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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines
elektronischen Bauelements, das aus einer Mehrzahl von auf Anlegen
eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten und einer
Mehrzahl von Elektrodenschichten gebildet ist, wobei jede Werkstoffschicht
zwischen zwei der Elektrodenschichten angeordnet ist.
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Ein
solches Bauelement aus übereinander und alternierend zueinander
gestapelten Schichten von Werkstoffschicht und Elektrodenschicht
wird allgemein als Stapel bezeichnet. Das heutzutage bekannteste
elektronische Bauelement dieser Art ist ein allgemein als Piezoaktor
bezeichneter Stapel, der als Betätigungselement in Einspritzventilen
der verschiedensten Motortypen für Kraftfahrzeuge zur Anwendung
kommt. Die Werkstoffschichten sind bei diesem Piezoaktor Keramikschichten.
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Üblicherweise
weist ein solcher Stapel, in der Draufsicht betrachtet, einen rechteckigen
oder quadratischen Querschnitt auf. Der Stapel wird an zwei sich
gegenüberliegenden Umfangsseiten elektrisch kontaktiert.
Um dies technologisch sorgfältig durchführen zu
können, wurden die Elektrodenschichten in der Vergangenheit
geometrisch so ausgelegt, dass sich nur jede zweite Elektrodenschicht
seitlich bis zu einer der beiden Umfangsseiten erstreckt, während sich
die jeweils anderen Elektrodenschichten nicht bis zu dieser Umfangsseite
hin erstrecken. Entsprechendes gilt für die andere Umfangsseite
des Stapels analog.
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Darüber
hinaus sind sog. vollaktive Stapel bekannt, bei denen die Elektrodenschichten
und die Werkstoffschichten die gleiche Fläche aufweisen, wodurch
sich sämtliche Elektrodenschichten jeweils bis an die gegenüberliegenden
Umfangsseiten erstrecken. Da sich sämtliche Elektrodenschichten
des Bauelements bis zu den beiden gegenüberliegenden Umfangsseiten
erstrecken, muss die Kontaktierung auf andere Weise erfolgen.
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Aus
der
DE 101 53 770
A1 ist ein Verfahren zur Kontaktierung einer gestapelten
piezoelektrischen Vorrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren wird
beidseitig abwechselnd jede zweite Elektrodenschicht mit einer elektrisch
isolierenden Schicht versehen. Anschließend werden die
frei liegenden Elektrodenschichten jeder Umfangsseite über
eine leitende Schicht miteinander verbunden. Als leitende Schicht
wird ein Harz verwendet, das leitfähige Partikel enthält.
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Aus
der
DE 10 2006
003 070 B3 ist ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung
eines als Stapel ausgebildeten Bauelements bekannt, welches aus
Werkstoffschichten und Elektrodenschichten besteht. Zur Ankontaktierung
wird auf zwei gegenüberliegenden Seiten eine Isolationsschicht
aufgebracht. Anschließend wird jede Isolationsfolie durch
Laserstrukturierung an der Position jeder zweiten Elektrodenschicht
geöffnet. Anschließend werden die Elektrodenschichten
auf jeder Umfangsseite mit einem elektrisch leitenden Material miteinander
verbunden.
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Ein
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren besteht
darin, dass das selektive Aufbringen der isolierenden Schicht bzw.
das Freilegen von Elektrodenschichten einer vollflächig
aufgebrachten isolierenden Schicht mit einem hohen Arbeitsaufwand
und damit hohen Kosten verbunden ist.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
elektrischen Kontaktieren eines als Stapel ausgebildeten Bauelements
anzugeben, so dass bei dessen Betätigung nur geringe mechanische
Belastungen zur Vermeidung von Rissen entstehen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den abhängigen Patentansprüchen.
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren eines
elektronischen Bauelements als Stapel, das aus einer Mehrzahl von
auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden Werkstoffschichten
und einer Mehrzahl von Elektrodenschichten gebildet ist, wobei jede
Werkstoffschicht zwischen zwei der Elektrodenschichten angeordnet
ist. Bei dem Verfahren wird auf zumindest einen Stapelumfangsbereich
des Stapels eine strukturierte Opferschicht aufgebracht. Anschließend
wird der zumindest eine mit der Opferschicht versehene Stapelumfangsbereich
im Wesentlichen ganzflächig mit einer elektrisch leitenden
Schicht bedeckt. In einem darauf folgenden Schritt wird die Opferschicht vollständig
entfernt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Strukturierbarkeit
des Isolators von den Anforderungen an die Zuverlässigkeit
des elektronischen Bauelements entkoppelt werden. Hierdurch kann eine
breite Palette an Materialien für die Opferschicht verwendet
werden, welche ausschließlich hinsichtlich der Strukturierbarkeit
optimiert zu sein braucht. Das Verhalten des Materials der Opferschicht
hinsichtlich der für den Betrieb des Bauelements erforderlichen
Eigenschaften, wie z. B. die Temperaturbeständigkeit, das
Elastizitätsmodul, der thermische Ausdehnungskoeffizient
sowie die Haftung auf den Werkstoffschichten und Elektrodenschichten, braucht
nicht berücksichtigt zu werden.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens besteht in der Möglichkeit,
durch den Verlauf der strukturierten Opferschicht eine bestimmte
Geometrie der elektrisch leitenden Schicht zu erzeugen. Hierdurch
können mechanische Belastungen während des Betriebs
des Stapels verringert werden, wodurch ein insgesamt zuverlässigeres
Bauelement bereitgestellt wird.
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Durch
die frei tragende elektrisch leitende Schicht kann ferner die mechanische
Spannungsverteilung der leitenden Schicht homogenisiert werden. Vorteilhafterweise
werden Zug- und Druckbelastungen beim Betrieb des Stapels in Biegemomente
umgewandelt, wodurch die Zuverlässigkeit ebenfalls positiv
beeinflusst wird.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltung wird eine erste Opferschicht
auf jeder zweiten Elektrodenschicht eines ersten der Stapelumfangsbereiche
aufgebracht. Eine zweite Opferschicht wird auf den verbleibenden
Elektrodenschichten eines zweiten der Stapelumfangsbereiche aufgebracht.
Hierdurch können auf jedem der vorzugsweise geometrisch
nicht zusammenhängenden und insbesondere auf gegenüberliegenden
Seiten angeordneten Stapelumfangsbereiche Elektrodenschichten mit
dem gleichen Potential beaufschlagt werden, wodurch das für
den Betrieb des Stapels notwendige elektrische Feld erzeugbar ist.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird eine
jeweilige Opferschicht zunächst im Wesentlichen ganzflächig
auf den zugeordneten Stapelumfangsbereich aufgebracht und durch
ein subtraktives Verfahren strukturiert. Die Strukturierung der
Opferschicht kann durch Fotolithographie (z. B. Belichtung unter
Verwendung eines Lasers) oder durch Laserablation er folgen. Die
Strukturierung erfolgt dabei derart, dass jede zweite Elektrodenschicht
eines Stapelumfangsbereichs von der Opferschicht bedeckt bleibt.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn durch die Strukturierung
entstehende Kanten einer jeweiligen Opferschicht während
oder nach der Strukturierung verrundet werden. Durch die Verrundung
der Kanten ist es möglich, in der elektrisch leitenden
Schicht die erwünschte homogene Spannungsverteilung zu
erzeugen und damit Rissen in dem Stapel vorzubeugen. Die Verrundung
der Kanten wird in einer Ausgestaltung durch eine thermische Behandlung
oder durch Einwirkung eines insbesondere gasförmigen Lösemittels
vorgenommen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, als Opferschicht einen
Lack oder eine Folie zu verwenden, welche fotostrukturierbar oder
thermisch entfernbar sind. Die Schichtdicke der Opferschicht beträgt
hierbei vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 μm.
Die Schichtdicke ist abhängig von einer zu erzielenden
Durchschlagsfestigkeit, welche durch den Abstand zwischen der elektrisch
leitenden Schicht und der darunter liegenden, nicht kontaktierten
Elektrodenschicht festgelegt ist.
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Gemäß einer
ersten Variante wird zur Erzeugung der elektrisch leitenden Schicht
ein elektrisch leitendes Material mittels eines Sprühverfahrens oder
eines Siebdruckverfahrens auf die mit der strukturierten Opferschicht
versehenen Stapelumfangsbereiche aufgebracht. Anschließend
erfolgt ein Sintervorgang. Das Aufbringen des elektrisch leitenden Materials
kann beispielsweise durch die unter dem Namen „InkJet” oder „ColdSpray"
bekannten Verfahren erfolgen. Bei der Verwendung eines Siebdruckverfahrens
kann insbesondere die Verwendung sog. Nanopasten vorgesehen sein.
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Gemäß einer
zweiten Variante wird zur Erzeugung der elektrisch leitenden Schicht
ein elektrisch leitendes Material durch ein physikalisches Abscheideverfahren
auf die mit der strukturierten Opferschicht versehenen Stapelumfangsbereiche
aufgebracht und anschließend galvanisch verstärkt.
Beispielsweise kann das Aufbringen des elektrisch leitenden Materials
durch Sputtern oder Aufdampfen erfolgen.
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Um
eine gute elektrische Anbindung der elektrisch leitenden Schicht
an die zu kontaktierenden Elektrodenschichten zu erzielen, ist es
zweckmäßig, wenn die elektrisch leitende Schicht
als Metallschicht ausgebildet wird. Die zur Verfügung stehende
Ankontaktierungsfläche zwischen der elektrisch leitenden
Schicht und der Elektrodenschicht ist geometriebedingt sehr klein,
da die Elektrodenschichten jeweils nur eine Breite von ca. 2 bis
4 μm aufweisen. Bei der Kontaktierung mit einem Leitkleber
(als elektrisch leitende Schicht) kommt es aufgrund der elektrisch
leitenden Partikel mit einem Durchmesser von ca. 5 bis 20 μm
in der Regel lediglich zu punktuellen Berührungen zwischen
den Partikeln des Leitklebers und einer jeweiligen Elektrodenschicht.
Beim Vorsehen einer Metallschicht ist dagegen eine flächige
Anbindung an die Elektrodenschichten des Stapels sichergestellt.
Diese stellt eine im Vergleich zu einer Leitkleberschicht zuverlässigere
elektrische Verbindung dar. Darüber hinaus ist eine Metallschicht
niederohmig und weist eine hohe Stromtragfähigkeit auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird die Prozesssteuerung zur Erzeugung der
elektrisch leitenden Schicht derart gewählt, dass eine
Schichtdicke von 3 bis 15 μm erzielt wird. Hierdurch wird
eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit sichergestellt.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass die Entfernung der Opferschicht durch
ein Lösemittel oder durch thermische Einwirkung erfolgt.
Hierdurch entsteht die erwünschte frei tragende Metallschicht,
welche eine hohe Elastizität aufweist.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird
die elektrisch leitende Schicht mit einem Isolationsmaterial unterfüllt.
Das Vorsehen eines Isolationsmaterials zwischen der elektrisch leitenden Schicht
und den elektrisch nicht kontaktierten Elektrodenschichten des Stapels
ist zur Erzielung einer hohen Durchschlagsfestigkeit zweckmäßig.
Als Isolationsmaterial kann beispielsweise ein Harz, Silikon, Schaum
oder ein Komposit verwendet werden.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn eine Passivierungsschicht
aus dem Isolationsmaterial auf die elektrisch leitende Schicht aufgebracht
wird. Durch die Passivierungsschicht ist ein mechanischer Schutz
der elektrisch leitenden Schicht vor Beschädigung, aber
auch ein Schutz vor Kurzschlüssen sichergestellt.
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Der
Elastizitätsmodul des Isolationsmaterials kann derart ausgewählt
werden, dass die Bewegungen des Stapels im Betrieb nicht behindert
werden. Der Elastizitätsmodul beträgt vorzugsweise
zwischen 1 MPa und 1 GPa. Insbesondere wird das Isolationsmaterial
derart gewählt, dass dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
zwischen 5 ppm/K und 100 ppm/K beträgt. Damit ist der thermische
Ausdehnungskoeffizient (CTE = Coefficient of Thermal Expansion)
dem Material des Stapels und der elektrisch leitenden Schicht angepasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 bis 5 aufeinander
folgende Schritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen,
als Stapel ausgebildeten elektronischen Bauelements.
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Ausgangspunkt
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein als Stapel
ausgebildetes elektronisches Bauelement 1. Der Stapel 1 ist
aus einer Mehrzahl von auf Anlegen eines elektrischen Feldes reagierenden
Werkstoffschichten 2 und einer Mehrzahl von Elektrodenschichten 3, 4 gebildet.
Jede der Werkstoffschichten 2 ist zwischen zwei der Elektrodenschichten 3, 4 angeordnet.
Die Elektrodenschichten 3, 4 sind dabei beidseitig
bis an die jeweiligen Ränder des Stapels 1 geführt.
Ein derartiger und prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannter
Stapel, der beispielsweise als Piezoaktor für einen Piezoinjektor
für einen Verbrennungsmotor Verwendung findet, dient als
Basis für das nachfolgend beschriebene Verfahren.
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Das
Verfahren zum Kontaktieren des Stapels 1 wird auf zwei
geometrisch nicht zusammenhängenden Stapelumfangsbereichen
durchgeführt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden hierbei
vorzugsweise zunächst auf einem Stapelumfangsbereich und
anschließend auf dem anderen (vorzugsweise gegenüberliegenden)
Stapelumfangsbereich des Stapels 1 durchgeführt.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend lediglich auf
einen, mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneten Stapelumfangsbereich
Bezug genommen.
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In
einem ersten, in 1 gezeigten Verfahrensschritt
wird der Stapelumfangsbereich 5 mit einer Opferschicht 7 versehen.
Die Opferschicht 7 kann z. B. ein fotostrukturierbarer
und thermisch entfernbarer Lack oder eine Folie sein. Die Schichtdicke
der Opferschicht beträgt vorzugsweise zwischen 10 μm
und 100 μm. Die Schichtdicke ist abhängig von
einer zu erzielenden Durchschlagsfestigkeit des elektronischen Bauele ments.
Die Ausgestaltung oder Struktur der Opferschicht gibt die Geometrie
der später erstellten elektrisch leitenden Schicht, vorzugsweise
in Gestalt einer Metallschicht, vor. Es ist dabei bevorzugt, wenn
durch verrundete Kanten der Opferschicht (wie in den Figuren des
Ausführungsbeispiels dargestellt) eine elektrisch leitende
Schicht mit einer möglichst homogenen Spannungsverteilung
erzeugt wird, so dass durch die Bewegung des Stapels 1 nur geringe
mechanische Belastungen auf den Stapel einwirken. Hierdurch können
Risse, insbesondere in der elektrisch leitenden Schicht, vermieden
werden. Insgesamt kann damit die Zuverlässigkeit des elektronischen
Bauelements gesteigert werden.
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Die
Opferschicht 7 in 1 weist
eine Anzahl an Erhebungen 11 auf, die auf jeder zweiten Elektrodenschicht 3 des
Stapelumfangsbereichs 5 vorgesehen sind. Diese Struktur
der Opferschicht 7 wird dadurch erreicht, dass die Opferschicht 7 zunächst
ganzflächig auf den Stapelumfangsbereich 5 aufgebracht
wird. Anschließend erfolgt ein fotolithographischer Schritt
(z. B. durch Laserbelichtung) oder eine Laserablation. Hierdurch
wird die Opferschicht 7 auf dem Stapelumfangsbereich 5 derart strukturiert,
dass jede Elektrodenschicht 4 (d. h. jede zweite Elektrodenschicht
des Stapels 1) freigelegt wird, während die jeweils
dazwischen liegende Elektrodenschicht 3 von der Opferschicht 7 bedeckt
wird. Die in 1 gezeigte Verrundung der Isolationsbahnen 11 kann
beispielsweise durch eine thermische Nachbehandlung oder durch die
Einwirkung eines gasförmigen Lösemittels erreicht
werden.
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Es
versteht sich von selbst, dass bei der Strukturierung der Opferschicht
auf dem dem Stapelumfangsbereich 5 gegenüberliegenden
Stapelumfangsbereich 6 die Strukturierung derart erfolgt,
dass die Elektrodenschichten 3 freigelegt werden, wäh rend
die Elektrodenschichten 4 von der Opferschicht bedeckt
bleiben.
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In
einem nächsten Verfahrensschritt, der in 2 dargestellt
ist, werden die freiliegenden Elektrodenschichten 4 anschließend
durch eine elektrisch leitende Schicht 8 miteinander verbunden.
Die elektrisch leitende Schicht 8 ist vorzugsweise eine
Metallschicht. Als Material kommen insbesondere Kupfer, Nickel,
Zinn, Silber, Gold, Palladium oder Legierungen davon in Betracht.
Die Erzeugung der elektrisch leitenden Schicht 8 kann durch
ein Sprühverfahren oder ein Siebdruckverfahren und anschließendes Sintern
erfolgen. Als Sprühverfahren kommen beispielsweise die
unter dem Namen „InkJet” oder „ColdSpray” bekannten
Verfahren zur Anwendung. Im Rahmen eines Siebdruckverfahrens können
insbesondere Nanopasten verarbeitet werden. Zur Erzeugung der elektrisch
leitenden Schicht 8 können jedoch auch physikalische
Abscheideverfahren, wie Sputtern oder Aufdampfen, und eine eventuell
sich anschließende galvanische Verstärkung verwendet werden.
Die Schichtdicke der elektrisch leitenden Schicht 8 beträgt
vorzugsweise zwischen 3 μm und 15 μm. Hierdurch
kann eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit gewährleistet
werden.
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In
einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt wird
die Opferschicht 7 (d. h. deren Erhebungen 11)
vollständig entfernt. Dies kann beispielsweise durch Lösemittel
oder thermisch erfolgen, wobei die Opferschicht 7 ausgast.
Im Ergebnis entsteht die in 3 dargestellte,
freitragende elektrisch leitende Schicht 8. Sofern der
zwischen einer jeweiligen Elektrodenschicht 3 und der elektrisch
leitenden Schicht 8 gebildete Luftspalt für eine
erforderliche Durchschlagsfestigkeit ausreichend ist, kann das elektronische
Bauelement in der in 3 gezeigten Gestalt als Aktor
bereits verwendet werden.
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Zur
Erzielung einer höheren Durchschlagsfestigkeit kann es
jedoch zweckmäßig sein, wenn die elektrisch leitende
Schicht 8 mit einem Isolationsmaterial 9 unterfüllt
wird. Dies ist exemplarisch in 4 dargestellt.
Als Isolationsmaterial kann Harz, Silikon, Schaum, Komposit und
dergleichen verarbeitet werden.
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Es
ist darüber hinaus auch möglich, die elektrisch
leitende Schicht 8 auf der von dem Stapel 1 abgewandten
Seite mit einem Isolationsmaterial zu bedecken. Hierdurch wird die
in 5 gezeigte Passivierungsschicht 10 ausgebildet.
Es ist zweckmäßig, wenn als Isolationsmaterial
für die Passivierungsschicht 10 das gleiche Material
verwendet wird, das als Underfill vorgesehen ist. Der Elastizitätsmodul des
Isolationsmaterials sollte so ausgelegt sein, dass Bewegungen des
Stapels 1 im Betrieb nicht behindert werden. Vorzugsweise
beträgt der Elastizitätsmodul zwischen 1 MPa und
1 GPa. Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE wird zweckmäßigerweise
an das Material der Werkstoffschichten und der Elektrodenschichten
angepasst. Ein thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen 5 ppm/K
und 100 ppm/K hat sich als vorteilhaft herausgestellt.
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Die
Ankontaktierung der Elektrodenschichten 4 auf dem zweiten
Stapelumfangsbereich 6 erfolgt in entsprechender Weise.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann die Strukturierbarkeit
des zum Aufbringen der elektrisch leitenden Schicht notwendigen
Isolators von den Anforderungen an die Zuverlässigkeit
des Isolators entkoppelt werden. Die resultiert daraus, dass das
für die Strukturierbarkeit optimale Material der Opferschicht
in einem Verfahrensschritt entfernt wird. Das im weiteren Verlauf
durch Underfill eingebrachte Isolationsmate rial braucht demgegenüber keine
geeigneten Eigenschaften hinsichtlich der Strukturierbarkeit aufweisen.
Damit kann als Isolationsmaterial eine breitere Palette von Materialien
verwendet werden. Insbesondere kann eine Optimierung hinsichtlich
Temperaturbeständigkeit, Elastizitätsmodul, thermischer
Ausdehnungskoeffizient und Haftung auf den Werkstoffschichten sowie
den Elektrodenschichten leichter erreicht werden.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der Möglichkeit,
durch die Geometrie der Opferschicht eine geeignete Form der elektrisch
leitenden Schicht zu erzeugen. Insbesondere ist es durch die Möglichkeit,
Kanten der Opferschicht auf einfache Weise zu verrunden, möglich,
in der elektrisch leitenden Schicht eine homogene Spannungsverteilung
zu erzeugen. Hierdurch kann Rissen vorgebeugt werden. Darüber
hinaus werden Zug- und Druckkräfte beim Betrieb des Stapels
in Biegemomente umgewandelt, was der Zuverlässigkeit ebenfalls
zu Gute kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10153770
A1 [0005]
- - DE 102006003070 B3 [0006]