DK147957B - Fremgangsmaade til fremstilling af elektriske modstande - Google Patents

Description

147957

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af eletriske modstande, hvilken fremgangsmåde er af den i krav l's indledning angivne art.

Der kendes allerede inden for den tidligere teknik forskellige fremgangsmåder til fremstilling af modstande på den ovenfor angivne måde. Disse kendte fremgangsmåder omfatter, at der i en bane eller plade af metal eller metallegering ætses åbninger eller slidser, så at der fremkommer et antal indbyrdes forbundne elektriske modstandsstrimler med lille tværsnitsareal. Herved er det muligt at opnå en betydelig forlængelse af den effetive elektriske strømvej hen over banen eller pladen, så at der kan fremstilles modstande med en meget høj modstandværdi pr. fladenhed.

147957 2

En af de kendte fremgangsmåder omfatter at der imod banen eller pladen af metal eller metallegering anbringes en maske, hvori der er udformet åbninger eller slidser svarende til udformningen af de ledende modstandsstrimler der skal dannes, hvorpå banen eller pladen nedsænkes i et passende kemisk bad med henblik på at fjerne metallet eller legeringen fra banen eller pladen ud for åbningerne eller slidserne i masken.

Ulempen ved denne fremgangsmåde ligger først og fremmest i at siderne eller kanterne på de således fremkomne modstandsstrimler har grove fremspring eller uregelmæssigheder. På grund af disse uregelmæssigheder er det ikke muligt at ætse åbninger eller slidser med tæt ved hinanden beliggende kanter eller sider, uden at der opstår risiko for en nedsættelse af modstandens stabilitet på grund af de elektriske feltgradienter, som kan opstå mellem fremspring på over for hinanden beliggende kanter eller sider på strimlerne.

Den ovenfor omtalte fremgangsmåde er derfor begrænset til fremstilling af modstande med mellemstore modstandsværdier, nemlig af 2 størrelsesordenen 20 kiloohm pr. cm ud fra en bane eller plade med en resistivitet på 0,5 ohm/cm^.

Ifølge en anden kendt fremgangsmåde ætses banen eller pladen af metal, som er dækket med en isolerende maske, ved elektrolytisk polering.

Under de til elektrolytisk polering svarende betingelser 'dannes der ved overfladen af det angrebne metal et viskost lag baseret på metaloxider eller -hydroxider (jfr. P.A. Jacquet, C.R. Acad. Sci. 202, 402, 1936 og H.F. Walton, Electrochemical Soc. 31_, 1950, 219).

For at få adgang til metallet skal elektrolyttens anioner diffundere gennem dette viskose lag. Som følge heraf forbliver strøm- tætheden i hovedsagen konstant som funktion af spændingsforskellen mellem anoden og katoden. Ved en fremgangsmåde af denne art er strøm- 2 tætheden i reglen lavere end 0,05 A/cm , og spændingsforskellen mellem anoden og katoden overstiger ikke 1,5-2 volt.

Det viskose lags tykkelse er mindre langs med kanterne eller siderne af den isolerende maskes åbninger eller slidser, som følge heraf angribes metallet fortrinsvis langs med disse kanter eller sider, jfr. også beskrivelsen til fransk patent nr. 1.324.156.

På grund af dette foretrukne angreb langs med siderne af maskens åbninger eller sidser, kan der opstå øer af metal mellem 3 147957 de ovennævnte sider eller kanter. Dersom disse øer ikke fjernes, kan de medføre en betydelig forringelse af de fremstillede modstandes stabilitet.

Med henblik på at forhindre dannelsen af de nævnte øer af metal er det blevet foreslået at formindske afstanden mellem tilstødende kanter eller sider i åbningerne eller slidserne i den isolerende maske, for derved at sikre at de tilstødende områder for foretrukket angreb overlapper hinanden. På denne måde bliver bredden af de åbninger eller slidser, som ætses i metalbanen eller -pladen, afhængig af bredden af de foretrukne angrebsområder.

Som følge heraf er det ved den ovennævnte fremgangsmåde ikke muligt at ætse åbninger eller slidser i metalbanen eller -pladen med større bredde end omtrent 10 ja· Desuden er det ved denne fremgangsmåde heller ikke muligt at opnå et ætset mønster med helt jævne sider under rette vinkler med metaloverfladen, på grund af det spændingsfald, der skyldes returstrømmen gennem den ætsede banes eller plades metal. Dette vil derfor medføre en forringelse af de fremstillede modstandes stabilitet.

Fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.908.940 kendes en fremgangsmåde til fremstilling af trykte kredsløb, hvor en kobberfolie, der er direkte anbragt på en isolerende bærer, graveres (ætses) under virkning af en strøm af elektrolyt, der strømmer gennem kanalerne 24 i anoden 14. Masken 16 er anbragt på den side af anoden, der vender imod kobberfolien.

Selv om den fremgangsmåde, der kendes fra det tyske patentskrift nr. 1.908.940, gør det muligt at opnå en korrekt ætsning, der kan accepteres i mange tilfælde, kan den ikke anvendes til fremstilling af modstande bestående af ekstremt smalle filamenter og af høj regelmæssighed, og som udviser en høj specifik modstand pr. fladeenhed under en meget lille spredning af egenskaberne mellem de enkelte modstande.

Denne kendte fremgangsmåde repræsenterer den gren af teknikken, der angår elektrolytisk ætsning, og er ikke anvendelig ved fremstilling af modstande med meget høj præcision.

Det er opfindelsens formål at anvise en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, hvormed der kan fremstilles modstande, hvis enkelte filamenter er så smalle og ligger så tæt sammen som muligt, så at der kan fremstilles en modstandskomponent med den højst mulige modstand pr. fladeenhed, og som i serie- eller masseproduktion udviser en meget lille spredning i modstandsværdi.

147957 4

Formålets opnåelse afhænger af, at det elektrokemiske angreb på folien af metal eller legering er særdeles regelmæssigt, og at kanterne på filamenterne (hvis bredde er af størrelsesordenen nogle få yu) er fuldkomment jævne. Da filamenterne også skal ligge meget tæt sammen, vil en hvilken som helst uregelmæssighed medføre en betydelig ændring i modstandens elektriske egenskaber.

Det angivne formål opnås ved en fremgangsmåde, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at de i krav l's kendetegnende del angivne fremgangsmådetrin udføres i den angivne rækkefølge.

Det ses således, at de i krav 1 anførte for opfindelsen ejendommelige træk ikke findes i den kendte fremgangsmåde. Ved den kendte fremgangsmåde bliver den folie, der skal graveres, ikke anbragt på et midlertidigt lag af godt ledende materiale, og masken, der udviser konturerne for de filamenter, der skal graveres, bæres ikke af den folie, der skal graveres.

Det lag af ledende materiale, der anbringes på den bane eller plade, der skal ætses, forhindrer eventuelle variationer i det elektriske felt under den elektrolytiske behandling.

Strømmen af elektrolyt, som under en ret vinkel og med den ovenfor angivne hastighed er rettet imod overfladen af den bane eller plade, der skal ætses, tjener til at fjerne det viskose lag, som dannes ved banens eller pladens overflade, hvormed det bliver muligt at opnå en meget fin og ensartet ætset overflade uden foretrukne angrebsområder.

Ved hjælp af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er det således muligt at opnå en særdeles ensartet ætsning, idet de fremkomne modstandsstrimlers sider er meget jævne og ligger helt vinkelret på den ætsede bane eller plade, uanset bredden af de i den isolerende maske udformede åbninger eller slidser.

Som følge heraf er det med fremgangsmåden ifølge opfindelsen muligt at fremstille elektriske modstande med meget høje modstandsværdier pr. fladeenhed og med meget høj præcision samt med en særdeles lav spredning ved produktion i stor målestok, og med en stor relativ stabilitet og lav temperaturkoefficient.

Sådanne egenskaber er særlig betydningsfulde, når det drejer sig om fremstilling af modstande, hvis specifikke modstand pr.

o fladeenhed overstiger 50 kJTl/cm , og som fremstilles ud fra 2 en metalfolie med en specifik modstand mellem 0,2 og 0,5Λ/cm med en meget lav kassationsprocent af størrelsesordenen 20-10% eller mindre.

147957 5

Ved en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen udføres den elektrolyt!ske behandling med en spændingsforskel i hovedsagen mellem 3/5 og 4,5 volt og med 2 en strømtæthed fra omtrent 0,4 til 1 A/cm , idet elektrolyttens volumenhastighed holdes på omtrent 1 liter pr. sekund.

Fortrinsvis anvendes der en bane eller plade af krom--nikkel-legering og en elektrolyt bestående aften blanding af orthophosphorsyre og ethylalkohol.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 set imod en fladside og i stor målestok viser en bane eller plade af metal eller legering, der er fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 2 i tværsnit og i stor målestok viser banen eller pladen af metal eller legering, der er fastgjort til en isolerende bærer, svarende til et indledende trin i fremgangsmåden, fig. 3 er et snit gennem et apparat til fremgangsmådens udøvelse, fig. 4 er en grafisk fremstilling af strømtætheden som funktion af spændingsforskellen mellem anoden og katoden i det i fig. 3 viste apparat under forskellige betingelser for den elektrolytiske behandling og fig. 5-7 på en til fig. 2 svarende måde viser de efterfølgende trin i fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Fig. 1 viser en plade 1 af metal eller metallegering med en tykkelse på nogle få gange 10 ja, hvori der er udformet indbyrdes parallelle og med ens indbyrdes afstande beliggende slidser 2, der udgør de områder, hvor metallet eller legeringen er blevet fjernet. Slidserne 2 afgrænser et antal strimler 3, som er forbundet med hinanden på en sådan måde, at de danner sløjfer med ens indbyrdes afstande. For overskuelighedens skyld er bredden af slidserne 2 og af strimlerne 3 i figuren vist stærkt overdrevet.

I de modstande, der tænkes fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, er bredden på slidserne 2 og strimlerne 3 højst nogle få>u, og antallet af slidser 2 eller af strimler 3 er af størrelsesordenen omtrent titusinde. Det vil være indlysende, at under disse forhold vil den samlede elektriskemodstand af samtlige strimler 3, som er ætset i pladen 1, være betydeligt større end modstanden af den hele plade, som var udgangsmaterialet.

147957 6

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen består pladen 1 fortrinsvis af en nikkel-krom-legering med et nikkelindhold på mellem 70 og 90%. Denne legering har en ret høj resistivitet, som desuden kun varierer meget lidt som funktion af temperaturen.

Når der skal fremstilles en elektrisk modstand fra en hel plade af et passende metal eller en passende legering, påføres der på pladen 1 først et ledende lag 14, jfr. fig. 2 og 5. Det ledende lag 14 består fortrinsvis af en kobberhinde med en tykkelse i området mellem 30 og 50 /i, som er påført ved en kemisk eller elektrokemisk proces.

Det af pladen 1 og det ledende lag 14 bestående aggregat anbringes derpå på en flad isolerende bærer 4, som f.eks. en glasplade, jfr. fig. 2. De to dele kan forbindes med hinanden ved 'hjælp af et klæbelag 5.

Derpå anbringes der på pladen 1 en isolerende maske 6, hvori der er udformet åbninger 7, hvis sider 8 bestemmer siderne på de slidser 2, der skal udformes i pladen 1.

Den isolerende maske 6 kan f.eks. tilvejebringes ved hjælp af en kendt foto-ætsningsproces, hvori et mønster svarende til den modstandskreds der skal dannes reproduceres på en fotografisk film ved hjælp af et uigennemsigtigt stof, hvorpå filmen belyses og anbringes i en speciel fremkalder for at opløse de ikke belyste områder.

Med henblik på at fjerne metallet eller legeringen fra pladen 1 ud for åbningerne 7 i den isolerende maske 6, anbringes det samlede aggregat bestående af masken 6, pladen 1 og den isolerende bærer 4 i en elektrolytisk celle 10, hvis anode som vist i fig. 3 udgøres af pladen 1. Ifølge en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen udsættes pladen 1 i cellen 10 for en kontinuerlig strøm af elektrolyt 11, som rettes fra katoden 12 hen imod anoden 1, som vist med pile i fig. 3.

Strømnings- og volumenhastigheden af den kontinuerlige strøm af elektrolyt 11 er tilstrækkelig til at fjerne det viskose lag, der dannes på den overflade af pladen 1, der står i berøring med elektrolytten 11. Det nævnte viskose lag, der består af metaloxider eller -hydroxider, dannes når den elektrolytiske celle 10 holdes i drift under betingelserne for elektrolytisk polering, der indebærer at elektrolytten forbliver i ro. I en elektrolytisk poleringsproces af denne art skal elektrolyttens ioner passere gennem det nævnte viskose lag ved at diffundere gennem det for at nå hen til metal- 7 1A7957 overfladen på pladen 1. Det nævnte viskose lag er tilbøjeligt til at begrænse strømtætheden i elektrolytten til en konstant værdi, 2 der i reglen ligger under 0,05 A/cm ved en spændingsforskel mellem anoden 1 og katoden 12 i området mellem 1 og 2 volt.

Fig. 4 viser hvorledes kurven A, der udtrykker stigningen i strømtætheden I som funktion af spændingsforskellen, udviser et karakteristisk "plateau" CD, som er typisk for den elektrolytiske poleringsproces. Dette plateau betegnes sædvanligvis som "Jacquet--plateauet", jfr. P.A. Jacquet, C.R. Acad. Sci. 202, 402 (1936).

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen medfører fjernelsen af det viskose lag ved hjælp af strømmen af elektrolyt 11 en betydelig forøgelse i den stedlige strømtæthed ved anoden, der udgøres af pladen 1, og som følge heraf forøges den samlede strømtæthed kontinuerligt som funktion af spændingsforskellen mellem anoden 1 og katoden 12.

Den i fig. 4 viste kurve B viser stigningen i strømtætheden I

som funktion af spændingsforskellen V, når der frembringes en strøm af elektrolyt 11 mellem katoden 12 og anoden 1. Det vil i det omtalte 2 eksempel kunne ses, at denne strømtæthed når op på 0,4 A/cm , når spændingsforskellen er omtrent 3,5 volt. I dette tilfælde er der altså svarende til det omtalte eksempel en betydelig afvigelse fra Jacquet--plateauet C'D'. Værdierne for strømtæthed og spændingsforskel svarer til de sædvanlige betingelser for elektrolytisk materialefjernelse.

Fjernelsen af det viskose lag ved overfladen af pladen 1 medfører at der ikke dannes foretrukne angrebszoner ud for siderne 8 i masken 6. Således fremkommer slidserne 2, som ætses i metalpladen 1, med sider 13, som er helt jævne og ligger vinkelret på overfladen af pladen 1.

147957 8

Det har ved forsøg vist sig, at de bedste resultater kunne opnås under følgende betingelser: a) elektrolyt 11: blanding af 3 rumfang orthophosphorsyre og 1 rumfang ethylalkohol b) afstand mellem katode 12 og anode 1: omtrent 5 mm c) spændingsforskel mellem katode og anode: 3,5-4,5 volt 2 d) strømtæthed: 0,4-1 A/cm e) volumenhastighed af elektrolyt 11: omtrent 1 liter/sek.

f) strømningshastighed af elektrolyt 11: 70-100 cm/sek.

Under disse optimale betingelser fjernes det viskose lag ud for pladen 1 under virkning af strømmen af elektrolyt 11 med den samme hastighed, hvormed det dannes.

Når pladen 1 udsættes for elektrokemiske angreb, gør det ledende lag 14 det muligt at forhindre eventuelle variationer i det elektriske felt ved anoden 1 - sådanne variationer kunne ellers forårsages af en formindskelse af pladens tykkelse i de områder, hvor den påvirkes af elektrolytten. Således bevirker det underliggende ledende lag 14, at ætsningen af metalpladen 1 sker fremadskridende og meget •ensartet over pladens samlede overflade.

Når den elektrolytiske behandling er fuldført, fjernes det ledende lag 14 fra den isolerende bærer 4, f.eks. ved at nedsænke aggregatet i et passende opløsningsmiddel, der er i stand til at opløse klæbelaget 5. Når dette procestrin er fuldført, anbringes der på metalpladen 1, som vedblivende er fastgjort til det ledende lag 14, en isolerende belægning 15, f.eks. bestående af epoxy-harpiks. Den således belagte plade 1 anbringes derpå på den endelige isolerende bærer 16 af keramisk materiale på en sådan måde, at den isolerende belægning 15 hæfter til bæreren 16, som vist i fig. 6.

147957 9

Efter at belægningen 15 er hærdnet, fjernes det ledende lag 14. Dersom dette består af kobber, kan det fjernes ved hjælp af en passende syre, som ikke reagerer med pladen 1.

Efter at det ledende lag 14 er fjernet, dækkes den udvendige overflade af metalpladen 1 med en isolerende belægning 17 af samme art som belægningen 15, for derved at sikre at pladen 1 er tildækket og fuldt ud isoleret. Metalpladen 1, som er blevet ætset i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen og anbragt på den keramiske bærer 16, udgør en elektrisk modstand med høj ydeevne.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen bliver det navnlig muligt i metalpladen 1 at ætse et antal slidser 2 med bredder på nogle få ja, hvis sider 13 er helt jævne og ligger vinkelret på overfladen af pladen 1. Ydermere kan slidsernes bredde varieres inden for vide grænser, da der ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen - uanset bredden af slidserne 2 - ikke kan dannes øer af metal mellem over for hinanden liggende sider 13 i slidserne 2.

Som eksempel kan nævnes, at det ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen har vist sig muligt at fremstille elektriske modstande i form af små kvadratiske plader med sidelængde 5,4 mm og med følgende data: 2 a) modstandsværdi: 3Q kiloohm (dvs. 80 kiloohm/cm ) b) antal slidser 2 pr.

modstand: 250 c) bredde af slidser 2: 5 jx d) relativ variation af temperaturkoefficient: - 5 x 10~ e) relativ stabilitet af

modstanden: - 20 x 20 ^/år med et tab på 0,3 W

For at fremstille modstande med de ovennævnte data er der blevet anvendt en plade 1 af nikkel-krom med en modstandsværdi af 2 0,5 ohm/cm .

Den elektrolytiske behandling blev udført under følgende betingelser: a) spændingsforskel mellem anode 1 og katode 12: 3,8 volt 2 b) gennemsnitlig strømtæthed: 0,5 A/cm

Af ét hundrede modstande, der var fremstillet på denne måde, var over 95% i overensstemmelse med de ovenfor angivne data.

Et udførelseseksempel på et apparat til udøvelse af den ovenfor beskrevne fremgangsmåde skal nu omtales.

147957 ίο

Det i fig. 3 viste udførelseseksempel på apparatet omfatter en. elektrolytisk celle 10, hvori den metalplade 1, der skal ætses, er fastgjort til sin isolerende bærer 4 og udgør anoden. Katoden, der er anbragt over for pladen 1, består af en ledende plade 12, hvorigennem der strækker sig et antal kanaler 18, hvis akser ligger vinkelret på overfladen af pladen 1.

Apparatet omfatter yderligere organer til i cellen 10 at frembringe en strøm af elektrolyt 11, der flyder gennem de nævnte kanaler 18 og er rettet imod pladen 1. Disse organer omfatter en pumpe 19, som ved den ene side gennem en elektrolytbeholder 20 er forbundet med cellen 10 og ved den anden side med et rum 21, som ligger ved siden af cellen 10 og afgiver væske til denne gennem kanalerne 18 i den ledende plade - katoden - 12.

I det viste udførelseseksempel er den ledende plade 12 krum i tværsnit, idet den konvekse side vender imod metalpladen 1.

Herved forhindres eventuelle forstyrrelser, som ellers kunne afbøje strømmen af elektrolyt 11.

Med fordel udgøres materialet i væggene i cellen 10, elektro-lytbeholderen 20, rummet 21 og de ledninger, der forbinder pumpen 19 med beholderen 20 og med rummet 21, af et formstofmateriale af en art, som ikke angribes af den den anvendte elektrolyt 11.

Det er også en fordel at pladen 12, der udgør katoden, er fremstillet af rustfrit stål, så at den ikke bliver beskadiget af elektrolytten 11.

Den elektriske strømgenerator 22, der er forbundet med den ledende plade 12 og metalpladen 1, kan udgøres af et tørelement, en akkumulator, eller en hvilken som helst anden jævnstrømkilde, der er i stand til at levere strøm under en spænding på mellem 3 og 5 volt.

Pladen 1 kan bestå af et hvilket som helst metal eller en hvilken som helst metallegering, som kan angribes elektrolytisk. Imidlertid foretrækkes legeringer på basis af nikkel og krom på grund af deres forholdsvis høje resistivitet.

Der kan også anvendes andre elektrolytter end den ovenfor omtalte, som f.eks. opløsninger af svovlsyre eller saltsyre med ledningsevner svarende til den ovenfor angivne blanding.

Det vil også kunne indses, at metalpladen 1 let kan erstattes af en metalhinde, som aflejres på bæreren 4 på passende måde, f.eks. ved elektro-aflejring, påsprøjtning med en plasmastråle, vakuumfordampning og lignende.

Claims (2)

147957 Patentkrav.

1. Fremgangsmåde til fremstilling af elektriske modstandselementer ud fra et på et isolerende underlag anbragt tyndt modstandslegeme (1) af metal eller metal-legering, hvor der på modstandslegemet anbringes et eller en med åbninger eller gennemgående slidser udformet isolerede dæklag eller maske (6), så at det under disse åbninger eller slidser beliggende modstandsmateriale fjernes under påvirkning af en elektrolyt (11), kendetegnet ved følgende trin: a) på en tynd modstandsmaterialefolie (1) påføres et godt ledende lag (14) og over dette et klæbelag (5), hvormed den fastgøres til en isolerende midlertidig bærer (4), b) på den tynde modstandsmaterialefolie (1) anbringes den af isolerende materiale bestående maske (6), hvorpå det således fremkomne aggregat (1, 14, 5, 4, 6. fig. 2) anbringes i en med elektrolytten (11 i fig. 3) fyldt beholder (10), c) efter påtrykning af en elektrisk jævnspænding på nogle få volt mellem den tynde modstandsmaterialefolie (1) og en med kanaler (18) forsynet ledende · plade (12) pumpes med en hastighed af mellem 70 og 100 cm/sek. en strøm af elektrolytten (11) gennem kanalerne imod den tynde»modstandsmaterialefolie (1), d) efter ætsning af modstandsmønsteret fjernes den midlertidige bærer (4) sammen med klæbelaget (5), e) på den ætsede tynde modstandsmaterialefolie (1) tilhørende det heraf og af det godt ledende lag (14) bestående rest-aggregat anbringes et isolerende overtræk (15) til forbindelse med det endelige isolerende bærelegeme (16 i fig. 6), og f) det godt ledende lag (14) fjernes ved kemisk eller elektrokemisk behandling, og i dets sted påføres et yderligere isolerende overtræk (17 i fig. 7).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den elektrolytiske behandling udføres med en spæn-