DE10122468C1 - Elektrischer Widerstand und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Zur Strommessung dienende SMD-Widerstände werden durch Zerteilen eines gezogenen Schichtverbunddrahtes hergestellt, der aus einem Kern aus einer Widerstandslegierung und einem Mantel beispielsweise aus Kupfer besteht. Nach Entfernen eines Teils des Kupermantels bleiben nur an den Enden des Widerstands als Anschlussteile dienende Mantelstücke zurück.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstel­ lung solcher Widerstände. Es handelt sich um insbesondere zur Strommessung verwendete, auch für die Oberflächenmontage (SMD- Technik) geeignete niederohmige Bauelemente oder Shunts.

Präzisionsmesswiderstände dieser Art, die bei Bedarf hoch be­ lastbar sein müssen, und deren Widerstandswerte typisch im Milliohmbereich beispielsweise zwischen 0,5 mΩ und 10 mΩ lie­ gen können (aber in anderen Fällen aber auch höher oder noch kleiner sein können), bestehen aus einer der hierfür bekannten und bewährten Legierungen wie z. B. CuMnNi. Die Anschlußteile für die Oberflächenmontage des Widerstands bestehen aus Metall hoher Leitfähigkeit wie insbesondere Kupfer. Für die Herstel­ lung bekannter Bauelemente dieser Art (vgl. beispielsweise EP 0 654 799 oder EP 0 841 668) war beträchtlicher Aufwand erfor­ derlich.

Aus der US 2 402 122 ist ein Drahtwiderstand bekannt, dessen Widerstandselement aus einer auf einen zylindrischen Isolier­ kern gewickelten Drahtspirale besteht. Als Anschlussteile des Widerstands dienen den Isolierkern und die Drahtenden rohrför­ mig umschließende Mantelstücke, die durch verschweißtes Band­ material gebildet sind. Dieser Widerstand ist noch aufwendiger als die oben erwähnten bekannten Präzisionsmesswiderstände.

Aus der EP 262 90 B1 ist es schon bekannt, einen niederohmigen Hochlastwiderstand, der aus einem das Widerstandselement bil­ denden Flachband und an dessen Enden angeschweißten Kontakt­ drähten besteht, nach dem Schweißen in eine mittige Bohrung eines Keramikgehäuses mit quadratischem Querschnitt einzufüh­ ren.

Aus der DE 38 323 42 C2 ist ein durch Ziehen einer Stab-Rohr- Anordnung hergestellter Manteldraht bekannt, der einen Kern aus einer Palladium-Wolfram-Legierung und einen Platinmantel hat und als Zuleitungsdraht für Widerstandsthermometer verwen­ det wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Widerständen der betrachteten Art in großen Stückzahlen mit möglichst geringem Aufwand zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche ge­ löst.

Die hier beschriebenen Widerstände sind nicht nur sehr einfach aus z. B. kontinuierlich zugeführtem Schichtverbunddraht her­ stellbar, sondern auch mechanisch sehr stabil und elektrisch hoch belastbar. Außerdem kann bei ihrer Herstellung der ge­ wünschte Widerstandswert besonders einfach in einem großen Be­ reich eingestellt werden, etwa durch Abdrehen der Widerstands­ elemente auf einen entsprechenden Durchmesser.

Die Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Schichtver­ bunddrahtes kann zweckmäßig in der für Schweißelektroden an sich bekannten Weise erfolgen (DE 197 12 817 C2, DE 198 10 342 A1). Hierbei wird zunächst ein metallisch blankgereinigtes Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kontinuierlich zu einem Rohr geformt und durch übliches Schweißverfahren wie WIG-, Plasma-, Induktions- oder Laserschweißen verschweißt. Vor dem Verschweißen wird in das noch nicht vollständig fer­ tiggeformte Rohr kontinuierlich ein metallisch blanker Kern eingeführt, der aus einem kompakten Draht oder einem Schicht­ verbunddraht aus mehreren Metallen oder Legierungen bestehen kann. Der Kupfermantel kann geformt werden, indem ein Band entweder spiralförmig um den Kern gewickelt oder zu einem Rohr mit Längsnaht profiliert wird. Durch nachfolgendes gemeinsames Umformen, z. B. durch Ziehen oder Walzen, werden Mantel und Kern zu dem Schichtverbunddraht mechanisch plattiert. An­ schließend kann der so hergestellte Verbunddraht auf erforder­ liche Endabmessungen in üblicher Weise gezogen werden.

Spätestens bei dem Ziehvorgang bildet sich schon ein mecha­ nisch relativ stabiler Schichtverbundwerkstoff aus. Zur Schaf­ fung einer noch festeren Verbindung kann aber durch Glühen des Schichtverbunddrahtes eine Diffusionsschicht zwischen der Wi­ derstandslegierung und dem Anschlussmetall ausgebildet werden.

An den in der Zeichnung schematisch in stark vergrößerten Maß­ stab dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Widerstand des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine seitliche Draufsicht auf den Widerstand gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine zweckmäßige Ausführungsform einer Kunststoff­ kappe für den Widerstand nach Fig. 1;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel; und

Fig. 5 einen Schnitt durch Fig. 4 längs der Ebene A-A.

Der in Fig. 1 dargestellte Widerstand enthält ein langge­ strecktes Widerstandselement 1 der dargestellten abgestuften Form aus einer bekannten Widerstandslegierung wie CuNi, insbe­ sondere CuMnNi, mit einem zylindrischen Mittelteil 2 zwischen zwei zylindrischen Endteilen 3 größeren Durchmessers. Länge und Durchmesser des Mittelteils sind gemäß dem gewünschten Wi­ derstandswert bemessen. Die beiden Endteile 3 sind jeweils mit einem rohrförmigen Mantelstück 4 gleicher axialer Länge aus elektrisch gut leitendem Metall wie Kupfer umhüllt. Die Man­ telstücke 4 sind mechanisch fest auf die Endteile 3 aufplat­ tiert und können zur noch besseren gegenseitigen Verbindung auch an das Widerstandselement anlegiert sein, wie noch erläu­ tert wird.

Zwischen den Mantelstücken 4 ist das Widerstandselement 1 von einem Isolierkörper 6 beispielsweise aus hitzebeständigem Kunststoffmaterial umschlossen, der mindestens eine ebene Au­ ßenfläche hat, mit der der Widerstand zur Oberflächenmontage, also als SMD-Bauelement auf eine Schaltungsplatte aufsetzbar ist. In Fig. 2 ist der Isolierkörper 6 schematisch als Kappe mit quadratischem Umfang erkennbar. Die ebene Außenfläche 7 des Isolierkörpers 6 erleichtert das Plazieren des Bauelements bei der Oberflächenmontage auf der Schaltungsplatte am vorge­ sehenen Anschlussort, da der Isolierkörper das Wegrollen des Widerstands verhindert. Es ist zweckmäßig, wenn die Außenflä­ che 7 darstellungsgemäß mit dem Umfang der Mantelstücke 4 fluchtet, doch sind auch andere Anordnungen möglich.

Eine zweckmäßige Ausführungsform einer als Isolierkörper 6 verwendbaren einstückigen Kappe 6' ist in Fig. 3 dargestellt. Sie hat eine der Form des Mittelteils 2 in Fig. 1 entsprechen­ de zylindrische Ausnehmung 8, in die von der einen Außenfläche 7' ein Längsschlitz 9 hineinführt, der so breit bemessen ist, dass die Kappe 6' unter Aufspreizen auf das Mittelteil 2 auf­ gedrückt werden kann.

Praktisch realisierte Widerstände mit Werten im Milliohmbe­ reich oder darunter können beispielsweise etwa 10 mm lang sein, wobei das zwischen den beispielsweise etwa 2 mm langen Kupfermantelstücken 4 befindliche Mittelteil 2 je nach ge­ wünschtem Widerstandswert verschiedene Durchmesser von wenigen Millimetern haben kann. Sowohl die Längen als auch die Durch­ messer können aber auch wesentlich größer oder kleiner sein.

Zur Herstellung des dargestellten Widerstands wird zunächst beispielsweise in einer in der DE 197 12 817 C2 beschriebenen Weise ein Schichtverbunddraht hergestellt, der aus einem Drahtkern aus der das spätere Widerstandselement 1 bildenden Legierung und einem später die Mantelstücke 4 bildenden ge­ schweißten Kupfermantel besteht. Der Schichtverbunddraht wird in einer Ziehanlage auf einen gewünschten Durchmesser gezogen.

Anschließend wird der gezogene Schichtverbunddraht bei einer Temperatur geglüht, die mindestens so hoch ist wie die Rekris­ tallisationstemperatur der Widerstandslegierung (bei einer be­ stimmten geeigneten CuMnNi-Legierung z. B. in der Größenord­ nung von 600°C). Dadurch bildet sich in der Grenzschicht zwi­ schen der Widerstandslegierung und dem Kupfermantel eine Dif­ fusionsschicht aus. Durch das Diffusionsglühen werden die bei­ den Metalle legierungsähnlich miteinander verbunden.

Vor der anschließenden Weiterbearbeitung wird der Schichtver­ bunddraht erneut in einer Ziehmaschine auf einen kleinen Durchmesser gezogen. Dieser Ziehvorgang kann u. a. zur Härtung dienen, da Draht aus den als Beispiel genannten Metallen ins­ besondere zum Abdrehen zu weich sein kann.

Zur Ausbildung der eigentlichen Widerstände wird nun der Schichtverbunddraht, der dem Querschnitt durch die Endteile 3 mit den Mantelstücken 4 entspricht, in einzelne Stücke mit der Länge des Widerstands gemäß Fig. 1 zerteilt. Vor, bei oder nach dem Zerteilen muss der axial mittlere Teil des Mantels zwischen den Stücken 4 entfernt werden, so dass die zurück­ bleibenden Mantelstücke als elektrische Anschlüsse des Wider­ stands dienen können.

Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Entfernung des mittleren Man­ telteils und zum Zerteilen ist Abdrehen und anschließendes Ab­ stechen auf einem hierfür geeigneten handelsüblichen Drehauto­ maten. Der Schichtverbunddraht wird dieser Drehmaschine im kontinuierlichen Taktbetrieb zugeführt. In der Regel wird der Mittelteil 2 des Widerstandselements 1 auf einen dem gewünsch­ ten Widerstandswert entsprechenden Durchmesser abgedreht, der kleiner ist als der Durchmesser des Schichtverbunddrahtkerns und somit der Endteile 3, wie in Fig. 1 ersichtlich ist.

Zur Vollendung der als SMD-Bauelement verwendbaren Widerstände wird schließlich noch der Isolierkörper 6 aufgebracht. Bei­ spielsweise wird die Kunststoffkappe 6' in Richtung der beiden Pfeile in Fig. 3 aus einer Lage parallel zur Achse des Wider­ standselements 1 auf das Mittelteil 2 aufgeklemmt, was eben­ falls automatisch erfolgen kann.

Der fertige Widerstand wird vor oder nach dem Aufbringen des Isolierkörpers 6 erneut geglüht (oder gealtert), um ihn in der bei Widerstandsdraht an sich üblichen Weise elektrisch zu sta­ bilisieren.

Anhand von Fig. 4 und Fig. 5 wird eine andere Möglichkeit der Herstellung von Widerständen der betrachteten Gattung aus dem Schichtverbunddraht erläutert. Hierbei wird der in der oben beschriebenen Weise hergestellte und vorzugsweise geglühte Schichtverbunddraht nicht in die langgestreckten Stücke gemäß Fig. 1 zerteilt, sondern in einzelne flache Scheiben. Diese Scheiben bestehen aus dem zentralen Widerstandselement 10 und den beiden Mantelstücken 14 beispielsweise aus Kupfer gemäß Fig. 4, wobei zur Ausbildung des eigentlichen Widerstands die ursprünglich zwischen den Mantelstücken 14 befindlichen, ein­ ander am Scheibenumfang gegenüberliegenden Teile 14' des ring­ förmigen Kupfermantels zusammen mit den benachbarten Teilbe­ reichen 10' des Widerstandskerns entfernt worden sind.

Es ist beispielsweise möglich, zunächst den Schichtverbund­ draht in Scheiben mit der in Fig. 4 gestrichelt angedeuteten kreisrunden Form zu zerteilen und danach die Bereiche 10' und 14' in einer geeigneten an sich bekannten Weise (z. B. durch Stanzen) zu entfernen. Denkbar ist aber auch der umgekehrte Weg.

Die sich ergebenden Widerstände der aus Fig. 5 ersichtlichen flachen Form können ohne weiteres und insbesondere ohne die Kunststoffkappe des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 als SMD- Bauelement verwendet werden.

Claims (11)

1. Elektrischer Widerstand insbesondere zur Strommessung mit einem aus einer metallischen Widerstandslegierung bestehenden Widerstandselement (1) und mit zwei im Abstand voneinander an entgegengesetzten Enden (3) des Widerstandselements angeordne­ ten Anschlussteilen aus einem Metall, dessen elektrische Leit­ fähigkeit höher ist als die der Widerstandslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass
das Widerstandselement (1) durch den Drahtkern eines gezo­ genen Schichtverbunddrahts gebildet ist und
als Anschlussteile den Umfang des Widerstandselements (1) rohrförmig umschließende Mantelstücke (4) vorgesehen sind, die dadurch gebildet sind, dass der aus verschweißtem Band- oder Rohrmaterial gebildete Mantel des gezogenen Schichtverbunddrahts in einem axial mittleren Teil des Wi­ derstands entfernt ist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (1) zwischen den Mantelstücken (4) von einem Isolierkörper (6) umschlossen ist, der mindestens eine ebene Außenfläche (7) hat, mit der der Widerstand zur Oberflä­ chenmontage auf eine Schaltungsunterlage aufsetzbar ist.

3. Elektrischer Widerstand insbesondere zur Strommessung mit einem aus einer metallischen Widerstandslegierung bestehenden Widerstandselement (10) und mit zwei im Abstand voneinander an entgegengesetzten Enden des Widerstandselements angeordneten Anschlussteilen aus einem Metall, dessen elektrische Leitfähig­ keit höher ist als die der Widerstandslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass
das Widerstandselement (10) durch einen Teil des Draht­ kerns eines gezogenen Schichtverbunddrahts gebildet ist und
als Anschlussteile einander gegenüberliegende Mantelstücke (14) vorgesehen sind, die dadurch gebildet sind, dass ein­ ander gegenüberliegende Kreisringabschnitte des aus ver­ schweißtem Band- oder Rohrmaterial gebildeten Mantels des gezogenen Schichtverbunddrahts entfernt sind.

4. Verfahren zum Herstellen elektrischer Widerstände unter Verwendung von Drahtmaterial aus einer metallischen Wider­ standslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass
ein aus der Widerstandslegierung bestehender Drahtkern mit einem Mantel aus Metall mit im Vergleich mit der Wider­ standslegierung höherer elektrischer Leitfähigkeit umhüllt wird;
der Mantel zu einem geschlossen Rohr verschweißt wird;
der aus dem Drahtkern und seinem Mantel gebildete Schicht­ verbunddraht auf einen kleineren Durchmesser gezogen wird; und
der gezogene Schichtverbunddraht in die einzelnen Wider­ stände bildende Stücke zerteilt wird; wobei
bei jedem einzelnen Widerstand ein axial mittlerer Teil des Mantels entfernt wird, so dass nur an den Enden (3) des Widerstands im Abstand voneinander als Anschlussteile dienende Mantelstücke (4) zurückbleiben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Mantelteil durch Abdrehen entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mit dem mittleren Mantelteil auch ein Teil des darunter liegenden Widerstandsmaterials bis auf einen ge­ wünschten Durchmesser entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass auf dem zwischen den Mantelstücken (4) lie­ genden Teil (2) des Widerstandselements (1) ein Körper (6) aus Isolierwerkstoff aufgebracht wird, der mindestens eine ebene Außenfläche (7) hat.

8. Verfahren zum Herstellen elektrischer Widerstände unter Verwendung von Drahtmaterial aus einer metallischen Wider­ standslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass
ein aus der Widerstandslegierung bestehender Drahtkern mit einem Mantel aus Metall mit im Vergleich mit der Wider­ standslegierung höherer elektrischer Leitfähigkeit umhüllt wird;
der Mantel zu einem geschlossen Rohr verschweißt wird;
der aus dem Drahtkern und seinem Mantel gebildete Schicht­ verbunddraht auf einen kleineren Durchmesser gezogen wird; und
der gezogene Schichtverbunddraht in die einzelnen Wider­ stände bildende Scheiben zerteilt wird; wobei
bei jedem einzelnen Widerstand einander gegenüberliegende Kreisringabschnitte (14') des Mantels zusammen mit einem jeweils angrenzenden Kreisringabschnitt (10') der Wider­ standslegierung entfernt werden, so dass nur an den beiden Enden des verbleibenden Widerstandselements (10) als An­ schlussteile dienende Mantelstücke (14) zurückbleiben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der gezogene Schichtverbunddraht zur Diffu­ sionsverbindung des Metalls der Anschlussteile mit dem Legie­ rungsmetall geglüht wird.

10. Verwendung eines Widerstands nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Strommessung.

11. Verwendung eines Widerstands nach einem der vorangehenden Ansprüche als SMD-Bauelement.