3D连接器结构、制造3D连接器结构的方法及温度传感器

摘要

本发明涉及一种用于将至少一个扁平电极(15)电连接到至少一个连接线(16)的3D连接器结构(10)。根据本发明，所述3D连接器结构(10)具有至少两个在空间上彼此分离的连接器(20)，其中所述连接器(20)在每种情况下均具有导电材料、第一侧(21)和第二侧(22)，其中每个连接器(20)的所述第二侧(22)连接到或能够连接到电连接元件(30)，其中在每个连接器(20)的所述第一侧(21)与所述第二侧(22)之间构造形成至少100μm，特别是至少200μm，特别是至少300μm的间距(A)。

说明书

本发明涉及一种用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的3D连接器结构。进一步地，本发明涉及一种制造3D连接器结构的方法以及具有3D连接器结构的温度传感器。

从现有技术中已知，通过已知的粘合方法，例如热压或超声波，在基于铂的传感器结构的连接垫与连接线之间产生电连接。这种类型的连接例如公开在DE 26 15 473 A1中。

如图1示意性所示，铂薄膜结构2施加在陶瓷衬底1的上侧上。铂薄膜结构2呈曲折状，两端具有两个电极。电极例如具有穿孔。电极至少在某些部分涂有丝网印刷膏3。丝网印刷膏3除了含有贵金属以外，还含有玻璃料，以使膏与陶瓷衬底1和经由穿孔暴露的铂薄膜结构2良好连接。以这种方式构造的电极垫也可以由超过一层的丝网印刷层组成。

在丝网印刷膏3烧入之后，将含贵金属的连接线4焊接到烧入的丝网印刷膏3上。在这方面示出了焊点5。在这方面已知的焊接方法是间隙焊接。在这种情况下，将双电极压在连接线4上并施加电压。流过连接线4和位于其下方的丝网印刷膏3的电流在丝网印刷膏3或所产生的电极垫与连接线4之间的接触点处熔化复合物。形成牢固的金属接头。

由于丝网印刷膏3和连接线4中使用的贵金属的相似性，故这两个组件的膨胀系数同样非常相似。即使在温度波动强烈的情况下，如例如在内燃机的排气系中普遍存在的那样，所产生的电极垫与连接线4之间的接合也相应地稳定。

所示的优选由铂形成的连接线4可以具有线延伸部。为此，线延伸部7通过另一焊点6附接到连接线4。此线延伸部7可以由例如镍合金制成。

这种已知的温度传感器结构和与其相关的制造的一个缺点尤其可以从整个结构中所需的贵金属材料的比例中看出。丝网印刷膏3和连接线4中的贵金属比例非常高。贵金属的高成本基本上决定了要制造的温度传感器的总成本。因此，有必要寻找解决方案以降低扁平电极与连接线之间的电连接的材料成本。

尽管已知的解决方案是用镀铂的NiCr线代替贵金属连接线，例如铂连接线，但是这种类型的线的制造极其复杂，因此就这点来说，并没有在要制造的温度传感器方面实现成本节约。

有鉴于此，本发明的目标在于具体说明一种用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的连接器结构，所述连接器结构一方面满足了高温环境，例如排气系环境下的要求，另一方面在贵金属比例方面有所改善。与根据本发明的连接器结构相关的贵金属比例应该显著降低。

此外，本发明的一个目标是具体说明一种制造用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的3D连接器结构的开发的方法。此外，本发明的一个目标是具体说明一种开发的温度传感器。

根据本发明，就根据技术方案1的主题的3D连接器结构来说，就根据专利技术方案12的主题的制造3D连接器结构的方法来说，以及就根据专利技术方案17的主题的温度传感器来说，此目标得以实现。

本发明基于具体说明一种用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的3D连接器结构的想法，其中根据本发明，所述3D连接器结构具有至少两个在空间上彼此分离的连接器，其中所述连接器在每种情况下均具有导电材料、第一侧和第二侧，其中每个连接器的第二侧连接到或可以连接到电子连接元件，其中在每个连接器的第一侧与第二侧之间构造至少100μm，特别是至少200μm，特别是至少300μm的间距。

三维构造的连接器结构尤其被视为3D连接器结构。因此，连接器结构不仅具有扁平构造，因为这会按扁平条带或扁平片材的意义理解。相反，3D连接器结构在所有三个方向上，即在长度和宽度上以及在高度上均被相应地设定尺寸。

具有多个连接器的连接器结构尤其应理解为3D或三维连接器结构。连接器也可称为支脚或接触支脚。因此，3D连接器结构包含在空间上彼此分离的至少两个连接器。每个连接器具有第一侧和第二侧。这两侧优选地是连接器的彼此相距最远的侧面。连接器的第一侧可以称为上侧。连接器的第二侧可以称为连接器的下侧。特别是在接触状态下可以看到关于“上方”和“下方”的取向。在这种情况下，取向应理解为这样的一种取向，根据所述取向，将具有至少一个要接触的扁平电极的衬底水平地放置在放妥的表面上。

在每个连接器的第一侧与第二侧之间构造至少100μm，特别是至少200μm，特别是至少300μm的间距。每个连接器的两侧之间的间距通过两侧之间的材料沉积或通过两侧之间的材料填充产生。所描述的间距尤其不应理解为对应于两侧之间的气隙的间距。

至少一个连接器可以构造为板条和/或柱体和/或薄板。优选地，所有连接器均以相同方式构造。此外，可能的是，连接器以不同的方式构造，并且在根据本发明的3D连接器结构中构造多种连接器设计，即不同的连接器配置。

电连接元件可以是扁平电极和/或连接垫和/或扁平电极的一部分。连接垫优选地是由烧结膏形成的一类连接垫。优选地，连接垫通过丝网印刷方法由烧结膏制成。丝网印刷膏除了含有贵金属以外，还可能含有玻璃料。在本发明的一个可能的实施例中，3D连接器结构可以包含电连接元件。换句话说，电连接元件，特别是连接垫，可以被构造为3D连接器结构的一部分。

在本发明的一个实施例中，可能的是，连接器的第一侧形成公共平面，并且连接到至少一个由导电材料组成的桥接部、和/或连接线。

换句话说，连接器的第一侧可能直接连接到要连接的连接线。或者，连接器的第一侧可能连接到至少一个桥接部。桥接部的构造具有以下优点：3D连接器结构可以特别容易地作为单独的半成品组件处理，特别是运输以及制造。

在本发明中，至少两个连接器被构造为弹性补偿元件。弹性补偿元件作用在连接线与待电连接的扁平电极之间。这使得一方面可以确保至少一个连接线与至少一个扁平电极之间的灵活性，另一方面可以建立稳定的机械接合。

借助根据本发明的3D连接器结构，可以在连接线与扁平电极之间产生相对较大且内聚的接触区域。特别地，由于根据本发明的3D连接器结构，可以最大限度地利用通过连接垫提供的连接表面。相对于迄今为止已知的连接垫尺寸，可以使连接垫的尺寸降到最低。

桥接部的导电材料特别是高温合金，特别是合金601(2.4851)和/或合金602(2.4633)和/或AluChrom(1.4767)。

在本发明的优选实施例中，连接器和桥接部可以一体地构造，即特别地一体地和/或整体地构造。连接器和桥接部可以在单个制造步骤中制造。

由于多个，特别是细长的连接器的构造和/或桥接部的构造，借助根据本发明的3D连接器结构，待制造的组件，特别是温度传感器的整体结构在连接线连接到组件期间受到保护。由于连接器和/或桥接部与衬底/电极结构形成相应的间距，因此保护了衬底和位于其上的电极结构免受连接期间出现的温度影响(焊接温度)。

3D连接器结构的桥接部可以具有用于连接到连接线的接触区域，其优选地构造为用于固定至少一个连接线的插口部。插口部优选地构造为通道和/或套管和/或沟槽。至少一个连接线可以插入这种类型的插口部中。可以附加地在桥接部与连接线之间提供实质上的连接和/或正向连接。

在本发明的另一实施例中，桥接部可能具有导电的延伸部，所述延伸部突出超过连接器的区域并且具有用于与连接线接触的部分。延伸部优选地包含与桥接部相同的导电材料，特别是由与桥接部相同的导电材料组成。可以在一个方法步骤中通过增材制造与桥接部一起制造延伸部。借助于这种类型的延伸部，至少一个连接线的接触点可以被置于电连接元件外部的区域中，特别是连接垫外部的区域中。这有利于组件的后续接触。

基于根据本发明的具有多个在空间上彼此分开的连接器的3D连接器结构的构造，具有扁平电极和/或连接垫的连接器仅以非常小的区域，即在相对较小的表面上彼此连接。为此，每个连接器在第二侧，也就是在下侧具有用于与至少一个电连接元件接触的接触表面，其中每个接触表面是100μm

每个连接器的接触区域，即第二侧的接触表面越小，连接器的第二侧与电连接元件之间的接触区域在温度变化的情况下发生断裂的可能性就越小。这在用于电连接元件和连接器的材料具有彼此显著不同的热膨胀系数的情况下尤其如此。

至少一个连接器的导电材料优选地具有高温合金。特别优选地，导电材料含有合金601(2.4851)和/或合金602(2.4633)和/或AluChrom(1.4767)。

至少一个扁平电极和/或连接垫优选含有贵金属，特别是铂。扁平电极的贵金属比例优选为至少20重量％，特别是至少40重量％，特别是至少70重量％。

在本发明的另一实施例中，至少一个连接线包含高温合金，特别是合金601(2.4851)和/或合金602(2.4633)和/或AluChrom(1.4767)。

用于制造至少一个连接器和/或至少一个桥接部的材料优选为金属粉末。

合适的金属粉末是例如由高温合金形成的粉末，如下表中所具体说明：

表1

连接线的直径优选是100μm至800μm，特别是200μm至500μm，特别是250μm至350μm。

由于3D连接器结构的根据本发明的构造，可以完全摒弃含贵金属的连接线。这对于根据本发明的3D连接器结构的材料也是如此。在这种情况下也可以完全摒弃贵金属材料。

本发明的另一方面涉及一种制造用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的3D连接器结构的方法。

根据本发明的方法特别适用于制造根据本发明的3D连接器结构。

根据本发明，提供了至少两个在空间上彼此分离的连接器通过增材制造方法由导电材料制成，其中连接器在每种情况下均具有第一侧和第二侧，并且通过材料沉积在每个连接器的第一侧与第二侧之间产生至少100μm，特别是至少200μm，特别是至少300μm的间距。

有可能在制造3D连接器结构的方法期间将连接器施加在电连接元件上。

因此，在每种情况下，在连接器的两侧之间根据本发明构造的间隔通过材料沉积产生。两侧之间的间距因此对应于连接器的材料厚度，其构造在连接器的两侧之间。

在本发明的一个特别优选的实施例中，增材制造方法是3D打印方法。3D打印方法优选是这样的一种增材制造方法：其中材料以粉末或溶液的形式分层沉积，在沉积后，在待制造的组件应具有相应的硬化材料可用的位置，使用高能辐射进行局部粘合。粉末或溶液的粘合可以通过局部熔合、烧结或交联过程进行。高能辐射可以例如通过激光、电子束或通过聚焦的UV辐射施加。

基于这种类型的制造方法，在用于至少一个连接线和用于扁平电极，特别是用于连接垫的材料方面，可以使用不同的材料组合。

基于根据本发明的方法，例如可以使用高温合金来制造3D连接器结构，高温合金比贵金属便宜得多，且此外在硬度、低导热性和粘合性方面具有更好的特性。

在本发明的另一实施例中，由导电材料制成的桥接部可以施加到连接器的第一侧上。桥接部的这种施加或构造可以通过增材制造方法进行。特别地，用于连接至至少一个连接线的接触区域构造在桥接部上。接触区域又可以具有插口部，所述插口部优选地构造为套管和/或通道和/或沟槽。由于根据本发明的增材制造方法，简化了这种类型的插口部的制造。

至少一个连接线连接到连接器的第一侧和/或连接到桥接部。优选地，这种连接通过激光焊接方法进行。

优选地，连接器直接施加在电连接元件上，特别是连接垫上。在根据本发明应用增材制造方法的情况下，制造温度，特别是激光功率，应以这样的方式设置：一方面，粉末粒子的良好粘合和连接器与连接垫的良好连接得以产生。然而，制造温度，特别是激光功率，必须以不损坏电连接元件的材料，特别是连接垫的烧结膏材料的方式设置。

用于制造连接器和/或桥接部的粉末优选具有至多20μm的粒度分布。具有例如100瓦能量的激光优选用于烧结粉末状材料。激光焦点优选小于20μm。

连接器和/或桥接部由含有高温合金材料的粉末制成。特别是，如合金601(2.4851)和/或合金602(2.4633)和/或AluChrom(1.4767)之类的粉末是合适的。在这方面，还进一步参考表1中具体说明的材料。

本发明的另一方面涉及具有3D连接器结构的温度传感器。3D连接器结构是根据本发明的3D连接器结构和/或根据本发明制造的3D连接器结构。

与根据本发明制造3D连接器结构的方法和/或根据本发明的3D连接器结构相关的类似优点也已经具体说明。

基于根据本发明的用于将至少一个扁平电极电连接到至少一个连接线的3D连接器结构，提供了一种解决方案，使用所述解决方案可以将具有不同膨胀系数的材料彼此永久连接。基于在空间上彼此分离地布置的多个特别是弹性构造的连接器的构造，可以将例如由铂制造和/或包含铂的电连接元件永久地连接到例如由镍和/或高级钢制成的连接线上。

连接器的优选弹性特性使得即使在高温和快速温度变化的情况下也可以补偿电子连接元件和连接线的膨胀行为的差异。

下面基于示例性实施例并参考附图更详细地描述本发明。

在附图中：

图2示出了根据本发明的第一实施例的已接触状态的3D连接器结构；

图3示出了根据本发明的第二实施例的已接触状态的3D连接器结构；

图4示出了根据本发明的第三实施例的已接触状态的3D连接器结构；

图5a-5c以各种视图示出了根据本发明的3D连接器结构的详细图解；

图6a-6c示出了关于根据本发明的3D连接器结构的连接器的构造的各种实施例；

图7a和7b示出了根据本发明的3D连接器结构的桥接部的插口部的第一可能实施例；

图8a和8b示出了根据本发明的3D连接器结构的桥接部的插口部的第二实施例；以及

图9a和9b示出了根据本发明的3D连接器结构的桥接部的插口部的第三实施例。

在下文中，相同的组件和具有相同作用的组件使用相同的元件符号。

图2示出了关于根据本发明的3D连接器结构10的第一可能实施例。3D连接器结构10用于将扁平电极15电连接到连接线16。扁平电极15在此情况下特别构造为铂薄膜结构，呈曲折状。铂薄膜结构或扁平电极15位于衬底19，特别是陶瓷衬底的上侧18上。

连接垫25构造在扁平电极15上。在所示实例中，连接垫25用作电连接元件30。

3D连接器结构10包含至少两个连接器20。在所示的示例性实施例中，3D连接器结构10包含六个连接器20。这些连接器20在空间上彼此分离并且由导电材料制成。所有连接器20均具有第一侧21和第二侧22。换句话说，第一侧21是上侧。换句话说，第二侧22是每个连接器20的下侧。根据图2的示例性实施例，连接器20的第一侧21连接到连接线16。相比之下，第二侧22连接到连接垫25。

在每个连接器20的第一侧21与第二侧22之间构造至少100μm，特别是至少200μm，特别是至少300μm的间距A。换句话说，间距A在所示的连接器20中对应于连接器20的高度。连接器20在其第一侧21处连接到连接线16。这里，连接器20通过熔焊，特别是通过激光焊接个别地连接到连接线16。在这方面示出了焊点35。

扁平电极15含有贵金属，特别是铂，其中扁平电极15的贵金属比例大于20重量％。连接垫25含有贵金属，特别是铂，其中连接垫25的贵金属比例大于20重量％。在所示实例中，连接垫25具有1.0mm×0.5mm的面积。

连接线16又含有高温合金。此外，连接线16可以由镍或高级钢组成并且具有100μm至800μm，通常是300μm的直径。

在所示实例中，连接器20通过增材制造方法，特别是通过3D打印直接构建在连接垫25上。由金属高温合金制成的粉末用作增材制造或3D打印中的粉末。特别地，使用由合金601(2.4851)和/或合金602(2.4633)和/或AluChrom(1.4767)制成的粉末。粉末优选具有至多20μm的粒度分布。具有例如100瓦能量的激光优选用于烧结粉末状材料，其中激光焦点小于20μm。

在所示的示例性实施例中，连接器20被构造为板条。本实例中的连接器20的高度为500μm。连接器另外优选地具有500μm的宽度和40μm的长度。在每种情况下，宽度和长度又形成第一侧21和/或第二侧22的表面。优选地，连接器20彼此之间具有20μm的间距。

连接线16被布置为垂直于形成连接器20的高度的侧边并且在大约中间处接触连接器20的第一侧21。

连接垫25优选由含铂的烧结膏形成。

3D连接器结构10的替代实施例在图3中示出。3D连接器结构10具有桥接部40。连接器20的第一侧21在此形成公共平面E并且在此公共平面E处连接到桥接部40。桥接部40同样由导电材料制成。优选地，桥接部40由与连接器20相同的材料制成。

在本发明的一个特别优选的实施例中，连接器20和桥接部40构造成一体。桥接部40具有第一侧41和第二侧42。连接器20在连接器的第一侧21上附接在桥接部40的第二侧42上或在此第二侧42上连接到桥接部40。相比之下，连接线16附接到对应于桥接部40的上侧的第一侧41上。在所呈现的示例性实施例中，桥接部40通过焊点45在第一侧41上连接到连接线16。

在本发明的一个特别优选的实施例中，桥接部40与连接器20一起通过增材制造方法在一个工艺步骤中制造。

在所示的示例性实施例中，桥接部40覆盖连接器20，其中桥接部的高度约为300μm。连接线16通过焊点45的连接优选地通过激光焊接方法进行。为此，桥接部40具有接触区域43。

其余的元件和组件对应于根据图2的示例性实施例，因此不再单独介绍这些元件和组件。

图4中示出了同样具有桥接部40的3D连接器结构10的另一实施例。桥接部40和连接器20又是由相同材料制造。桥接部40具有导电延伸部50，所述导电延伸部突出超过连接器20的区域。延伸部50另外具有用于与连接线16接触的部分51。在图4中，用于与连接线16接触的部分51被构造为端侧。在这个端侧或部分51，延伸部50且由此3D连接器结构10通过焊点55连接到连接线16。同样在此情形下，连接可以通过激光焊接方法进行。

延伸部50特别用于在外部区域中，即不在连接垫25的直接竖直延伸部中构建3D连接器结构10与连接线16的连接。延伸部50优选地在一个工艺步骤中与桥接部40一起制造并且优选地在一个工艺步骤中与连接器20一起制造。这有利于随后与衬底19有关的接触。

在图5a至5c中放大示出了可能的3D连接器结构10。在这种情况下，图5a示出了根据本发明的3D连接器结构10的侧视图。平面图如图5b所示。图5c又是图5a的旋转侧视图。

可以看出，3D连接器结构10具有六个连接器20，在每种情况下所述连接器均具有第一侧21和第二侧22。连接器20的第一侧21连接到桥接部40的第二侧42。相比之下，连接器20的第二侧22又连接到连接垫25。正如图5b所表明，桥接部40在第一侧41上以矩形方式构造。

这也与桥接部高度H

连接器20的各种实施例在图6a-6c的平面图中示出。因此，示出了连接器20的基部。在这种情况下，基部可以对应于连接器20的第一侧21和/或第二侧22的形状。在图6a中，连接器20被具体地图示为板条26。板条26特别地构造成使得板条26的宽度B具有比板条26的长度L更大的尺寸。板条26的宽度B进一步对应于连接垫25的宽度。板条26的长度L大约对应于板条26之间的间距A

在图6b中，示出了连接器20，其被构造为柱体27。在此示例性实施例中，柱体27在每种情况下均具有圆形横截面。柱体27也可以具有方形横截面。在所示的示例性实施例中，3D连接器结构10具有呈柱体27形式的八个连接器20。

在图6c中，示出了关于可能的连接器20的另一实施例。连接器20构造为薄板28。这些薄板28相对于连接垫25倾斜布置。八个连接器20以薄板28的形式构造。连接器20、26、27和28的材料厚度或材料规格优选为100μm。

在每种情况下平行于扁平电极或连接垫25定向的连接器20的横截面不必是恒定的。横截面可以从第一侧21开始变化到第二侧22。横截面积的逐渐变细和加宽都是可能的。平行于扁平电极或连接垫25的连接器的平均横截面面积应理解为意谓所有横截面面积的算术平均值，这些横截面面积从相应的连接器20的第二侧到第一侧等距布置。

图7a-9b中示出了关于桥接部40和相关联的插口部60的构造的不同实施例和视图。

在根据图7a和7b的实施例中，其中7b示出了图7a的侧视图，桥接部40具有呈套管61形式的插口部60。套管61具有这样类型的内径：可以将连接线16引入到套管61中。在这种情况下，套管61的凹口62的横截面可以圆形方式构造，从而可以将大致圆形的线，即连接线16引入到套管61中，即引入到凹口62中。连接线16通过套管61，即通过壁63焊接到插口部60/61。继而形成焊点65。因此简化了连接线16与桥接部40的焊接。此外，焊点65或焊缝的机械稳定性增加。

根据图8a和8b的示例性实施例的桥接部40同样具有插口部60。在这种情况下，插口部60被配置为通道66。连接线16被铺设到通道66中。通道66具有U形或半圆形的凹口67。在连接线16被引入或铺设到通道66中之后，连接线16与桥接部40的连接则可以依次在插口部60的基础上进行。形成焊缝或者焊点65。焊点65覆盖连接线16并因此覆盖通道66。

图9a和9b依次示出了桥接部40的插口部60。在所示实例中，插口部60构造在延伸部50的区域中。插口部60构造为沟槽68。插口部60/68的凹口69具有方形或矩形横截面。连接线16又可以铺设到沟槽68中。特别地，连接线16的端部17铺设到沟槽68中。在这种配置中，可以随后进行连接线16与桥接部40或插口部60/68的连接。同样在这点上，形成用于固定连接线的焊缝/焊点65。

此外，沟槽68或凹口69可以这样构造，使得连接线16或连接线16的端部17与桥接部40机械夹紧。

在本发明的优选实施例中，根据本发明的温度传感器用于内燃机的排气系中。

图2-9b中所示的关于根据本发明的3D连接器结构10的细节可以以彼此的所有可能组合来实现。

元件清单

1 陶瓷衬底(现有技术)

2 铂薄膜结构(现有技术)

3 丝网印刷膏(现有技术)

4 连接线(现有技术)

5、6 焊点(现有技术)

7 线延伸部(现有技术)

10 3D连接器结构

15 扁平电极

16 连接线

17 连接线端部

18 衬底上侧

19 衬底

20 连接器

21 连接器第一侧

22 连接器第二侧

25 连接垫

26 板条

27 柱体

28 薄板

30 电连接元件

35 焊点

40 桥接部

41 桥接部第一侧

42 桥接部第二侧

43 桥接部的接触区域

45 焊点

50 延伸部

51 部分

55 焊点

60 插口部

61 套管

62 凹口

63 壁

65 焊点

66 通道

67 通道凹口

68 沟槽

69 沟槽凹口

A 第一侧到第二侧的间距

A

E 公共平面

H

B 板条宽度

L 板条长度。