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Beschreibung
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Überlastungsschutzwiderstand und Verfahren zu deren Herstellung Die
Erfindung betrifft einen Überlastungsschutzwiderstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und Verfahren zu dessen herstellung.
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Derartige Überlastullgsschutzwidel~standc werden beispielsweise bei
vielen elektronischen Schaltungen und Geräten als Schutzvorrichtungen benötigt,
die bei einer Überbelastung die Funktion einer Sicherung übernehmen und für eine
Stromunterbrechung bzw. Stromverringerung sorgen, um eine völlige Zerstörung, beispielsweise
durch einen Brand, des Gerätes zu verllindern. Eine derartige Sicherungsfunktion
wird durch einen elektrischen Widerstand bewirkt, der in der Lage ist, bei einer
bestimmten einstellbaren Uberbelastung und einer damit verbundenen Temperaturerhöhung
durch Schmelzen, Verdampfen oder Durchoxidieren des Widerstandsmaterials den
Stromweg
zu unterbrachen. Dazu ist ein Widerstandsmaterial mit einem vorzugsweise negativem
Temperaturkoeffizienten des elektriscchen Widerstands, auch NTC-Material genannt.
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oder noch besser ein Widerstandsmaterial mit einem bei wunschgemäßer
Temperatur erfolgenden Wechsel zu eillem sehr viel niedrigeren Widerstandswert geeignet.
Lediglich in diesen Fällen bedingen sich Strom- und Temperatur erhöhung gegenseitig,
so daß eine Stromunterbrechung aufgrund von Verdampfen, Schmelzen oder Oxidieren
des Widerstandsmaterials möglich ist.
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Herkömmliche Überlastungsschutzwiderstände enthalten ein Widerstandsmaterial,
das aus niedrig schmelzenden Metallen besteht. Derartige Widerstände müssen nach
speziellen Verfahren als gesonderte Bauelemente hergestellt und in die zu schützende
Schaltung integriert werden. Derartige Metalle l"tben im allgemeinen einen großen
positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, auch PTC-Widerstands
genannt, so daß bei Überbelastung die Temperatur llur allmählich ansteigt, also
die Dauer bis zu einer möglichen Stromleitungsunterbrechung sehr groß ist. Die Sicherungsfunktion
eines derartigen Abschmelzwiderstands ist also sehr träge.
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Eine längere Zeit dauernde Überbelastung kann eine weitgehende Zerstörung
benachbarter Bauelemente und/oder Schaltungsbereiche zur Folge haben. Außerdem lassen
sich mit derartigen Widerstandsmaterialien im allgemeinen keine üblichen elektrischen
Schichtwiderstände herstellen.
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Schichtwiderstände mit sehr beständigen elektrischen Eigenschaften
und großer elektrischer Stabilität zeichnen sich durch eine hohe thermische Belastbarkeit
und eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands-
wertes
aus. Ein Schichtwiderstand auf der Grundlage von z.B. Nickel-Chrom, Tantalnitrid
oder Zinnoxid wird möglicherweise bei einem unerwünschtem Überstrom derart heiß,
daß andere Schaltungsbereiche gefährdet sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde; einen Überlastungsschutzwiderstand
und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der aus einem Widerstandsmaterial
besteht, das sich zur Herstellung von Schichtwiderständen eignet und das sich bei
einem durch den Überlastungsschutzwiderstand fließenden Überstrom derart erwärmt,
daß unterhalb einer ciiistellbaren kritischen Temperatur eine Phasenumwandlung und/oder
eine Oxidation des Widerstandsmaterials auftritt so daß eine Stromverminderung bzw.
eine Stromunterbrechung auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden
Teilen der Ansprüche 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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7weckmäßigo Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit der erfindungsgemäßen
Widerstandsschicht nach herkömmlichen Verfahren Schichtwiderstände herstellbar sind,
die auf elektrisch isolierenden Trägermaterialien, wie z.B. Keramiksubstrate, abscheidbar
sind und die als Überlastungsschutzwiderstände für elektrische Schaltungsanordnungen
einsetzbar sind.
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Als Widerstandsmaterial wird eine metastabile amorphe glasartige
Legierung verwendet, die nach einem der an sich bekann-
ten Verfahren
wie Kondensation aus der Gasphase, elektroly-Anscheidung tische oder chemische/in
flüssiger Phase oder rasche Erstarrung der Schmelze hergestellt wird. Auf diesen
Strukturzustand der nur bei bestimmten. Materialzusammensetzungen ausreichend stabil
ist, sind eine Reihe außergewählllicher Eigenschaften dieser Stoffe zurückzuführen.
So vereinen die als glasarti ge Metalle oder metallische Gläser bezeichneten Materialier
sehr extreme Eigenschaften miteinander wie z.B. hohe niechanische Festigkeit mit
weichem Ferromagnet islntls und guter chemischer Destä.ndigkei t;.
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Materialkombinationen mit den besten Voraussetzungen zur Glasbildung
sind Legierungen aus Übergangsmetallen (z.B.
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Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) oder Edelmetallen (z.B. Au, Pd) mit Metalloiden
wie C, Si, Ge, B oder P. Die günstigste Zusammensetzung für eine relativ stabile
Glasphase liegt bei einem Metalloidgehalt zwischen etwa 15 und 25 Atom-Prozent.
Bei jedem der geeigneten Herstellungsverfahren für metallische Gläser ist demnach
ein Metalloidgehalt von annähernd 20 Atom-Prozent anzustreben.
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Ein spezielles elektrochemisches Verfahren, das die Herstellung metallischer
Schichten auf elektrischen Nichtleitern gestattet, ist die autokatalytische außenstromlose
Abscheidung. Im Gegensatz zur elektrolytischen Metallabscheidung durch Reduktion
der Metallionen einer Salzlösung mit Hilfe eines von außen zugeführten elektrischen
Stromes übernimmt bei der sogenannten chemischen Abscheidung ein chemisches Reduktionsmittel
die Reduktion. Am bekanntesten sind die Metallisierungen mit Kupfer und/oder mit
Nickel, ebensogu lassen sich aber auch Gold, Kobalt und Palladium chemisch abscheiden.
Abscheidungselektrolyte enthalten neben den erforderlichen Metallsalzen noch Komplexbildner,
die durch eine
geringe Konzentration reaktionsfähiger Metallionen
für eine ausreichende Elektrolytstabilität sorgen, und als Reduktionsmittel Aldehyde,
Hypophosphite, Hydrazin- oder Borwasserstoffverbindungen. Die chemische Abscheidung
wird nur auf einer Metalloberfläche mit hinreichend negativem Potential eingeleitet
oder beginnt auf Metall- oder elektrischen Nichtleiteroberflächen, die zuvor mit
geeigneten katalytischen Keimen belegt wurden. Das abgeschiedene Metall muß die
Reduktion ebenfalls katalysieren, weil die Schicht nur bei einer autokatalytischen
Abscheidung weit erwachsen kann. Ni chtl eit erob er flächen können z.B. mit Ililfe
von Palladium oder durch aufeinanderfolgendes Benetzen der Oberflächen mit einer
Zinn- und einer Palladiumsalzlösung katalysiert werden.
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Werden solcherart bekeimte Nichtleiteroberflächen beispielsweise
mit einem Nickel-Hypophosphitbad chemisch metallisiert, können die dabei entstehenden
Nickelschichten durch Messung ihrer elektrischen Eigenschaften beurteilt w-crden.
So w rd z.B der elektrische Widerstand sowohl durch deren Dicke als auch durch deren
Zusammensetzung beeinflußt. Bei der chemischen Abscheidung von Nickel mit Hypophosphit
als Reduktionsmittel finden außer der Reduktionsreaktion immer Nebenreaktionen statt,
bei welchen unter anderem Phosphor und Wasserstoff entstehen. Während der Wasserstoff
als Gas (112) Ilalleztl vollständig entweicht, wird der Phosphor bei der Nickelabscheidung
in die Schicht miteingebaut. Dies Nickel-Phosphor-Legierungen haben im Vergleich
zu reinem Nickel sowohl eLnen 10 bis 40mal höheren spezifischen elektrischen Widerstand
als auch einen sehr viel kleineren Temperaturkoe£fizienten des Widerstands. Durch
Änderung einzelner Abscheidungsbedingungen, wie z.B. den Konzentrationen bestimmter
Elektrolytbestandteile oder der Temperatur der
Abscheidungslösung,
wird der Phosphorgehalt der Nickelschichten zwischen etwa 10 uid 30 Atorll-r) <li.llRis(.c!l
1 ( und dadurch viele Schichteigenschaften innerhalb bestimmter Grenzen gesteuert.
Bei einem Phosphorgehalt von mchr als 15 Atom-Prozent sind die Nickel-Phosphorschichten
amorph, wic Röntgenstruktur-Untersuchungen zeigen.
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Derartige Schichten eignen sich zur Herstellung von Dünnschichtwiderständen,
müssen aber künstlich gealtert werden, wenn stabile Widerstandswerte erforderlich
sind.
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Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schichten mit mindestens 18
Atom-Prozent Phosphorgehalt, vorzugsweise mindestens 20 Atom-Prozent bleiben überraschenderweise
amorph sofern eine bestimmte kritische Temperatur der Schicht nicht überschritten
wird, d.h. es tritt nahezu keine Veränderung des elektrischen Widerstandswertes
und des Temperaturkoeffizi -enten des Widerstands auf. Wird dagegen diese kritische
Tenperatur der Schicht überschritten, tritt in dem Schichtmaterial eine spontane
Kristallisation ein, wodurch der Widerstandswert auf ungefähr 50% seines ursprünglichen
Wertes abnimmt und der ursprünglich kleine Temperaturkoeffizient auf sehr hohe positive
Werte ansteigt. Oberhalb einer kritischen Temperatur sinkt also der elektrische
Widerstandswert auf ungefähr die Hälfte ab, so daß nun der doppelte Strom fließt.
Ein derartiger Überstrom bewirkt einen weiteren Temperaturanstieg, dessen zeitlicher
Verlauf von Eig<:nschaften des Widerstandes abhängig ist wie z.B. 1)1 cke de@
Widerstandsschicht, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazitat des Trägermaterials. Bewirkt
ein derartiger Temperaturanstieg ein sogenanntes Durchbrennen des elektrischen Wider
standes, so wird ein Stromweg unterbrochen. Dieser Effekt ist zur Sicherung von
elektronischen Schaltungen ausnutzbar.
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Für derartige Schichtwiderstände wird als Widerstandsmaterial ein
metastabiles amorphes glasartiges Metall gewählt, das aus einer binären oder polynären
Legierung besteht, die mindestens ein Metall der Gruppen Ib sowie VIa bis VIIIa
und mindestens ein Element der Gruppen IIIb bis Vb des periozwischen Systems der
Elemente enthält. Der Legierungsanteil der Elemente der Gruppen IIIb bis Vb beträgt
5 bis 50 Atom-Prozent, vorzugsweise ungefähr 20 Atom-Prozent. Ein derartiges Widerstandsmaterial
hat eine kritische Temperatur, die im Bereich von 200°C bis 600°C liegt. Unterhalb
der kritischen Temperatur liegt der spezifische elektrische Widerstand des Wid crstnndsrnaterials
in einem Bereich von5O/uilcm bis 1000 µ# cm. Eine Ausführungsform der Erfindung
wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Auf Substraten aus Aluminiumoxid-Keramik (99,5 % Al 0 ) mit 2 23
den Abmessungen 25 x 50 mm werden mit Hilfe einer der üblichen Fotolacktechniken
geometrische Strukturen für Widerstände mit einer Breite von 200/um erzeugt. Nach
einem Bekeimen dieser Substrate nach dem Zinnchlorid-Palladiu1nchlorid-Verfahren
werden diese mit einer Nickel-Phosphorschicht überzogen mit Hilfe eines Elektrolyten,
der folgende Zusammensetzung hat: 15 g/l Nickelsulfat 17 g/l Citronensäure 15 g/l
Borax 20 g/l Natriumhypophosphit pif = ,0 mit Natronlauge einstellbar.
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Nach einer Abscheidungszeit von 10 Minuten bei Raumtemperatur hat
sich eine ungefähr 100 nm dicke Nickel-Phosphorschicht gebildet. Die Fotolackschicht
wird gemeinsam mit
der überschüssigen, darauf befindlichen Nickel
Phosphorschicht entfernt und die verbliebene Widerstandsstruktur zwecks Stabilisierung
2 Stunden bei ungefähr 150°C getempert. Der Nennwiderstand beträgt 9,0 k# und der
Temperaturkoeffizient liegt zwischen -550C und +1200C bei + 50 ppm/K. Der Widerstand
wird nunmehr dauernd gemessen während seine Temperatur erhöht wird. Werden 240°C
überschritten, sinkt der Meßwert des Widerstandes nbrupt auf 4,2 kQ ab. Dadurch
erhöht sich der Stromfluß bei konstanter Spannung auf mehr als den doppelten Anfangswert
und fällt nach einigen Sekunden auf null, weil der Stromfluß durch eine Zerstörung
der Widerstandsstruktur unterbrochen ist.