DE1640436A1

DE1640436A1 - Elektrische Widerstaende und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1640436A1
Application number: DE19661640436
Authority: DE
Inventors: Mcelroy David Ellis
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1965-01-21
Filing date: 1966-01-20
Publication date: 1970-09-17
Also published as: NL6600812A; FR1463478A; DE1640436B2; DE1640436C3; DK119261B; NL153359B; US3358362A; GB1080896A

Description

zu der Patentanmeldung

RESISMCE 401, North Broad Street, Philadelphia 8, Ρ» U.S.A.

betreffend
Elektrische Widerstände und Verfahren zu ihrer Herstellung

Dünnschichtwiderstände bestehen im allgemeinen aus einem Zylinderstuck aus elektrischem Isoliermaterial,, ZpB. Keramik, das auf der Zylinderfläche mit einem Film von Widerstandsmaterial überzogen ist und Anschlüssen an federn Ende des ZylinderStücks für die Kontaktierung der Widerstandsschicht. Der Keramikkörper und die Widerstandsschicht sind mit einer Schutzschicht oder -überzug aus Kunststoff versehen, wobei die Anschlüsse frei bleiben. Das Hauptproblem bei der Massenproduktion derartiger Widerstände ist die Befestigung der Anschlüsse an der WiderstandsBChicht. Für den Anschluß solcher Widerstände müssen die folgenden hauptsächlichen Faktoren berück·· aichtigt werden. . ,

1. Die mechanische Verbindung zwischtfc AnsohluS-drähten und Keramikkörper muß fest genug sein, daß

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während der Handhabung und des Betriebes kein Kontakt bricht.

2. Es muß eine gute elektrische Verbindung zwischen* den Anschlüssen und der Widerstandsschicht vorliegen, um einen geringen Kontaktwiderstand und-nur schwaches Rauschen zu gewährleisten. Da|die Widerstandsschicht relativ dünn ist, erfolgt die Kontaktierung vorzugsweise

an ihrer äußeren zylindrischen Fläche. Jedoch sollte • ,^; ■'■'"" der

der lläehenbereich der Widerstandsschicht, für den elektrischen Anschluß verwendet wird, so gering wie möglich sein, um eine maximal wirksame Fläche des Widerstands zu erhalten. Außerdem muß die aktive Fläche der Widerstandsschicht bei allen Widerständen einheitlich sein, so daß eine große Zahl von Widerständen mit gleichen Widerstandswerten hergestellt werden können.

3. Die Verbindung zwischen den Anschlüssen und dem Keramikkörper sollte ein möglichst geringes Volumen einnehmen, set daß der Schutzüberzug ausreichend stark sein kann, um den angestrebten Schutz zu gewährleisten; jedoch soll die Größe des fertigen WiderStandes so gering wie möglich sein.

4. Das Verfahren sum Befestigen der .^Schlüsse amKeramikkörper und an der Widerstandssohicht sollte fur eine Massenproduktion Mllig s®in» au daß die He^iti®llung8kost®n des Widerstandes gering feltiben.

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-3 - ■■ .

Die Erfindung betrifft also einen neuen Dünnschi chtwiderstand, der relativ billig in großen Mengen hergestellt werden kann.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kontaktierung der Widerstandsschicht bei guter mechanischer und elektrischer Verbindung zwischen den Anschlüssen und dem Widerständskörper ohne wesentliche Vergrößerung des Widerstands.

Die Erfindung wird nun zum besseren Verständnis anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert? Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgem&ssen Widerstand. .

Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung eines

Teils eines mit Widerstandmaterial überzogenen Stabes» und damit die erste Stufe', <3
stands<bei der Herstellung^

und damit die erste Stufe', des erfindungsgemässen WiderFigur 3 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die zweite Verfahrensstufe und zeigt eine Vielzahl von überzogenen Stäben eingebettet in einen Kunststoffblock.

Figur 4 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die nächste, also 3. Verfahrensstufe, wobei der in Figur 3 gezeigte Block in eine Vielzahl schmaler Blockabschnitte geteilt ist«

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Figur 5 erläutert in einer perspektivischen Darstellung des Blockabschnitts die 4. 7erfahrensstufe, "bei weicher die Enden der Stäbe freigelegt sind.

Figur'6 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die Weiterbehandlung des Blockabschnitts aus Figur 5 in der 5« Verfahrensstufe, wobei auf das Einbettmaterialg und die freilegten Enden der Widerstandsstäbe ein Metallfilm aufgezogen ist.

Figur 7 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die 6. Verfahrensstufe, wobei der Metallfilm von dem Einbettmaterial entfernt ist.

Figur 8 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die 7· Verfahrensstufe, wobei die Enden der Widerstandsstäbe mit einem Lötmittel überzogen sind.

Figur 9 ist eine perspektivische Darstellung eines Widerstandsstabes, aus dem Einbettmaterial herausgenommen.

Figur 10 zeigt eine perspektivische Darstellung des Widerstandsstabes aus Figur 9 mit befestigten Anschlüssen.

Figur 1 zeigt den erfindungsgemässen Widerstand 1U, der im allgemeinen ein Widerstandselement 12 an jedem Ende mechanisch befestigte Anschlüsse 14 und eine Schutzschicht 16 darum aufweist.

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Das Widerstands element 12 enthält einen kurzen", massiven zylindrischen Träger 18 aus Isoliermaterial, z.B. Keramik. Die Zylinderfläche des Trägers 18 ist mit einer dünnen Schicht 20 aus Widerstandsmaterial überzogen. Diese Widerstandsschicht 20 kann aus irgendeinem bekannten Widerstandsmaterial bestehen, z.B. Kohle, Metall oder einer Legierung oder einem Metallgemisch, und kann als solches oder in einem geeigneten Bindemittel-wie z.B. Kunststoff oder Glas-dispergiert aufgebracht werden* Auf jedes Ende des Trägers 18 ist ein Kontakt- oder Anschlußüberzug 22

aus elektrisch leitendem Material, z.B. Kupfer oder Nickelf ^ aufgebracht. Er erstreckt sich über den Abschluß des Trägers 18 und geringfügig über die Widerstandsschicht 20, södaß der Kontaktüberzug mit dem Widerstandsmaterial elektrisch , verbunden ist. Jeder Kontaktüberzug 22 ist mit einer Lötschicht 24 aus elektrisch leitendem Lötmittel überzogen. Das Widerstandselement 12 kann bis herunter auf nur 4,57 mm (0,180") Länge und 1,60 mm (O,O63^M) 0 hergestellt werden.

Jeder der Anschlüsse 14 besteht aus einem Draht 26 j

aus elektrisch leitendem Metall mit einem flachen, kreisförmigen Kopf 28. Der Kopf 28 hat einen Durchmesser nicht größer als der Durchmesser des Trägers 18. Der Kopf 28 jedes Anschlusses 14 liegt auf der Lötschicht 24 der Widerstandselemente 12 auf und zwar so, daß sich die Anschlußdrähte 26 an den beiden Enden des Widerstandeelements nahezu in Fortsetzung der Längsaohse des Trägers 18 erstrecken. Die Anschlüsse 14 sind also mechanisch mit dem Widerstandeelement 12 und elektrisch mit der Wideretande- schicht 20 Über die Lotschicht 24 und den Kontaktüberzug

0Q9a38/048& verbundtn«

Die Schutzschicht 16 besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, z.B. Formaldehyd-, Epoxy- oder Silikonharz, das um das Widerstandselement 12 geformt, gegossen oder aufgebracht ist und umgibt es vollständig, wie auch die Köpfe 28 und ein kurzes Stück des Anschlußdrahtes 26; der Hauptteil der Anschlußdrähte ragt jedoch aus der Schutzschicht heraus. Da die Anschlüsse 14 sich nicht über die Zylinderfläche des Widerstandselements 12 erstrecken, ist die Schutzschicht 16 über das ganze Widers.tandselement nahezu gleichmäßig stark und bewirkt auch bei minimaler Stärke der Schutzschicht einen maximalen Schutz. Nach Aufbringen der Schutzschicht 16 um das Widerstandselement 12-kann der Widerstand 10 eine länge von nur 6,3 mm (0,25") und einen Durchmesser von 2,28 mm (0,09") einschließlich Länge der Anschlüssejaufweisen.

J¹Ur die erfindungsgemässe Herstellung des Widerstands 10 wird ein Stab 30 (Figur 2) aus dem Material des Trägers 18 mit. einer Schicht 32 aus Widerstandsmaterial überzogen. Der Stab 30 besitzt den gleichen Durchmesser wie der Träger 18, ist jedoch um viele Male länger als dieser. Die Widerstandsschicht 32 kann um den Stab 30 durch Tauchen, Streichen, Sprühen oder eine andere bekannte Methode aufgebracht werden, wie dies zum Aufbringen eines Widerstandsmaterials üblich ist. Gegebenenfalls kann die Widerstandsschiöht noch getrocknet, gehärtet oder gebrannt werden.

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Eine Vielzahl von sojuberzogenen Stäben 30 wird dann in engem Abstand voneinander paralell angeordnet und in einem Block 34 aus Kunststoff eingebettet (Figur 3). Hierfür wird ein relativ billiger Kunststoff verwendet, der in einem lösungsmittel, das weder die Widerstandsschicht 32 nocb. den Stab 30 angreift,regulierbar löslich ist. * ■ _

Es wurde festgestellt, daß Polyesterharze für diesen Zweck besonders geeignet sind. Es können jedoch auch f

Epoxy-, Polyurethan-, Silikon- und thermoplastische Harze sowie auch Wachse, wie Kerzenwachs, verwendet werden. In den Block 34 können bis zu 1UO Stäbe eingebettet werden.

G-emäss Figur 4 wird dann der Block 34 in gleichmäßigen Abständen^ und in paralellen Ebenen senkrecht zur Längsachse der Stäbe 30 zerschnitten. Dies geschieht mit irgendeinem geeigenten Schneidwerkzeug, z.B. einer Kreissäge,. Diese Schnitte werden in einem Abstand vorgenommen, der der angestrebten Länge des Trägers 18 des Widerstandes 10 entspricht. Auf diese Weise wird der Block 34 in eine Vielzahl von Blockabschnitte 36 aufgeteilt, wobei jeder solche Bloekabschnitt eine Vielzahl von überzogenen Trägern 18 enthält.

Jeder Bloekabschnitt 36 wird dann so lange in ein entsprechendes lösungsmittel eingetaucht, bis der Kunststoff an der Oberfläche erweicht oder angelöst ist.

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Wie bereits erwähnt wird ein solches Lösungsmittel verwendet, das den verwendeten Kunststoff langsam löst, jedoch den Träger 18 und die Widerstandsschicht 20 nicht angreift. Es wurde festgasteilt, daß bei einem Polyesterharz Methylenchlorid ein zufriedenstellendes lösungsmittel ist. Chlorierte Lösungsmittel sind für JSpoxy- und Silikonharze, Alkohole oder Ketone für Polyurethane und verschiedane Kohlwasserstoffe für Wachse geeignet.

Nach Herausnehmen der.Blockabschnitte 36 aus dem Lösungsmittel werden sie mit Wasser abgewaschen.., um den oberflächlich aufgeweichten Kunststoff und alles Lösungsmittel zu entfernen. Auf diese Weise wird ein Teil der Widerstandsschicht 20 an jedem Ende jedes Trägers freigelegt, wie in Figur 5 dargestellt ist. Die Größe der freigelegten, dünnen Widerstandsschicht 20 hängt davon ab, wie lange der Blockabschnitt 36 dem Lösungsmittel ausgesetzt wurde. Bei Verwendung von Methylenchlorid als Lösungsmittel für ein Polyesterharz und bei etwa 10 min Eintauchen des Blockabschnitts 36 in das Lösungsmittel wird eine ausreichende Menge Kunststoff, gelöst, um ca. 0,25 nun (10 mil) der Widerstandsschicht an jedem Knde jedes Trägers.18 freizulegen.

Gremäss Figur 6 wird dann ein Überzug 38 aus einem elektrisch' leitenden Metall, wie Kupfer oder Nickel, über die gesamte Oberfläche jedes Blockabschnitts 36, einschl. der freigelegten Enden der Widerstandsschicht und des Keramikträgers 18 aufgebracht. Der Blockabschnitt

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kann mit Hilfe irgend eines bekannten Verfahrens mit dem Metallfilm 38 überzogen werdenf vorzugsweise erfolgt dies Jedoch durch stromloses Plattieren» da nach diesem Verfahren der Metallfilm leicht und schnell .aufgebracht werden kann. Zum Überziehen des Bloekabschnitts 36 mit dem Metallfilm 38 durch stromloses Plattieren kann irgendein übliches Plattierbad und Plattierverfahren angewandt werden, wie es z.B. in den U.S. Patentschriften 3 075 855, 3 095 309 und 2 968 578 beschrieben ist.

Nach Überziehen des Bloekabschnitts 36 mit dem Metallfilm 38 wird der Abschnitt nochmals so lange in das Lösungsmittel, eingetaucht, bis unter dem Metallfilm der Kunststoff oberflächlich angelöst ist. Der Blockabschnitt 36 wird dann aus dem Lösungsmittel herausgenommen und gewaschen.

Ist der Kunststoff oberflächlich gelöst oder erweicht, so wird der Metallfilm 38 über dem Kunststoff abges-shoben und abgewaschen, sodafi nur die freiliegenden Enden der Widerstandsschicht und des Keramikträgers mit dem Metallfilm überzogen bleiben. Auf diese Weise werden, wie in Figur 7 gezeigt, die Widerstandselemente mit den Kontaktüberziigen 22 versehen_e

Die Endflächen des Blockabschnittes 36, aus welchem die Widerstandselemente herausragen _t werden dann einzeln in ©in Bad aus geschmolzenem Lötmittel eingetaucht. Da das

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Lötmittel nur an einer Metallfläche haftet, werden nur die Kontaktüberzüge 22-mit dem lötmittel überzogen. Man erhält auf diese Weise die Lötschicht 24 auf jedem Ende der Widerstandselemente, wie in Figur 8 dargestellt ist. Der Blockabschnitt 36 wird dann nochmals in das Lösungsmitterbad eingetaucht und so lange darin belassen, "bis der gesamte Kunststoff gelöst ist und die einzelnen Widerstandselemente 12 des Blockabschnitts voneinander getrennt

sind. Hach vollständigem Auflösen des Kunststoffs werden die in Figur 9 gezeigten einzelnen Widerstandselemente 12 aus dem lösungsmittel herausgenommen und zur Entfernung des Lösungsmittels gewaschen. Dann werden die Anschlüsse 14 an den Enden der Widerstandselemente angebracht. Dies erfolgt, indem man -entsprechend Figur 1O den Kopf 28 eines Anschlusses 14 an die Lötschicht 24 an jedem Ende des Widerstandsstabes 12 anlegt und dann die Anordnung₌ erhitzt, um das Lötmittel zu erweichen und die Anschlüsse mit dem Widerstandselement zu verbinden. Die Anschlüsse können an den Widerstandskörpern 12 kontinuierlich angebracht werden mit Hilfe entsprechender Schalen oder eines Förderbandes, auf welchen die Wider^tandselemente und die Anschlüsse genau aneinanderschließend; angeordnet werden und mit welchen sie zur Verbindung der Anschlüsse mit den Widerstandselementen durch einen Ofen oder unter einer Heizvorrichtung vorbeigeführt werden. Anschließend wird die Schutzschicht 16 um die Widerstandselemente 12 geformt, gegossen oder auf ander® Weise geformt zur Fertigstellung des Widerstands 10. Das erfindungsgemässe Verfahren

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ermöglicht eine Massenproduktion der Widerstände 10; es ■bietet die folgenden Vorteile:

1. Wegen der geringen Größe der Träger 18 ist es wesentlich leichter, während des Anbringens der Kontakt-Überzüge und der Lötschichten die eine Vielzahl von Trägern enthaltenden Blockabschnitte 36 zu handhaben, als jeden einzelnen Träger zu behandeln.

2« Da die Blockabschnitte aus einem großen Block geschnitten werden, haben alle Träger in jaäem Blockabschnitt die gleiche länge.

3. Da der gesamte Blockabschnitt zum Freilegen der Endabschnitte der überzogenen Träger mit Lösungsmittel behandelt wird, haben nicht nur die an den beiden Trägerenden freigelegten Abschnitte die gleiche Länge, sondern ist bei allen Trägern in einem Blockabschnitt einheitlich;. Hierdurch ist die wirksame Fläche der Widerstandsschicht in allen Widerstandselementen eines Blockabschnitts einheitlich. '

4·.Durch die Verwendung der Bloekabschnitte werden eine Vielzahl, von überzogenen Trägern gleichzeitig jeder Verfahrensstufe unterworfen, so daß eine gewünschte Anzahl von Widerständen schneller hergestellt werden kann, als bei einer Behandlung jedes einzelnen Trägers möglich wäre.

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5. Aus dem gleichen Grunde sind die Herstellungskosten pro Widerstand beträchtlich geringer als bei einer BeWandlung jedes einzelnen Trägers.

Das erfindungsgemasse Verfahren ermöglicht also die Massenproduktion von Widerständen 10 bei leichterer Hand·»· habung der Teile, mit größerer Geschwindigkeit und zu niedrigeren Kosten je Widerstand} außerdem sind die aktiven Flächen der Widerstandsschichten einheitlich.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE.

1. Elektrischer Widerstand aus einem kompakten zylindrischen Träger aus Keramik, einer Schicht aus elektrischem Widerstandsmaterial auf der Zylinderfläche und elektrischen Anschlüssen, dadurch g ek e η η ζ e i eh net, daß die Anschlüsse aus einem Kontaktuberzug aus elektrisch leitendem Material, der sich über Jedes Trägerende und ge- g

ringfügig über die Widerstandsschicht erstreckt, einer zweiten Schicht aus elektrisch leitendem Lötmittel über Jedem Kontaktüberzug und einem mit der Lötsehlcht verbundenen flachen Anschlußkopf mit Anschlußdraht an Jeder Lotschicht bestehen.

2. Widerstand-nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Kopf eine kreisrunde Scheibe mit einem Durchmesser nicht grosser als der Durohmesser

des Trägers ist. . _s _ '

3. Widerstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch g β k e η η ζ e 1 ch η e t , daß der Träger und beide Äft-P^lttsse bis zu einem Teil der Anschlußdrähte mit einer ; elektrisch iBolierenden Schutzschicht ausι Kunstatofi¹ Über- ; sogen

4». Wider et oiid »ftQij Aiiipruclt ^, detdarok gite a η. -a · 1 α h mi, &§M dl· 8e3^$Äeöhiekt tilser dl#

Länge d·· Wlderfltandeelementa nahezu gleloiimäaeig etark let,

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5. Verfahren zur Herstellung der elektrischen Widerstände nach Anspruch 1 - A, dadurch g e k e η η ζ eichnet,-daß man die Oberfläche einer Vielzahl von zylindrischen Keramikstäben mit einer Schicht aus elektrischem Widerstandsmaterial versieht, die überzogenen Stäbe in kurzem Abstand voneinander parallel anordnet und in einen α Block aμs Kunststoff einbettet, diesen Block in bestimmten Abständen in Ebenen senkrecht zur Längsachse der Stäbe in zahlreiche Blockabschnitte zerschneidet, von der Oberfläche jedes Blockabschnittes eine Schicht des Einbettmaterials entfernt, um einen Teil der Widerstands schicht an jedem Trägerende freizulegen, die freigelegten Flächen der Träger und der Widerstandsschichten jedes Blockabschnittes mit einer Kontaktschicht aus elektrisch leitendem Metall versieht, darauf eine elektrisch leitende Lötmittelschicht aufbringt und schließlich die Elemente aus der Einbettung herausnimmt, vorzugsweise durch Auflösen des.Kunststoffs, an den Lötschichten je einen Anschlußkopf mit Anschlußdraht durch Erhitzen befestigt und gegebenenfalls den ganzen Widerstand mit einem isolierendön Schutzüberzug aus Kunststoff umgibt.

6» Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ θ 1 c h η e t , daß man von der Oberfläche jedes Blockabsohnltts eine Schicht des Einbettmaterlfcls durch

' ', Eintauchen in ein Lösungsmittel entfernt.

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7· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η -

ζ e i "c h η e t , daß man die Metall-Eontaktschicht zuerst auf die gesamte Oberfläche des Blockabsehnitts aufbringt und dann von dem Einbettmaterial wieder entfernt, vorzugsweise durch Lösen der darunter liegenden Oberfläche des Einbettmaterials und Abwaschen des losen Metalls.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man alle aus einem Ende des Blockabschnitts herausragenden Kontaktüberzüge gleichzeitig mit der Lötschicht überzieht.

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A*

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