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Piezostack mit neuartiger Passivierung - Dokument DE102006002695A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006002695A1 09.08.2007
Titel Piezostack mit neuartiger Passivierung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Kaspar, Michael, 85640 Putzbrunn, DE;
Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 19.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002695
Offenlegungstag 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20060119, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 2/04(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   H01L 23/28(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   H01L 41/083(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   H01L 41/047(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft die elektrische Passivierung von Elektroden aufweisenden 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 bestehende Kunststofffolie auf die Oberflächen auflaminiert. Anwendungen finden sich beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzungen.

Beschreibung[de]

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 A1 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-Oberflächen 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 Kunststoffschläuche 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 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung einer Oberfläche eines elektrischen Bauelements;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements;

3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements;

4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Passivierung einer Seitenfläche eines elektronischen Bauelements

5 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch passivierten Bauelements.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Dabei werden mit einem ersten Verfahrensschritt S1 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.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nach dem mit einem ersten Verfahrensschritt S1 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.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird mit einem ersten Verfahrensschritt S1 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.

4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Passivierung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Isolierschicht mit einem ersten Verfahrensschritt S1, beispielsweise mittels eines Inkjet-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.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch passivierten Piezo-Multilayerstacks 1 mit an Seitenflächen 2herausgeführten 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.


Anspruch[de]
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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolierung eine, beispielsweise Epoxid oder Polyimid aufweisende, Kunststoff-Folie oder ein Kunststoff-Schlauch auflaminiert wird. 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. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Öffnungen durch mechanisches oder physikalisches Abtragen der Isolierung erfolgt. 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. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung gegenüber Kraftstoffen physikalisch und chemisch stabil ist. 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. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige elektrische Kontaktieren mittels eines flexiblen Leadframes erfolgt. Elektronisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wurde.






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