DE69716398T2

DE69716398T2 - Hoher energie- und/oder leistungsauflösender Widerstand und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69716398T2
Application number: DE69716398T
Authority: DE
Inventors: Stephane Serpolet
Original assignee: Vishay SA
Current assignee: Vishay SA
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: EP0855722A1; FR2758409B1; EP0855722B1; ATE226355T1; FR2758409A1; DE69716398D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Widerstand mit starker Dissipation von Leistung und/oder Energie mit integriertem Strahler, sowie dessen Herstellungsverfahren.
Im allgemeinen umfasst dieser Typ von Widerstand ein Substrat und eine mehrschichtige Struktur, die auf das Substrat aufgebracht ist und eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial und eine Schicht aus einem leitfähigen Material umfasst.
Ein solcher Widerstand ist im Querschnitt in Fig. 1 gezeigt.
Das Substrat 12 nimmt eine mehrschichtige Struktur mit einer Schicht aus einem Widerstandsmaterial 24 und einer Schicht aus einem leitfähigen Material 6 auf.
Bei den bekannten Widerständen umfasst die Struktur eine Fußplatte 10 aus Aluminium, auf welche eine Klebschicht 11 abgeschieden ist um ein Substrat aus Aluminiumoxid zu befestigen, welches die mehrschichtige Struktur aufnehmen soll.
Die Verwendung einer Fußplatte aus Aluminium, auf welche ein Substrat aus Aluminiumoxid geklebt ist, hat den Nachteil, dass sie für den Wärmeübergang nicht ideal ist.
Außerdem ist die Montage des Widerstands kostspielig und erfordert das Kleben einer Platte aus Aluminiumoxid auf die Fußplatte.
In dem US-Patent 4 689 270 umfasst das Substrat eine Fußplatte aus Stahl, die von einer durch Siebdrucken aufgebrachten Isolierschicht aus Keramik überdeckt ist.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe einen Widerstand mit starker Leistung, einfacherer Herstellung und verbesserter thermischer Leistungsfähigkeit anzugeben.
Der Widerstand mit starker Verlustleistung, auf den die Erfindung abzielt, umfasst:
- ein Substrat mit einer Fußplatte aus Stahl und wenigstens einer Isolierschicht aus einem dielektrischen Material, die durch Siebdrucken auf die Fußplatte aus Stahl aufgebracht ist, und
- eine mehrschichtige Struktur, die auf das Substrat aufgebracht ist und eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial und eine Schicht aus einem leitfähigen Material umfasst.
Gemäß der Erfindung ist dieser Widerstand dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Struktur außerdem eine ein thermisches Reservoir formende Anordnung umfasst, die einen Block aus einem thermisch leitendem Material mit großer Wärmekapazität und eine Platte aus Aluminiumoxid aufweist.
Dank dieser Vorkehrungen ist die thermische Leistungsfähigkeit verbessert, und insbesondere ist der Wärmewiderstand zwischen der Widerstandsschicht und einem möglichen zusätzlichen Strahler, auf welchen der Widerstand befestigt ist, vermindert.
Der Zusammenbau des Widerstands ist aufgrund des kontinuierlichen Einsatzes des Siebdruckens zum Aufbringen von einer oder mehreren Isolierschichten aus dielektrischem Material, sowie der Schichten aus Widerstands- und leitfähigem Material, vereinfacht.
Vorzugsweise ist die Isolierschicht in Kontakt mit der Fußplatte des Substrats aus einem dielektrischen Material gebildet, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Stahls der Fußplatte im wesentlichen gleich ist.
Während der verschiedenen thermischen Zyklen, denen der Widerstand mit starker Dissipation gemäß der Erfindung unterworfen ist, ermöglicht die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des die Fußplatte bildenden Stahls und der Isolierschicht in Kontakt mit der Fußplatte, dass Risse oder das Ablösen der siebgedruckten Schichten auf der Fußplatte vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Stahl der Fußplatte wenigstens 17 Gew.-% Titan.
Der Gehalt an Titan des Stahls ermöglicht die Anhaftung des dielektrischen Materials auf der Fußplatte zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung schlägt gleichermaßen ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstands mit starker Dissipation von Leistung und/oder Energie vor, deren Schritte durch Anspruch 7 definiert sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Die beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft und nicht beschränkend angegeben sind, zeigen:
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Widerstands mit starker Dissipation aus dem Stand der Technik; und
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Widerstands mit starker Dissipation gemäß der Erfindung.
Bezüglich der Figuren umfasst ein Widerstand mit starker Dissipation ein Isoliergehäuse 1, das auf einer Fußplatte 10, 20 befestigt ist, und nicht dargestellte Befestigungsklammern, die zur Befestigung des Widerstands, beispielsweise durch Verschrauben, auf einem zusätzlichen Strahler vorgesehen sind.
Anschlussklemmen 2, in zweifacher Zahl, ermöglichen den Widerstand mit einer elektrischen Stromquelle zu verbinden.
Der elektrische Strom wird durch eine leitfähige Stange 4 übertragen, die beispielsweise mittels Lötung 5 auf einem leitfähigen Element 6, im allgemeinen aus einer Legierung von Silber und Palladium, befestigt ist.
Dieses leitfähige Element 6 ist in Kontakt mit der Schicht aus einem Widerstandsmaterial 24 und ermöglicht die letztere mit elektrischem Strom zu versorgen.
Die mehrschichtige Struktur des Widerstands umfasst, in dieser Folge, diese Schicht aus einem Widerstandsmaterial 24 im Kontakt mit dem Substrat, eine Schicht aus Klebstoff 25, eine Platte aus Aluminiumoxid 26, eine zweite Schicht aus Klebstoff 27 und einen Block aus einem leitfähigen Material 28, wie Kupfer.
Die Platte aus Aluminiumoxid 26, auf welche der Block aus einem thermisch leitfähigen Material 28 mit starker Wärmekapazität geklebt ist, bildet eine Anordnung die ein Wärmereservoir formt.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, umfasst das Substrat gemäß vorliegender Erfindung eine Fußplatte aus Stahl 20 und wenigstens eine Isolierschicht 21, 22, 23 aus dielektrischem Material, die durch Siebdrucken auf die Fußplatte aus Stahl 20 aufgebracht ist und zwischen der Fußplatte 20 und der zuvor beschriebenen mehrschichtigen Struktur angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst das Substrat wenigstens zwei übereinander liegende Isolierschichten 21, 22, 23 aus dielektrischem Material.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Substrat drei Isolierschichten 21, 22, 23.
Die Isolierschicht 21 in Kontakt mit der Fußplatte 20 des Substrats ist aus einem dielektrischen Material gebildet, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Fußplatte 20 im wesentlichen gleich ist, um jegliches Ablösen oder Risse dieser Isolierschicht 21 zu vermeiden.
Die Eigenschaften des dielektrischen Materials zum Herstellen dieser ersten Schicht 21 sind hauptsächlich vorgegeben um das Anhaften dieser Isolierschicht 21 auf dem Stahl der Fußplatte 20 zu ermöglichen.
Die zweite und dritte Schicht 22 und 23 ermöglichen genaugenommen eine Isolierschicht zwischen der Fußplatte aus Stahl 20 und der Schicht aus Widerstandsmaterial 24 zu erstellen.
Die verschiedenen, übereinander liegenden Isolierschichten 21, 22, 23 werden durch Siebdrucken, und getrenntes Trocknen vor jedem neuen Aufbringen durch Siebdrucken, aufgebracht.
So wird eine kontinuierliche isolierende Abdeckung auf einer Seite der Fußplatte 20 erhalten.
Wenn die Schichten aus Widerstands- 24 und leitfähigem 6 Material auch durch Siebdrucken aufgebracht werden, kann der Widerstand mit starker Dissipation durch kontinuierliches Siebdrucken der verschiedenen Schichten 21, 22, 23, 24, 6 leicht zusammengebaut werden.
Die Anordnung der Schichten aus dielektrischem Material 21, 22, 23, die zwischen der Fußplatte 20 und der mehrschichtigen Struktur des Widerstands angeordnet sind, hat eine Gesamtdicke, welche ungefähr 80 m erreichen kann, um eine gute elektrische Isolierung zu gewährleisten.
Die verschiedenen Schichten 21, 22, 23 können aus einem gleichen dielektrischen Material gefertigt sein, wie jenes, das durch die Firma ESL® unter der Bezeichnung ESL D-4914 im Handel vertrieben wird, mit einem an rostfreien ferritischen Stahl angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Die letzte Schicht 23 kann gleichermaßen aus einem dielektrischen Material gefertigt sein, das von dem vorhergehenden verschieden ist, wie jenes, das unter der Bezeichnung ESL D-4913 im Handel vertrieben wird.
Man erhält auf diese Weise einen Widerstand mit starker Dissipation, der fähig ist, Spannung bis zu ungefähr 7000 Volt auszuhalten, und einen ohmschen Wert besitzt, der sich über die gesamte Lebenszeit des Widerstands praktisch nicht verändert.
Vorzugsweise besteht die Fußplatte aus rostfreiem ferritischen Stahl mit wenigstens 17 Gew.-% Titan.
Das Vorliegen von Titan ermöglicht das Anhaften der durch Siebdrucken aufgebrachten dielektrischen Beschichtung zu verbessern.
Die Fußplatte aus Stahl hat eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 mm, so dass sie eine genügende mechanische Steifheit und eine gute Wärmedissipation hat.
Beispielsweise wird ein Stahl, der zum Fertigen der Fußplatte geeignet ist, von der Firma UGINE ® unter der Bezeichnung UGINOX F 17 T, welche der europäischen Bezeichnung X 3 Cr Ti 17 entspricht, im Handel vertrieben.
Die normalisierten Stähle X 2 Cr Ti 12, X 2 Cr Ti Nb 18 oder X 2 Cr Mo Ti 18 - 2 sind gleichermaßen geeignet.
Selbstverständlich können an dem oben beschriebenen Beispiel viele Veränderungen vorgenommen werden, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu gelangen.
So kann die Zahl der Isolierschichten aus dielektrischem Material abhängig von der Dicke von jeder der siebgedruckten Schichten und des Isoliervermögens des eingesetzten Materials gewählt werden.

Claims

1. Widerstand mit starker Dissipation von Leistung und/oder Energie, umfassend:

- ein Substrat mit einer Fußplatte aus Stahl (20) und wenigstens einer Isolierschicht (21, 22, 23) aus dielektrischem Material, welche durch Siebdrucken auf die Fußplatte aus Stahl (20) aufgebracht ist,

- eine mehrschichtige Struktur, die auf das Substrat aufgebracht ist und eine Schicht aus Widerstandmaterial (24) und eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material (6) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Struktur außerdem eine ein thermisches Reservoir formende Anordnung umfasst, die einen Block (28) aus thermisch leitfähigem Material mit großer Wärmekapazität und eine Platte aus Aluminiumoxid (26) aufweist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Struktur eine erste Klebstoffschicht (25), die auf die Schicht aus Widerstandsmaterial (24) aufgebracht ist, die Platte aus Aluminiumoxid (26), eine zweite Klebstoffschicht (27) und den Block aus leitfähigem Material (28) in dieser Folge aufweist.

3. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (21) in Kontakt mit der Fußplatte (20) des Substrats aus einem dielektrischen Material gebildet ist, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stahls der Fußplatte (20) im wesentlichen gleich ist.

4. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) aus dielektrischem Material (21, 22, 23), welche zwischen der Fußplatte (20) und der mehrschichtigen Struktur angeordnet sind, eine Gesamtdicke haben, die ungefähr 80 m erreichen kann.

5. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußplatte aus Stahl (20) eine Dicke von größer oder gleich 1 mm hat.

6. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußplatte (20) rostfreien ferritischen Stahl mit wenigstens 17 Gew.-% Titan enthält.

7. Verfahren zur Herstellung eines Widerstands mit starker Dissipation von Leistung und/oder Energie, welches die aufeinander folgenden Schritte umfasst:

- Aufbringen durch Siebdrucken wenigstens einer Isolierschicht (21, 22, 23) aus dielektrischem Material auf eine Fußplatte aus Stahl (20),

- Aufbringen durch Siebdrucken auf die Isolierschicht (21, 22, 23) einer Schicht aus Widerstandsmaterial (24), anschließend einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Material (6),

dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst, die darin bestehen, auf die Schicht aus Widerstandsmaterial (24) eine Platte aus Aluminiumoxid (26) zu kleben, und auf die Platte aus Aluminiumoxid (26) einen Block (28) aus thermisch leitfähigem Material mit großer Wärmekapazität zu kleben.

8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es das Aufbringen von wenigstens zwei Isolierschichten (21, 22, 23), die getrennt gehärtet werden, auf die Fußplatte aus Stahl (20) umfasst.