DD140598A1

DD140598A1 - Keramischer elektrischer widerstand und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DD140598A1
Application number: DD20926178A
Authority: DD
Inventors: Dieter Buehling; Reinhard Mueller; Guenter Jander; Rolf Petermann; Konrad Voigt
Original assignee: Dieter Buehling; Reinhard Mueller; Guenter Jander; Rolf Petermann; Konrad Voigt
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1980-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen keramischen elektrischen Widerstand aus einem n-leitenden Keramikmaterial auf der Grundlage von Bariumtitanat. BaTiC>3 oder Zinkoxid ZnO mit sperrschichtfreien Kontakten und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, solch einen Widerstand und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu finden, wobei der Widerstand hinsichtlich seiner Kontaktmaterialien so aufgebaut ist, daß bestimmte Kontakteigenschaften auch bei relativ starker elektrischer Belastung erreicht werden und wobei das Verfahren zur Aufbringung der Kontakte eine weitgehende Automatisierung gewährleistet. Die Aufgabe wird-durch ein Kontaktsystem aus mindestens drei Schichten gelöst. Als unterste Schicht wird eine Chromschicht (0,01 bis 0,5 jum) , darauf eine Kupferschicht (0,1 b.is 1,5 μτη.) und als Abschluß eine Silberschicht (1 bis 50 pm) aufgebracht. Die Chrom- und die Kupferschicht werden erfindungsgemäß durch Aufdampfen oder Aufstäuben im Vakuum aufgebracht. Die Silberschicht wird als Silberpaste aufgetragen und eingebrannt.

Description

Dr, Dieter Bühling

Reinhard Müller ·

Günter Jander P 654

Rolf Peteriaann IPK: H 01 C, 7/02

Konrad Voigt ' · 20,10*78

Titel der Erfindung

Keramischer elektrischer Widerstand und Verfahren zu dessen Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Me Erfindung betrifft einen keramischen elektrischen Widerstand aus einem n-leitenden Keramikmaterial, auf der Grundlage von Bariumtitanat BaTiOo oder Zinkoxid ZnO, mit sperrschichtfreien Kontakten: und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, derartige Bauelemente insbesondere Kaltleiter, mit. einer Indium- oder Indium-Galliumschicht durch Bedampfen oder Aufreiben au kontaktieren. Dadurch können zwar sperrschicht freie Kontakte hergestellt werden, die jedoch eine zu geringe Haftfestigkeit, eine zu geringe Wärmebeständigkeit und eine schlechte Lötbarkeit besitzen (Sauer und Flaschen

P .654

V 11 *f X ft I

in "'Proο· of the Electronic Comp. Symposium", 1956, S»41-56)

Eingebrannte reine Silberschichten*besitzen zwar eine hohe Haftfestigkeit-, gute Lösbarkeit, und eine hohe Wärmebeständigkeit;, führen aber beim Einbrennen zu Sperrschichten. Die Kombination von Indium- oder Indium-Galliumschichten mit Silberpasten (DE-AS 14 90 713 und DE-OS 16, 65 880). führt ZUi brauchbaren Kontakten. Der Aufwand des Einreibens der Indium- oder Indium.-Galliumschicht ist bedingt durch die Material- und Lohnkosten relativ hoch. Außerdem hängen die Haftfestigkeit des Systems und die Stabilität des Kaltleiters stark von den individuellen Einflußfaktoren beim Aufreiben gleichmäßiger Schichten und der Einbrenntemperatur der Silberpaste ab.

Durch einen weiteren Vorschlag ist versucht worden, in Nachbarschaft zur Keramik ein unedles Metall, beispielsweise Aluminium oder Zink, durch Aufdampfen aufzubringen und auf · dieser Schicht eine Silberschicht durch Einbrennen zu befestigen (GB-PS 911 741),.

Dieser Vorschlag stellt hohe Anforderungen an das Aufbringen der Metallschicht und an das Einbrennen der Silberschicht, um Oxydation und Durchlegierungen zu verhindern, die zur Schädigung der Keramik führen.

Es konnte jedoch festgestellt werden, daß mit diesem Verfahren sich keine niederohmigen Kontakte herstellen lassen. So zeigten Z₆ B, Kaltleiter, die mit im Hochvakuum aufgedampften Al urnini ums chi cht en kontaktiert wurden, um ca. Größenordnungen! höhere Widerstandswerte als Kaltleiter die durch Aufreiben von Indium-Gallium kontaktiert wurden.

Weiterhin ist es bekannt., den Keramikkörper zunächst mit einer Schicht su^: versehene, die aus Borsäure, Bortrioxid oder thermisch zersetzten Borsäureester besteht. Darauf wird eine Silberpaste eingebrannt CDE-OS 20 3.1 480) „

- 3 - ΟΛ9 26 1 P »4

Dadurch ist es ebenfalls nicht möglick, den Übergangswiderstand soweit- zu reduzieren» daß praktisch nur der Wideiv stand des Halble ifcerkörpers wirksam ist.

Zur Beseitigung der Spanriungsabhängigkeit des Kaltleiters wurde vorgeschlagen, ein Metall zur Kontaktierung aufzubringen, das das in der Keramik enthaltene vierwertige Metalloxid des ferroelektris hen Grundmaterials zu reduzieren vermag (DE-OS 14 15 406). Die infrage kommenden unedlen Metalle lassen sich jedoch mit dem für keramische Bauelemente mit Silberelektroden üblichen Verfahren schwer armieren und liefern hochohmigere Kontakte, Aus diesem Grund wird in der DE-OS 14 §o 268 vorgeschlagen, die zu kontaktierende Oberfläche zu reduzieren, um lotfähige Metalle, wie z. B. Kupfer einsetzen zu können. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig, störanfällig und die aufgebrachten Metallschichten besitzen eine zu geringe Haftfestigkeit;. Es ist außerdem bekannt, einen Sperrschicht frei en Kontakt dadurch herzustellen-, daß zunächst ein Metall eingerieben wird, das in den Halbleiterkörper, mit den gleichen oder einem höheren Valenzzustand als demjenigen.des zu verdrängenden Kations des Halbleiterkörpers diffundiert. Auf diesen Überzug wird eine SiIberßchicht eingebrannt (DE-AS 1 123 019). Dieses Verfahren besitzt die bereits oben beschriebenen !Nachteile.

Aus der Dünnschichttechnik ist bekannt, daß man Chromschichten zur.· Verbesserung der Haftfestigkeit einsetzt und zur Verringerung des Flächenwiderstandes alternierend oder gleichzeitig Kupferwchichten bei gleichzeitiger Substratheizung aufbringt (DE-OS 1 771 765).

Dieser Vorschlag.läßt sich für Kaltleiter und niederohmige ZnO-Varistoren nicht anwenden, weil der Reihenwiderstand, der durch diesen Kontakt hervorgerufen wird, zu hoch ist, um niederohmige Bauelemente mit geringer Alterung zu erreichen;.

- 4 - ZO^ £O l . .ρ 654 Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, einen Iceramischen elektrischen Widerstand mit haftfesten, sperrschichtfreien und niederohmigen Kontakten herzustellen und dabei die Mangel der bisherigen Lösungen zu beseitigen,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen keramischen elektrischen Widerstand und ein Verfahren zu dessen Herstel- . : lung zu finden_s wobei der keramische elektrische Widerstand hinsichtlich seiner Kontaktmaterialien so aufgebaut ist, daß die in der Zielstellung der Erfindung formulierten Eigenschaften des Kontakts, auch bei relativ starker elektrischer Belastung, erreicht'werden und wobei das Verfahren zur Aufbringung der Kontakte eine weitgehende Automatisierung gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein aus mindestens drei Schichten aufgebauten Kontakt gelöst. Die unterste Schicht ist eine Chromschicht in einer Dicke von 0,01 ,am, bis 0,5 /Um. Darauf befindet sich eine Kupferschicht in einer Dicke von 0,1 /um bis 1,5 /Um« Die oberste Schicht des Kontaktes besteht im wesentlichen aus Silber und hat eine Schichtdicke von 1/Um bis 50/urn.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es für Widerstände auf Bariumtitanatbasis mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zweckmäßig, für den Kontakt eine Chromschicht in einer Dicke von 0,2 bis 0,3/Um und eine Kupferschicht in einer Dicke von 0,8 bis 1,0/um zu verwenden.

Das Material Chrom kann erfindungsgemäß durch Chrom/Nickel, Nickel oder Eisen/Uickel ersetzt werden. Die erfindungsgemäße Chromschicht verhindert die Bildung von Sperrschichten, dient als Diffusionsbarriere und erhöht die Haftfestigkeit der darüberliegenden Schichten aus Kupfer und Silber, Durch

09 261 ρ 654"

die Kupferzwischenschicht wird der Widerstand des Bauelements reduziert und die Haftfestigkeit zwischen Chrom- und Silberschicht verbessert. Die Silberschicht garantiert eine gute Lösbarkeit, eine gute elektrische Belastbarkeit und mechanisch© sowie klimatische Stabilität der Kontakte·

Erfindungsgemäß v/erden die Chrom- und Kupferschicht auf die zu kontaktierende Oberfläche durch Aufdampfen oder Aufstäuben im Vakuum aufgebracht. Daran anschließend wird die Silberschicht als Silberpaste aufgetragen und eingebrannt.

Zweckmäßig ist es auch, nach dem Aufdampfen oder Aufstäuben der Chrom- und Kupferschicht im Vakuum, eine Zinnauflage aufzubringen.

Erfindungsgemäß sind die Schichtdicken der einzelnen Schichten des Kontaktes nur in den angeführten Grenzen variierbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

Die dazugehörige zeichnung zeigt den keramischen elektrischen Widerstand 1 mit seinen erfindungsgemäßen Kontaktbelegungera im Querschnitt.

Das erfindungsgemäße Kontaktsystem wird entsprechend den zu erreichenden Eigenschaften in bestimmten Dicken für die einzelnen Schichten aufgebracht. Dabei wurden als die beiden ersten Schichten Chrom 2 und Kupfer 3 verwendet. Diese beiden Materialen sind wesentlich billiger als Indium und Gallium und garantieren niederohmigere Übergangswiderstände als z.B. Aluminium und Zink. Mit Chrom- und Silberschichten ohne Kupferschicht lassen sich nicht die erforderlichen niederohmigen Bauelemente mit geringer Alterung und hoher Haftfestigkeit erzielen.

. 6 - ZÖV.Z6 1 ρ 654

Als optimale Dicke der Chromschicht 2 hat sich'der Bereich von 0,25 bis 0,30/tun ergeben. Die Kupferschicht 3 ist optimal in einer Dicke "im Bereich von 0,8 bis -1,OyUm aufzubringen,

Es ist möglich, die gleichen Kontakt- bzw. Bauelementeeigenschaften zu erreichenj wenn die Chromschicht 2 durch eine Chrom/Nickel-Schicht , eine Nickelschicht oder eine Eisen/ Nickel-Schicht ersetzt wird. Chrom- oder. Chrom/Nickel-Schichten allein als Kontaktschichten sind wegen ihres zu hohen spezifischen Widerstandes nicht einsetzbar. Die anzustrebenden Daten können so nicht realisiert werden. Die bloße Kombination einer Chrom- mit einer Silberschicht zeigt ebenfalls keine zufriedenstellende Ergebnisse.

Die gereinigten Keramikkörper 1 werden auf den zu kontaktierenden Flächen im Hochvakuum bei einem Druck von 1 bis 2 mPa mit Aufdampfraten von 60 bis 250 nm/s zunächst mit Chrom 2 und dann mit Kupfer 3 beschichtet. Anschließend wird z.B. mit dem Walzverfahren die Silberpaste 4 aufgetragen, die bei . Temperaturen zwischen 450 bis 65O°C eingebrannt wird.

Bisher wurde aufgrund der relativ hohen spezifischen ?/iderstände der in Frage kommenden Materialien die Hochvakuumbedampfung als Kontaktiermethode für diese Art von Bauelementen verworfen.

Durch den erfindungsgemäßen keramischen elektrischen Widerstand 1 und das Verfahren zu seiner Herstellung v/erden folgende Vorteile erreicht:

- Erhöhung der Stabilität der Kaltleiterwideratände durch sperrschichtfreie Kontaktierung des η-leitenden Keramikkörpers

- Erhöhung der Haftfestigkeit der Kontakte

- weitgehende Automatisierung des Kontakt!erungsverfahrens

- Reduzierung der Kosten für Material und Herstellung -Verringerung des Übergangswiderstandes.

- 7

ρ 654 '

Die technische Verbesserung, die durch die Erfindung bei KaItleitern erreicht wird, wird in nachstehender Tabelle gezeigt:

Parameter	In Ga	Stand der Technil	Cr Dicke 0,15- 0,5/um	Ag 0,15/0,7	0,25/ 0,5	0,3 1,0
	33	Al	66	40	42	33
Widerstand bei Raumtem peratur (R₀₀) in Ohm ^dO	150	82 000	500 b. 800	420		540
Haftfestig keit in N/cm2	-5 -7,5		+4 bis +M -6 bis +^:	+ 11 + 3		-5 -2
Alterung R₂₀ in % nach 70Oh bei 18O⁰C bei 220 V		c gemäß Erfindungs- vorschlag
	Cr/Cu 0,15/0,5
•55

I- + 24 J

Claims

~ 8- 209 261 P654 Erfindungsanspruch

1. Keramischer elektrischer Widerstand , bestehend aus einem η leitenden Material, auf der Basis von Bariumtitanat oder Zinkoxid, mit mindestens einem sperrschichtfreien, niederohmigen und gut haftenden Kontakt, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kontakt aus einem Schichtsystem von mindestens drei Schichten aufgebaut ist, bei dem die unterste Schicht als eine Chromschicht (2).< in einer Schichtdicke von 0,01 ,um bis 0,5/Um und die Zwischenschicht als eine Kupfer schicht (3),· in einer Schichtdicke von 0,1 /um bis 1,5 /Um aufgebracht ist sowie die oberste Schicht im wesentlichen aus Silber (4) besteht und in einer Schichtdicke von 1 /lim bis 50 /um vorliegt.
2. Keramischer elektrischer Widerstand nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Y/iderstand (1) auf der Basis von Bariumtitanat mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes die Chromschicht (2) in einer Dicke von 0,2 ,um bis 0,3/Um und die Kupferschicht (3) in einer Dicke von 0,8 ,um bis 1,0,um aufgebracht ist«
3. Keramischer elektrischer Widerstand nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Dreischichtsystem des Kontaktes Chrom durch Chrom/Nickel, Wickel oder FeWi ersetzt ist»
4. Verfahren zur Herstellung eines keramischen elektrischen Widerstandes nach Punkt 1,. gekennzeichnet dadurch, daß auf die zu kontaktierende Oberfläche die Chrom (2).- und die Kupferschicht (3) durch Aufdampfen oder Aufstäuben im.Vakuum aufgebracht werden und daß anschließend eine Silberpaste* aufgetragen und eingebrannt wird.
5. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß auf die zu kontaktierende Oberflache die Chrom (2)- und Kupferschicht (3) durch Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht werden und eine Verzinnung der Kupferschicht (3)» vorzugsweise im Tauchbad, vorgenommen wird.

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