AT233674B - Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Metallfilm-Widerstandes - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Metallfilm-Widerstandes

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AT233674B
AT233674B AT805661A AT805661A AT233674B AT 233674 B AT233674 B AT 233674B AT 805661 A AT805661 A AT 805661A AT 805661 A AT805661 A AT 805661A AT 233674 B AT233674 B AT 233674B
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sep
film
layer
anodizing
metal film
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Western Electric Co
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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten
Metallfilm -Widerstandes 
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Metallfilm-Widerstandes und nach diesem Verfahren hergestellte Widerstände. 



   Eine häufig angewendete Massnahme zur Verminderung der Abmessungen von elektrischen und elek- tronischen Geräten ist der Ersatz der üblichen Verdrahtungen durch gedruckte bzw. applizierte Schaltun- gen. Die Entwicklung der Halbleitereinrichtungen hat eine weitere wesentliche Verkleinerung der Schal-   tungsaufbauten   ermöglicht. Diese Entwicklung hat anderseits das Bedürfnis nach Verfahren zum genauen
Herstellen von in gedruckten Schaltungen verwendbaren Schaltelementen, wie Widerständen und Konden- satoren, geschaffen. 



   Die   bisher für gedruckte   Schaltungen üblicherweise verwendeten Widerstände bestehen aus   einer Grup-   pe von parallelen Leitungen, die abwechselnd an gegenüberliegenden Enden verbunden sind und so einen geschlossenen Stromweg bilden. Bei diesem Widerstandsaufbau   werden"Kurzschlussbügel** verwendet,   die zur Verbindung benachbarter Leitungen dienen und dadurch den Widerstand des zwischen den beiden verbundenen Leitungen liegenden Leitungsstückes ausschalten. Der im Stromweg liegende Widerstand wird dabei so bemessen, dass sein Widerstandswert kleiner als der gewünschte Wert ist, und die Einstellung des gewünschten Widerstandswertes erfolgt durch Auftrennen einer entsprechenden Anzahl von   Kurzschlussbü-   geln.

   Bei diesem bekannten Einstellvorgang können die gewünschten Widerstandswerte praktisch mit einer Toleranz von   : l : 5 %   erhalten werden. 



   Ein anderer Weg zum Herstellen von Widerständen für gedruckte Schaltungen besteht darin, dass auf einem Substrat oder Träger ein filmbildendes Metall mit solchem Umriss bzw. solcher Gestalt niedergeschlagen wird, dass der Widerstandswert der niedergeschlagenen Schicht kleiner als der tatsächlich gewünschte Widerstand ist. Im Anschluss hieran wird die niedergeschlagene Schicht anodisiert, um einen bestimmten Dickenbereich der Metallschicht in Oxydform überzuführen, wodurch der Widerstandswert der Schicht erhöht wird. Diese Anodisierung wird solange fortgesetzt, bis der Widerstand der teilweise oxydierten Metallschicht den gewünschten Wert annimmt, der durch eine entsprechende Messeinrichtung automatisch angezeigt wird. Nach diesem Verfahren lassen sich Widerstände mit-einer Toleranz von   i   l herstellen. 



   Es ist an sich bekannt,   Metallfilm-Widerstände   durch eine thermische Behandlung zu stabilisieren. 



   Gemäss der Erfindung werden   Metallfilm-Widerstände   mit verbesserter Stabilität durch Anodisierungsbehandlung in Kombination mit einer nachfolgenden thermischen Alterung hergestellt. Der erste Schritt bei der Herstellung eines erfindungsgemässen Widerstandes besteht im Niederschlagen einer dünnen Schicht eines filmbildenden Metalls. Für diesen Zweck eignen sich insbesondere Tantal, Titan, Zirkon, Aluminium und Niobium. Der Umriss und die Dicke der Niederschlagsschicht werden so gewählt, dass der Widerstandswert der Schicht kleiner als der endgültig gewünschte Wert ist. Die niedergeschlagene Schicht wird hierauf elektrolytisch in üblicher Weise anodisiert, um einen bestimmten Dickenbereich der Metallschicht in Oxydform überzuführen, also in ein Dielektrikum, wodurch der Widerstandswert der Schicht erhöht wird.

   Dieser Schritt allein führt bereits zu einer gewissen Stabilisierung des Widerstandes. Erfin- 

 <Desc/Clms Page number 2> 

   dungsgemäss kann jedoch eine erhebliche zusätzliche Stabilisierung erreicht werden, wenn der Metallfilm samt dem Oxyd bei erhöhten Temperaturen in Luft einer Wärmebehandlung unterworfen wird. 



  Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer erläutert werden, in der Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Träger mit einer Schicht aus filmbildendem Metall zeigt, die auf dem Träger gemäss der Erfindung niedergeschlagen worden ist. Fig. 2 erläutert die Anodisierung der Schicht aus filmbildendem Metall vor der Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemässen Verfahren. 



  In Fig. 1 ist ein plattenförmiger Träger 1 dargestellt, der aus hitzebeständigem Isoliermaterial besteht, wie es üblicherweise für den Aufbau von Trägern für gedruckte Schaltungen verwendet wird. Auf diesem Träger sind zwei Anschlussteile 2A und 2B aus elektrisch leitendem Metall, wie Gold, Silber oder Kupfer, und eine Schicht 3 aus filmbildendem Metall, wie Tantal, niedergeschlagen worden. Die leitenden Anschlussteile 2A und 2B sind für die Erfindung an sich nicht von wesentlicher Bedeutung ; sie sind aber in die Beschreibung der Erfindung einbezogen worden, weil sie üblicherweise beim Aufbau von gedrucken Schaltungen angewendet werden. Der Umriss und die Dicke der Tantalschicht 3 sind so gewählt, dass der Widerstand der Schicht, gemessen zwischen den Anschlussteilen 2A und 2B, kleiner als der gewünschte Widerstandswert ist.

   Der Widerstand der Schicht 3 wird sodann durch elektrolytische Anodisierung erhöht. 



  Zur Anodisierung der Schicht 3 muss diese in Berührung mit einem geeigneten Elektrolyten gebracht werden. Zu diesem Zweck werden auf den Träger 1 Abdeckstreifen der in der Galvanotechnik üblichen Art derart aufgelegt, dass die innerhalb der gestrichelten Linien in Fig. l liegenden Flächenteile abgedeckt werden. Sodann wird auf diesen Streifen ein geeignetes plastisches Material, wie Bienenwachs, in Form eines Dammes aufgebracht. In den vom Damm umschlossenen Bereich wird der Elektrolyt eingebracht, der durch den Damm von einer Berührung mit den Anschlussteilen 2A und 2B abgehalten wird. Der Anodisierungsvorgang ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. 



  In Fig. 2 erkennt man den Träger 1, die Anschlussteile 2A und 2B sowie die Tantalschicht 3. Auch die Wandungen des Dam. mes 4 sind dargestellt, nur der Trennstreifen ist zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen worden. Der innerhalb des Dammes 4 eingeschlossene Elektrolytkanneinüblicher, für die Anodisierung verwendbarer Elektrolyt sein, beispielsweise eine Wasser, Äthylenglykol und Oxalsäure enthaltende Lösung. Die in den Elektrolyten 5 tauchende Kathode 6 besteht zweckmässig aus Tantal oder Platin.. Der elektrische Stromkreis, der die Kathode 6 und den Anschlussteil 2B verbindet, enthält eine regelbare Gleichstromquelle 7, einen Schalter 8 und ein Amperemeter in der dargestellten Serienschaltung. Die Anodisierung der Schicht 3 wird durch Schliessen des Schalters 8 und Anlegen einer niedrigen Gleichspannung zwischen der Kathode 6 und der Schicht 3 eingeleitet.

   Die Oberfläche der Schicht 3, die sich in Berührung mit dem Elektrolyten 5 befindet, wird dadurch in die Oxydform übergeführt, wobei der Grad dieser Umwandlung in Oxyd direkt proportional der angelegten Spannung ist. Die Anodisierungsspannung wird nun allmählich erhöht, wobei aber die Stromdichte stets niedrig gehalten wird, bis ein Oxydfilm dergewünschten Dicke entstanden ist. Hierauf wird der Schalter 8 geöffnet und damit der Anodisierungsvorgang unterbrochen. 



  Das filmbildende Metall'kann durch Zerstäubung oder Aufdampfen im Vakuum auf den Träger aufgebracht werden. Der Umriss bzw. die Gestalt und die Dicke des Filmes hängen vom gewünschten Sollwert des Widerstandes ab. Die Anfangsdicke des niedergeschlagenen Filmes liegt vorzugsweise über 400Ä. 



  Dieser Mindestwert ist durch zwei Umstände bedingt. Erstens soll die metallische Schichtdicke nach dem Anodisieren vorzugsweise noch grösser als 300 Â sein, um die Kontinuität dieser Schicht sicherzustellen, und zweitens ist es aus Gründen der Einfachheit der Arbeitsweise zweckmässig, wenigstens eine Schichtdicke von 100 Ä in die Oxydform überzuführen. 



  Eine obere Grenze für die ursprüngliche Filmdicke besteht im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens an sich nicht, vielmehr ist jede Filmdicke anwendbar, die den Anforderungen hinsichtlich des Sollwertes des herzustellenden Widerstandes genügt. In der Praxis hat sich eine Schichtdicke von 4000 Â als gut geeignet erwiesen, doch kann diese Dicke auch bis 25 000 Ä erhöht werden. 



  Der im Rahmen der Erfindung angewandte Anodisierungsvorgang unterliegt allen jenen Einflussgrössen, die auch bei üblichen Anodisierungsvorgängen eine Rolle, spielen. Es kann ein beliebiger, üblicher Elektrolyt, wie eine verdünnte wässerige Lösung von Salpetersäure, Borsäure, Essigsäure oder Zitronensäure verwendet werden. Die Anodisierung erfolgt anfänglich bei einer relativ niedrigen Spannung, wie dies auch bei üblichen Verfahren der Fall ist. Die obere Grenze für die Anodisierungsspannung liegt bei ungefähr 400 Volt, weil höhere Spannungen unerwünschte Nebeneffekte ergeben können, wie beispielsweise   
 EMI2.1 
 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 3000 bis 4000       des Metalles in Oxyd umwandelbar. 



   Der Anodisierungsvorgang allein führt bereits zu einer gewissen Anodisation des Metallfilm-Widerstandes, doch ist erfindungsgemäss eine weitere Stabilisierung erreichbar, wenn der Metallfilm samt der Oxydschicht bei erhöhten Temperaturen in Luft einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Während dieser künstlichen Alterungsbehandlung werden Temperaturen im Bereich von 200 bis   40v C   angewandt. Bei Temperaturen unter 2000C ist die Geschwindigkeit der zur Stabilisierung führenden Reaktion so gering, dass so niedrige Temperaturen praktisch kaum in Betracht kommen, wogegen die Anwendung von Temperaturen. die 4000C wesentlich übersteigen, eine derartige Beschleunigung der oxydierenden Reaktion mit sich bringt, dass der Vorgang nicht mehr einwandfrei geregelt werden kann.

   Die thermische Alterung erfolgt innerhalb einer Zeitspanne in der Grössenordnung von 2 bis 10 Stunden. 



   Zur Erläuterung der Erfindung dienende Messdaten sind in den nachfolgenden Tabellen I und II zusammengestellt. In Spalte 1 dieser Tabellen ist die ursprüngliche Dicke eines niedergeschlagenen Metallfilms, in Spalte 2 die angewandte Anodisierungsspannung und in Spalte 3 die prozentuelle Widerstands- änderung nach 400 Stunden (Tabelle I) bzw. nach 1000 Stunden (Tabelle II), gemessen bei einer Betriebstemperatur von 1000C angegeben. Zur Herstellung der gemessenen Widerstände wurden die folgenden, in Spalte 3 der Tabellen I und II angeführten Verfahrensweisen angewendet :
A. Keine thermische Alterung vor oder nach der Anodisierung :
B. thermische Alterung während 2 1/2 Stunden bei 2500C vor der Anodisierung;
C. thermische Alterung während   2 1/2   Stunden bei 2500C nach der Anodisierung. 



   Tabelle I 
 EMI3.1 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 3
<tb> Filmdicke <SEP> Anodisierungsspannung <SEP> Verfahrensweise
<tb> ABC
<tb> 500 <SEP>   <SEP> 0 <SEP> 3,0 <SEP> 0, <SEP> 083
<tb> 25 <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 62 <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> 
<tb> 1000 <SEP>   <SEP> 0 <SEP> 10, <SEP> 3 <SEP> -1, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 
<tb> 25 <SEP> 4, <SEP> 8 <SEP> -0, <SEP> 72 <SEP> -0, <SEP> 23 <SEP> 
<tb> 50 <SEP> 1,09 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> -0, <SEP> 035
<tb> 100 <SEP> 1, <SEP> 7 <SEP> 1.

   <SEP> 9 <SEP> 
<tb> 2000 <SEP>   <SEP> 0 <SEP> 2,35 <SEP> 0, <SEP> 14
<tb> 25 <SEP> 11, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 
<tb> 50 <SEP> 3, <SEP> 06 <SEP> -0, <SEP> 20 <SEP> -0, <SEP> 18
<tb> 100 <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP> 0,21 <SEP> 0,07
<tb> 
 Tabelle II 
 EMI3.2 
 
<tb> 
<tb> 12 <SEP> 3 <SEP> 
<tb> Filmdicke <SEP> Anodisierungsspannung <SEP> Verfahrensweise <SEP> 
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> 
<tb> 500 <SEP>   <SEP> 0 <SEP> 4,3 <SEP> 0, <SEP> 12
<tb> 25 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> 
<tb> 1000 <SEP>   <SEP> 0 <SEP> 14, <SEP> 0-2, <SEP> 6 <SEP> 
<tb> 25 <SEP> 4, <SEP> 8-1, <SEP> 4-0, <SEP> 47 <SEP> 
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 Tabelle II (Fortsetzung) 
 EMI4.1 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 
<tb> Filmdicke <SEP> Anodisierungsspannung <SEP> Verfahrensweise
<tb> ABC
<tb> 50 <SEP> 1, <SEP> 23 <SEP> -0, <SEP> 14 <SEP> -0,

   <SEP> 14 <SEP> 
<tb> 100 <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 
<tb> 2000 <SEP> A <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 85 <SEP> 0, <SEP> 30
<tb> 25 <SEP> 12,2 <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> -0, <SEP> 088
<tb> 50 <SEP> 3, <SEP> 55 <SEP> -0, <SEP> 50 <SEP> -0, <SEP> 35
<tb> 100 <SEP> 1,10 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0,11
<tb> 
   Zur Herstellung der gemessenen Widerstände wurde wie folgt verfahren : Auf eine hitzebeständige Trägerplatte (3, 8 x 7,6 cm) wurde nach einem üblichen Zerstäubungsvorgang ein Tantalfilm mit einer Dicke von 500,1000 bzw. 2000 Ä niedergeschlagen. Der Niederschlag des Tantalfilmes erfolgte Inder-Weise, dass die Enden des Filmes Kontakt mit Anschlussteilen aus Gold herstellten, die vorher auf dem Träger gebildet worden waren.

   Auf den Träger wurde sodann in Rechteckform ein Abdeckstreifen so aufgelegt, dass praktisch der gesamte Tantalfilm innerhalb dieses Rechteckes exponiert blieb. Über diesem Rechteckstreifen wurde ein Damm aus Bienenwachs mit einer Höhe von ungefähr 0,2 cm errichtet. 



  In den abged mmten Raum wurde ein Elektrolyt eingebracht, der aus einer wässerigen Lösung von Oxalsäure (5 Gew. -0/0) bestand. Sodann wurde in den Elektrolyten eine Kathode in Form eines Tantaldrahtes getaucht und an die Kathode gemäss Fig. 2 eine regelbare Gleichstromquelle und-ein Amperemeter angeschaltet. 



  Im Anschluss an die Anodisierung wurden die Metallfilm-Widerstände durch Wärmebehandlung bei 2500C während 2 1/2 Stunden in einem Ofen, dessen Temperatur auf : 20C geregelt wurde, künstlich gealtert. Die erreichte Stabilität wurde sodann durch Betrieb des Widerstandes auf 100 C während 1000 Stunden gemessen. 



  Die in den vorstehenden Tabellen verzeichneten Ergebnisse lassen erkennen, dass die Verfahrensweise "C" schliesslich zu den Widerständen mit der höchsten Stabilität führt, d. h., dass durch Anodisierung vor der alternden Wärmebehandlung stabilere Widerstände hergestellt werden können als nach den Verfahrensweisen"A"oder"B". 



  Als weiteren Nachweis für die verbesserten Ergebnisse, die durch die Anwendung des erfindungsgemässenVerfahrens erzielt werden, sei noch auf die Tabellen III und IV verwiesen, die sich auf Messungen an Widerständen beziehen, welche nach dem geschilderten Verfahren hergestellt und gemessen worden sind, mit der Zielsetzung, die perzentuelle Änderung des Widerstandswertes nach 672 Betriebsstunden bei 1500C (Tabelle III) und nach 700 Betriebsstunden bei 1500C zu ermitteln.

   Spalte 1 der beiden Tabellen gibtdie perzentuelle Änderung des Widerstandswertes von Widerständen an, die bei 2000C während 2 1/2 Stunden thermisch gealtert, aber nicht anodisiert wurden, wogegen Spalte 2 in beiden Tabellen die perzentuelle Änderung des Widerstandswertes von Widerständen angibt, die anodisiert und sodann während 2 1/2 Stunden bei. 250 C gealtert wurden.   

 <Desc/Clms Page number 5> 

 



  Tabelle III 
 EMI5.1 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 2
<tb> Widerstand <SEP> Nicht <SEP> anodisiert, <SEP> Anodisiert <SEP> und
<tb> thermisch <SEP> gealtert <SEP> thermisch <SEP> gealtert
<tb> 1 <SEP> 2, <SEP> 784%
<tb> 2-1, <SEP> 324% <SEP> 
<tb> 3 <SEP> 1,915
<tb> 4 <SEP> - <SEP> 1,168
<tb> 5 <SEP> 1,658
<tb> 6-0, <SEP> 739 <SEP> 
<tb> 7 <SEP> 1, <SEP> 308 <SEP> 
<tb> 8-0, <SEP> 639 <SEP> 
<tb> 9-1, <SEP> 275 <SEP> 
<tb> 10 <SEP> 1. <SEP> 107 <SEP> 
<tb> 11-0, <SEP> 501
<tb> 12 <SEP> 0, <SEP> 853
<tb> 13 <SEP> - <SEP> 0,364
<tb> 14 <SEP> 0,877
<tb> 15 <SEP> - <SEP> 0,308
<tb> 16 <SEP> 0, <SEP> 771
<tb> 17-0, <SEP> 319 <SEP> 
<tb> 18 <SEP> - <SEP> 0,420
<tb> 
 Tabelle IV 
 EMI5.2 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 
<tb> Widerstand <SEP> Nicht. <SEP> anodisiert, <SEP> Anodisiert <SEP> und
<tb> thermisch <SEP> gealtert <SEP> thermisch <SEP> gealtert
<tb> 1 <SEP> 0,573%
<tb> 2-0.

   <SEP> 141%
<tb> 3 <SEP> 0,493
<tb> 4-0, <SEP> 124 <SEP> 
<tb> 5 <SEP> 0,568
<tb> 6-0, <SEP> 201 <SEP> 
<tb> 7 <SEP> 0. <SEP> 406 <SEP> 
<tb> 8-0, <SEP> 131 <SEP> 
<tb> 9 <SEP> 0,346
<tb> 10 <SEP> 0, <SEP> 240
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 
 EMI6.1 
 
 EMI6.2 
 
<tb> 
<tb> 1 <SEP> 2
<tb> Widerstand <SEP> Nicht <SEP> anodisiert, <SEP> Anodisiert <SEP> und
<tb> thermisch <SEP> gealtert <SEP> thermisch <SEP> gealtert
<tb> 11-0, <SEP> 182 <SEP> 
<tb> 12 <SEP> 0, <SEP> 658 <SEP> 
<tb> 13 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 070 <SEP> 
<tb> 14 <SEP> 0, <SEP> 619 <SEP> 
<tb> 15-0, <SEP> 110 <SEP> 
<tb> 16 <SEP> 0, <SEP> 487 <SEP> 
<tb> 17-0, <SEP> 202 <SEP> 
<tb> 18 <SEP> 0, <SEP> 261
<tb> 
 
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zwar ein spezieller Elektrolyt und ein spezielles filmbildendes Metall angenommen, doch versteht sich,

   dass die Erfindung mit einem beliebigen filmbildenden Metall und unter Anwendung eines beliebigen Anodisierungsmediums ausgeübt werden kann. Es versteht sich ferner, dass das Schema nach Fig. 2 für die Begrenzung der Berührungsfläche des Elektrolyten ebenfalls nur als Beispiel zu verwerten ist und dass hiefür gleichwirkende andere Mittel, wie beispielsweise photoresistive Masken, brauchbar sind. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Metallfilm-Widerstandes, bei dem auf einem Träger eine Schicht aus filmbildendem Metall niedergeschlagen und sodann elektrolytisch anodisiert wird, um   den gewünschten Widerstandswert   zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsfilm nach der Anodisierung in Luft thermisch gealtert wird.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Alterung des Widerstandes in Luft bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 3000C während einer Zeitspanne zwischen 2 und 10 Stunden erfolgt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Anwendung von Tantal als filmbildendes Material, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Alterung bei einer Temperatur von etwa 2500C während 2 1/2 Stunden erfolgt.
AT805661A 1960-12-08 1961-10-25 Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Metallfilm-Widerstandes AT233674B (de)

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