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Die Erfindung bezieht sich auf einen SMD-Widerstand mit einem durch
zwei Hauptflächen, zwei Seitenflächen und zwei Endflächen begrenzten keramischen
Träger, mit zwei auf zwei an die Endflächen grenzenden Enden einer Hauptfläche
vorgesehenen Kontaktschichten, einer auf dieser Hauptfläche vorgesehenen und die
beiden Kontaktschichten kontaktierenden Widerstandsschicht, sowie zwei die Endflächen
des Trägers bedeckenden und die Kontaktschichten kontaktierenden Endkontakten. Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen von
SMD-Widerständen.
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Die Abkürzung SMD bedeutet: "surface mountable device" (Bauteil für
Oberflächenmontage). Im Gegensatz zu herkömmlichen Widerständen, haben SMD-
Widerstände (auch als Chip-Widerstände bezeichnet) keine Anschlußdrähte. SMD-
Widerstände lassen sich mit Hilfe ihrer Endkontakte auf relativ einfache Art und Weise
mit einer sog. Printplatte verlöten. Durch das Fehlen von Anschlußdrähten und durch
ihre geringen Abmessungen läßt sich eine hohe Packungsdichte von SMD-Widerständen
auf der Printplatte erzielen.
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SMD-Widerstände, die den obengenannten Anforderungen entsprechen,
sind an sich bekannt, wie beispielsweise aus DE-PS 31.04419. Der dort beschriebene
SMD-Widerstand weist einen keramischen Träger aus Alaunerde. Ein derartiger Träger
besteht aus einer Hauptphase aus gesinterten Al&sub2;O&sub3;-Körnern, die zum großen Teil mit
einer glasartigen zweiten Phase umgeben sind, welche die Körner zusammenhält. Auf
diesem Träger sind in einem Siebdruckverfahren Kontaktschichten aus Silber oder
Silber/Palladium und eine Widerstandsschicht angebracht. Es ist auch möglich, diese
Schichten in einem anderen Metallisierungsverfahren, wie in einem Zerstäubungs- oder
Aufdampfverfahren anzubringen. Die Endkontakte des bekannten SMD-Widerstandes
umfassen eine Silber- oder Silber/Palladiumschicht, die in einem Tauchverfahren
angebracht sind. Diese Schicht ist in einem galvanischen Prozeß mit einer Lötschicht
versehen. Die Endkontakte lassen sich jedoch auch in einem stromlosen Verfahren auf
den Endflächen des Trägers anbringen. Dabei werden wässrige Lösungen von Ni- und
Ag-Salzen in Kombination mit Reduziermitteln verwendet um eine dünne Ni-Schicht auf
den Endflächen anzubringen.
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Die bekannten SMD-Widerstände weisen Nachteile auf. So hat es sich
herausgestellt, daß insbesondere die Haftkraft der Endkontakte an den Endflächen des
keramischen Trägers nicht ausreicht. Dieser Nachteil tritt insbesondere dann auf, wenn
die SMD-Widerstände auf einer Leiterplatte montiert sind. Wird eine derartige Leiter
platte mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wie Biege- und/oder
Schwingbeanspruchung, kann zwischen den Endkontakten und den Endflächen des Trägers Bruch
auftreten. Dadurch können in dem Leitermuster der Leiterplatte elektrische
Unterbrechungen entstehen.
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Die Erfindung hat u.a. zur Aufgabe, die genannten Nachteile
auszuschalten oder zu verringern. Insbesondere hat die Erfindung zur Aufgabe, einen SMD-
Widerstand zu schaffen, in dem die haftkraft der Endflächen an dem Träger stark
verbessert ist. Nach einer weiteren Aufgabe soll die Erfindung ein Verfahren schaffen
zum Herstellen von SMD-Widerständen, bei denen die haftkraft der Endkontakte an
dem Träger stark verbessert ist.
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Diese und andere Aufgaben werden erfüllt mit einem SMD-Widerstand
der eingangs erwähnten Art, der nach der Erfindung das Kennzeichen aufweist, daß die
Endflächen intergranulare Bruchflächen sind und daß der keramische Träger ein
Alaunerdeträger ist mit SiO&sub2; und MO, wobei M für Ca, Sr und/oder Ba steht, und daß
das SiO&sub2;/MO-Molarverhältnis zwischen 1 und 6 liegt. Unter intergranularen
Bruchflächen werden diejenigen Bruchflächen verstanden, die sich hauptsächlich an den
Korngrenzen entlang erstrecken. Bei intragranularen Bruchflächen erstrecken sich die
Bruchflächen fast ausschließlich quer durch die Körner des gesinterten keramischen
Materials. Die genannten Bruchflächen werden bei der Herstellung von
SMD-Widerständen gebildet, wenn eine größere keramische Trägerplatte zu Streifen zerbrochen
wird. Dies wird bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, daß die Haftkraft der
Endkontakte an den Trägern von SMD-Widerständen sich stark verbessern wird, wenn
diese Träger intergranulare Bruchflächen aufweisen. Derartige Träger haben eine relativ
rauhe Bruchfläche. Dies wird dadurch verursacht, daß die Bruchflächen sich nicht
nahezu ausschließlich durch die gesinterten Körner erstrecken, sondern zu einem
wesentlichen Teil an den Korngrenzen enfiang. Die Verankerung der Endkontakte in
einer derartigen rauhen Oberfläche ist besser als in einer relativ glatten Oberfläche. Im
Vergleich zu intragranularen Bruchflächen weisen intergranulare Bruchflächen eine
wesentlich größere Anzahl offener Poren auf, in denen die Endkontakte sich gleichsam
verankern können. Es wurde festgestellt, daß die bekannten SMD-Widerstände Träger
enthalten, deren Endflächen nahezu ausschließlich intraganulare Bruchflächen
aufweisen. Diese Bruchflächen sind weniger rauh, weil die Brüche sich nahezu
ausschließlich durch die Körner hindurch erstrecken.
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Alaunerdeträger bestehen meistens hauptsächlich, d.h. zu mehr als 90
Gew.% aus Al&sub2;O&sub3;. Alaunerdeträger mit einem Al&sub2;O&sub3;-Gehalt von etwa 96 Gew.% sind
durchaus üblich. Derartige Träger enthalten außer Al&sub2;O&sub3; als Sinterzusatz MgO, SiO&sub2;
und MO (M steht für Ca, Sr und/oder Ba). M ist vorzugsweise Ca. In den gesinterten
Trägern befinden sich diese Sinterzusätze hauptsächlich in der zweiten Phase, die sich
zwischen den gesinterten Al&sub2;O&sub3;-Körnern befindet. Diese zweite Phase kann weiterhin
noch wesentliche Mengen Al&sub2;O&sub3; enthalten.
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Aus Versuchen, die zu der Erfindung geführt haben, hat es sich
herausgestellt, daß das Molarverhältnis von SiO&sub2; und MO in der zweiten Phase für das
Bruchverhalten des keramischen Trägers von großer Bedeutung ist. Ist das molare
SiO&sub2;/MO-Verhältnis kleiner als 1 oder größer als 6, so werden fast ausschließlich
intraganulare Bruchflächen wahrgenommen. Das bedeutet, daß minimal 13% der Al&sub2;O&sub3;-
Körner, die an die Bruchfiäche grenzen, im Bruchprozeß zerbrochen worden sind. Das
molare SiO&sub2;/Mo-Verhältnis liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 4, weil bei diesem
Verhältnis hauptsächlich intergranulare Bruchflächen auftreten. Minimal 50% der
Körner, die an die Bruchfiäche grenzen, sind in diesem Fall unverletzt. Bei einem
molaren SiO&sub2;/MO-Verhältnis von etwa 2 erstrecken sich die Bruchfiächen ausschließlich
an den Korngrenzen entlang. Die Anzahl intragranular gebrochener Körner ist in diesem
Fall kleiner als 20%.
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Eine vollständige Erläuterung für den überraschenden Verlauf der
Bruchflächen in den Trägern der SMD-Widerstande ist (noch) nicht vorhanden. Es ist
möglich, daß das spezifische SiO&sub2;/MO-Verhältnis zu der Bildung von Anorthite
(CaO.Al&sub2;O&sub3;.2SiO&sub2;) in der zweiten Phase führt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
dieses Materials weicht von dem von Alaunerde stark ab. Diese verschiedene
Ausdehnungskoeffizienten könnten zu Haarrissen an der Grenzfläche zwischen der zweiten
Phase und den gesinterten Alaunerdekörnern führen. Das Vorhandensein derartiger
Haarrisse könnte die Ursache davon sein, daß beim Brechen von Alaunerdeträgern die
Bruchflächen sich an den Korngrenzen entlang erstrecken.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemaßen SMD-
Widerstandes weist das Kennzeichen auf, daß der Gehalt an zweiter Phase des Trägers
6-10 Mol % beträgt. Wenn der Gehalt an zweiter Phase des Trägers zwischen 6 und 10
Mol% liegt, werden intergranulare Bruchflächen hoher Qualität erhalten.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen
eines SMD-Widerstandes, wobei auf einer keramischen Trägerplatte, die mit einer
ersten Anzahl paralleler Bruchrillen und einer nahezu senkrecht darauf stehenden
zweiten Anzahl paralleler Bruchrillen versehen ist, Kontaktschichten und
Widerstandsschichten angebracht werden, wonach die Trägerplatte an der ersten Anzahl Bruchrillen
entlang zu Streifen zerbrochen wird, die an den bei dem Bruchprozeß gebildeten
Bruchflächen mit Endkontakten versehen werden, wonach die Streifen an einer zweiten
Anzahl Bruchrillen entlang zu einzelnen SMD-Widerstanden zerbrochen werden. Dieses
Verfahren weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß beim Bruchprozeß der
Trägerplatte zu Streifen intergranulare Bruchfiächen gebildet werden, und daß eine
keramische Alaunerdeträgerplatte verwendet wird, die SiO&sub2; und MO aufweist, wobei M
für Ca, Sr und/oder Ba steht und daß das SiO&sub2;/MO-Molarverhältnis zwischen 1 und 6
liegt.
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Eine keramische Trägerplatte aus Alaunerde, die mit einer ersten Anzahl
Bruchrillen - den sog. Streifenrillen - versehen ist, sowie mit einer zweiten Anzahl
Bruchrillen - den sog. Chip-Rillen - versehen ist, ist u.a. aus der obengenannten
Deutschen Patentschrift DE-PS 31.04.419 bekannt (siehe Fig. 1). Die Bruchrillen
können sich, wie darin beschrieben, in nur einer Hauptfläche der Trägerplatte befinden.
Es ist auch möglich, eine Trägerplatte zu verwenden, bei der die Streifenrillen in der
einen Hauptfiäche der Platte angebracht sind und die Chip-Rillen in der anderen
Hauptfläche. Das Anbringen der Endkontakte an den Streifen kann in dem in der DE-PS
31.04.419 beschriebenen Tauchverfahren erfolgen. Die Endkontakte werden jedoch
vorzugsweise in einem sog. stromlosen Prozeß angebracht. Dabei wird aus einer
wässrigen Lösung, die NI-Salze und Reduziermittel aufweist, eine dünne Ni-Schicht auf
den Bruchflächen der Streifen niedergeschlagen. Diese stromlose Ni-Schicht wird in
einem galvanischen Prozeß dicker gemacht. Daraufhin wird auf dieser Ni-Schicht eine
Lötschicht angebracht. Die einzelnen SMD-Widerstande können gewünschtenfalls noch
mit einer Schutzschicht versehen werden, welche die Widerstandsschicht völlig bedeckt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten SMD-Widerstände haben
Endkontakte, die sich durchaus gut an den Endflächen des Trägers heften. Eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Kennzeichen auf, daß
die keramische Trägerplatte eine zweite Phase aufweist und daß der Gehalt an zweiter
Phase der Platte 6-10 Mol % beträgt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen SMD-
Widerstandes,
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Fig. 2 einen Schnitt durch einen SMD-Widerstand nach Fig. 1,
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Fig. 3 A-C eine Draufsicht einer Trägerplatte in den jeweiligen Stufen des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung eines Teils der Trägerplatte, die bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.
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Es sei bemerkt, daß deutlichkeitshalber die absoluten und die relativen
Abmessungen der jeweiligen Teile aus den Figuren nicht immer maßgerecht dargestellt
sind.
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Fig. 1 zeigt einen SMD-Widerstand. Dieser umfaßt einen keramischen
Träger (1) aus Al&sub2;O&sub3;, der zwei Hauptflächen (2, 3), zwei Seitenflächen (4, 5) und zwei
Endflächen (6, 7) aufweist. Auf dem Träger sind zwei Kontaktschichten (8, 9) und eine
Widerstandsschicht (10) vorgesehen. Die Endflächen (6, 7) sind mit Endkontakten (11,
12) versehen. Der Widerstand ist in einem Laserabgleichverfahren auf den richtigen
Widerstandswert gebracht. Dabei ist eine Abgleichspur (13) gebildet.
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Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den SMD-Widerstand aus Fig. 1,
der sich quer zu den Hauptflächen (2, 3) und den Endflächen (6, 7) des Trägers
erstreckt. Gleiche Bezugszeichen aus den Fig. 1 und 2 beziehen sich auf dieselben
Elemente des SMD-Widerstandes.
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Der dargestellte SMD-Widerstand wurde im Dickfilmverfahren
hergestellt, wobei die Kontaktschichten und die Widerstandsschicht im Siebdruckverfahren
angebracht sind. Es ist auch möglich, ähnliche SMD-Widerstände im Dünnfilmverfahren
herzustellen, wobei diese Schichten im Zerstäubungs- oder Aufdampfverfahren
angebracht sind. Im letzteren Fall werden nacheinander die Widerstandsschicht und die
Kontaktschichten angebracht, so daß die Kontaktschichten sich teilweise zwischen der
Widerstandsschicht und dem Träger befinden.
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In der Tabelle 1 wird die Zusammensetzung des Trägers einer Anzahl
verschiedener SMD-Widerstände dargestellt. Die Nummern 1 bis 5 sind
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele. Die Nummern 6 bis 8 sind Vergleichsbeispiele, die nicht
nach der Erfindung sind.
TABELLE 1
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In der Tabelle 2 werden die Ergebnisse von Biegeproben dargestellt, die
von den obengenannten Beispielen 1-8 an 20 Exemplaren von jedem Beispiel
durchgeführt wurden. Bei diesen Biegeproben werden fertige SMD-Widerstände auf der
Oberseite einer Leiterplatte festgelötet. Auf der Unterseite der Leiterplatte wird in der
Mitte eine Preßkraft ausgeübt, während die Leiterplatte an den Enden fixiert ist.
Dadurch wird die Printplatte gekrümmt. Die oben in der Tabelle 2 genannten Werte X
zeichen die Auslenkung (mm) der Printplatte an der Druckstelle gegenüber der die
beiden Fixierungspunkte verbindenden imaginären Verbindungslinie. Die
Fixierungspunkte liegen in einem Abstand von 90 mm auseinander.
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Die Zahlen in den Spalten bezeichnen, wieviel SMD-Widerstände eines
bestimmten Typs bei Zunahme der Krümmung von X-1 bis X Bruch zeigten. Bei
visueller Untersuchung an den SMD-Widerständen stellte es sich heraus, daß Bruch
immer zwischen den Endkontakten und den Endflächen des Trägers der Widerstände
aufgetreten war.
TABELLE 2
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Aus der Tabelle 2 geht deutlich hervor, daß die Haftkraft der Endkontakte
der Ausführungsformen 1 bis 5 wesentlich besser ist als die der Vergleichsbeispiele 6
bis 8. Nur für die Ausführungsbeispiele 1 - 5 gilt, daß das molare SiO&sub2;/CaO-Verhältnis
in dem keramischen Al&sub2;O&sub3;-Träger zwischen 1 und 6 liegt.
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Bei visueller Untersuchung stellte es sich heraus, daß die Bruchflächen der
beispiele 5-8 sich quer durch die Körner hindurch erstrecken (intragranular). Die
Bruchflächen der Beispiele 1-5 erstreckten sich hauptsächlich an den Korngrenzen
entlang (intergranular).
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Das erfindungsgemaße Verfahren zum Herstellen von SMD-Widerständen
wird anhand der Fig. 3 und 4 näher beschrieben. Fig. 3A zeigt eine Trägerplatte (21)
aus gesintertem Al&sub2;O&sub3; mit Abmessungen von 110 × 80 × 0,5 mm³. Die Trägerplatte ist
auf der Unterseite mit einer ersten Anzahl paralleler, V-förmiger Bruchrillen (22)
(Streifenrillen) und mit einer zweiten Anzahl paralleler, V-förmiger Bruchrillen (23)
(Chiprillen) versehen. Die Bruchrillen (22) und (23) stehen nahezu senkrecht
aufeinander und haben eine Tiefe von etwa 0,1 mm. Deutlichkeitshalber sind nur einige
Bruchrillen in der Figur durch eine gestrichelte Linie angegeben.
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Auf der Oberseite der Trägerplatte (21) nach Fig. 1A werden im
Siebdruckverfahren Kontaktschichten (24) angebracht (siehe Fig. 4). Diese
Kontkktschichten, die beispielsweise Ag oder Pd/Ag aufweisen, werden 1 Stunde lang bei 850ºC
eingebrannt. Daraufhin werden Widerstandsschichten (25) im Siebdruckverfahren
angebracht, die ebenfalls 1 Stunde lang bei 850ºC eingebrannt werden. Die
Widerstandsschichten (25) liegen dabei teilweise über die Kontaktschichten (24). Danach wird
im Laserabgleichverfahren der Widerstandswert der Widerstände eingestellt.
Gewünschtenfalls wird im Siebdruckverfahren noch eine Deckschicht über die Kontaktschichten
und die Widerstandschichten angebracht. Deutlichkeitshalber sind nur sechs
Kontaktschichten und zwei Widerstandsschichten in Fig. 4 dargestellt und sind nicht in Fig. 3
wiedergegeben. Es sei bemerkt, daß die Kontakte und die Widerstandsschichten auch
über die ganze Länge der Trägerplatte angebracht werden können, wie in DE 31 04 419
beschrieben.
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Die Trägerplatte (21) wird danach an den Bruchrillen (22) (den
Streifenrillen) zu Streifen (26) zerbrochen (siehe Fig. 38). Die dabei entstandenen Bruchflächen
(27) der Streifen werden einer Ätzbehandlung mit einer HF-Lösung ausgesetzt.Danach
wird in einem stromlosen Prozeß bei Raumtemperatur eine dünne Ni-Schicht auf den
Bruchflächen niedergeschlagen. Die Ni-Schichten werden zum Schluß mit einer
Lötschicht versehen. Damit sind die Endkontakte (11, 12) gebildet. Diese Endkontakte
(11, 12) sind mit den Kontaktschichten (24) elektrisch leitend verbunden. Zum Schluß
werden die Streifen an den Bruchrillen (23) (Chiprillen) entlang zu einzelnen SMD-
Widerständen zerbrochen. In Fig. 3C werden nur einige dieser Widerstände
(schematisch) dargestellt. Aus dem genannten Al&sub2;O&sub3;-Träger lassen sich insgesamt etwa 800
Widerstände mit Abmessungen 1,5 × 3,0 × 0,5 mm³ herstellen.
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Bei visueller Untersuchung ergab sich, daß die Endflächen der SMD-
Widerstände nach der Erfindung intergranulare Bruchflächen sind. Wegen des
ungleichmäßigen Verlaufs dieses Endflächen war die Verankerung der Endkontakte in den
Poren der Bruchflächen viel besser als bei den bekannten Widerständen. Durch Ätzung
der Bruchflächen mit einer Fluorwasserstofflösung konnte die Haftkraft der Endkontakte
an den Endflächen noch wesentlich verbessert werden. Bei der Ätzbehandlung wird die
zweite Phase zwischen den Alaunardekörnern entfernt.