DK144777B

DK144777B - Elektrisk modstand og fremgangsmaade til fremstilling af samme

Info

Publication number: DK144777B
Application number: DK526076AA
Authority: DK
Inventors: K M Merz
Original assignee: Trw Inc
Priority date: 1975-11-24
Filing date: 1976-11-23
Publication date: 1982-06-01
Also published as: IT1091945B; FR2332600A1; GB1546959A; JPS617721B2; AU502327B2; DK144777C; SE413163B; NL7613014A; AU1952076A; DE2650466C2; SE7612917L; CA1062346A; JPS5265896A; FR2332600B1; DE2650466A1; DK526076A; US4053866A

Description

i 144777

Opfindelsen angår en elektrisk modstand omfattende et substrat af et elektrisk isolerende materiale, en terminalbelægning på substratet og en film af modstandsmateriale, som står i forbindelse med terminalbelægningen, og i hvilken der er par-5 tikler af et ledende materiale indeholdende et uædelt metal.

En elektrisk modstand af denne art kendes f.eks. fra dansk patentskrift nr. 139.826. Den pågældende terminalbelægning består af en til overfladen af det isolerende substrat bundet glasbelægning, idet der jævnt fordelt i glasbelægningen 10 er partikler af ruthenium, iridium eller rhodium eller blandinger deraf.

Ifølge opfindelsen omfatter terminalbelægningen et ledende materiale bestående af molybdæn, wolfram eller blandinger heraf.

15 Derved opnås et terminalbelægningsmateriale, som er foreneligt med emaljemodstandsmaterialer, og som er karakteriseret ved en ekstrem høj stabilitet, og som desuden er forholdsvis billigt.

Til opnåelse af en ønsket loddebarhed kan der være tilveje-20 bragt en nikkelfilm på dele af terminalbelægningerne, der ikke er overlappet af modstandsmaterialefilmen.

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af en elektrisk modstand, hvor der på et substrat af et elektrisk isolerende materiale påføres lag af terminalbelægnings-25 materiale. Ifølge opfindelsen anvendes der et terminalbelægningsmateriale indeholdende partikler af et ledende materiale bestående af molybdæn, wolfram eller blandinger heraf, idet terminalbelægningsmaterialet brændes til dannelse af terminalbelægninger indeholdende wolfram eller molybdæn bundet til 30 substratet, og en modstandsmaterialefilm til sidst påføres mellem terminalbelægningerne og dækkende disse. Derved opnås 144777 2 en særlig hensigtsmæssig fremgangsmåde til fremstilling af modstande.

Der kan med fordel tilsættes magnesium eller titan til molybdænmaterialet for forbedring af dets binding til substratet.

5 Terminalbelægningsmaterialet kan med fordel brændes ved en temperatur på 1450-1620°C i en reducerende atmosfære, idet der derved opnås en særlig høj stabilitet.

Endelig kan ifølge opfindelsen den reducerende atmosfære udgøres af fugt-'dissocieret ammoniak, hvorhos terminalbelæg-10 ningsmaterialet forud for brændingen er tørret ved en temperatur på 100-150°C. Derved opnås en passende tørring inden brændingen.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor 15 fig. 1 viser en elektrisk modstand ifølge opfindelsen set oppefra, fig. 2 den i fig, 1 viste modstand set i snit efter linien 2-2, og fig. 3 modstanden set i snit efter linien 3-3.

20 Den i fig. 1 og 2 viste elektriske modstand 10 omfatter et fladt substrat 12 af et elektrisk isolerende materiale. På overfladen af substratet er der to indbyrdes adskilte terminalbelægninger 14. Mellem terminalbelægningerne 14 er der en film af modstandsmateriale 16. Modstandsmaterialefilmen 16 25 overlapper og står i forbindelse med terminalbelægningerne 14. De dele af terminalbelægningerne 14, der ikke overlappes af modstandsmaterialefilmen 16, er dækket af en nikkel-kontakt= film 18 - se fig, 3.

3 144777

Substratet 12 er af et elektrisk isolerende materiale, som tåler påføring af terminalbelægninger 14 og modstandsmaterialefilm 16. Substratet er almindeligvis af keramisk materiale, såsom glas, porcelain, steatit, bariumtitanat, alu-5 miniumoxid eller lignende. Selvom substratet 12 er vist som et fladt legeme, kan det også være rørformet.

Modstandsfilmen 16 udgøres fortrinsvis af et glasagtigt emaljemods tandsmateriale i form af et lag glas 20, i hvilket partikler 22 af et ledende materiale er indlejret og disper-10 geret. De ledende partikler 22 udgøres f.eks, af en blanding af tantalnitrid og tantal eller en blanding af wolframcarbid og wolfram.

Terminalbelægningerne 14 udgøres af wolfram eller molybdæn eller blandinger heraf. Disse metaller er gode ledere, og 15 det har vist sig, at de er forenelige med glasagtige emaljemodstandsmaterialer, især de, der som ledende fase indeholder en blanding af enten tantalnitrid og tantal eller wolframcarbid og wolfram.

Ved fremstilling af en modstand 10 bliver terminalbelægnin-20 gerne 14 først påført på substratet 12. Terminalbelægningerne 14 fremstilles af et materiale, der er sammensat af findelte partikler på mindre end 20 jj af det ønskede metal eller den ønskede blanding af metaller tilsat et passende bindemiddel. Bindemidlet er fortrinsvis et organisk medium, 25 såsom butylcarbitolacetat, fyrrenåleolie, ethylencellulose eller kommercielt tilgængelige medier, såsom Reusche-skabe= lon-bindemidler. Passende bindemidler anvendes til at frembringe en blanding med den ønskede viskositet for den specielle måde, ved hvilken terminalbelægningsmaterialet påfø-30 res på substratet 12. Terminalbelægningsmaterialet påføres ved dypning, sprøjtning, påmaling eller skabelonpåføring.

Til påføring af en terminalbelægning på et fladt substrat foretrækkes skabelonpåføring. Efter at terminalbelægningsmaterialet er påført på substratet, tørres det i luft ved 4 144777 en temperatur på omkring 100°C-150°C for fjernelse af det flydende bindemiddel. Det dækkede substrat brændes derefter i en ovn ved 1525°c eller ved en temperatur på 1450°C-1620°C i omkring 1/2 time. Ovnen indeholder en atmosfære, der er 5 vædet af dissocieret ammoniak + E^) med et dugpunkt på -30°C - 20°C. Ved brændingen fjernes bindemidlet, og metalterminalerne binder til substratet.

For at forbedre adhæsionen af molybdænterminalbelægningen til et keramisk substrat kan der til terminalbelægningsmate-10 rialet tilsættes magnesium eller titan i en mængde på 5-20%, idet magnesiumet eller titanen øjensynligt reagerer med keramikken, således at der opnås en bedre adhæsion.

Modstandsmaterialelaget 16 påføres på substratet 12 på kendt måde. For et glasagtigt emaljemodstandsmateriale, der er en 15 blanding af en glasfritte, ledende partikler og et passende bindemiddel, kan modstandsmaterialet påføres ved dypning, sprøjtning, maling eller skabelonpåføring. Til påføring af modstandsmaterialelaget i den på tegningen viste form på et fladt substrat foretrækkes skabelonpåføring. Modstandsmate-20 rialet lufttørres ved en temperatur på 100°C til 150°C. For at sikre en fuldstændig fjernelse af bindemidlet kan modstandsmaterialelaget derefter opvarmes til omkring 350°C i en inaktiv atmosfære, såsom nitrogen. Modstandsmaterialelaget brændes derefter ved en temperatur, ved hvilken glas-25 fritten smelter. Brændetemperaturen afhænger af den anvendte glasfritte og det anvendte ledende materiale. Den anvendte glasfritte er almindeligvis et borsilikatglas. Et modstandsmateriale, der indeholder sådanne glasfritter,brændes almindeligvis ved en temperatur på 850°C til 1150°C. Modstands-30 materialet brændes fortrinsvis i en inaktiv atmosfære, såsom en ;nibrogenatmosfære.

Efter afkøling af modstandsmaterialelaget 16 dækkes de udækkede dele af terminalbelægningen 14 med et lag nikkel 18 for at gøre terminalbelægningerne loddebare. Nikkellaget påføres U4777 5 enten ved elektrolytisk eller ikke-elektrolytisk påmaling, medens modstandsmaterialelaget påføres med skabelon. Ledere kan loddes til terminalbelægningerne 14, og_.mddstanden 10 kan indkapsles i et passende beskyttelsesmateriale.

5 Nedenstående eksempler tjener til illustration.

Eksempel I

Modstande fremstilles ved på overfladen af et fladt aluminium= oxidsubstrat at påføre et miniaturemønster, som det, der er vist i fig. 1, til dannelse af et antal indbyrdes adskilte 10 terminalbelægninger af molybdæn og et modstandsmaterialelag mellem terminalbelægningerne og overlappende disse. Modstandsmaterialelaget udgøres af et lag glas med partikler af tan-talnitrid og tantal dispergeret i glasset. De blottede dele af terminalbelægningerne blev dækket af nikkel, og terminaler 15 blev loddet til de nikkelbelagte terminalbelægninger. Modstandene blev derefter indkapslet i plastmaterialet.

Modstandene blev derefter afprøvet for at bestemme egenskaberne af modstandsmaterialet, terminalbelægningsmaterialet og terminalbelægningernes forenelighed med modstandsmaterialet.

20 Afprøvningerne omfattede lavtemperaturafprøvning (LTO), en fugtighedstest, en kortvarig overbelastningsprøve (STOL), en temperaturcyklustest, en belastningslevetidsprøve, m.v.

Lavtemerpaturafprøvningen (LTO) tjener til at bestemme modstandens evne til at arbejde ved lave temperaturer. Ved den-25 ne prøve anbringes modstandene omkring 45 min. i et kammer ved omkring -65°C, og der påtrykkes en arbejdsspænding. Efter at spændingen er fjernet, bringes modstandene langsomt tilbage til stuetemperatur. Modstandsværdierne måles før og efter afprøvningen.

30 Fugtighedsprøven tjener til at bestemme, i hvilken udstrækning komponenten tåler høj fugtighed og varme. Ved denne prøve underkastes modstandene en temperaturcyklus i høj fug- 144777 6 tighed. Modstandsværdierne måles før og efter prøven for at tiestemme ændringerne, og de afprøvede modstande undersøges for mekaniske beskadigelser.

Korttids-overbelastningsprøven (STOL) foretages for at be-5 stemme stabiliteten af modstandsfilmen og terminalbelægningen, Ved denne prøve underkastes modstandene en spænding på omkring 2,5 gange den dimensionerede kontinuerlige arbejds-spænding i omkring5 sek. Værdien af modstandene måles før og efter prøven for at bestemme ændringerne, og modstandene un-10 dersøges visuelt for fysiske beskadigelser.

Ved temperaturcyklusprøven (den termiske chokprøve) undersøges resistansen af komponenten,og dens dele udsættes for ekstremt høje og ekstremt lave temperaturer og for alternerende chok ved disse ekstremer. Ved denne prøve udsættes mod-15 standene for et antal temperaturcyklusændringer. Ved hver cyklus sænkes temperaturen først til omkring -55°C og hæves derefter til 25°C og videre til omkring 85°C og afkøles derefter tilbage til 25°C, idet modstandene holdes ved hver temperatur i en specificeret tidsperiode. Modstandene måles 20 før og efter prøven til bestemmelse af ændringerne.

Ved belastningslevetidsprøven bestemmes indvirkningen af en høj temperatur, medens modstandene belastes over en længere tidsperiode. Ved denne prøve anbringes modstandene i et kammer ved omkring 70°C, og en arbejdsspænding påtrykkes med mel-25 lemrum over en længere tidsperiode. Modstandene måles forud for prøven og med faste tidsintervaller til bestemmelse af ændringerne.

Gennemvarmningsafprøvningen tjener til at bestemme indvirkningen på modstandene, når de udsættes for høje temperaturer 30 over en længere tidsperiode. Ved denne prøve anbringes mod standene i et kammer ved 150°C, uden at modstandene er belastet, og de holdes ved denne forhøjede temperatur i en længere tidsperiode. Modstandsværdierne måles inden afprøvningen og med faste intervaller under prøven til bestemmelse af ændrin- 7 144777 gerne.

Afprøvningsresultaterne er vist i tabel I, idet ændringerne er angivet i procent.

TABEL I

5 Gennemsnit Spændvidde LTO ± 0,01 0,01 - 0,02 STOL ±0,01 0,05 —0,04

Fugt ±0,02 0,04 - 0,02

Temperaturcyklus ±0,01 0,02 -0,03 10 70°C belastet levetid 216 timer - 0,03 0,00 - 0,05 504 timer - 0,03 - 0,02 - 0,05 1000 timer - 0,01 0,00 - 0,04

Gennemvarmning 15 96 timer ± 0,03 0,05 0,00 240 timer ± 0,02 0,07 - ο,οι 504 timer 0,03 0,Q4 0,00 1000 timer 0,04 0,Q8 0,00

Eksempel II

20 Modstande fremstilles ved på overfladen af et fladt aluminium= oxidsubstrat at påføre et multibelt miniaturemønster - se fig. 1 - til dannelse af et antal indbyrdes adskilte wolfram-terminalbelægninger. Terminalbelægningerne, der blev påført ved skabelonmaling på substratet,bestod af en blanding af 25 fine partikler af wolfram og et bindemiddel. Terminalbelægningerne blev tørret i luft ved en temperatur på 100°C til 150°C og blev derefter brændt ved omkring 1525°C i 1/2 time i et atmosfære af fugtdissocieret ammoniak + ϊ^). Et modstandsmaterialelag blev så påført på substratet mellem 3Q terminalbelægningerne og overlappende disse. Modstandsmaterialelaget, der bestod af en blanding af en glasfritte og U4777 8 partikler af tantalnitrid og tantal i et bindemiddel,blev derefter påført ved skabelonmaling. Modstandsmaterialet blev tørret i luft ved omkring 100°C til 150°C og opvarmet i nitrogen ved omkring 350°C for fjernelse af bindemidlet. Mod-5 standene blev derefter brændt i nitrogen for at smelte glas set. Efter afkøling blev de uddækkede dele af terminalbelægningerne dækket af et lag nikkel, og terminaler blev loddet til terminalbelægningerne. Modstandene blev derefter indkapslet i et plastmateriale. Modstandene blev afprøvet som i 10 eksempel I. Resultaterne i procent ændring er vist i tabel II.

TABEL II

Gennemsnit Spændvidde LTO ± 0,01 0,02 - 0,02 STOL ±0,01 0,02 - 0,01 15 Fugt 0,02 0,06 0,00

Temperaturcyklus ±0,02 0,07 -0,02 70°C belastet levetid 216 timer ± 0,02 0,02 - 0,05 504 timer ί 0,03 0,05 - 0,04 20 1000 timer ± 0,02 0,15 - 0,02

Gennemvarmning 96 timer 0,02 0,05 0,00 240 timer ±0,02 0,08 - 0,01 504 timer ± 0,02 0,10 - 0,01 25 1000 timer 0,03 0,12 0,00

Eksempel III

Modstande blev fremstillet på samme måde i eksempel II, bortset fra at terminalbelægningerne blev fremstillet af et terminalbelægningsmateriale i form af en blanding af 90 vægt% 30 molybdæn og 10 vægt% titan, Prøveresultaterne i procent ændring er vist i tabel III,

TABEL III

U4777 9

Gennemsnit Spændvidde LTO + 0,01 0,02 - 0,02 STOL ±0,01 0,01 - 0,03 5 Fugt 0,02 0,04 0,00

Temperaturcyklus -0,01 0,00 -0,03 70°C belastet levetid 216 timer - 0,02 0,00 - 0,05 504 timer - 0,02 0,00 - 0,05 10 1000 timer ± 0,01 0,01· - 0,04

Genn emvarmn in g 96 timer 0,03 0,06 0,00 240 timer 0,03 0,10 0,00 54Q timer 0,04 0,08 0,00 15 1000 timer Q,08 0,43 0,03

Eksempel IV

Modstande blev fremstillet på samme måde som i eksempel II, bortset fra at terminalbelægningerne blev fremstillet af et terminalbelægningsmateriale i form af en blanding af 80 vægt% 20 molybdæn og 20 vægt% magnesium. Prøveresultaterne i procent ændring er vist i tabel IV.

144777

Gennemsnit Spændvidde

TABEL IV

ίο LTO + 0,01 0,03 - 0,02 STOL ±0,01 0,02 - 0,07 5 Fugt 0,02 0,07 0,00

Temperaturcyklus ±0,02 0,01 - 0,05 70°C belastet levetid 216 timer - 0,03 - 0,01 - 0,07 504 timer Q,04 - 0,01 - 0,08 10 1000 timer - 0,03 0,00 - 0,07

Gennemvarmning 96 timer ±0,01 0,03 - 0,02 240 timer ± 0,02 0,05 - 0,02 504 timer ±0,02 0,05 - 0,02 15 1000 timer ±0,02 0,06 - 0,02

Eksempel V

Modstande blev fremstillet på samme måde som i eksempel II, bortset fra at terminalbelægninger blev fremstillet af et terminalbelægningsmateriale i form af en blanding af 80 vægt% 20 molybdæn og 20 vægt% magnesium tilsat et bindemiddel, som udgjorde mindre end 5 vægt%. Prøveresultaterne i procent ændring er vist i tabel V.

Gennemsnit Spændvidde 11 144777

TABEL V

LTQ ί 0,01 0,01 - 0,02 STOL ί 0,01 0,03 - 0,02 5 Fugt ΐ 0,01 0,03 - 0,01

Temperaturcyklus ί 0,01 0,01 - 0,03 70°C belastet levetid 216 timer - 0,03 0,00 - 0,05 504 timer ± 0,03 0,01 - 0,04 10 1000 timer ί 0,03 0,03 - 0,04

Gennemvarmning 96 timer - 0,01 0,04 - 0,01 240 timer + 0,01 0,05 - 0,02 504 timer t 0,01 0,02 - 0,03 15 1000 timer ± 0,01 0,05 - 0,03

Eksempel VI

Modstande blev fremstillet på samme som eksempel II, bortset fra at terminalbelægningerne blev fremstillet af et terminalbelægningsmateriale i form af en blanding af 75 vægt% molyb-20 dæn og 25 vægt% wolfram. Prøveresultaterne i procent ændring er vist i tabel VI.

Gennemsnit Spændvidde 12 144777

TABEL VI

LTO ±0,01 0,01 - 0,02 STOL ±0,01 0,02-0,01 5 Fugt ± 0,02 0,04 - 0,01

Temperaturcyklus ±0,01 0,02 - 0,03 70°C belastet levetid 216 timer - 0,03 - 0,01 - 0,05 504 timer - 0,03 - 0,01 - 0,05 10 1000 timer - 0,02 0,00 - 0,04

Gennemvarmning 96 timer ±0,01 0,02 - 0,02 240 timer ±0,01 0,07 - 0,03 504 timer ±0,01 0,02 - 0,02 15 1000 timer ± 0,01 0,03 - 0,02

Af ovenstående eksempler ses, at modstande med terminalbelægninger ifølge opfindelsen er meget stabile, idet de under forskellige afprævninger kun ændres meget lidt. Dette viser, at terminalbelægningerne ifølge opfindelsen er stabile og for-20 enelige med de nævnte modstandsmaterialer.

Eksempel VII

Modstande blev fremstillet på samme måde som i eksempel II, bortset fra at terminalbelægningerne blev fremstillet af et terminalbelægningsmateriale i form af en blanding af 80 vægt% 25 molybdæn og 20 vægt% magnesium, og det anvendte modstandsmaterialelag bestod af en blanding af glasfritte og partikler af wolframcarbid og wolfram. Prøveresulterne i procent ændring er vist i tabel Vil.

Claims

5 Fugt - 0,22 - 0,03 - 0,27 Temperaturcyklus ±0,07 0,43 - 0,08 70°C belastet levetid 1000 timer ±0,27 0,19 - 0,69 2000 timer - 0,26 0,14 - 0,67 10 Genn emvarmn ing 1000 timer ± 0,61 1,45 - 1,47 2000 timer ±0,65 2,27 - 0,99

1. Elektrisk modstand omfattende et substrat (12) af et elektrisk isolerende materiale, en terminalbelægning (14) gå sub- 15 stratet (12) og en film af modstandsmateriale (16), som står i forbindelse med terminalbelægningen (14), og i hvilken der er partikler (22) af et ledende materiale indeholdende et u-ædelt metal, kendetegnet ved, at terminalbelægningen (14) omfatter et ledende materiale bestående af molybdæn, 20 wolfram eller blandinger heraf.

2. Modstand ifølge krav 1, kendetegnet ved en nikkelfilm på dele af terminalbelægningerne (14), der ikke er overlappet af modstandsmaterialefilmen (16).

3. Modstand ifølge krav 1, kendetegnet ved en ter-25 minalbelægning (14) i form af en brændt film af et ledende materiale udvalgt fra gruppen bestående af molybdæn, wolfram og magnesium samt titan og molybdæn.