Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorele ments

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbe sondere einen Temperatursensor. Die vorliegende Erfindung be trifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Senso relements, vorzugsweise eines Temperatursensors.

Nach dem Stand der Technik werden Temperaturen für die Über wachung und Regelung in unterschiedlichsten Anwendungen vor wiegend mit keramischen Heißleiter-Thermistorelementen („Negative Temperature Coefficient"; NTC), Silizium- Temperatursensoren (KTY), Platin-Temperatursensoren (PRTD) oder Thermoelementen (TC) gemessen. Dabei sind aufgrund der geringen Herstellkosten die NTC Thermistoren am weitesten verbreitet .

Ein weiterer Vorteil der NTC Thermistoren gegenüber Thermo elementen und metallischen Widerstandselementen, wie z.B. Pt- Elementen, besteht in der ausgeprägten negativen Widerstands- Temperatur-Charakteristik .

Für den Einsatz in Leistungsmodulen werden vorwiegend SMD („surface mounted device") NTC Temperatursensoren verwendet, die aufgelötet werden. Bei Steuermodulen für geringe Leistun gen werden alternativ dazu auch NTC Chips eingesetzt, die an der Unterseite mittels Ag-Sinterpaste, Löten oder Kleben mon tiert sind und die Oberseite über einen Bonddraht kontaktiert werden.

Für eine elektrische Kontaktierung der NTC Keramik müssen me tallische Elektroden aufgebracht werden. Nach dem Stand der Technik werden dazu Dickschichtelektroden vorwiegend aus Sil ber- bzw. Gold-Pasten über einen Siebdruckprozess mit an schließendem Einbrand aufgebracht.

Die Silber-Metallisierungen eignen sich besonders für Lötver bindungen. Aufgrund der steigenden technologischen Anforde rungen hinsichtlich neuer zuverlässiger Anschlusskontaktie rungen wie Bonden und Schweißen, ist speziell beim Bonden mit Gold- oder Aluminium- bzw. Kupferdrähten eine andere Elektro de notwendig, da eine Anbindung an Silber keine ausreichende Zuverlässigkeit aufweist.

Im Falle von Gold-Metallisierungen können Lötverbindungen zu Anschlussdrähten nicht realisiert werden. Bondverbindungen werden aus Kostengründen nur mit Gold-Dünndraht realisiert. Aluminium-Bonddrahtverbindungen auf Dickschicht Gold- Elektroden erreichen nicht die Zuverlässigkeitsanforderungen.

Das Sintern unter Druck bei niedrigen Temperaturen mit feindispersen Silberpasten ist im Falle von Gold-Elektroden aufgrund zu geringer Haftfestigkeit und unzureichender Zuver lässigkeit ferner nicht sinnvoll.

Gegenwärtig erfolgt eine Temperaturmessung bei Leistungsmodu len mit aufgelöteten Sensoren auf separaten Leitungspfaden. Die Positionierung auf der Leiterplatte befindet sich in ei nem separaten Bereich des Leistungsmoduls am Rande oder im Zwischenbereich der Leistungshalbleiter. Eine genaue Tempera turmessung ist daher nur sehr eingeschränkt möglich, da nur eine indirekte thermische Verbindung über das Keramiksubstrat besteht .

Auf Grund der steigenden Anforderungen bezüglich Einsatztem- peratur und Zuverlässigkeit besteht jedoch die Forderung nach NTC Temperatursensoren, die vorzugsweise direkt auf die Lei terbahnen der Platine aufgebracht werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zu be schreiben, welche die oben stehenden Probleme lösen.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Gemäß einem Aspekt wird ein Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement ist zur Messung einer Temperatur ausgebildet. Das Sensorelement ist ein Temperatursensor. Das Sensorelement ist zur Temperaturmessung bei Leistungsmodulen ausgebildet.

Das Sensorelement weist einen Träger bzw. ein Substrat auf. Der Träger ist elektrisch isolierend ausgebildet. Insbesonde re weist der Träger ein elektrisch isolierendes Material auf. Der Träger weist ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähig keit auf. Der Träger weist bevorzugt ein keramisches Material auf. Der Träger ist ein keramischer Träger.

Der Träger weist eine Oberseite und eine Unterseite auf.

Ober- und Unterseite liegen einander gegenüber. Die Untersei te ist dabei diejenige Seite des Trägers bzw. des Sensorele ments welche im verbauten Zustand des Sensorelements einer Leiterplatte zugewandt ist.

Das Sensorelement weist ferner einen NTC Thermistor auf. Der NTC Thermistor ist an der Oberseite des Trägers angeordnet.

In einer ersten Variante ist der NTC Thermistor ein SMD NTC Thermistor. In einer zweiten Variante ist der NTC Thermistor ein Chip NTC Thermistor. Der NTC Thermistor weist eine Ober- seite und eine Unterseite auf. Ober- und Unterseite liegen einander gegenüber. Die Oberseite ist dabei diejenige Seite des NTC Thermistors, welche im verbauten Zustand des Senso relements von dem Träger abgewandt ist.

Das Sensorelement weist wenigstens zwei erste bzw. obere Elektroden auf. Insbesondere weist das Sensorelement eine erste obere Elektrode auf. Das Sensorelement weist ferner ei ne zweite obere Elektrode auf.

Die ersten/oberen Elektroden sind zur elektrischen Kontaktie rung des Sensorelements und/oder des NTC Thermistors ausge bildet. Die ersten/oberen Elektroden sind an der Oberseite des Trägers angeordnet. Die ersten/oberen Elektroden sind räumlich und elektrisch voneinander separiert auf der Ober fläche des Trägers ausgebildet. Die ersten Elektroden sind strukturiert ausgebildet.

Das Sensorelement weist wenigstens eine zweite bzw. untere Elektrode, vorzugsweise genau eine zweite Elektrode, auf. Die zweite/untere Elektrode ist eine reine Metallisierung und weist keine elektrische Funktion auf. Die zweite Elektrode ist an der Unterseite des Trägers angeordnet bzw. ausgebil det. Vorzugsweise ist die zweite Elektrode vollflächig ausge bildet. Mit anderen Worten, die zweite Elektrode bedeckt die Unterseite vollständig. Die zweite Elektrode kann auch so ausgebildet und angeordnet sein, dass an der Unterseite des Trägers ein Freirand ausgebildet ist. In diesem Fall ragt die zweite Elektrode nicht bis an den Rand der Unterseite des Trägers.

Das Sensorelement ist dazu ausgebildet elektrisch isolierend direkt integriert zu werden, beispielsweise auf eine Leiter bahn eines Leistungsmoduls. Dadurch wird eine exakte Tempera- turüberwachung an der gewünschten Position gewährleistet, da die thermische Kopplung zum IC (Integrated Circuit; inte grierter Schaltkreis) direkt über die Leiterbahn gegeben ist. Damit wird ein sehr präzises und zuverlässiges Sensorelement bereitgestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Material des Trä gers eine Keramik auf Basis von AI ₂ O ₃ , LTCC („Low Temperature Cofired Ceramics"; Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken)oder ZTA („Zirconia Toughened Aluminum Oxide"; Zirkoniumdioxid verstärktes Aluminiumoxid) Materialien auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch A1N oder S1 ₃ N ₄ aufweisen. Diese Materialen erhöhen die mechanische Stabilität des Sensorele ments. Damit wird ein besonders zuverlässiges Sensorelement bereitgestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Wärmeausdehnungsko effizienten des Trägermaterials und eines Materials des NTC Thermistors aufeinander abgestimmt. Damit können Schädigungen der Verbindungsstellen zwischen NTC Thermistor und Träger durch zyklische Temperaturwechsel und dabei auftretenden thermomechanischen Spannungen vermieden werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten bzw. oberen Elektroden dazu ausgebildet und angeordnet, eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements mit konventioneller AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die ersten Elektroden so ausgebildet, dass sie mittels Löten und/oder Drahtbonden (bevorzugt Dickdrahtbonden) kon taktierbar sind.

Weiterhin ist die zweite bzw. untere Elektrode dazu ausgebil det und angeordnet mit konventioneller AVT direkt auf die Leiterbahn des Leistungsmoduls aufgebracht zu werden. Vor- zugsweise wird die zweite Elektrode mittels Löten oder Sil bersintern auf der Leiterbahn integriert.

Damit kommen Verbindungstechniken zum Einsatz, welche stan dardmäßig bei der Herstellung von Leistungsmodulen verwendet werden. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines kostengüns tigen und einfachen Sensorelements.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige erste bzw. obere Elektrode eine Mehrzahl von Schichten auf. Bevor zugt weist die jeweilige erste Elektrode wenigstens zwei Schichten auf. Jede Schicht kann eine Vielzahl von einzelnen Lagen oder Unterschichten aufweisen. Die Schichten sind je nach Material als Dünn- bzw. Dickschicht ausgeführt. Jede Schicht der jeweiligen ersten Elektrode weist ein spezifi sches Material auf.

In der ersten Variante (SMD NTC Thermistor) weist die jewei lige erste Elektrode bevorzugt die Materialien Cu, Ni und Au auf. In der zweiten Variante (Chip NTC Thermistor) weist die erste Elektrode des Trägers die Materialien Cu, Ni, Pd und/oder Au auf und die Elektrode auf dem Chip NTC Thermistor weist die Materialien Ni und Au auf. Optional kann die jewei lige erste Elektrode auch Pd aufweisen.

Beispielsweise weist auf dem Träger eine unterste Schicht der ersten Elektrode Cu auf. Die unterste Schicht ist dabei die jenige Schicht der ersten Elektrode, welche direkt bzw. un mittelbar auf der Oberseite des Trägers ausgebildet ist. Bei spielsweise weist eine mittlere Schicht Ni auf. Beispielswei se weist eine zweite oder weitere mittlere Schicht Pd auf. Eine oberste Schicht weist beispielsweise Au auf. Die oberste Schicht bildet die Oberseite bzw. Außenseite der jeweiligen ersten Elektrode. Vorzugsweise ist auf dem Träger wenigstens eine Schicht der ersten Elektrode als Dickschicht ausgebildet. Wenigstens eine weitere Schicht der ersten Elektrode ist ferner als Dünn schicht ausgebildet. Die Cu Schicht und die Ni Schicht sind bevorzugt als Dickschichten ausgeführt. Die Au Schicht sowie die Pd Schicht sind vorzugsweise als Dünnschichten ausge führt.

Die Schichtdicken variieren dabei < l pm bis < 20 pm, wobei die als Dickschicht ausgeführten Cu und Ni-Schichten jeweils bis zu 20 pm dick sein können. Die Pd- und Au- Schichten wei sen jeweils eine Schichtstärke von < 1 pm auf. Die Schicht abfolge und -stärke ist dabei so gewählt, dass insbesondere ein zuverlässiger Löt- und Al-Dickdrahtbondprozess ermöglicht wird.

Durch den speziellen Aufbau der ersten bzw. oberen Elektroden ist eine Kontaktierung beispielsweise mit Al-Dickdraht ohne Beschädigung der NTC Keramik sowie mit gesteigerter Zuverläs sigkeit im Vergleich zu standardmäßigen NTC Thermistoren mög lich.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige erste bzw. obere Elektrode einen ersten Bereich auf zur elektri schen Kontaktierung des Sensorelements. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung mittels Drahtbonden (bevorzugt Al-Dickdrahtbonden) oder Löten. Die jeweilige erste Elektrode weist ferner einen zweiten Bereich auf zur Anbindung bzw. Kontaktierung des NTC Thermistors. Vorzugsweise wird der NTC Thermistor mittels Löten an dem jeweiligen zweiten Bereich befestigt .

Der erste Bereich und der zweite Bereich sind durch einen Verbindungsbereich miteinander verbunden bzw. verknüpft. Durch die spezifische Ausgestaltung bzw. Strukturierung der jeweiligen ersten Elektrode wird die Bereitstellung eines kostengünstigen, stabilen und zuverlässigen Sensorelements ermöglicht .

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist (lediglich) eine erste der beiden ersten/oberen Elektroden unmittelbar auf der Ober seite des Trägers ausgebildet. Der Einfachheit halber wird die erste der beiden ersten/oberen Elektroden im Folgenden als die erste obere Elektrode bezeichnet. Die erste obere Elektrode ist analog zu den oben beschriebenen ersten Elekt roden ausgeführt. Insbesondere ist die erste obere Elektrode mehrschichtig ausgeführt.

Die erste obere Elektrode stellt eine Metallisierung des ke ramischen Trägers dar. Der NTC Thermistor ist in diesem Aus führungsbeispiel ein Chip NTC Thermistor (Variante 2). Der NTC Thermistor ist direkt bzw. unmittelbar auf der ersten oberen Elektrode angeordnet, beispielsweise aufgelötet, Ag- gesintert oder geklebt. Die Dicke des NTC Thermistors beträgt vorzugsweise 0,2 mm bis 0,7 mm. Der NTC Thermistor hat bevor zugt eine Fläche von (1,25 ± 0,75) mm x (1,5 ± 1,0) mm. Vor zugsweise ist der Chip NTC Thermistor in einem Randbereich der ersten oberen Elektrode angeordnet. Die vom NTC Thermis tor frei bleibende Fläche der ersten oberen Elektrode dient als ein (erstes) Bondpad. Damit wird die elektrische Kontak tierung des NTC Thermistors auf einfache Weise gewährleistet.

Die erste obere Elektrode kann vollflächig auf der Oberseite des Trägers ausgeführt sein. Beispielsweise weist die erste obere Elektrode eine Fläche von (1,25 ± 0,75) mm x (2,25 ± 1,25) mm auf. Alternativ dazu kann die erste obere Elektrode die Oberseite des Trägers auch nur teilweise bedecken. Beispielsweise ist ein Freirand ausgebildet, also ein Randbereich der Oberseite, welcher frei von der ersten oberen Elektrode ist. Beispiels weise hat der Freirand eine Abmessung von 0,1 mm bis 0,25 mm.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Chip NTC Thermistor eine Metallisierung auf. Die Metallisierung ist an der Ober seite und an der Unterseite des NTC Thermistors ausgebildet. Die Metallisierung ist zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements, beispielsweise mittels Drahtbonden, ausgebil det. Die Metallisierung fungiert als Elektrode des Chip NTC Thermistors .

Vorzugsweise bedeckt die Metallisierung die Oberseite des Chip NTC Thermistors vollständig. Die Metallisierung des Chip NTC Thermistors dient als ein weiteres oder zweites Bondpad, beispielsweise für eine Al-Dickdraht Kontaktierung. Mit ande ren Worten, die Metallisierung bildet eine zweite der beiden ersten/oberen Elektroden. Der Einfachheit halber wird die zweite der beiden ersten/oberen Elektroden im Folgenden als die zweite obere Elektrode bezeichnet. Die metallisierte Oberseite des Chip NTC Thermistors fungiert damit als zweite obere Elektrode des Sensorelements. Dadurch wird die elektri sche Kontaktierung des Sensorelements auf einfache Weise si chergestellt .

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Metallisierung bzw. die zweite obere Elektrode wenigstens eine Schicht enthaltend Nickel auf. Diese Schicht ist direkt bzw. unmittelbar auf ei nem keramischen Grundkörper des Chip NTC Thermistors aufge bracht. Die Schicht kann auch aus Nickel bestehen. Die Dicke der nickelhaltigen Schicht liegt beispielsweise im Bereich von 0,3 gm bis 10 gm. Eine nickelhaltige Schicht erlaubt eine besonders gute mechanische und elektrische Anbindung, insbe sondere an die Keramik des NTC Thermistors.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält die Schicht zusätz lich einen Anteil an Vanadium. Ein Anteil an Vanadium kann insbesondere aus prozesstechnischen Gründen für ein Sputter- verfahren von Vorteil sein. Beispielsweise ist Vanadium in einem Gewichtsanteil von 7% in der nickelhaltigen Schicht vorhanden. Nickel ist beispielsweise in einem Gewichtsanteil von 93% vorhanden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Metallisierung bzw. die zweite obere Elektrode wenigstens eine weitere Schicht enthaltend Au auf. Mi anderen Worten der Schichtaufbau der zweiten oberen Elektrode ist Ni/Au mit Au als oberste Elekt rode. Die Dicke der Au Schicht liegt zwischen 0,1 pm und 0,3 pm, idealerweise bei 0,2 pm.

In einer Ausführungsform weist die Metallisierung wenigstens eine gesputterte Schicht auf. Beispielsweise sind alle Schichten durch Sputtern aufgebracht. Vorzugsweise ist die Metallisierung frei von einer eingebrannten Paste. Bei einer gesputterten Metallisierung besteht ein Vorteil in der gerin geren thermischen Belastung des Sensorelements im Herstel lungsprozess, insbesondere durch den Wegfall eines Einbren nens einer Metallisierungspaste bei Temperaturen von bei spielsweise 700°C bis 900°C. Weiterhin erlaubt ein Sputter- prozess eine besonders kostengünstige Herstellung.

Beispielsweise handelt es sich bei der Metallisierung um eine Dünnschichtmetallisierung. Beispielsweise weist die gesamte Metallisierung eine Dicke im Bereich von 0,3 pm bis 10 pm auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Metallisierung meh rere Schichten auf, die direkt übereinander angeordnet sind. Beispielsweise weist die Metallisierung eine untere und eine obere Schicht auf. Die untere Schicht ist vorzugsweise in di rektem Kontakt mit der Keramik des Grundkörpers. Die obere Schicht ist beispielsweise direkt auf der unteren Schicht aufgebracht. Vorzugsweise sind beide Schichten gesputtert.

Die Metallisierung kann auch mehr als zwei Schichten aufwei sen.

Beispielsweise enthält die untere Schicht Chrom oder besteht aus Chrom. Eine chromhaltige Schicht kann insbesondere als Haftvermittler zur Keramik vorteilhaft sein. Beispielsweise enthält die obere Schicht Nickel oder besteht aus Nickel. Zu sätzlich kann die obere Schicht einen Anteil an Vanadium auf weisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die zweite bzw. untere Elektrode oder Metallisierung mehrschichtig ausgebildet. Bei spielsweise kann die zweite Elektrode einen Schichtaufbau aufweisen, welcher dem Schichtaufbau der ersten Elektrode entspricht. Die zweite Elektrode kann die Materialien Cu, Ni, Pd und/oder Au aufweisen. In diesem Fall kann die zweite Elektrode an der Oberseite bzw. Außenseite eine Metallisie rung aufweisen, um die Silbersinterbarkeit des Sensorelements zu gewährleisten.

Alternativ dazu kann die zweite Elektrode aber auch nur eine oder mehrere Schichten eines anderen spezifischen Materials aufweisen. Beispielsweise weist die zweite Elektrode wenigs tens eine Schicht des Materials Ag auf. Dadurch wird die Sil bersinterbarkeit der zweiten Elektrode ohne zusätzliche Schichten (Metallisierung) ermöglicht. Damit wird der Aufbau des Sensorelements vereinfacht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorelement auch ohne zweite/untere Elektrode ausgeführt sein. Dies stellt ei ne Vereinfachung des Aufbaus dar. Das Sensorelement ist in diesem Fall für eine Montage mit einen Klebeprozess vorgese hen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement we nigstens eine Haftvermittlungsschicht auf, beispielsweise ei ne Ti-Schicht. Die Haftvermittlungsschicht kann zwischen der jeweiligen ersten Elektrode und dem Träger, insbesondere der Oberseite des Trägers, ausgebildet sein. Alternativ oder zu sätzlich kann die Haftvermittlungsschicht zwischen der zwei ten Elektrode und dem Träger, insbesondere der Unterseite des Trägers, ausgebildet sein. Damit wird die Zuverlässigkeit der Anbindung der Elektroden an das Trägermaterial erhöht.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement we nigstens eine Schutzschicht oder Schutzhülle auf. Die Schutz schicht ist zumindest um den NTC Thermistor herum ausgebil det. In diesem Fall ist der NTC Thermistor ein SMD NTC Ther mistor. Vorzugsweise hüllt die Schutzschicht den NTC Thermis tor vollständig ein. Die Schutzschicht kann ein Epoxidharz aufweisen. Die Schutzschicht kann als Globtop ausgebildet sein. Die Schutzschicht dient dazu die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Sensorelements auf einfache Weise zu stei gern.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstel lung eines Sensorelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Sensorelement her gestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorele ment oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entspre chend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht ex- plizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf, wobei die Reihen folge der Schritte nicht durch die folgende Aufstellung fest gelegt ist:

A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung des Trägers. Das Trägermaterial ist elektrisch isolierend ausge bildet. Das Trägermaterial weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Das Trägermaterial weist ein keramisches Material auf. Bevorzugt weist das Trägermaterial eine Keramik auf Basis von AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch A1N oder S13N4 aufweisen.

B) Aufbringen von wenigstens zwei ersten bzw. oberen Elektro den auf einer Oberseite des Trägermaterials. Die ersten Elektroden sind strukturiert ausgebildet. Die ersten Elektro den sind mehrschichtig ausgebildet. Die ersten Elektroden werden durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD („Chemical vapour deposition"; chemische Gasphasenabschei dung) Prozess, PVD („physical vapour deposition"; physikali sche Gasphasenabscheidung) Prozess und/oder galvanischem Ab scheiden auf die Oberseite des Trägermaterials aufgebracht.

Das Aufbringen der mehrschichtigen Elektroden erfolgt insbe sondere durch eine Kombination von verschiedenen Abscheide verfahren zur Erzeugung von sowohl Dick- als auch Dünnschich ten. Zusätzlich ist ein Lithographie Prozess zur Strukturie rung der Metallisierung notwendig. Insbesondere ist die Pro zessabfolge zum Aufbringen der wenigstens zwei ersten bzw. oberen Elektroden auf der Oberseite des Trägermaterials wie folgt: a.: Nasschemische Reinigung; b.l: Sputtern Ti (das kann je nach Anlage für Ober-und Unterseite gleichzeitig oder nacheinander erfolgen); b.2: Sputtern Cu (das kann je nach Anlage für Ober-und Unterseite gleichzeitig oder nacheinander erfolgen); c.l: Laminieren; c.2: Belichten; c.c3: Entwickeln (Schritt 1 der Lithographie); d.: Cu galvanisch (gleichzeitig für Unter- und Oberseite); e.: Strippen (Lack entfernen - Schritt 2 der Lithographie); f.: Electroless nickel immersion gold („Chemisches Nickel- Immersionsgold"; ENIG): f.l: Reinigung; f.2: Katalyse mit Pd; f.3: Nickel stromlos abscheiden (nasschemisch); f.4: Immersionsgold (auch bezeichnet als Sudgold, Tauchgold, oder Flashgold).

Die resultierenden ersten Elektroden weisen eine Mehrzahl von Dickschichten und Dünnschichten verschiedener Materialien auf. Die ersten Elektroden weisen beispielsweise Cu, Ni, Pd und/oder Au auf.

C) Aufbringen von wenigstens einer zweiten bzw. unteren Elektrode an einer Unterseite des Trägermaterials. Die zweite Elektrode kann als Dünnschicht oder als Dickschicht ausgebil det sein. Beispielsweise wird die zweite Elektrode mittels Sputtern erzeugt. Alternativ dazu kann die zweite Elektrode durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvanischem Abscheiden auf die Unter seite des Trägermaterials aufgebracht werden. In diesem Fall weist die zweite Elektrode einen Schichtaufbau aus unter schiedlichen Materialien auf.

Das Aufbringen der mehrschichtigen Elektrode erfolgt insbe sondere - wie bereits in Zusammenhang mit der mehrschichten oberen Elektrode beschrieben - durch eine Kombination von verschiedenen Abscheideverfahren zur Erzeugung von sowohl Dick- als auch Dünnschichten. Zusätzlich ist ein Lithographie Prozess zur Strukturierung der Metallisierung notwendig. Ins besondere ist die Prozessabfolge zum Aufbringen der wenigs tens (zweiten/unteren) Metallisierung auf der Unterseite des Trägermaterials wie folgt: a.: Nasschemische Reinigung; b.l: Sputtern Ti (das kann je nach Anlage für Ober-und Unterseite gleichzeitig oder nacheinander erfolgen); b.2: Sputtern Cu (das kann je nach Anlage für Ober-und Unterseite gleichzeitig oder nacheinander erfolgen); c.l: Laminieren; c.2: Belichten; c.c3: Entwickeln (Schritt 1 der Lithographie); d. Cu galvanisch (gleichzeitig für Unter- und Oberseite); e. Strippen (Lack entfernen - Schritt 2 der Lithographie); f. Electroless nickel immersion gold: f.1 Reinigung; f.2 Katalyse mit Pd; f.3 Nickel stromlos abscheiden (nasschemisch); f.4 Immersionsgold (auch bezeichnet als Sudgold, Tauchgold, oder Flashgold).

In einem weiteren Schritt kann eine Metallisierung auf der Unterseite der zweiten Elektrode aufgebracht werden. Diese Metallisierung kann durch einen CVD Prozess, einen PVD Pro zess oder durch galvanische Abscheidung erzeugt werden.

D) Anordnen eines NTC Thermistors (SMD NTC Thermistor) auf der Oberseite des Trägermaterials. Der NTC Thermistor wird auf einen Teilbereich der wenigstens zwei ersten Elektroden aufgebracht, vorzugsweise aufgelötet. Nunmehr weist das Sensorelement alle Eigenschaften auf, um ein direktes Anbinden des Sensorelements auf eine Leiterbahn einer Leiterplatte zu ermöglichen. Dies erfolgt durch Löten oder Ag-Sintern der zweiten Elektrode. Ferner können auch die der ersten Elektroden und/oder der NTC Thermistor elektrisch kontaktiert werden, insbesondere mittels Drahtbonden und/oder Löten.

Das Sensorelement zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es direkt auf die Leiterbahn eines Leistungsmoduls inte griert werden kann. Durch den speziellen Aufbau der Elektro den kann das Sensorelement mit konventioneller AVT, wie Lö ten, Silbersintern und/oder (Dick-/Dünn-)drahtbonden verar beitet werden. Dadurch wird ein besonders genaues, zuverläs siges und kostengünstiges Sensorelement erzeugt.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstel lung eines Sensorelements beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfahren das oben beschriebene Sensorelement her gestellt. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf das Sensorele ment oder das Verfahren offenbart sind, sind auch entspre chend in Bezug auf den jeweiligen anderen Aspekt offenbart und umgekehrt, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht ex plizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung des Trägers. Das Trägermaterial ist elektrisch isolierend ausge bildet. Das Trägermaterial weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Das Trägermaterial weist ein keramisches Material auf. Bevorzugt weist das Trägermaterial eine Keramik auf Basis von AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien auf. Alternativ dazu kann das Trägermaterial auch A1N oder S13N4 aufweisen. B) Aufbringen einer ersten oberen Elektrode auf einer Ober seite des Trägermaterials. Die erste Elektrode kann struktu riert ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann die Obersei te des Trägers vollflächig bedecken. Alternativ dazu bedeckt die erste obere Elektrode lediglich einen Teilbereich der Oberfläche des Trägers, so dass ein Randbereich der Oberseite frei von der ersten oberen Elektrode bleibt.

Die erste Elektrode ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebil det. Die erste obere Elektrode wird durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD („Chemical vapour deposition"; che mische Gasphasenabscheidung) Prozess, PVD („physical vapour deposition"; physikalische Gasphasenabscheidung) Prozess und/oder galvanischem Abscheiden auf die Oberseite des Trä germaterials aufgebracht.

Das Aufbringen der mehrschichtigen ersten oberen Elektrode erfolgt insbesondere durch eine Kombination von verschiedenen Abscheideverfahren zur Erzeugung von sowohl Dick- als auch Dünnschichten. Zusätzlich ist ein Lithographie Prozess zur Strukturierung der Metallisierung notwendig, wie bereits oben beschrieben wurde.

Die resultierende erste obere Elektrode weist eine Mehrzahl von Dickschichten und Dünnschichten verschiedener Materialien auf. Die erste obere Elektrode weist beispielsweise Cu, Ni,

Pd und/oder Au auf.

C) Aufbringen von wenigstens einer zweiten bzw. unteren Elektrode an einer Unterseite des Trägermaterials. Die zweite Elektrode kann als Dünnschicht oder als Dickschicht ausgebil det sein. Beispielsweise wird die zweite Elektrode mittels Sputtern erzeugt. Alternativ dazu kann die zweite Elektrode durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvanischem Abscheiden auf die Unter seite des Trägermaterials aufgebracht werden. In diesem Fall weist die zweite Elektrode einen Schichtaufbau aus unter schiedlichen Materialien auf.

Das Aufbringen der mehrschichtigen Elektrode erfolgt insbe sondere durch eine Kombination von verschiedenen Abscheide verfahren zur Erzeugung von sowohl Dick- als auch Dünnschich ten. Zusätzlich ist ein Lithographie Prozess zur Strukturie rung der Elektrode notwendig, wie bereits oben beschrieben wurde.

In einem weiteren Schritt kann eine Metallisierung auf der Unterseite der zweiten Elektrode aufgebracht werden. Die Me tallisierung kann durch einen CVD Prozess, einen PVD Prozess oder durch galvanische Abscheidung erzeugt werden.

D) Anordnen eines NTC Thermistors (Chip NTC Thermistor) auf einen Teilbereich der ersten oberen Elektrode. Der NTC Ther mistor wird bevorzugt auf einen Randbereich der ersten oberen Elektrode aufgelötet, Ag-gesintert oder geklebt. Derjenige Bereich der ersten oberen Elektrode, welcher frei von dem NTC Thermistor bleibt, fungiert als ein erstes Bondpad des Senso relements.

Der Chip NTC Thermistor weist eine Metallisierung an der Oberseite auf. Die Metallisierung ist bevorzugt eine Dünn schichtmetallisierung. Die Metallisierung ist vorzugsweise auf die Oberseite des NTC Thermistors aufgesputtert. Die Me tallisierung bildet eine zweite obere Elektrode des Sensorel ements. Die Metallisierung fungiert als ein zweites Bondpad des Sensorelements. Im Falle der Variante 2 mit einem Chip NTC Thermistor besteht die Möglichkeit einen Chip mit einem symmetrischen Aufbau zu verwenden, wobei auf der Unter- und Oberseite die Elektrode die gleichen Schichten aufweist. Alternativ kann aber auch ein Chip verwendet werden, der einen asymmetrischen Aufbau hat, wobei sich die Schichten der Elektroden auf der Unter- und Oberseite voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann auf der Unterseite eine Nickelschicht mit einer Silberdeck schicht aufgebracht sein und auf der Oberseite eine Nickel schicht mit einer Golddeckschicht kombiniert sein. Der Vor teil besteht darin, dass für das Fügen auf dem Träger durch die Ag-Schicht eine bessere Anhaftung beim Silberdrucksintern und Löten erzielt wird. Die Dicke der Schichten unterscheidet sich zwischen der Ober- und Unterseite. In einem Beispiel weist die Unterseite eine 0,3 gm dicke Nickelschicht auf, die mit einer 0,4 gm dicken Silberschicht bedeckt ist. Auf der Oberseite ist in diesem konkreten Beispiel dann eine 1,1 pm dicke Nickelschicht von einer 0,2 pm dicken Goldschicht be deckt. Selbstverständlich sind auch andere Variationen in der Schichtdicke und Materialkombinationen möglich.

Die vorliegende Erfindung weist ferner die folgenden Aspekte auf:

1. Sensorelement (1) zur Messung einer Temperatur aufweisend

- einen Träger (2), wobei der Träger (2) ein elektrisch iso lierendes Material aufweist und wobei der Träger (2) eine Oberseite (2a) und eine Unterseite (2b) aufweist,

- einen NTC Thermistor (3), wobei der NTC Thermistor (3) an der Oberseite (2a) des Trägers (2) angeordnet ist,

- wenigstens zwei erste Elektroden (4) zur elektrischen Kon taktierung des Sensorelements (1), wobei die ersten Elektro den (4) an der Oberseite (2a) des Trägers (2) angeordnet sind, - wenigstens eine zweite Elektrode (5), welche an der Unter seite (2b) des Trägers (2) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (1) dazu ausgebildet ist elektrisch isolierend direkt auf eine Leiterbahn eines Leistungsmoduls integriert zu werden.

2. Sensorelement (1) nach Aspekt 1, wobei das elektrisch isolierende Material des Trägers (2) eine Keramik auf Basis von AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien aufweist.

3. Sensorelement (1) nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials und eines Materials des NTC Thermistors (3) aufeinander abge stimmt sind.

4. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die jeweilige erste Elektrode (4) eine Mehrzahl von Schichten (10, 11, 12, 13) aufweist, und wobei die jeweilige erste Elektrode (4) Cu, Ni, Pd und Au aufweist.

5. Sensorelement (1) nach Aspekt 4, wobei wenigstens eine Schicht (10,11) der ersten Elektrode (4) als Dickschicht ausgebildet ist und wobei wenigstens eine weitere Schicht (12,13) der ersten Elektrode (4) als Dünn schicht ausgebildet ist.

6. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die jeweilige erste Elektrode (4) einen ersten Bereich (4a) aufweist zur elektrischen Kontaktierung des Sensorele ments (1) mittels Drahtbonden oder Löten und wobei die jewei lige erste Elektrode (4) einen zweiten Bereich (4b) aufweist zur Kontaktierung des NTC Thermistors (3) mittels Löten. 7. Sensorelement (1) nach Aspekt 6, wobei der erste Bereich (4a) und der zweite Bereich (4b) durch einen Verbindungsbereich (4c) miteinander verknüpft sind.

8. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die zweite Elektrode (5) mehrschichtig ausgebildet ist und die Materialien Cu, Ni, Pd und/oder Au aufweist oder wo bei die zweite Elektrode (5) wenigstens eine Schicht des Ma terials Ag aufweist.

9. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die zweite Elektrode (5) vollflächig auf der Unterseite (2b) des Trägers (2) ausgebildet ist.

10. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die zweite Elektrode (5) derart angeordnet ist, dass an der Unterseite (2b) des Trägers (2) ein Freirand (6) ausge bildet ist.

11. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, wobei die zweite Elektrode (5) an der Oberseite eine Metalli sierung (7) aufweist.

12. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, ferner aufweisend wenigstens eine Haftvermittlungsschicht (8), wobei die Haftvermittlungsschicht (8) zwischen der je weiligen ersten Elektrode (4) und dem Träger (2) und/oder zwischen der zweiten Elektrode (5) und dem Träger (2) ausge bildet ist.

13. Sensorelement (1) nach einem der vorangehenden Aspekte, ferner aufweisend eine Schutzschicht (9), wobei die Schutz schicht (9) wenigstens um den NTC Thermistor (3) herum ausge bildet ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (1) auf weisend die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen eines Trägermaterials zur Ausbildung des Trägers (2);

B) Aufbringen von wenigstens zwei ersten Elektroden (4) auf einer Oberseite (2a) des Trägermaterials;

C) Aufbringen von wenigstens einer zweiten Elektrode (5) an einer Unterseite (2b) des Trägermaterials;

D) Anordnen eines NTC Thermistors (3) auf der Oberseite (2a) des Trägermaterials, wobei der NTC Thermistor (3) auf einen Teilbereich der wenigstens zwei ersten Elektroden (4) aufge lötet wird.

15. Verfahren nach Aspekt 14, wobei die jeweilige erste Elektrode (4) mehrschichtig aufge baut ist und die Materialien Cu, Ni, Pd und Au aufweist.

16. Verfahren nach Aspekt 14 oder 15, wobei die ersten Elektroden (4) durch einen kombinierten Pro zess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvani schem Abscheiden auf die Oberseite (2a) des Trägermaterials aufgebracht werden.

17. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 16, ferner aufweisend den Schritt:

Ausbilden einer Metallisierung (7) auf der Unterseite der zweiten Elektrode (5), wobei die Metallisierung (7) durch ei nen CVD Prozess, einen PVD Prozess oder durch galvanische Ab scheidung aufgebracht wird. Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maß stabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Dar stellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Sensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine perspektivische Draufsicht auf ein Sensorelement gemäß einem weiteren Aus- führungsbeispiel,

Figur 3 eine perspektivische Unteransicht des Sensorelements gemäß Figur 2,

Figur 4 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer ersten Elektrode,

Figur 5 eine Draufsicht auf ein Sensorelement ge mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Sensorelements (NTC Chip Thermistor) gemäß Figur 5.

Die Figur 1 zeigt ein Sensorelement 1 gemäß einer ersten Aus führungsform. Das Sensorelement 1 ist vorzugsweise zur Mes sung einer Temperatur ausgebildet. Das Sensorelement 1 ist ein Temperatursensor. Das Sensorelement 1 ist dazu ausgebil- det mit konventioneller AVT, wie Löten, Silbersintern und/oder Drahtbonden, die standardmäßig bei der Herstellung von Leistungsmodulen verwendet werden, verarbei tet zu werden.

Das Sensorelement 1 weist einen Träger 2 auf. Der Träger 2 weist ein gut wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Material auf. Vorzugsweise ist der Träger 2 ein keramischer Träger. Bevorzugt weist der Träger 2 eine Keramik auf Basis von AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien auf. Alternativ dazu kann der Träger A1N oder S13N4 als Trägermaterial aufweisen.

Der Träger 2 weist eine Oberseite 2a und eine Unterseite 2b auf. Die Unterseite 2b ist dabei diejenige Seite des Trägers 2 welche im verbauten Zustand des Sensorelements 1 einer Lei terplatte zugewandt ist.

Der Träger 2 ist rechteckig ausgebildet. Gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel weist der Träger 2 eine Breite B auf (siehe Fi gur 2), wobei 1,5 mm < B < 2 mm. Bevorzugt beträgt die Breite B = 1,6 mm. Selbstverständlich sind auch andere (kleinere oder größere) Breiten vorstellbar, beispielsweise 0,5 mm < B < 2 mm.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Träger 2 eine Dicke bzw. Höhe H auf (siehe Figur 2), wobei 0,3 mm < H < 0,5 mm. Bevorzugt beträgt die Höhe H = 0,4 mm. Es sind aber auch an dere (kleinere oder größere) Höhen vorstellbar, beispielswei se 0,1 mm < H < 1,0 mm.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Träger 2 eine Länge L auf (siehe Figur 2), wobei 3,0 mm < L < 4,0 mm. Bevorzugt beträgt die Länge L = 3,5 mm. Auch kleinere und größere Aus- führungsformen sind vorstellbar, beispielsweise 1 mm < L < 4 mm.

Mit anderen Worten, das Sensorelement 1 bzw. der Träger 2 ist sehr kompakt dimensioniert und eignet sich damit hervorragend zur Integration auf eine Leiterplatte.

Das Sensorelement 1 weist ferner wenigstens zwei erste bzw. obere Elektroden 4 und wenigstens eine zweite bzw. untere Elektrode 5 auf. Die zweite bzw. untere Elektrode 5 ist vor zugsweise eine reine Metallisierung und weist keine elektri sche Funktion auf.

Die wenigstens zwei ersten Elektroden 4 sind auf der Obersei te 2a des Trägers 2 ausgebildet. Die ersten Elektroden 4 sind dazu ausgebildet und angeordnet, eine elektrische Kontaktie rung des Sensorelements 1 mit konventioneller AVT (vorzugs weise Drahtbonden oder Löten) zu ermöglichen.

Die jeweilige erste Elektrode 4 ist strukturiert ausgebildet. Die jeweilige erste Elektrode 4 weist beispielsweise die Ma terialien Cu, Ni, Pd und/oder Au auf. Die jeweilige erste Elektrode 4 ist mehrschichtig aufgebaut (siehe hierzu Figur 4). Insbesondere weist eine unterste Schicht 10 der ersten Elektrode 4 Cu auf. Die unterste Schicht 10 ist dabei dieje nige Schicht der ersten Elektrode 4, welche direkt bzw. un mittelbar auf der Oberseite 2a des Trägers 2 ausgebildet ist. Eine erste mittlere Schicht 11 der ersten Elektrode 4 weist Ni auf. Die erste mittlere Schicht 11 grenzt dabei direkt an die unterste Schicht 10 an. Eine zweite mittlere Schicht 12 der ersten Elektrode 4 weist beispielsweise Pd auf. Die zwei te mittlere Schicht 12 grenzt dabei direkt an die erste mitt lere Schicht 11 an. Eine oberste Schicht 13 der ersten Elekt rode 4 weist Au auf. Die oberste Schicht 13 grenzt dabei di- rekt an die zweite mittlere Schicht 12 an. Die oberste Schicht 13 bildet die Oberseite bzw. Außenseite der jeweili gen ersten Elektrode 4.

Die Schichten 10, 11, 12, 13 sind je nach Material als Dünn- bzw. Dickschicht ausgeführt. Die unterste Schicht 10 (Cu) und die erste mittlere Schicht 11 (Ni) sind vorzugsweise als Dickschichten ausgeführt. Die oberste Schicht 13 (Au) sowie die zweite mittlere Schicht 12 (Pd) sind vorzugsweise als Dünnschichten 12 ausgeführt. Die Schichtabfolge und -stärke ist dabei so gewählt, dass insbesondere ein zuverlässiger Löt- und Al Dickdrahtbondprozess ermöglicht wird.

Die Schichtdicken variieren dabei von < 1 gm bis < 20 gm, wo bei die als Dickschicht ausgeführten Cu und Ni-Schichten 10, 11 jeweils bis zu 20 pm dick sein können. Die Pd- und Au- Schichten 12, 13 weisen jeweils eine Schichtstärke von < 1 pm auf.

Die einzelnen Schichten 10, 11, 12, 13 der jeweiligen ersten

Elektrode 4 sind durch einen kombinierten Prozess aus Spu- tern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvanischem Abschei den auf die Oberseite 2a des Trägers 2 aufgebracht.

Die beiden ersten Elektroden 4 sind voneinander getrennt an geordnet. Die Elektroden 4 sind derart ausgestaltet, dass ein Freibereich an der Oberseite 2a ausgebildet ist, das heißt ein Bereich, welcher frei von Elektrodenmaterial ist. Insbe sondere reichen die ersten Elektroden 4 nicht bis an den Rand der Oberseite 2a.

Die jeweilige erste Elektrode 4 weist einen ersten Bereich (Bondpad 4a) und einen zweiten Bereich (Lötpad 4b) auf. Der erste Bereich 4a ist größer ausgebildet als der zweite Be- reich 4b. Der erste Bereich 4a weist eine Ausdehnung Dl pa rallel zu einer Längsachse L (siehe Figur 2) des Sensorele ments 1 auf, wobei 0,2 mm < Dl < 1,5 mm. Vorzugsweise beträgt die Ausdehnung Dl = 0,9 mm. Der erste Bereich 4a weist eine Ausdehnung D2 senkrecht zur Längsachse L des Sensorelements 1 auf, wobei 0,2 mm < D2 < 2,0 mm. Vorzugsweise beträgt die Ausdehnung D2 = 1,1 mm.

Die beiden Bereiche 4a, 4b gehen ineinander über. Insbesonde re sind die beiden Bereiche 4a, 4b durch einen stegförmigen Verbindungsbereich 4c miteinander verknüpft bzw. verbunden.

Die beiden ersten Elektroden 4 sind derart auf der Oberseite 2a orientiert, dass die beiden zweiten Bereiche / Lötpads 4b entlang einer Querachse Q des Trägers 2 gegenüberliegend an geordnet sind und dadurch das Auflöten eines NTC Thermistors 3 ermöglichen. Die Querachse Q verläuft dabei senkrecht zur Längsachse L (Figur 2). Insbesondere sind die zweiten Berei che 4b in einem Mittelbereich der Oberseite 2a ausgebildet.

Optional kann auch ein Lötstopplack auf beiden Stegen der Elektrode auf der Oberseite 2a des Trägers 2 aufgebracht wer den.

Das Sensorelement 1 weist den oben erwähnten NTC Thermistor 3 auf. The NTC Thermistor 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein SMD NTC Thermistor. Der Einfachheit halber wird im Fol genden in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 bis 3 der Begriff „NTC Thermistor 3" statt „SMD NTC Thermistor 3" verwendet.

Alternativ dazu (siehe Ausführungsbeispiele gemäß der Figuren 5 und 6) kann der NTC Thermistor 3 auch ein Chip NTC Thermis tor 3 sein. Der Einfachheit halber wird in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 5 und 6 der Begriff „NTC Thermistor 3" statt „Chip NTC Thermistor 3" verwendet.

Der NTC Thermistor 3 weist eine Oberseite 3a und eine Unter seite 3b auf (siehe hierzu Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6). Der NTC Thermistor 3 weist eine Höhe h von 0,2 mm < h <

0,7 mm auf.

Der NTC Thermistor 3 ist an der Oberfläche des Sensorelements 1 angeordnet. Der NTC Thermistor 3 ist vorzugsweise ein EIA 0402 oder EIA 0201 SMD NTC. Alternativ kann der NTC Thermis tor 3 auch ein EIA 01005 SMD NTC sein.

Vorzugsweise ist der NTC Thermistor 3 gemäß Figur 1 (SMD NTC Thermistor, Variante 1) auf die Oberseite 2a des Trägers 2 aufgelötet. Insbesondere ist der NTC Thermistor 3 auf die zweiten Bereiche 4b bzw. Lötpads 4b der ersten Elektroden 4 aufgelötet. Folglich ist der NTC Thermistor 3 im Mittelbe reich der Oberseite 2a des Trägers 2 angeordnet.

Um Schädigungen der Verbindungsstellen zwischen NTC Thermis tor 3 und Träger 2 durch zyklische Temperaturwechsel und da bei auftretende thermomechanische Spannungen zu vermeiden sind die Ausdehnungskoeffizienten von Trägermaterial und dem Keramikmaterial des NTC Thermistors 3 aufeinander abgestimmt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 bis 4 weist das Sensorelement 1 ferner eine Schutzschicht bzw. Schutzhül le 9 (Globtop) auf. Die Schutzhülle 9 umhüllt wenigstens den NTC Thermistor 3 vorzugsweise vollständig. Dadurch wird der NTC Thermistor 3 optimal gegen äußere Einflüsse geschützt.

Eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements 1 wird durch Drahtbonden (vorzugsweise Al-Dickdrahtbonden) der ers- ten Elektroden 4, insbesondere der ersten Bereiche bzw. Bond- pads 4a, erzielt. Beschädigungen der NTC Keramik können damit vermieden werden. Die Zuverlässigkeit des Sensorelements 1 im Gegensatz zu Stand der Technik NTC Thermistoren wird dadurch erhöht. Durch den stegförmigen Verbindungsbereich 4c zwischen dem ersten Bereich 4a und dem zweiten Bereich 4b wird durch das Drahtbonden ebenfalls der NTC Thermistor 3 kontaktiert.

Die zweite Elektrode 5 ist an der Unterseite 2b des Trägers 2 angeordnet. Die zweite Elektrode 5 ist dazu ausgebildet und angeordnet mit konventioneller AVT (vorzugsweise Löten oder Silbersintern) direkt auf die Leiterbahn eines Leistungsmo duls aufgebracht zu werden.

Die zweite Elektrode 5 kann mehrschichtig oder auch ein schichtig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode 5 lediglich eine oder mehrere Ag Schichten aufwei sen (Dünnschichtelektrode). Alternativ dazu kann die zweite Elektrode 5 auch einen Schichtaufbau analog des Schichtauf- baus der jeweiligen ersten Elektrode 4 aufweisen (siehe auch Figur 4).

Bevorzugt ist die zweite Elektrode 5 vollflächig ausgebil det. Mit anderen Worten, die zweite Elektrode 5 erstreckt sich vollständig oder beinahe vollständig über die komplette Unterseite 2b des Trägers 2. An der Unterseite 2b kann aber auch ein Freirand 6 ausgebildet sein. In diesem Fall reicht die zweite Elektrode 5 nicht bis zu dem Rand der Unterseite 2b des Trägers 2.

An der Unterseite bzw. Außenseite der zweiten Elektrode 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Metallisierung 7, vorzugs weise eine Ag-Metallisierung, ausgebildet. Die Metallisierung 7 kann über einen CVD Prozess, einen PVD Prozess oder durch galvanische Abscheidung auf die zweite Elektrode 5 erzeugt werden. Durch die Metallisierung 7 wird die direkte Anbindung des Sensorelements 1 an die Leiterplatte durch Einsatz eines Silber-Sinterprozesses ermöglicht. Eine Metallisierung 7 wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die zweite Elektrode 5 einen Schichtaufbau analog zu der jeweiligen ersten Elektrode 4 aufweist. Sofern die zweite Elektrode 5 als Ag- Dünnschichtelektrode ausgeführt ist, kann die Metallisierung 7 auch entfallen.

Zwischen der ersten Elektrode 4 und/oder der zweiten Elektro de 5 und dem Träger 2 kann ferner eine Haftvermittlungs schicht 8, beispielsweise eine Ti-Schicht, ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Elektrode 4, 5 direkt auf der Haftver mittlungsschicht 8 ausgebildet. Dies ermöglicht eine beson ders gute Anbindung der Elektroden 4, 5 an den Träger 2.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Sensorele ment 1 zur Vereinfachung des Aufbaus auch ohne eine zwei te/untere Elektrode 5 ausgebildet sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Sensorele ment 1 auch für Dünndrahtbonden ausgelegt sein. In diesem Beispiel ist der NTC Thermistor 3 vorzugsweise ein SMD EIA 01005. Vorzugsweise weist der Träger 2 in diesem Ausführungs beispiel folgende Abmessungen auf: 0,1 mm < H < 1 mm; 0,5 mm < B < 2,0 mm; 1,0 mm < L < 2,0 mm. Vorzugsweise weist der erste Bereich 4a der jeweiligen ersten Elektrode 4 die fol genden Abmessungen auf: 0,1 mm < Dl < 1,1 mm; 0,1 mm < D2 <

1,1 mm.

Gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht das isolierende Sensorelement 1 eine Anwendung direkt auf der Leiterbahn ei nes Leistungsmoduls. Durch den speziellen Elektrodenaufbau ist eine Kontaktierung mit Al-Dickdraht ohne Beschädigung der NTC Keramik sowie mit gesteigerter Zuverlässigkeit im Gegen satz zu NTC Thermistoren gemäß dem Stand der Technik möglich. Zusätzlich wird die mechanische Stabilität des Sensorelemen tes 1 durch die Verwendung von keramischen Trägermaterialien auf Basis von z.B. A1N, S13N4, AI2O3, LTCC bzw. ZTA Materia lien erhöht.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine perspektivische Draufsicht (Figur 2) bzw. eine perspektivische Unteransicht (Figur 3) eines Sensorelements 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbei spiel.

Im Gegensatz zu dem Sensorelement 1 gemäß Figur 1 weist das Sensorelement hierbei keine Schutzhülle 9 auf. Ferner ist das Sensorelement 1 ohne Metallisierung 7 und ohne Haftvermitt lungsschicht 8 ausgebildet. Für alle weiteren Merkmale des Sensorelements 1 wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit der Figur 1 verwiesen.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Senso relements 1 beschrieben. Vorzugsweise wird durch das Verfah ren das Sensorelement 1 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele (Figuren 1 bis 3) hergestellt. Alle Merkmale die in Zusammenhang mit dem Sensorelement 1 be schrieben wurden, finden daher auch für das Verfahren Anwen dung und umgekehrt.

In einem ersten Schritt A) wird ein Trägermaterial zur Aus bildung des Trägers 2 bereitgestellt. Das Trägermaterial weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Das Trägermate rial weist ein elektrisch isolierendes Material auf. Das Trä germaterial weist eine Keramik auf. Vorzugsweise weist das Trägermaterial eine Keramik auf Basis von AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien auf. Alternativ kann das Trägermaterial auch A1N oder S13N4 aufweisen.

In einem weiteren Schritt B) erfolgt das Aufbringen der we nigstens zwei ersten Elektroden 4 auf der Oberseite 2a des Trägermaterials. Dies geschieht durch einen kombinierten Pro zess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvani schem Abscheiden. Dabei werden mehrschichtige erste Elektro den 4 ausgebildet. Insbesondere weist die jeweilige erste Elektrode 4 einen Schichtaufbau aus einer untersten Schicht 10, zwei Mittelschichten 11, 12 und einer obersten Schicht 13 auf.

Zunächst wird die unterste Schicht 10 auf die Oberseite 2a des Trägermaterials abgeschieden, beispielsweise galvanisch. Die unterste Schicht 10 weist vorzugsweise Cu auf. Bevorzugt ist die unterste Schicht 10 eine Dickschicht. Vorzugsweise weist die unterste Schicht 10 eine Dicke zwischen 1 pm und 20 pm auf, besonders bevorzugt zwischen 3 pm und 15 pm.

Anschließend wird die erste mittlere Schicht 11 auf der un tersten Schicht 10 ausgebildet, beispielsweise galvanisch.

Die erste mittlere Schicht 11 weist Ni auf. Bevorzugt ist die erste mittlere Schicht 11 eine Dickschicht. Vorzugsweise weist die erste mittlere Schicht 11 eine Dicke zwischen 1 pm und 20 pm auf, besonders bevorzugt zwischen 3 pm und 7 pm.

Im Anschluss wird die zweite mittlere Schicht 12 auf der ers ten mittleren Schicht 11 ausgebildet, beispielsweise mittels Sputtern. Die zweite mittlere Schicht 12 weist beispielsweise Pd auf. Bevorzugt ist die zweite mittlere Schicht 12 eine Dünnschicht. Vorzugsweise weist die zweite mittlere Schicht 12 eine Dicke von < 1 pm auf. Als letztes wird die oberste Schicht 13 auf der zweiten mitt leren Schicht 12 ausgebildet, beispielsweise mittels Sput tern. Die oberste Schicht 13 weist Au auf. Die oberste Schicht 13 bildet die Oberseite bzw. Außenseite der jeweili gen ersten Elektrode 4. Bevorzugt ist die oberste Schicht 13 eine Dünnschicht. Vorzugsweise weist die oberste Schicht 13 eine Dicke von < 1 pm auf.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem Schritt B) ein weiterer Schritt, in dem die Haftvermittlungs schicht 8 auf die Oberseite 2a des Trägermaterials aufge bracht wird. Anschließend werden in diesem Ausführungsbei spiel die ersten Elektroden 4 auf der Haftvermittlungsschicht 8 ausgebildet.

In einem weiteren Schritt C) erfolgt das Aufbringen der zwei ten Elektrode 5 auf der Unterseite 2b des Trägermaterials. Dies kann ebenfalls durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvanischem Ab scheiden erfolgen. Die dabei entstehende zweite Elektrode 5 weist einen mehrschichtigen Aufbau auf, beispielsweise analog zu dem Aufbau der jeweiligen ersten Elektrode 4.

Alternativ dazu kann die zweite Elektrode 5 aber auch ledig lich eine oder mehrere Schichten Ag aufweisen. In diesem Fall erfolgt das Aufbringen der zweiten Elektrode 5 auf die Unter seite 2a des Trägermaterials.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem Schritt C) ein weiterer Schritt, in dem die Haftvermittlungs schicht 8 auf die Unterseite 2b des Trägermaterials aufge bracht wird. Anschließend wird in diesem Ausführungsbeispiel die zweite Elektrode 5 auf der Haftvermittlungsschicht 8 aus gebildet . In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann Schritt C) weggelassen werden, so dass keine zweiten Elektrode 5 auf der Unterseite 2b des Trägermaterials aufgebracht wird.

In einem alternativen weiteren Schritt kann eine Metallisie rung 7 auf der Unterseite bzw. Außenseite der zweiten Elekt rode 5 ausgebildet werden. Die Metallisierung wird über einen CVD Prozess, einen PVD Prozess oder durch galvanische Ab scheidung auf die zweite Elektrode 5 aufgebracht.

In einem nächsten Schritt D) erfolgt das Anordnen des NTC Thermistors 3 auf der Oberseite 2a des Trägermaterials. Ins besondere wird der NTC Thermistor 3 auf einen Teilbereich (zweiter Bereich 4b bzw. Lötpad 4b) der wenigstens zwei ers ten Elektroden 4 aufgelötet.

In einem weiteren Schritt erfolgt das Aufbringen einer Schutzschicht bzw. Schutzhülle 9. Die Schutzhülle 9 weist vorzugsweise ein Polymer auf. Bevorzugt besteht die Schutz hülle 9 aus einem Polymer. Die Schutzhülle 9 umhüllt den NTC Thermistor 3 vorzugsweise vollständig.

Anschließend kann das direkte Anbinden des Sensorelements 1 auf eine Leiterbahn einer Leiterplatte erfolgen, insbesondere mittels einer konventionellen AVT, vorzugsweise durch Löten oder Ag-Sintern der zweiten Elektrode 5.

Ferner können nunmehr die ersten Elektroden 4 sowie der NTC Thermistor 3 kontaktiert werden. Dies erfolgt ebenfalls mit tels einer konventionellen AVT, vorzugsweise mittels Draht bonden (bevorzugt Al-Dickdrahtbonden) oder Löten.

Die Figur 5 zeigt ein Sensorelement 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der NTC Thermistor 3 hierbei ein Chip NTC Thermistor. Im Gegensatz zu den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist hierbei ferner lediglich eine Elektrode 4 unmittelbar auf der Ober seite 2a des Trägers 2 ausgebildet. Im Folgenden wird diese Elektrode als die erste obere Elektrode 4 bezeichnet. Die erste obere Elektrode 4 ist analog zu den oben beschriebenen ersten Elektroden 4 aufgebaut. Insbesondere ist die erste obere Elektrode mehrschichtig aufgebaut.

Die erste obere Elektrode 4 ist derart auf die Oberseite 2a des Trägers aufgebracht, dass ein Randbereich des Trägers 2 frei von der ersten oberen Elektrode 4 ist (Freirand 44). Der Freirand 44 weist eine Breite von 0,05 bis 0,25 mm auf.

Alternativ dazu kann die erste obere Elektrode 4 die Obersei te 2a des Trägers 2 aber auch vollständig bedecken (nicht ex plizit dargestellt). Eine Fläche der ersten oberen Elektrode

4 beträgt in diesem Fall (1,25 ± 0,75) mm x (2,25 ± 1,25) mm auf.

Der NTC Thermistor 3 bedeckt die erste obere Elektrode 4 nicht vollständig. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist der NTC Thermistor 3 in einem Randbereich der ersten oberen Elektrode 4 angeordnet. Mit anderen Worten, ein Teilbereich 45 der ersten oberen Elektrode 4 ist frei vom NTC Thermistor 3. Dieser Teilbereich 45 dient als ein erstes Bondpad.

Der NTC Thermistor 3 weist eine Metallisierung 40 auf. Die Metallisierung 40 ist eine Dünnschichtmetallisierung. Die Me tallisierung 40 ist an der Oberseite 3a des NTC Thermistors 3 ausgebildet, vorzugsweise aufgesputtert. Auf einer weiteren, gegenüberliegenden Seite des NTC Thermistors (Unterseite 3b) kann eine weitere Metallisierung 40 angeordnet sein (Figur 6).

Die Metallisierung 40 an der Oberseite 3a des NTC Thermistors 3 dient als weiteres Bondpad für eine Al-Dickdraht Kontaktie rung des Sensorelements 1. Mit anderen Worten, die Metalli sierung 40 des NTC Thermistors 3 fungiert als eine zweite obere Elektrode 4. Damit ist eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements 1 auf einfache Weise gewährleistet.

Die Metallisierung 40 ist eine Schichtförmige Elektrode mit mehreren Schichten 41, 42 (Figur 6). Die Schichten 41, 42 sind beispielsweise gesputtert. Die Metallisierung 40 weist eine Schicht 41 auf, welche direkt auf der Keramik des Grund körpers 43 aufgebracht ist (Figur 6). Die Schicht 41 enthält Nickel, beispielsweise mit einem Anteil an Vanadium, oder be steht aus diesen Metallen.

Die Schicht 41 kann wiederum mehrschichtig ausgebildet sein (nicht explizit dargestellt). Eine untere Schicht der Schicht 41 ist beispielsweise in direktem Kontakt mit der Keramik.

Die untere Schicht enthält beispielsweise Chrom oder besteht aus Chrom. Die Schicht 41 kann zudem eine obere Schicht auf weisen, die auf der unteren Schicht aufgebracht ist. Die obe re Schicht enthält beispielsweise Nickel mit einem Anteil an Vanadium oder besteht aus diesen Metallen.

Die Schicht 41 weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von 0,2 gm bis 10 gm auf. Vorzugsweise liegt die Dicke im Bereich von 0,3 pm bis 2 pm. Diese Dicke kann sowohl für eine ein schichtige als auch eine mehrschichtige Schicht 41 gelten.

Auf der Schicht 41 ist eine weitere Schicht 42 (Deckschicht) aufgebracht. Beispielsweise dient die Deckschicht 42 als Kor- rosionsschutz für die Schicht 41, insbesondere zur Verhinde rung einer Oxidation. Die Deckschicht enthält beispielsweise Silber, Gold, Kupfer oder Aluminium oder besteht aus einem dieser Materialien. Die Deckschicht weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von 0,05 gm bis 20 gm auf.

Alle weiteren Merkmale des Sensorelements 1, insbesondere die zweite bzw. untere Elektrode 5, die Metallisierung 7 und die Haftvermittlungsschicht 8 sind analog zu den weiter oben be schriebenen Ausführungsbeispielen ausgeführt.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Senso relements 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 beschrieben .

In einem ersten Schritt A) wird ein Trägermaterial zur Aus bildung des Trägers 2 bereitgestellt. Das Trägermaterial weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Das Trägermate rial weist ein elektrisch isolierendes Material auf. Das Trä germaterial weist eine Keramik auf. Vorzugsweise weist das Trägermaterial eine Keramik auf Basis von A1N, S13N4, AI2O3, LTCC oder ZTA Materialien auf.

In einem weiteren Schritt B) erfolgt das Aufbringen einer der beiden ersten Elektroden 4 (erste obere Elektrode 4) auf der Oberseite 2a des Trägermaterials. Dies geschieht durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder galvanischem Abscheiden. Dabei wird eine mehrschich tige erste obere Elektrode 4 ausgebildet. Insbesondere weist die erste obere Elektrode 4 einen Schichtaufbau aus einer un tersten Schicht 10, zwei Mittelschichten 11, 12 und einer obersten Schicht 13 auf (Figur 4). Der Schichtaufbau der ers ten oberen Elektrode 4 erfolgt dabei analog zu dem Schicht aufbau der oben beschriebenen ersten Elektroden. Die erste obere Elektrode 4 kann vollflächig auf der Obersei te 2a aufgebracht werden. Alternativ dazu wird die erste obe re Elektrode 4 so aufgebracht, dass ein Randbereich des Trä gers 2 frei bleibt (Freirand 44).

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem Schritt B) ein weiterer Schritt, in dem die Haftvermittlungs schicht 8 auf die Oberseite 2a des Trägermaterials aufge bracht wird. Anschließend werden in diesem Ausführungsbei spiel die erste obere Elektrode 4 auf der Haftvermittlungs schicht 8 ausgebildet.

In einem weiteren Schritt C) erfolgt das Aufbringen der zwei ten bzw. unteren Elektrode 5 auf der Unterseite 2b des Trä germaterials. Dies kann ebenfalls durch einen kombinierten Prozess aus Sputtern, CVD Prozess, PVD Prozess und/oder gal vanischem Abscheiden erfolgen. Die dabei entstehende zweite Elektrode 5 weist einen mehrschichtigen Aufbau auf, bei spielsweise analog zu dem Aufbau der jeweiligen ersten Elekt rode 4. Alternativ dazu kann die zweite Elektrode 5 aber auch lediglich eine oder mehrere Schichten Ag aufweisen.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem Schritt C) ein weiterer Schritt, in dem die Haftvermittlungs schicht 8 auf die Unterseite 2b des Trägermaterials aufge bracht wird. Anschließend wird in diesem Ausführungsbeispiel die zweite Elektrode 5 auf der Haftvermittlungsschicht 8 aus gebildet.

In einem alternativen weiteren Schritt kann eine Metallisie rung 7 auf der Unterseite bzw. Außenseite der zweiten Elekt rode 5 ausgebildet werden. Die Metallisierung wird über einen CVD Prozess, einen PVD Prozess oder durch galvanische Ab scheidung auf die zweite Elektrode 5 aufgebracht. In einer alternativen Ausführungsform entfällt das Aufbringen der zweiten Elektrode 5 auf der Unterseite 2b des Trägermate rials. In diesem Fall erfolgt die Anbindung des Sensorele ments 1 mittels Kleben.

In einem nächsten Schritt D) erfolgt das Anordnen des NTC Thermistors 3 auf einem Teilbereich der ersten oberen Elekt rode 4. Insbesondere wird der NTC Thermistor 3 auf einen Randbereich der ersten oberen Elektrode 4 aufgelötet. Der NTC Thermistor 3 weist an der Oberseite 3a eine Metallisierung 40 auf, welche als zweite obere Elektrode 4 fungiert.

Anschließend kann das direkte Anbinden des Sensorelements 1 auf eine Leiterbahn einer Leiterplatte erfolgen, insbesondere mittels einer konventionellen AVT, vorzugsweise durch Löten oder Ag-Sintern der zweiten Elektrode 5.

Ferner können nunmehr die ersten bzw. oberen Elektroden 4, 40 kontaktiert werden. Dies erfolgt ebenfalls mittels einer kon- ventionellen AVT, vorzugsweise mittels Drahtbonden (bevorzugt Al-Dickdrahtbonden) oder Löten.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden. Bezugszeichenliste

1 Sensorelement

2 Träger

2a Oberseite

2b Unterseite

3 NTC Thermistor

3a Oberseite

3b Unterseite

4 Erste/obere Elektrode

4a Erster Bereich / Bondpad

4b Zweiter Bereich / Lötpad

4c Verbindungsbereich

5 Zweite/untere Elektrode

6 Freirand

7 Metallisierung

8 HattvermittlungsSchicht

9 Schutzschicht / Schutzhülle

10 Unterste Schicht 11 Mittlere Schicht 12 Mittlere Schicht 13 Oberste Schicht

40 Metallisierung

41 Schicht

42 Schicht / Deckschicht

43 Keramischer Grundkörper des NTC Thermistors

44 Freibereich

45 Teilbereich der ersten oberen Elektrode

B Breite des Sensorelements

H Höhe bzw. Dicke des Sensorelements

L Länge des Sensorelements h Höhe des NTC Thermistors X Längsachse Q Querachse

Dl Ausdehnung parallel zur Längsachse

D2 Ausdehnung senkrecht zur Längsachse