DE102015222500A1 - Connection technology for the construction of a current and battery sensor - Google Patents
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Abstract
Strom- und/oder Spannungssensor, umfassend zumindest einen Shunt (1) und wenigstens ein Elektronikbauteil (2), welches mit dem Shunt (1) elektrisch kontaktiert ist oder welches mit dem Shunt (1) mittels eines Verdrahtungsträgers (3) kontaktiert ist, wobei wenigstens eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Shunt (1) und dem Verdrahtungsträger (3) und/oder zwischen dem Shunt (1) und dem Elektronikbauteil (2) eine silberhaltige Sinterschicht (4) umfasst.Current and / or voltage sensor, comprising at least one shunt (1) and at least one electronic component (2), which is electrically contacted with the shunt (1) or which is contacted with the shunt (1) by means of a wiring substrate (3) at least one electrical contact between the shunt (1) and the wiring carrier (3) and / or between the shunt (1) and the electronic component (2) comprises a silver-containing sintered layer (4).
Description
Die Erfindung betrifft einen Strom- und/oder Spannungssensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren. The invention relates to a current and / or voltage sensor according to the preamble of claim 1 and a manufacturing method.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde Strom- und/oder Spannungssensor bzw. ein Herstellungsverfahren für einen solchen Sensor vorzuschlagen, der eine relativ große Robustheit aufweist und/oder relativ kostengünstig ist.The invention is based on the object of proposing current and / or voltage sensor or a production method for such a sensor, which has a relatively high robustness and / or is relatively inexpensive.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Stromund/oder Spannungssensor nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 17.This object is achieved by the current and / or voltage sensor according to claim 1 and by the method according to claim 17.
Unter dem Begriff Shunt wird bevorzugt ein elektrischer Leistungswiderstand zum Messen verstanden. Der Leistungswiderstand ist dabei insbesondere aus einer Kupferlegierung ausgebildet.The term shunt is preferably understood to mean an electrical power resistor for measuring. The power resistor is formed in particular of a copper alloy.
Der Shunt weist zweckmäßigerweise zwei Kontakte bzw. Kontaktenden bzw. Anschlussenden auf.The shunt expediently has two contacts or contact ends or connection ends.
Unter der Formulierung zumindest teilweise wird vorzugsweise verstanden, dass ein Sachverhalt teilweise oder vollständig vorliegt.The wording, at least in part, preferably means that the facts are partially or completely present.
Das wenigstens eine Elektronikbauteil und/oder der Verdrahtungsträger ist vorzugsweise ausschließlich mittels der einen oder mehreren elektrischen Kontaktierungen, umfassend jeweils eine silberhaltige Sinterschicht, mit dem Shunt verbunden. Ein Kunststoffgehäuse, in das Teile des Sensors eingebettet sind, zählt diesbezüglich nicht zur mechanischen Befestigung.The at least one electronic component and / or the wiring carrier is preferably connected to the shunt exclusively by means of the one or more electrical contacts, each comprising a silver-containing sintered layer. A plastic housing in which parts of the sensor are embedded, does not count in this regard for mechanical fastening.
Es ist bevorzugt, dass die elektrische Kontaktierung, umfassend die silberhaltige Sinterschicht, gleichzeitig die Eigenschaft einer mechanischen Befestigung aufweist.It is preferred that the electrical contacting, comprising the silver-containing sintered layer, simultaneously has the property of a mechanical attachment.
Vorzugsweise umfasst der Sensor wenigstens einen Chip als Elektronikbauteil, wobei der Chip insbesondere eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist.Preferably, the sensor comprises at least one chip as an electronic component, the chip in particular having a signal processing circuit.
Der Verdrahtungsträger ist vorzugsweise als Leadframe oder als Leiterplatte ausgebildet.The wiring carrier is preferably designed as a leadframe or as a printed circuit board.
Es ist bevorzugt, dass der Shunt teilweise sowie das Elektronikbauteil und/oder der Verdrahtungsträger gemeinsam in ein Kunststoffgehäuse eingebettet sind. Dieses Kunststoffgehäuse ist dabei insbesondere das einzige Kunststoffgehäuse des Sensors und zumindest das Elektronikbauteil und der Shunt sind direkt, insbesondere ohne ein Zwischengehäuse, in dieses einzige Kunststoffgehäuse zumindest teilweise eingebettet.It is preferred that the shunt partially and the electronic component and / or the wiring carrier are embedded together in a plastic housing. This plastic housing is in particular the only plastic housing of the sensor and at least the electronic component and the shunt are directly, in particular without an intermediate housing, at least partially embedded in this single plastic housing.
Es ist zweckmäßig, dass das Kunststoffgehäuse aus einem Thermoplast als Kunststoffmaterial ausgebildet ist und dabei insbesondere aus Polyamid oder aus Polybutylenterephthalat als Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass das Kunststoffmaterial des Kunststoffgehäuses einen Glasfaseranteil bezogen auf die Masse aufweist, der zwischen 15% und 60%, insbesondere zwischen 15% und 30%, ausgebildet ist. It is expedient that the plastic housing is formed from a thermoplastic as a plastic material and is formed in particular of polyamide or polybutylene terephthalate as a plastic material. It is particularly preferred that the plastic material of the plastic housing has a glass fiber content based on the mass, which is between 15% and 60%, in particular between 15% and 30%.
Das Kunststoffmaterial weist alternativ bevorzugt Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat oder Polyphenylensulfid und Polytetrafluorethylen auf, jeweils mit einer Glasfaserverstärkung mit einem Massenanteil von 25%–43%.Alternatively, the plastic material preferably comprises polybutylene terephthalate and polyethylene terephthalate or polyphenylene sulfide and polytetrafluoroethylene, each with a glass fiber reinforcement having a mass fraction of 25% -43%.
Es ist alternativ bevorzugt, dass das Kunststoffgehäuse aus einem Duroplast als Kunststoffmaterial ausgebildet ist, insbesondere wobei dieses Kunststoffmaterial einen Glasfaseranteil aufweist. Das Kunststoffmaterial ist dabei zweckmäßgerweise als Faser-Matrix Halbzeug ausgebildet, welches auch als „bulk molding compound“ bezeichnet wird.It is alternatively preferred that the plastic housing is formed of a thermosetting plastic material, in particular wherein this plastic material has a glass fiber content. The plastic material is expediently designed as a fiber-matrix semifinished product, which is also referred to as a "bulk molding compound".
Das Kunststoffmaterial enthält besonders bevorzugt Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat mit einer Glasfaserverstärkung oder Polyphenylensulfid und Polytetrafluorethylen mit einer Glasfaserverstärkung.The plastic material particularly preferably comprises polybutylene terephthalate and polyethylene terephthalate having a glass fiber reinforcement or polyphenylene sulfide and polytetrafluoroethylene having a glass fiber reinforcement.
Es ist bevorzugt, dass das Elektronikbauteil, insbesondere als Chip ausgebildet, mit einem zusätzlichen Elektronikbauteil, insbesondere als zusätzlicher Chip ausgebildet, verbunden ist, wobei die elektrische Kontaktierung zwischen dem Elektronikbauteil und dem zusätzlichen Elektronikbauteil ebenfalls eine silberhaltige Sinterschicht umfasst.It is preferred that the electronic component, in particular designed as a chip, is connected to an additional electronic component, in particular as an additional chip, wherein the electrical contacting between the electronic component and the additional electronic component also comprises a silver-containing sintered layer.
Es ist zweckmäßig, dass die Verbindung des Elektronikbauteils und/oder des zusätzlichen Elektronikbauteils und/oder des Verdrahtungsträgers und/oder des Shunts mit der silberhaltigen Sinterschicht einer elektrischen Kontaktierung, insbesondere jeweils, eine Edelmetallschicht als Zwischenschicht zwischen der silberhaltigen Sinterschicht und dem Elektronikbauteils und/oder dem zusätzlichen Elektronikbauteils und/oder dem Verdrahtungsträgers und/oder dem Shunt aufweist. Die Edelmetallschicht als Zwischenschicht umfasst dabei besonders bevorzugt Silber und/oder Gold und/oder Platin und/oder Palladium.It is expedient that the connection of the electronic component and / or the additional electronic component and / or the wiring support and / or the shunt with the silver-containing sintered layer of an electrical contact, in particular in each case, a noble metal layer as an intermediate layer between the silver-containing sintered layer and the electronic component and / or the additional electronic component and / or the wiring substrate and / or the shunt. The noble metal layer as an intermediate layer particularly preferably comprises silver and / or gold and / or platinum and / or palladium.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Elektronikbauteil und insbesondere der Verdrahtungsträger zumindest teilweise in einem Vorumspritzungskunststoffgehäuse als einem ersten Kunststoffgehäuse eingebettet sind und dass dieses Vorumspritzungsgehäuse gemeinsam mit dem Shunt in einem zweiten Kunststoffgehäuse zumindest teilweise eingebettet sind.It is preferred that the at least one electronic component and in particular the wiring carrier are at least partially embedded in a pre-injection plastic housing as a first plastic housing and that this Vorumspritzungsgehäuse are at least partially embedded together with the shunt in a second plastic housing.
Es ist zweckmäßig, dass zusätzlich zu der wenigstens einen elektrischen Kontaktierung zwischen dem Shunt und dem Verdrahtungsträger, zumindest eine elektrische Kontaktierung zwischen dem wenigstens einen Elektronikbauteil und dem Verdrahtungsträger ebenfalls eine silberhaltige Sinterschicht umfasst.It is expedient that, in addition to the at least one electrical contacting between the shunt and the wiring carrier, at least one electrical contact between the at least one electronic component and the wiring carrier also comprises a silver-containing sintered layer.
Vorzugsweise weist der Sensor einen Verdrahtungsträger auf, welcher mit mehreren Elektronikbauteilen bestückt ist und mit diesen jeweils elektrisch verbunden ist, wobei diese Elektronikbauteile Bestandteile einer Strom- und/oder Spannungsmessschaltung sind, diese Elektronikbauteile alle jeweils elektrisch mit dem Verdrahtungsträger kontaktiert und mechanisch am Verdrahtungsträger befestigt sind mittels jeweils mindestens einer, insbesondere mindestens zwei, elektrischen Kontaktierung/en, welche jeweils eine silberhaltige Sinterschicht umfasst/umfassen.Preferably, the sensor has a wiring support, which is equipped with a plurality of electronic components and is electrically connected thereto, these electronic components are components of a current and / or voltage measurement circuit, these electronic components are each electrically contacted with the wiring substrate and mechanically attached to the wiring substrate in each case by means of at least one, in particular at least two, electrical contacting / s, each comprising / comprising a silver-containing sintered layer.
Es ist bevorzugt, dass der Verdrahtungsträger mit einer externen Anschlusseinrichtung kontaktiert ist, über die ein Ausgangssignal des gemessenen Stroms und/oder der gemessenen Spannung bereitgestellt und übertragen wird, wobei die Kontaktierung zwischen dem Verdrahtungsträger und der Anschlusseinrichtung wenigstens eine silberhaltige Sinterschicht aufweist und wobei insbesondere die Anschlusseinrichtung zumindest teilweise in das Kunststoffgehäuse oder erste oder zweite Kunststoffgehäuse eingebettet ist.It is preferred that the wiring carrier is contacted with an external connection device, via which an output signal of the measured current and / or the measured voltage is provided and transmitted, wherein the contact between the wiring carrier and the connection device has at least one silver-containing sintered layer and wherein in particular the Connecting device is at least partially embedded in the plastic housing or first or second plastic housing.
Das weitere Elektronikbauelement ist besonders bevorzugt als Flip-Chip-Verbindung mit dem Elektronikbauelement verbunden, wobei diese Flip-Chip-Verbindung mindestens eine silberhaltige Sinterschicht umfasst. Insbesondere weist diese Flip-Chip-Verbindung keine Lotkugeln auf.The further electronic component is particularly preferably connected as a flip-chip connection to the electronic component, wherein this flip-chip connection comprises at least one silver-containing sintered layer. In particular, this flip-chip connection has no solder balls.
Die silberhaltige Sinterschicht ist bevorzugt als metallisches Verbindungsmittel ausgebildet, welches durch wenigstens einen Sintervorgang einer metallischen Paste erzeugt ist bzw. wurde.The silver-containing sintered layer is preferably formed as a metallic connecting means, which is or was generated by at least one sintering process of a metallic paste.
Der wenigstens eine Chip umfasst vorzugsweise ein Siliziumsubstrat.The at least one chip preferably comprises a silicon substrate.
Zweckmäßigerweise ist der zumindest eine Chip als ASIC, also als applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis, ausgebildet.The at least one chip is expediently designed as an ASIC, that is to say as an application-specific integrated circuit.
Der Sensor weist vorzugsweise noch zusätzlich wenigstens ein passives elektronisches Bauelement auf, welches ebenfalls mittels einer silberhaltigen Sinterschicht mit dem Verdrahtungsträger verbunden bzw. kontaktiert ist.The sensor preferably additionally has at least one passive electronic component, which is likewise connected or contacted by means of a silver-containing sintered layer to the wiring carrier.
Die silberhaltige Sinterschicht umfasst bevorzugt Silberpartikel.The silver-containing sintered layer preferably comprises silver particles.
Das wenigstens eine Elektronikbauteil ist bevorzugt auf einer Bestückungsinsel bzw. auf einem Bestückungsbereich des Verdrahtungsträgers angeordnet.The at least one electronic component is preferably arranged on a component island or on a component area of the wiring substrate.
Das wenigstens eine Elektronikbauteil und/oder der wenigstens eine Chip und/oder der Verdrahtungsträger umfassen vorzugsweise metallische Kontaktierungsflächen als Zwischenschichten, welche Silber und/oder Gold enthalten.The at least one electronic component and / or the at least one chip and / or the wiring carrier preferably comprise metallic contacting surfaces as intermediate layers which contain silver and / or gold.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt weiterentwickelt durch einen oder mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte:
Es wird eine Silbersinterpaste auf den Verdrahtungsträger oder den Shunt aufgebracht, insbesondere an den Stellen, an denen das wenigstens eine Elektronikbauteil mit dem Shunt oder dem Verdrahtungsträger kontaktierend verbunden werden. Danach wird das Elektronikbauteil mit dem Shunt oder dem Verdrahtungsträger kontaktiert bzw. bestückt. Darauf folgt eine Trocknungsphase. Anschließend wird der Sintervorgang durchgeführt. Durch den Sintervorgang wird die verbesserte Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern erzeugt.The method according to the invention is preferably further developed by one or more or all of the following method steps:
A silver sintering paste is applied to the wiring substrate or the shunt, in particular at the locations where the at least one electronic component is connected in a contacting manner to the shunt or the wiring carrier. Thereafter, the electronic component is contacted or equipped with the shunt or the wiring carrier. This is followed by a drying phase. Subsequently, the sintering process is performed. The sintering process produces the improved connection between the two joining partners.
Der Sintervorgang beinhaltet zweckmäßigerweise eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Aufbringen eines Ausgangsstoffes pasten- oder pulverförmig, Pressen unter geringem Druck und Verbacken bei niedriger Temperatur und kurzer Prozesszeit. The sintering process expediently includes one or more of the following features: application of a starting material in paste or powder form, pressing under low pressure and baking at low temperature and a short process time.
Danach folgt vorzugsweise wiederum ein Spritzpressverfahren um das wenigstens eine Elektronikbauteil mit einem Kunststoffgehäuse zu verkapseln bzw. es einzubetten.Thereafter, preferably followed by a transfer molding process to encapsulate the at least one electronic component with a plastic housing or to embed it.
Der Sensor und/oder das Herstellungverfahren weisen einen oder mehrere oder alle der folgenden Vorteile auf:
- – Neuartiges standardisiertes Verfahren aus dem Leistungshalbleiterbereich
- – Höhere Lebensdauer im Vergleich zu metallischen Lotverbindungen
- – Hohe Positioniergenauigkeit (geringe Neigung, geringe Verkippung, geringe Verdrehung von in Paste gesetzten Bauteilen), da keine flüssige Phase während des Prozessierens auftritt
- – Geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient führt zu geringerem thermomechanischem Stress zwischen den Verbindungspartnern
- – Hohe Wärmeableitung durch Silber als Verbindungswerkstoff
- – Wesentlich geringerer Kontaktwiderstand im Gegensatz zu Standard-Lotverbindungen
- – Einstellbare Elastizität der Verbindung durch Prozessparameter
- – Betrieb bei relativ hohen Temperaturen möglich
- – Keine Reinigung nach Prozessieren notwendig, da keine Rückstände
- - New standardized process from the power semiconductor sector
- - Higher life compared to metallic solder joints
- - High positioning accuracy (low inclination, low tilt, low rotation of components set in paste), since no liquid phase occurs during processing
- Lower thermal expansion coefficient leads to lower thermomechanical stress between the connection partners
- - High heat dissipation through silver as a connecting material
- - Significantly lower contact resistance in contrast to standard solder joints
- - Adjustable elasticity of the connection through process parameters
- - Operation at relatively high temperatures possible
- - No cleaning necessary after processing as there are no residues
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Stromund/oder Spannungssensors in Kraftfahrzeugen.The invention also relates to the use of the current and / or voltage sensor in motor vehicles.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.Further preferred embodiments will become apparent from the subclaims and the following description of exemplary embodiments with reference to figures.
Es zeigen in schematischer DarstellungIt show in a schematic representation
Anhand
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Legal Events
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |