DE1665740C3

DE1665740C3 - Verfahren zur Kontaktierung eines elektrischen Bauelementes

Info

Publication number: DE1665740C3
Application number: DE19661665740
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Chem. 8401 Tegernheim Bastius
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-13
Filing date: 1966-09-13
Publication date: 1975-03-13
Also published as: DE1665740A1; DE1665740B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung eines elektrischen Bauelementes, das einen keramischen, vollzylindrischen Grundkörper und #aran angelötete Stromzuleitungen mit nagelkopfar-•igen Ansatzstücken enthält, wobei zwischen dem Crundkörper und den Stromzuleitungen eine lötfätiige. Glas und metallisches Silber enthaltende Zwi- «chenlage angeordnet ist.

Es sind elektrische Bauelemente bekannt, deren keramischer Grundkörper entweder ein Stab oder tine Scheibe ist und beispielsweise bei Widerständen •us hochisolierendem Porzellan besteht, wobei das Widerstandsmaterial als Schicht auf die Oberfläche dieses Körpers aufgetragen ist. Der Keramikgrundkörper kann auch selbst aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, wie dies bei Halbleitern und insbesondere bei den sogenannten keramischen Kaltleitet η der Fall ist (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 123 019 und USA.-Patentschrift 3 027 529 sowie H. Heywang in »Zeitschrift für angewandte Physik« Bd. 16 (1963) Heft 1, Seite bis 5). Bei Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum, beispielsweise aus hochdielektrischer Keramik auf der Basis von Bariumtitanat, stellt der Keramikgrundkörper das Dielektrikum dar und ist an gegenüberliegenden Oberflächen mit Metallbelägen versehen.

Zur Verwendung solcher Bauelemente in elektrischen Geräten ist es in aller Regel erforderlich, daß die Bauelemente mit Stromzuführungen, die meist in Form von Anschlußdrähten ausgebildet sind, versehen sind.

Bei elektrischen Widerständen hai man sich zum Befestigen der Stromzuleitungen am Grundkörper sogenannter Metallkappen bedient, die an den Stirnseiten des stobförmigen Körpers durch Anlöten, beispielsweise an Nickelschichten, angebracht werden. Die Forderung nach in ihren äußeren Abmessungen

»o äußerst kleinen Bauelementen verlangt zwangläufig von dem stückzahlmäßig am häufigsten benötigten Bauelement, dem elektrischen Widerstand, die relativ stärkste Reduzierung der geometrischen Abmessung, weil beispielsweise pro Transistor 3 bis 5 Widerstände erforderlich sind. Der Miniaturisierung von Widerständen sind jedoch Grenzen gesetzt, einmal durch die maximal zulässige Temperatur eines Bauelements im Gerät, /um anderen durch die Fertigungstechnik, die /u immer größerer Präzision getrieben werden

" muß u;id damit zu höheren Kosten. Hinzu kommt, daß bei dt η mit Kappen versehenen Widerständen der Anteil der Kappen am Volumen und an der verfügbaren Schichtlange untragbar groß wird. Die für solche Bauelemente erforderlichen kleinen Keramikgrund-

^a5 körper (Körperdurchmesser 2 bis 3 mm, Körperlänge etwa 5 mm) können nicht mehr, wie es bei größeren Körpern möglich ist, stirnseitig mit Vertiefungen oder Sacklöchern versehen werden. Fs besteht daher ein erheblicher Bedarf an Miniaturbauelementen, insbesondere an einem kappenlosen Miniaturwider^and. dessen Stromzuleitungen besonders fest mit dem Keramikgrundkörper verbunden sind. Ähnliche Überlegungen gelten selbstverständlich auch für keramische Kondensatoren und für keramische Kaltleiter.

Zum Verbinden von Stromzuleitungen mit den Keramikgrundkörpern elektrischer Bauelemente ist noch eine Reihe anderer Methoden bekannt. So ist es beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 098 431 bekannt, die Oberfläche eines Keramikkörpers mit einer festhaftenden, gleichermaßen hart- und weichlötfähigen Metallschicht dadurch zu versehen, daß die Keramikoberfläche mit einer Suspension, bestehend aus einem glasflußbindenden Stoff, gepulvertem Ferrosilicium, Eisen- und Nickelpulver, suspendiert in dei Lösung eines aushärtbaren Harzes, bestrichen wird; nach Aushärten dieser Schicht wird eine /weite Schicht aufgestrichen, die aus den obengenannten Metallpulvern und einem üblichen Suspendierungsmittel besteht; beide Schichten werden ge-

meinsam bei Temperaturen oberhalb KM)O⁰C in Schutzgasatmosphäre eingebrannt. Dieses Verfahren mag für die dort angegebenen Zwecke ausreichend sein, es ist jedoch nicht geeignet, wenn die Keramik derartige hohe Einbrenntemperaturen nicht verträgt

und wenn als Belegungsmctall Eisenmetalle unerwünscht sind.

Die weithin gebräuchlichste Art zum Befestigen der Stromzuleitungen an Keramikgrundkörpern besteht jedoch darin, daß man die Teile der Oberfläche, in

deren Bereich die Kontaktierung erfolgen soll, mit einem sogenannten »Einbrennsilbci« versieht und daran die Stromzuleitungen mit einem mehr oder weniger hochschmelzenden Weichlot anlötet (vgl. deutsche Auslegeschri'.t I I23O19).

Dieses sogenannte Einbrennsilber wird in Form einer Suspension aufgetragen, die aus pulverisiertem Silber und/oder Silberoxid, Haftoxiden, wie insbesondere PbO, PbS, B₂O₁,SiO, undSnO, sowie einem or-

ganischen Suspensionsmittel besteht, das als Träger oder Pastenbildner dient und in einer typischen Form z.B. Kiefernnadelöl, hydriertes (JoUophonium, Methylabietat und Äthylzeilulose enthält. Beim Einbrennen wird dieser Träger zerstört und entfernt. Das Einbrennsilber weist etwa 70 Gewichtsprozent feste Bestandteile als Glührückstand auf, von dem etwa 5 % Haftoxide sind. Die Haftoxide erhöhen die Haftung der Silberschicht am Körper, meist sogar wird durch die Haftoxide die Haftung überhaupt erst bewirkt.

Es hai sich herausgestellt, daß die Anbringung von Stromzu.dtungen mit Hilfe dieses Einbrennsilbers, insbesondere bei sehr kleinen Körpern, nicht zu genügend hoher Haftfestigkeit der Stromzuleitungen führt, A'enn hohe Festigkeiten erforderlich sind.

Es ist auch schon bekannt, die Anschlußflächen der Körper und die Anschlußelemente, die ein nagelkopfartiges Ansatzstück enthalten, je mit einer leitfähig gemachten, niedrigschmelzenden keramischen Fritte zu versehen. Bauelementkörper und Anschlußelement werden zusammen mit Verschlußstücken aus Glas in ein Glasrohr eingesetzt, worauf in einem einzigen Arbeitsgang die Verbindung der Anschlußelemente mit dem Bauelement durch Verschmelzen der keramischen Fritte und der dichte Verschluß der Umhüllung durch Anschmelzen der Verschlußstücke an den beiden Enden des Glasrohres vorgenommen wird. Die Anschlußelemente werden beim fertigen Bauelement sowohl durch die Keramikfritte als auch durch die Glasumhüllung mechanisch gehalten (deutsche Auslegeschrift 1 178 137).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Strornzuleitungen mit erhöhter Festigkeit am Keramikgrundkörper haften, wobei die Abreißfestigkeit 24,5 bis 34,3 N/mm¹ betragen soll. Das Bauelement soll kappenlos und insbesondere von geringen Ausmaßen sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf den Grundkörper an den Kontaktstellen zunächst eine erste Silberschicht aus einer Einbrennsilberpaste mit 65 bis 74 Gewichtsprozent Silber und 25 bis 16 Gewichtsprozent Glasfluß aufgebracht und kurze Zeit bei Temperaturen von 580 bis 600" C eingebrannt wird und daß dann auf der ersten Silberschicht eine zweite Silberschicht gebildet wird, indem eine Einbrennsilberpaste mit 70 bis 84 Gewichtsprozent Silber und 5 bis 3 Gewichtsprozent Glasfluß aufgetragen und bei Temperaturen von 550 bis 60O¹ C eingebrannt wird und dabei eine Aufheizzeit von 3 Minuten, eine Haltezeit von 1 Minute und eine Abkühlzeit von etwa 2 Minuten angewendet werden

Die Dauer des Einbrennvorganges kann für die erste Silberschicht so kurz sein, daß diese Schicht am Keramikkörper gerade so fest haftet, daß sie beim Auftragen der zweiten Schicht nicht beschädigt wird. Auf diese erste eingebrannte Schicht wird die zweite Silberschicht aufgetragen, indem das Einbrennsilber, das ebenfalls die festen Bestandteile in den der Endzusammensctzung entsprechenden Mengen enthält, aufgestrichen und dann eingebrannt wird.

Der Vorteil dieser Kontaktierungsart für elektrische Bauelemente besteht darin, daß die Abreißfestigkeit den gestellten Forderungen ohne weiteres entspricht, daß ein Temperaturwechsel von 60" C bis + 80" C keinen Einfluß auf die Güte der Lötstelle ausüben und daß der Übergangswiderstand auf einem Minimum gehalten wird.

Die erste Silberschicht besitzt durch die erhöhten Ciasflußanteile mehr Haftpunkte am Keramikgrundkörper. Wegen des hohen Glasflußanteils ist diese Silberschicht jedoch schlecht lötbar. Die darüber befind-

liehe zweite Einbrennsilberschicht würde auf der Keramik schlecht haften, sie haftet dagegen sehr gut an der ersten Silberschicht. Wegen des hohen Silberanteils der zweiten Silberschicht ist eine gute Lölbarkeit gewährleistet. Im Gegensatz zu den für Keramiklötungen üblichen sehr hohen Einbrenntemperaturen des Einbrennsilbers blieben die Einbrenntemperaturen der zweiten Silberschicht nur zwischen 550° und 600" C.

Beide Silberschichten sind porös und die eingebau-

ten Silberteilchen sehr duktil. Die thermischen Dilatationsdifferenzen zwischen Keramikgnindkörper und Stromzuleitung bzw. Weichlot werden weitgehend plastisch aufgenommen, wodurch unzulässig hohe mechanische Spannungen in den Materialien

»ο nicht auftreten können.

Der hohe Silbergehalt der oberen Schicht ermöglicht, trotz des nicht ganz vermeidbaren Aufzehrens des Silbers durch das geschmolzene Lot, auch die Verwendung hochschmelzender Weichlote.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Glasflusses mit einer Erweichungstemperatur zwischen 500" C" und höchstens 560° C. Eine bewährte Zusammensetzung basiert für die erste Silberschicht auf einer Pasie mit 70 Gewichtsprozent Silber und

20 Gewichtsprozent Glasfluß und für die zweite Silberschicht auf einer Paste mit 80 Gewichtsprozent Silber und 4 Gewichtsprozent Glasfluß.

Als hochschmelzendes Weichlot kommt eine bei 325 C schmelzende Blei-Silber-Zinn-Legierung in

Frage, die eine Arbeitstemperatur von 360° ±10° C aufweist. Als Flußmittel sollte tunlichst ein solches verwendet werden, das in diesem Temperaturbereich noch wirksam ist und keine Kohlenstoffreste hinterläßt. Ferner sollte das Flußmittel nicht zur Korrosion der Lötstelle führen. Flußmittel, die diese Anforderungen erfüllen, sind in großer Zahl im Handel erhältlich. Die Lötung wird vorteilhafterweise als Hochfrequenzlotung ausgeführt, wobei die Anschlußelementc zur besseren Dosierung der Lotmenge vorgelotet und

dann mit der Kontaktfläche in Berührung gebracht werden.

Kontaktier- und Lötversuche wurden mit Porzellankörpern bei Schichtwiderständen durchgeführt. Der Durchmesser der Körper betrug 2 mm und die

Länge 5,5 mm. Die als Nagelkopfdrähte ausgeführten Stromzuleitungen waren vorbelotet und hatten einen Durchmesser von 0,6 mm. Bei diesen Versuchen wurden folgende Werte ermittelt:

1. Abreißkraft

a) Nach Herstellung der Bauelemente: 40 N bis

zur Drahtdehnung (Mittelwert 55 N).

b) Nach Temperaturwechsel: 40 N bis zur Drahtdehnung (Mittelwert 55 N).

c) Nach Tieftemperaturlagerung: 40 N bis Drahtdehnung (Mittelwert 55 N).

2. Biegeprobe etwa 6 N Zugbelastung.

a) Nach der Herstellung der Bauelemente: mindestens 4 Biegungen.

It) Nach Temperaturwechsel: mindestens 4 Biegungen.

Bei der Biegeprobe handelt es sich um eine der härtesten Festigkeitsproben überhaupt, so daß das vorliegende Ergebnis als sehr gut zu bezeichnen ist.

Die Figur soll das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichen.

Mit 1 ist der keramische Grundkörper bezeichnet. Auf seiner Oberfläche 2 kann sich, beispielsweise bei einem Schichtwiderstand, die Widerstandsschicht befinden. Die Stirnfläche 3 ist mit der ersten Einbrennschicht 4 und der darüber befindlichen zweiten Einhrcnnschicht 5 versehen. Die Einbrennschicht 5 überlappt bei 6 die Einbrennschicht 4 zur Verbesserung des elektrischen Kontakts. Die Stromzuleitung 7 ist mit einem nagelkopfartigen Ansatzstück 8, das bei derartigen Kontaktierungen zu bevorzugen ist, versehen. Mit Hilfe des Lötkegels 9 ist die Stromzuleitung am Keramikgrundkörper befestigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kontaktierung eines elektrischen Bauelementes, das einen keramischen, vollzylindrischen Grundkörper und daran angelötete Stromzuleilungen mit nagelkopfartigen Ansatzstücken enthält, wobei zwischen dem Grundkörper und den Stromzuleitungen eine lötfähige, Glas und metallisches Silber enthaltende Zwischenlage angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Grundkörper (1) an den Kontaktstellen zunächst eine erste Silberschicht (4) aus einer Einbrennsilberpaste mit 65 bis 74 Gewichtsprozent Silber und 25 bis 16 Gewichtsprozent Glasfluß aufgebracht und kurze Zeit bei Temperaturen von 580 bis 600° C eingebrannt wird und daß dann auf der ersten Silberschicht (4) eine zweite Silberschicht (5) gebildet wird, indem eine Einbrennsilberpaste mit 70 bis 84 Gewichtsprozent Silber und 5 bis 3 Gewichtsprozent Glasfluß aufgetragen und bei Temperaturen von 550 bis 60()^r C eingebrannt wird und dabei eine Aufheizzeit von 3 Minuten, eine Haltezeit von 1 Minute und eine Abkühl/eit von etwa 2 Minuten angewendet werden.

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Glas mit einer Erweichungstemperatur zwischen 500 C und höchstens 560 C verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Silberschicht (4) eine Paste mit 70 Gewichtsprozent Silber und 20 Gewichtsprozent Glasfluß und für die zweite Silberschicht (5) eine Paste mit 80 Gewichtsprozent Silber und 4 Gewichtsprozent Glasfluß verwendet wird.