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Verfahren zur Herstellung einer Anordnung magnetischer Elemente Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung magnetischer Elemente,
insbesondere einer magnetischen Speichermatrix, enthaltend einen Ferritkörper, der
von einer Leiteranordnung durchsetzt ist.
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Die klassischen Speichermatrizen bestehen aus einer Vielzahl von Ringkernen,
die von Treiberdrähten, Lesedrähten u. dgl. durchsetzt werden. Da die Schaltgeschwindigkeit
eines Kernes von seinem Lochdurchmesser abhängt, verwendet man Magnetkerne mit möglichst
kleinem Durchmesser, wodurch das Verdrahten der Matrix zu einer sehr mühevollen
und kostspieligen Arbeit wird.
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Um die Verdrahtung einer Speichermatrix zu vereinfachen, ist es bekannt,
Ferritlochplatten zu verwenden und die Verdrahtung zum Teil photochemisch aufzudrucken.
Die Herstellung von Ferritlochplatten erfordert jedoch teure Preßwerkzeuge, und
es ist schwierig, auf photochemischem Weg mehrere voneinander isolierte Leiter in
den einzelnen engen Löchern zu bilden.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Speichermatrix bekannt,
bei dem zuerst das Verdrahtungssystem hergestellt und dieses dann in Ferritpulver
eingepreßt wird. Bei diesem Verfahren treten jedoch in der Praxis ganz erhebliche
Schwierigkeiten auf, da es praktisch nicht möglich ist, das komplizierte Verdrahtungssystem
völlig lunkerfrei mit Ferritpulver auszufüllen und beim Pressen Beschädigungen des
Verdrahtungssystems zu vermeiden. Aus Ferritpulver gepreßte Körper haben außerdem
nicht dieselben günstigen Eigenschaften wie massive gesinterte Ferritkörper. Eine
Nachsinterung des das eingepreßte Verdrahtungssystem enthaltenden Körpers ist andererseits
praktisch ausgeschlossen, da infolge der hohen Sintertemperatur die Isolation der
Drähte beschädigt und gegebenenfalls die Drähte selbst durch chemische Reaktionen
zerstört würden.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ebenfalls zuerst das Verdrahtungssystem
hergestellt, anschließend wird auf die Kreuzungspunkte des Verdrahtungssystems ein
Brei aus ferritbildenden Oxyden aufgetropft, und die gesamte Leiteranordnung wird
schließlich zur Bildung von die Kreuzungspunkte umhüllenden Ferritperlen auf die
erforderliche Sintertemperatur erhitzt. Auch hier dürfte es sehr schwierig sein,
bei der hohen Sintertemperatur eine einwandfreie Isolation der Drähte im Bereich
der Überkreuzungspunkte zu gewährleisten.
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Um eine übermäßige Erhitzung des Verdrahtungssystems zu vermeiden,
ist es weiterhin bekannt, auf ein vorgefertigtes, dem Anwendungszweck entsprechendes
Verdrahtungssystem eine magnetische Schicht, insbesondere eine Ferritschicht, aus
dem geschmolzenen Zustand derart aufzusprühen oder aus der Gasphase derart aufzudampfen,
daß mindestens die speichernden oder schaltenden Kreuzungspunkte der Drähte allseitig
von der erstarrten, magnetischen Schicht umhüllt werden.
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Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es sehr schwierig ist, beim
Aufspritzen oder Aufdampfen an allen überkreuzungspunkten den gleichen effektiven
Innendurchmesser und die gleichen magnetischen Eigenschaften des umhüllenden Magnetmaterials
sicherzustellen. Die magnetischen Eigenschaften müssen aber von Kreuzungspunkt zu
Kreuzungspunkt möglichst weitgehend übereinstimmen, da sonst keine einwandfreie
Selektion und kein gleichmäßiges Schalten gewährleistet ist.
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Bei den letztgenannten Verfahren wird zwar das Durchfädeln von Drähten
durch einzelne Ringkerne vermieden, das Herstellen eines frei tragenden Verdrahtungssystems
ist jedoch auch nicht wesentlich einfacher, besonders wenn kleine Abmessungen gefordert
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile
zu vermeiden und ein
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung magnetischer
Elemente, insbesondere einer magnetischen Speichermatrix, anzugeben, das einfach
und reproduzierbar ist und Magnetelemente mit unter sich weitestgehend gleichen
magnetischen Eigenschaften liefert.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch Aufrakeln einer Ferritaufschlämmung
auf eine ebene Unterlage dünne Schichten aus grünem Ferrit hergestellt werden; daß
die Ferritschichten getrocknet und die resultierenden biegsamen Ferritblätter von
der Unterlage abgeschält werden; daß auf eine Anzahl dieser biegsamen Ferritblätter
verschiedene Leitermuster aufgebracht werden; daß die mit den Leitern versehenen
Ferritblätter dann in bestimmter Anordnung der Leiter zueinander derart zu einer
Schichtstruktur aufeinandergelegt werden, daß die Leiter der einzelnen Blätter durch
dazwischenliegende Ferritschichten getrennt sind; daß aus der Schichtstruktur unter
Einwirkung von Hitze und Druck eine eingebettete Leiter enthaltende Platte aus grünem
Ferrit hergestellt wird und daß die Platte aus grünem Ferrit zur Erzeugung einer
einstückigen gesinterten Ferritplatte, in die die Leiter eingebettet sind, gebrannt
wird.
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Bezüglich der Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt F i g. 1 eine auseinandergezogene Ansicht
von grünen (ungebrannten), mit gedruckten Leitern versehenen Ferritblättern vor
ihrer Weiterverarbeitung zu einer einstückigen gesinterten Ferritplatte mit eingebetteten
Leitern, F i g. 2 eine Draufsicht auf eine Anordnung von magnetischen Speicherelementen,
die durch Anwendung von Hitze und Druck aus den in F i g. 1 dargestellten Ferritblättern
entsteht, und F i g. 3 eine Schnittansicht in einer Ebene 4-4 der F i g. 2.
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Die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbau einer
Anordnung magnetischer Elemente gemäß den F i g. 1 bis 3 ist die Herstellung dünner
Blätter aus grünem Ferritmaterial. Dies erfolgt durch Vermischen von pulverisiertem
grünem Ferrit mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel zur Herstellung einer
Aufschlämmung mit einer zum Aufrakeln geeigneten Viskosität. Die Aufschlämmung wird
in einer Rakel-Maschine auf einen ebenen Träger aufgetragen, und die Rakel wird
zur Entfernung der gesamten Aufschlämmung mit Ausnahme einer gleichförmig dünnen
Schicht über die Oberfläche gezogen. Der Ausdruck »ebener Träger«, wie er hier gebraucht
wird, soll sowohl einen zylindrischen Träger als auch einen flachen Träger umfassen.
Die Aufschlämmungsschicht kann eine Dicke von nur etwa 0,025 mm besitzen. Der aufgerakelte
grüne Ferrit wird zum Trocknen durch Abdampfen des Lösungsmittels stehengelassen,
und dann wird das erhaltene flexible dünne grüne Ferritblatt von der ebenen Fläche
abgeschält.
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Es folgt ein Beispiel zur Herstellung eines grünen Ferritblatts, wie
es oben beschrieben ist. Es wurde eine Stammcharge einer Aufschlämmung aus grünem
Ferrit aus 65 g eines kalzinierten Ferrits, der aus Zink-Magnesium-Manganoxyden
hergestellt war, 13 g eines unter dem Handelsnamen »Vyns« erhältlichen Bindemittels
und 53 g Methyläthylketon als Lösungsmittel hergestellt. Die obige Mischung wurde
8 Stunden in einer 1/2-1-Kugelmühle gemahlen. Dann wurde weiterhin Lösungsmittel
zugesetzt, um eine Viskosität von etwa 900 cP zu erzielen, die zum Aufrakeln geeignet
ist. Die erhaltene Aufschlämmung wurde auf einer Maschine mit einer ebenen Glasunterlage
aufgerakelt, wobei auf der Unterlage ein Blatt mit einer Dicke von etwa 0,05 mm
gebildet wurde. Nachdem das aufgerakelte Ferritblatt etwa 5 Minuten zum Trocknen
stehengelassen wurde, wurde das erhaltene dünne flexible Blatt von der ebenen Unterlage
abgeschält und zur weiteren Behandlung in Stücke von etwa 12,90 cm2 geschnitten.
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Die nächste Stufe bei dem Verfahren zur Herstellung einer Anordnung
magnetischer Elemente besteht darin, schmale, lange elektrische Leiter auf den grünen
Ferritblättern anzubringen. Die Leiter werden vorzugsweise auf verschiedenen Blättern
in verschiedenen Mustern in der in F i g. 1 dargestellten Weise aufgebracht. Die
Leiter 12 und 14 auf dem grünen Ferritblatt 16 besitzen eine rechteckwellenförmige
Konfiguration. Die Leiter 18 auf dem grünen Ferritblatt 20 liegen in der
Form paralleler Linien vor. Die Leiter 22 und 24 auf dem grünen Ferritblatt
26 weisen eine rechteckwellenförmige Konfiguration auf, die umgekehrt zu der Konfiguration
der Leiter 12 und 14 auf Blatt 16 liegt. Alle Leiter haben
Klemmen oder Anschlußstellen am Außenrand der jeweiligen Blätter. Ein zusätzliches
grünes Ferritblatt 10 ist nicht mit Leitern versehen. Die auf die drei Blätter 16,
20 und 26 gedruckten Leiter ergeben Leitersätze, die in drei parallelen Ebenen liegen,
wobei die Leiter in Ferritmaterial eingebettet werden, wenn die vier Blätter
10. 16, 20 und 26 erhitzt und dabei zusammengepreßt werden. Dasselbe
Ergebnis kann auch erreicht werden, wenn man beispielsweise die Leiter 18 auf die
Unterseite des Ferritblattes 16, die Leiter 22 und 24 auf die Unterseite des Ferritblatts
20 druckt und keine Leiter auf das Ferritblatt 26 druckt.
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Die Bildung der Leiter auf den Oberflächen der grünen Ferritblätter
erfolgt unter Verwendung von Masken durch Vakuumverdampfen eines leitenden Materials
auf die grünen Ferritblätter. Die Masken werden vorzugsweise aus dünnen Metallfolien
hergestellt, die aus Kupfer sein können, und zwar durch ein übliches Photoätzverfahren,
wobei in den Masken Schlitze gebildet werden, die den Dimensionen und Konfigurationen
der gewünschten Leiter auf den grünen Ferritblättern entsprechen. Die Schlitze in
den Masken können etwas enger sein als die für die fertigen Leiter gewünschte Breite.
Das leitende Material, welches durch die Maske zur Bildung der Leiter auf den Ferritblättern
vakuumverdampft wird, hat einen Schmelzpunkt, der über der Sintertemperatur des
Ferrits, etwa 1200° C, liegt. Ein leitendes Material mit einem geeignet hohen Schmelzpunkt
ist das Metall Palladium. Die Metalle Rhodium und Platin besitzen ebenfalls genügend
hohe Schmelzpunkte und sind somit ebenfalls geeignet. Natürlich soll ein solches
Material ausgewählt werden, welches mit Ferrit nicht chemisch reagiert und einen
geringen elektrischen Widerstand aufweist.
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Die Vakuumverdampfung durch eine Maske ergibt einen sehr dünnen Leiter
auf dem grünen Ferrit.
Der Aufbau eines genügend dicken Leiters
erfolgt durch eine Galvanisierungsstufe. Nachdem auf das grüne Ferritblatt ein dünner
Leiter aufgedampft ist, wird das Blatt in einen Elektrolyten eingetaucht, und der
eine Pol einer elektrischen Stromquelle wird mit einem dicken Stück leitenden Materials
(in diesem Beispiel Palladium) verbunden und der andere Pol mit dem dünnen vakuumaufgedampften
Leiter auf dem grünen Ferritblatt. Der Leiter wird durch das elektrolytische Ablagerungsverfahren
zu einer ausreichende Dicke aufgebaut, um die zur Steuerung der fertigen magnetischen
Elemente nötigen Ströme leiten zu können. Die fertigen Leiter können Abmessungen
von etwa 0,025 oder 0,05 mm in der Breite und etwa 0,012 mm in der Dicke aufweisen.
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Die auf die grünen Ferritblätter gedruckten elektrischen Leiter müssen
dem Schrumpfen und Verziehen des Packs aus grünen Ferritblättern widerstehen können,
wenn diese bei einer Temperatur von etwa 1200° C gesintert werden. Grüne Ferrite
schrumpfen beim Sintern in verschiedenem Maß. Die Schrumpfung liegt etwa in dem
Bereich zwischen 30 und 5%. Es ist daher wesentlich, daß die gedruckten Leiter der
Schrumpfung folgen körnen, ohne zu brechen oder wesentlich deformiert zu werden.
Die Leiter können gegen Schrumpfung widerstandsfähig gemacht werden, indem ein solches
Galvanisierungsverfahren bei ihrer Bildung angewandt wird, daß sie grob oder schwammig
werden. Mit anderen Worten sollen die Leiter nicht völlig dicht, einheitlich und
frei von Hohlräumen sein. Diese Struktur kann dem galvanisierten Leiter durch Anwendung
eines verhältnismäßig hohen Galvanisierungsstromes verliehen werden. Eine Galvanisierungsspannung
von 1 Volt und ein Strom von 1 bis 5 mA pro Quadratzentimeter Leiterfläche hat sich
als geeignet gezeigt. Es wurde gefunden, daß auf solche Weise hergestellte Leiter
in der fertigen, gepreßten und gesinterten Platte einen Widerstand besitzen, der
geringer ist als der ursprüngliche Widerstand, und man nimmt an, daß dies auf die
Schrumpfung und Kompression der Leiter zurückzuführen ist.
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Die Fähigkeit der Leiter, der Schrumpfung des umgebenden Ferrits ohne
Bruch zu widerstehen, beruht auch auf der Anwendung von Leitern, die verhältnismäßig
dünn und flach sind. Leiter mit einer Enddicke von etwa 0,0025 bis 0,012 mm und
einer Breite von etwa 0,025 bis 0,075 mm haben sich als widerstandsfähig gegen Bruch
und als so ausreichend im Querschnitt gezeigt, daß sie einen geringen Widerstand
von etwa 1/s oder einigen Ohm pro Zentimeter Länge besitzen.
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Das hier beschriebene Verfahren der Abscheidung der Leiter auf den
grünen Ferritblättern hat sich den anderen bekannten Verfahren, wie z. B. Siebdruck,
Umdruck usw., als überlegen gezeigt. Das beschriebene Verfahren, einschließlich
Vakuumverdampfung und anschließender Galvanisierung, ermöglicht leicht die Abscheidung
von Leitern mit den kleinen Abmessungen, Proportionen und den anderen physikalischen
Eigenschaften, welche die anschließenden Stufen zulassen, wie die Beschichtung der
bedruckten grünen Ferritblätter und das Erhitzen der verschichteten Blätter unter
Bildung einer homogenen gesinterten Ferritplatte mit eingebetteten Leitern.
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Wenn die grünen Ferritblätter mit den gewünschten gedruckten Leitern
versehen sind, werden die Blätter, wie in F i g. 1 gezeigt, zu einem Pack angeordnet,
in dem die gedruckten Leiter, wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt, gewünschterweise
zueinander ausgerichtet sind. Das grüne Ferritblatt 16 enthält Leiter 12 und 14,
welche Teile haben, die parallel zu Teilen des geraden Leiters 18 auf dem grünen
Ferritblatt 20 liegen. In ähnlicher Weise enthalten die Leiter 22 und 24 auf dem
grünen Ferritblatt 26 Teile, die parallel zu den geraden Leitern 18 auf Blatt
20 liegen. Die Leiterteile auf den Blättern 16
und 26, die parallel
zu den Leitern 18 auf Blatt 20
liegen, sind, wie in F i g. 3 gezeigt,
vorzugsweise so angeordnet, daß sie so nahe wie möglich aneinanderliegen, so daß
sie nur durch die Dicke der grünen Ferritblätter getrennt werden. Die sich deckenden
Teile sind in F i g. 2 etwas entfernt voneinander gezeigt, doch dient diese Darstellung
nur dazu, eine Verwirrung zu vermeiden, die sich ergeben würde, wenn die Leiter
übereinander gezeichnet würden.
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Der Pack aus ausgerichteten Ferritblättern wird dann in einer weiteren
Stufe Wärme und Druck ausgesetzt, um die Anordnung in eine geschichtete grüne Ferritplatte
mit eingebetteten Leitern zu verwandeln. Die Schichtung erfolgt mit einem Druck
von etwa 63 kp/cm- während etwa 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 120° C.
Diese Schichtungstemperatur ist nicht hoch genug, um ein Sintern des Ferrits zu
bewirken. Jedoch ist sie ausreichend zur Herstellung einer flachen, geschichteten
grünen Ferritplatte, die einheitlich und frei von leeren Räumen ist.
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Die letzte Stufe besteht darin, die geschichtete grüne Ferritplatte
unter Bildung einer einheitlichen homogenen gesinterten Ferritplatte mit eingebetteten
Leitern, die in drei parallelen Ebenen angeordnet sind, zu erhitzen. Der Schichtstoff
wird zuerst einer Temperatur von etwa 200 bis 400° C ausgesetzt, um die Bindemittel
auszubrennen, und dann einer genügend hohen Temperatur, um den Ferrit zu sintern,
so daß die Hystereseschleife die gewünschte Rechteckform erhält. Die Sintertemperatur
der geeignetsten Ferrite ist bekannt und liegt bei etwa 1200° C. Nach dem Sintern
kann die erhaltene Platte bei Zimmertemperatur in der Luft abgeschreckt werden und/oder
anschließend in Stickstoff bei einer Temperatur von 1100° C während einer Stunde
getempert werden. Manche Ferrite erhalten durch das Tempern verbesserte elektromagnetische
Eigenschaften. In jedem Fall wird die jeweilig angewandte Ferritzusammensetzung
einer geeigneten Hitzebehandlung unterworfen, um die gewünschte Rechteckform der
Hystereseschleife zu erzielen.
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Die erhaltene homogene gesinterte Ferritplatte 30 (F i g. 2 und 3)
mit den eingebetteten Leitern bildet eine Anordnung von Magnet- oder Speicherelementen.
Die Magnet- oder Speicherelemente werden durch das magnetische Ferritmaterial gebildet,
das die parallelen und anliegenden Teile der Leiter umgibt, die in drei parallelen
und aneinander angrenzenden Ebenen liegen. Es sind auch andere Konfigurationen der
Leiter und des Ferritmaterials möb lich. Beispielsweise können zwei oder mehrere
Leiter mit einem isolierenden Überzug, der eine elektrische Trennung gewährleistet,
übereinandergelegt werden. Die übereinandergelegten Leiter können dann dazu dienen,
verschiedene Betriebsströme zu dem die Leiter umgebenden magnetischen Material zu
führen. Jedoch gewährleistet die gezeigte Ausführungsform eine erwünscht leichte
und einfache Herstellung, wobei
der Ferrit die Isolierung gewährleistet.
In der Anordnung der F i g. 2 und 3 bildet die Kombination eines Satzes von drei
parallelen, nahe aneinanderliegenden Leiterteilen, die sich in drei einzelnen Ebenen
befinden, zusammen mit dem umgebenden und dazwischenliegenden Ferritmaterial, welches
vier Schenkel für den Magnetfluß bietet, ein elektromagnetisches Element. Zum Beispiel
wird ein Speicherelement 32 durch das Magnetmaterial in der Nähe der parallelen
Teile der Leiter 12, 18 und 22
gebildet. Andere Speicherelemente 34
und 36 werden durch das Magnetmaterial gebildet, das die parallelen Teile der Leiter
14, 18 und 24 umgibt. Die Leiter enthalten auch verbindende Teile,
von denen jeder verhältnismäßig fern von den verbindenden Teilen anderer Leiter
liegt. Die verbindenden Teile dienen lediglich dem Zweck, eine elektrische Verbindung
zu den parallelen, nahe aneinanderliegenden Teilen herzustellen, welche die Speicher-
oder Magnetelemente bilden.
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Die in den F i g. 2 und 3 gezeigte Anordnung enthält acht einzelne
magnetische Speicherelemente, von denen jedes einzeln adressiert werden kann, indem
man elektrische Ströme an die Klemmen der einzelnen eingebetteten Leiter anlegt.
Man kann das um die parallelen Teile der Leiter in einem Magnetelement liegende
magnetische Material einen magnetischen Zustand annehmen lassen, der eine gespeicherte
»1« oder eine gespeicherte »0« darstellt, und die gespeicherte Information kann
aus dem Speicherelement herausgelesen werden. Es sind verschiedene Arbeitsweisen
möglich.