DE10338041B3 - Elektrischer Widerstand und Verfahren zum Herstellen von Widerständen - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung niederohmiger Strommesswiderstände in SMD-Bauweise werden lange Bänder gleicher Breite aus einem Leitermetall wie Kupfer bzw. aus einer Widerstandslegierung durch Walzplattieren und Diffusionsglühen miteinander verbunden und auf eine gewünschte Enddicke gewalzt. Aus dem Leitermetall dieses Metallbandes wird dann in Bandlängsrichtung ein Mittelstreifen herausgefräst, der sich bis in das Widerstandsmetall hinein erstreckt. Durch Wahl der Breite und Tiefe der eingefrästen Nut wird der Widerstandswert der anschließend durch Stanzen vereinzelten Widerstände eingestellt.

Description

• Die Erfindung betrifft elektrische Widerstände, insbesondere niederohmige Strommesswiderstände in SMD-Bauweise, mit einem aus einer metallischen Widerstandslegierung bestehenden Widerstandselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen solcher Widerstände.
• Bei der Herstellung von niederohmigen, möglichst hoch belastbaren Präzisions-Messwiderständen in SMD-Bauweise in großen Stückzahlen aus einer der bewährten Cu-Ni- oder sonstigen Widerstandslegierungen und Leitermetall wie insbesondere Cu ist man bestrebt, den erforderlichen Herstellungsaufwand immer weiter herabzusetzen ( EP 0 026 290 , EP 0 605 800 , EP 0 841 668 , DE 101 22 468 und EP 1 283 528 ).
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass hierbei die bekannte Technik des Walzplattierens Erfolg versprechen könnte. Die bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von walzplattierten Strommesswiderständen sind in dieser Hinsicht aber noch nicht zufriedenstellend.
• Aus der EP 1 229 558 A2 ist es zum Herstellen niederohmiger Strommesswiderstände bekannt, Anschlusselemente aus einem Leitermetall wie Cu im Abstand voneinander flach auf ein stangen- oder plattenförmiges Widerstandselement aus einem Legierungsmetall wie Cu-Mn oder Cu-Ni zu legen und diese Metalle durch Walzplattieren zu verbinden. Insbesondere werden hierbei die Anschlusselemente in das Widerstandselement eingewalzt. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Widerstandselement in das Leitermetall eingewalzt und dieses zur Erzeugung der Anschlusselemente partiell z.B. durch Schaben oder Fräsen entfernt. Die Widerstände sollen einzeln hergestellt oder aus einem Mehrfachnutzen durch Stanzen vereinzelt werden, wobei sich im letztgenannten Fall der gewünschte Widerstandswert durch die Breite der Abstanzungen ergeben soll.
• Aus der DE 101 16 531 A1 ist ein ähnliches Verfahren zum Herstellen niederohmiger Strommesswiderstände bekannt, bei dem aus Cu oder Ni bestehende streifenförmige Anschlusselemente durch Walzen und/oder thermische Diffusionsverbindung mit einem Widerstandskörper aus Legierungsmetall verbunden werden und das Verbundmaterial zum Vereinzeln der Widerstände in Stücke geeigneter Länge geschnitten wird. Der gewünschte Widerstandswert wird hierbei durch Trimmen des Widerstandselements mit einem Laser eingestellt.
• Hiervon ausgehend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den für die Herstellung von Strommesswiderständen sowohl hoher Belastbarkeit als auch hoher Präzision der Widerstandswerte erforderlichen Aufwand und somit die Kosten der Bauelemente auf ein Minimum herabzusetzen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
• Aus der US 5,334,968 A ist an sich ein Chip-Widerstands-Array mit Schichtwiderständen bekannt, zwischen deren in einer gemeinsamen Ebene aufgebrachten Elektrodenanschlüssen sich jeweils eine Ausnehmung befindet, in der die Ebene des Schichtwiderstandskörpers gegen die Ebene der Elektrodenanschlüsse in der hierzu senkrechten Richtung zurückgesetzt ist.
• Die Erfindung hat dagegen den Vorteil, dass die Widerstände auf einfachste Weise z.B. durch Abstanzen oder Ausstanzen aus einem beliebig langen Band (oder "Endlosband") gewonnen werden können, nachdem ebenso einfach der gewünschte Widerstandswert der Bauelemente innerhalb der gewünschten Toleranzen durch Einstellen der Breite und/oder Tiefe der über die gesamte Bandlänge verlaufenden, vorzugsweise eingefrästen Mittelnut einge stellt worden ist. Wenn man hierbei die Mittelnut bis in das Legierungsmetall hineinfräst, wird ohne zusätzlichen Aufwand die beim Walzplattieren bzw. Diffusionsglühen in dem Legierungsmetall entstehende Diffusionsschicht entfernt, die wegen des eindiffundierten Kupfers oder sonstigen Leitermetalls den Temperaturkoeffzienten der Bauelemente und damit deren Messpräzision beeinträchtigen könnte.
• Ein wesentlicher Vorteil hinsichtlich des Herstellungsaufwands besteht darin, dass aus einem als Ausgangsmaterial verwendeten gewalzten Verbundmetallband gegebener Breite und Dicke, also aus einheitlichem Vormaterial, einfach durch Änderung der Breite und/oder Tiefe der Mittelnut Bauelemente einheitlicher, z.B. standardisierter Außenabmessungen mit unterschiedlichen Widerstandswerten hergestellt werden können. Statt dessen können auch beim Stanzen unterschiedlich breite Widerstände gewonnen werden, doch kann es von Vorteil sein, dass dies keine Notwendigkeit für unterschiedliche Widerstandswerte ist.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, in das gegebene lange Verbundmetallband in dessen Längsrichtung zwei oder mehr parallele Mittelnuten gleicher oder unterschiedlicher Breite und/oder Tiefe zu fräsen (oder vorzugsweise mechanisch auf andere Weise zu erzeugen) und die Bauelemente in entsprechenden parallelen Reihen aus dem Band auszustanzen.
• Insgesamt kann durch die vorzugsweise mechanische Bearbeitung des einheitlichen Vormaterials eine vergleichsweise große Varianten- und Wertevielfalt dargestellt werden, und zwar in der Regel innerhalb eines relativ engen Toleranzbereiches (z.B. ± 2%) ohne das Erfordernis eines Abgleichs der Widerstandswerte etwa durch Lasertrimmen.
• An dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein als Ausgangs- oder Vormaterial für die Herstellung der Widerstände dienendes gewalztes Verbundmetallband;
• 2A das Band gemäß 1 nach dem Einfräsen einer einseitigen Mittelnut;
• 2B das Band gemäß 1 nach Einfräsen einer Mittelnut mit einer geringeren Breite als in 2A;
• 3 einen nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Widerstand; und
• 4 ein Verbundmetallband mit eingefräster Mittelnut nach dem Ausstanzen einer Reihe einzelner Widerstände.
• Alle Darstellung sind schematisch und entsprechen insbesondere nicht in der Praxis typischen Dickenverhältnissen der Leiter- und Legierungsmetalllagen.
• In 1 ist ein kurzes Stück eines langen flachen Verbundmetallbandes 1 dargestellt, das aus einem Einzelband 2 aus Leitermetall wie z.B. Kupfer und einem Einzelband 3 gleicher Breite aus einer metallischen Widerstandslegierung wie z.B. einer Cu-Ni-Legierung besteht, die in an sich bekannter Weise durch Walzplattieren miteinander verbunden sind. Nach dem Walzplattieren, bei dem in der Regel zunächst nur eine Kaltverschweißung erfolgt, wird ein Diffusionsglühvorgang durchgeführt, bei dem in der Oberfläche des Einzelbandes 3 durch eindiffundierendes Kupfer eine thermische Diffusionsschicht entsteht und die beiden Einzelbänder untrennbar miteinander verbunden werden. Die Diffusionsschicht ist einerseits für die Verbindung der beiden Metalle erwünscht und erforderlich, kann andererseits aber für elektrische Eigenschaften der Widerstände wie namentlich den Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes unerwünscht sein. Nach dem Walzplattieren und vor und/oder nach dem Glühen des Verbundmetallbandes 1 kann dieses unter Reduzierung der Banddicke auf ein gewünschtes Maß gewalzt werden. Bei praktisch realisierten Ausführungsformen kann das Verbundmetallband 1 im Endzustand beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 mm haben und zwischen 10 und mehr als 300 mm breit sein, doch sind selbstverständlich beliebige andere Maße möglich.
• Wie in 1 durch den Pfeil 4 angedeutet ist, wird als nächstes auf der Seite des Einzelbandes 2 in das Verbundmetallband 1 zweckmäßig über deren gesamte Länge die in 2A dargestellte, zur Bandlängsrichtung parallele Mittelnut 6 eingefräst oder auf andere Weise vorzugsweise mechanisch eingearbeitet, so dass auf beiden Seiten jeweilige Randstreifen 22 bzw. 22' aus Kupfer verbleiben, die durch den zwischen ihnen liegenden Teil des Einzelbandes 3 voneinander getrennt sind (so dass die später aus den Randstreifen entstehenden Anschlusselemente der einzelnen Widerstände nur durch das unter der Mittelnut 6 verbleibende Legierungsmetall elektrisch miteinander verbunden sind). Die Mittelnut 6 erstreckt sich bis in das Legierungsmetall des Einzelbandes 3 hinein, und zwar mindestens bis zu einer Tiefe, die größer ist als die Dicke der durch das Walzplattieren bzw. Diffusionsglühen an der Oberfläche des Legierungsmetalls gebildeten Diffusionsschicht. Durch entsprechende Steuerung der Fräs- oder sonstigen Bearbeitungsmaschine werden die Breite und/oder Tiefe der Mittelnut 6 so gewählt, dass sich bei einer vorgegebenen Breite der später vereinzelten Bauelemente (3) deren Widerstandswert genau innerhalb relativ geringer Toleranzen (z.B. ± 2% oder weniger) ergibt.
• Wie in 2B dargestellt ist, kann in dasselbe Verbundmetallband 1 gemäß 1 auch eine schmalere Mittelnut 6' eingearbeitet werden, so dass sich bei gleicher Nuttiefe und gleichen Außenabmessungen der Bauelemente ein geringerer Widerstandswert ergibt. Zusätzlich oder anstatt einer anderen Breite kann die Mittelnut 6' auch eine andere Tiefe haben als die Mittelnut 6 in 2A.
• Wenn man beispielsweise von dem genuteten Verbundmetallband 1 gemäß 2B die einzelnen Bauelemente einfach abstanzt, erhält man den in 3 schematisch dargestellten, im wesentlichen bereits fertigen Messwiderstand 10. Er besteht aus dem als Stück des genuteten Einzelbandes 3 aus Legierungsmetall entstandenen flachen Widerstandselement 13 und den beiden Anschlusselementen 12 und 12' z.B. aus Kupfer, die wie dargestellt in einer gemeinsamen Ebene 14 mit ihrer gesamten Fläche auf der Oberfläche des Widerstandselements 13 angeordnet und durch die der Nut 6' entsprechende Ausnehmung 16 voneinander getrennt sind. Wie sich schon aus der Erläuterung des Herstellungsverfahren ergibt, ist die Ebene 17 der Oberfläche des Widerstandselements 13 an der Ausnehmung 16 gegen die gemeinsame Ebene 14 an den Anschlusselementen 12 in der zu diesen parallelen Ebenen 14 und 17 senkrechten Richtung zurückgesetzt. Die Tiefe der Ausnehmung 16 in der Oberfläche des Widerstandselements 13 unterhalb der Ebene 14 ist bei 18 erkennbar.
• In der Praxis werden die Bauelemente allerdings vorzugsweise nicht über die gesamte Breite des Verbundmetallbandes 1 von diesem abgetrennt, sondern zum Vereinzeln im Abstand voneinander aus dem Verbundmetallband ausgestanzt, wie in 4 dargestellt ist. Nach dem Ausstanzen der Bauelemente, von denen ein im übrigen mit dem Messwiderstand 10 gemäß 3 überein stimmender Einzelwiderstand in Draufsicht bei 10 dargestellt ist, bleibt in dem mit der Mittelnut 6 versehenen Verbundmetallband 1 also die dargestellte Reihe von Öffnungen 40 zurück.
• Wie schon erwähnt wurde, können in derselben Weise auch aus einem mit mehreren zueinander parallelen Mittelnuten versehenen Verbundmetallband (nicht dargestellt) mehrere parallele Reihen von Einzelwiderständen 10 ausgestanzt werden.
• Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann im Rahmen der Erfindung in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise ist es denkbar, die Mittelnuten durch Ätzen einzuarbeiten, obwohl durch mechanische Bearbeitung wie insbesondere Fräsen die für die Widerstandswerte gewünschte Präzision auf besonders einfache Weise erreichbar ist.

Claims (13)

1. Elektrischer Widerstand, insbesondere niederohmiger Strommesswiderstand in SMD-Bauweise, mit einem aus einer metallischen Widerstandslegierung bestehenden Widerstandselement (13) und mit mindestens zwei Anschlusselementen (12) aus Leitermetall wesentlich höherer elektrischer Leitfähigkeit, die in einer gemeinsamen Ebene (14) in einem Abstand voneinander durch Walzplattierung und/oder Diffusionsglühen mit dem Widerstandselement (13) verbunden und durch den zwischen ihnen liegenden Teil des Widerstandselements voneinander getrennt sind, wobei sich zwischen den in der gemeinsamen Ebene (14) auf der Oberfläche des Widerstandselements (13) angeordneten Anschlusselementen (12) eine Ausnehmung (16) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (17) der Oberfläche des Widerstandselements (13) an der Ausnehmung (16) gegen die gemeinsame Ebene (14) an den Anschlusselementen (12) in der zu diesen Ebenen (17, 14) senkrechten Richtung zurückgesetzt ist.
2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) zwischen den Anschlusselementen (12) eingefräst ist.
3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) sich bis zu einer Tiefe (18) in das Legierungsmetall hinein erstreckt, die größer ist als die Dicke der durch das Walzplattieren und/oder Diffusionsglühen an der Oberfläche des Legierungsmetalls gebildeten Diffusionsschicht.
4. Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (12) aus flachen Rechtecken bestehen, deren Hauptfläche vollständig mit dem Widerstandselement (13) verbunden ist.
5. Verfahren zum Herstellen von elektrischen Widerständen, insbesondere niederohmigen Messwiderständen (10), aus einer metallischen Widerstandslegierung und einem die Anschlusselemente (12) der Widerstände bildenden Leitermetall wesentlich höherer elektrischer Leitfähigkeit, bei dem – zunächst zwei lange Bänder (2, 3), von denen das eine aus der Widerstandslegierung und das andere aus dem Leitermetall besteht, aufeinandergewalzt und durch Walzplattieren und/oder Diffusionsglühen zu einem langen Metallband (1) verbunden werden, das auf seiner einen Oberfläche durch das Leitermetall und auf seiner entgegengesetzten Oberfläche durch das Legierungsmetall gebildet wird, – in Längsrichtung des langen Metallbandes (1) von seiner einen Oberfläche ein Mittelstreifen des Leitermetalls zwischen zwei verbleibenden Randstreifen (22) aus dem Leitermetall vollständig entfernt wird, wobei unter dem entfernten Mittelstreifen Legierungsmetall zurückbleibt und die Breite der durch Entfernen des Mittelstreifens entstehenden Nut (6) und/oder deren sich in das Legierungsmetall erstreckende Tiefe (18) zur Einstellung des Widerstandswerts der herzustellenden Widerstände (10) gewählt werden, – und die jeweils durch ein Stück des Legierungsmetalls und das an dessen entgegengesetzten Enden verbliebene Leitermetall gebildeten Widerstände durch Zertrennen des langen Metallbandes (1) quer zu seiner Längsrichtung vereinzelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entfernen des Mittelstreifens aus Leitermetall mindestens der Teil des darunter liegenden Legierungsmetalls entfernt wird, der die beim Walzplattieren und/oder beim Glühen des Metallbandes entstandene Diffusionsschicht enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelstreifen durch mechanische Bearbeitung entfernt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gewalzte lange Metallband (1) zum Entfernen des Mittelstreifens in seiner Längsrichtung gefräst wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das lange Metallband (1) nach dem Walzplattieren zur Reduzierung der Banddicke gewalzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (10) durch Stanzen aus dem langen Metallband (1) vereinzelt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gewalzten Metallband (1) zur Herstellung von Widerständen (10) mit unterschiedlichen Widerstandswerten unterschiedlich breite Mittelstreifen entfernt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem langen Metallband (1) zwei oder mehr zur Bandlängsrichtung parallele Nuten mit gleicher oder unterschiedlicher Breite und/oder Dicke erzeugt und aus dem Band eine entsprechende Anzahl von Reihen von Einzelwiderständen ausgestanzt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des langen Metallbandes (1) entsprechend lange Bänder (2, 3) aus dem Widerstands- bzw. Leitermetall annähernd gleicher Breite durch Walzplattieren und/oder Diffusionsglühen miteinander verbunden werden.