedruckten Metallstreifens kann verzichtet werden.
  • – Das Verfahren erlaubt sehr große Gestaltungsfreiheit.
  • – Die Isolation des Stacks wird wesentlich dünner (je nach eingesetzter TAB-Folie).
  • – Die Wärmeableitung wird verbessert.
  • – Das Verfahren ist prozesssicher.
  • – Ein Großteil des Verfahren erfolgt automatisiert im Rollto-Roll-Prozess.
  • – Durch die Gestaltungsfreiheit kann die Stabilität erhöht werden:

    • Definition von gewollten Rissstellen oder

    • spannungsoptimiertes rissfreies Design
  • – Einzelne Elektroden können kontaktiert werden unter Vermeidung passiver Bereiche im Stack. Somit werden Spannungsrisse durch passive Bereiche ausgeschlossen. Die Elektroden des Stacks brauchen nicht strukturiert hergestellt werden.
  • – Erhöhter Wirkungsgrad, da die gesamte Aktorfläche aktiv ist und auf passive Bereiche verzichtet werden kann.
  • – Das Verfahren ermöglicht die Kontaktierung beider Pole auf einer Seite. Damit entfallen Prozesskosten für zweiseitige Bearbeitung.
  • – Alle Prozesse sind großserientauglich.
  • – Die elektrische Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit werden erhöht und genauer definiert.
  • – Die verbesserte Eigenschaften ermöglichen den Einsatz kleinerer Stacks und somit Kosteneinsparung.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Leadframe 1 auf einem Piezostack 2 positioniert ist.

Der flexible Leadframe 1 weist Leiterstrukturen 4 auf einer Isolierfolie 6 auf und ist über Öffnungen 8 der Isolierfolie 6 erzeugte freitragende oder freiliegende Bereiche 3 der Leiterstrukturen 4 mit Elektroden 5 des Piezostacks 2 elektrisch verbunden. Die Leiterstrukturen 4 sind hier flächige Leiterbahnen. Öffnungen 8 sind streifenförmige Aussparungen der Isolierfolie 6. Diese Kanäle liegen zueinander parallel und ergeben sich aus den Positionen der Elektroden 5 des Piezostacks 2. Andere Formen von Öffnungen 8 sind ebenso möglich. Die Mäanderform der Leiterbahnen dient einer optimalen Kontaktierung bei guter Isolierung und ist der Piezodicke angepasst (beispielsweise liegt die Piezodicke bei 50 bis 100 &mgr;m). Als Leitermaterial eignen sich z.B. Kupfer oder Aluminium. Die Isolierfolie 6 besteht beispielsweise aus einem Polymer.

Zunächst können folgende Aufbauschritte durch geführt werden:

  • 1. Aufbau eines TAB-Leadframe 1 mit alternierenden freitragenden Anschlussbeinchen bzw. freitragende Bereiche 3 der Leiterstrukturen 4 im Raster der Piezostacks 2. Optional können die Anschlussbeinchen 3 (oder auch als Anschlussfähnchen 3 bezeichnet) mit einer lötbaren Oberfläche versehen werden.
  • 2. Aufbringen von Lotballs oder Lotpaste an den Piezostacks-Kontaktierungen bzw. Elektroden 5.
  • 3. Positionieren des Leadframe 1 und Lötung durch zum Beispiel Bügellöten oder Reflowlöten.

Der Leadframe 1 kann auf zwei Arten positioniert sein. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 erfolgt eine Positionierung des Leadframes 1 mit den Anschlussbeinchen 3 auf der dem Stack 2 abgewandten Seite. Der Leadframe liegt mit seiner Isolierfolie 6 an der die Elektroden 5 aufweisenden Seite des Stacks 2 an. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine möglichst dünne Leadframefolie 6 erforderlich, um die Distanz der Anschlussbeinchen 3 zum Stack 2 gering zu halten. Diese Distanz muss über eine entsprechende Höhe an leitfähigem Verbindungsmaterial (Lotball, Lotpaste, leitfähiger Kleber, ACA etc.) überbrückt werden. Die Isolierung der Leiterstrukturen 4 zum Stack erfolgt über das Trägermaterial, d.h. die Isolierfolie 6, des Leadframe 1.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 erfolgt die Positionierung des Leadframes 1 mit den Anschlussbeinchen 3 zum Stack 2 hin. D.h. der Leadframe 1 liegt mit der Seite der Leiterstrukturen 4 an der die Elektroden 5 aufweisenden Seite des Piezostacks 2 an. Erforderlich ist eine Isolierung 7 der Leiterstrukturen 4 um einen Kurzschluss zwischen den Polen zu vermeiden. Diese Isolierung 7 kann während des Leadframeprozesses aufgebracht werden oder der Piezostack 2 kann die Isolierung 7 aufweisen. Die Verbindung wird erneut über ein leitfähiges Verbindungsmaterial hergestellt (Lotball, Lotpaste, leitfähiger Kleber). Alternativ kann über eine ACA-Verklebung (anisotropic conductive adhesive) die Isolierung und gleichzeitige Kontaktierung erfolgen.

Als 4. und letzter Aufbauschritt erfolgt das Anbringen beliebiger Zuleitungen, zum Beispiel durch Schweißen, Bonden, Löten, Kleben mit Leitkleber, Klemmen oder Direktstecker. Optional kann eine Außenisolierung, ein Vibrationsschutz und/oder eine Zugentlastung mit geeigneten Verfahren (Tauchlackierung, Sprühlackieren, (Vakuum-)Verguss, Spritzguss etc.) erzeugt sein. Dieser Verfahrensschritt wird, ebenso wie die Verfahrensschritte 1 und 2, bei beiden Ausführungsbeispielen gleich ausgeführt.

Gemäß beiden Ausführungsbeispielen weisen die Leiterstrukturen 4 einen mäanderförmigen Verlauf auf und verlaufen zueinander parallel.


Anspruch[de]
Piezostack (2) bestehend aus einer Mehrzahl aufeinander gestapelter Aktor- oder Sensor-Schichten mit Elektroden (5) (Piezostack (2) -Kontaktierungen), wobei ein flexibler Leadframe (1) mit den Elektroden (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Leadframe (1) Leiterstrukturen (4) auf einer Isolierfolie (6) aufweist und über Öffnungen (8) der Isolierfolie (6) erzeugte freitragende Bereiche (3) der Leiterstrukturen (4) mit den Elektroden (5) elektrisch verbunden ist. Piezostack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektroden (5) auf einer Seite des Piezostacks (2) angeordnet sind. Piezostack nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezos derart gestapelt sind, dass Bereiche (3) gleicher Polung aneinander anliegen und in deren Übergangsbereich eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist. Piezostack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem elektrischen Pol eine mäanderförmige Leiterstruktur zugeordnet ist, die zueinander parallel verlaufen. Piezostack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leadframe (1) mit der Seite der Isolierfolie (6) auf dem Piezostack (2) fixiert ist. Piezostack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leadframe (1) mit der Seite der Leiterstrukturen (4) auf dem Piezostack (2) fixiert ist und zwischen Leiterstrukturen (4) und den Piezos eine Isolierung (7) ausgebildet ist. Piezostack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen (4), optional über den Piezostack (2) hinaus geführte, Anschlussflächen (9) für Zuleitungen, insbesondere zu einer Leistungsversorgung oder zu einer Signalerfassung, aufweisen. Piezostack nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen (4) mit Elektroden (5) und Zuleitungen mittels leitfähiger Verbindungsmaterialien kontaktiert sind. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Piezostacks (2), bestehend aus einer Mehrzahl aufeinander gestapelter Aktor- oder Sensor-Schichten mit Elektroden (5) (Piezostack (2) -Kontaktierungen),

gekennzeichnet durch

– Erzeugen eines an die Positionen der zu kontaktierenden Elektroden (5) angepassten Leadframes (1) in Form von Leiterstrukturen (4) auf einer Isolierfolie (6) mit freitragenden Leiterstrukturbereichen (3) über Öffnungen (8) der Isolierfolie (6),

– Aufbringung von leitfähigem Verbindungsmaterial auf die zu kontaktierenden Elektroden (5),

– Positionieren der freitragenden Leiterstrukturbereiche (3) des Leadframes (1) auf den Elektroden (5),

– Aktivierung des Verbindungsmaterials.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen des Leadframes (1) die freitragenden Leiterstrukturen (4) mit einer lötbaren Oberfläche versehen werden. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial Lotball, Lotpaste, leitfähiger Kleber und/oder ein ACA (anisotropic conductive adhesive) ist. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Verbindungsmaterials mittels Löten, z.B. Bügellöten oder Reflowlöten, bewirkt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringen von elektrischen Zuleitungen an dem Leadframe (1) mittels Schweißen, Bonden, Löten, Kleben mit Leitkleber, Klemmen oder Direktstecker erfolgt. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterstrukturseite des Leadframes (1) und/oder auf der die Elektroden (5) aufweisenden Seite des Piezostacks (2) eine zusätzliche Isolierung (7) erzeugt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Außenisolierung, ein Vibrationsschutz und/oder eine Zugentlastung mittels Tauchlackierung, Sprühlackieren, (Vakuum-)Verguss oder Spritzguss erzeugt wird.






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