SE438942B - Elektrisk resistor, forfarande for framstellning av resistorn, samt resistormaterial for framstellning av resistorn - Google Patents

Description

7909500-6 Eftersom det finns behov av elektriska resistorer med låg resistans liksom ett vidsträckt intervall av resistansvärden är det önskvärt att man kan erhålla emaljresistormaterial med egenskaper som möjliggör framställning av sådana resistorer och även ger låga resistansvärden. Det är emellertid även önskvärt att dessa resistormaterial har låg resistanstempera- turkoefficient så att resistorerna blir förhållandevis stabila i förhållande till förändringar av temperaturen. Tidigare har resistormaterial med sådana egenskaper i allmänhet utnyttjat ädelmetaller såsom levande partiklar och därför varit för- hållandevis dyrbara.

Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett nytt resistormaterial samt resistorer fram- ställda därav. ' Det är ett annat ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett nytt emaljresistormaterial och en resistor framställd därav.

Det är ytterligare ett ändamål med uppfinningen att åstad- komma ett emaljresistormaterial som ger resistorer med låga resistansvärden liksom ett vidsträckt intervall av resistans- värden och förhållandevis låg resistanstemperaturkoefficient.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att åstad- komma ett emaljresistormaterial som ger resistorer med låga resistansvärden liksom ett vidsträckt intervall av resistans- värden samt förhållandevis låg resistanstemperaturkoefficient, vilket material är förhållandevis prisbilligt och kombiner- bart med prisbilliga anslutningar av koppar och högstabil nickel.

Andra ändamål med uppfinningen framgår av det följande.

Dessa ändamål åstadkommes med ett resistormaterial innefattan- de en blandning av en glasfritta och en ledande fas som ut- göres av finfördelade partiklar av tantalnitrid (Ta2N). Den 79095 00-6 ledande fasen i resistormaterialet kan även innefatta finför- delade partiklar valda från bor, nickel, kisel, tantal, zirkoniumdíoxid (ZrO2) och magnesiumzirkonat (MgZrO3).i en mängd av upp till cirka 100 viktprocent av mängden tantal- nitrid-partiklar (Ta2N). Även om resistorer har framställts av tantalnitrid (TaN) och tantal såsom beskrives i ameri- kanska patentskriften 3,394,087 är sådana resistorer icke kombinerbara med nickelanslutningar som kräves för att ge stabilitet vid bränning vid hög temperatur.

Uppfinningen avser sålunda en elektrisk resistor innefattande ett keramiskt substrat samt ett resistormaterial på ytan av substratet och kännetecknas av att resistormaterialet inne- fattar en film av glas innehållande partiklar av tantalnitrid Ta2N inbäddade i och fördelade inom hela glaset. Uppfinningen avser även framställning av resistorn och ett resistormaterial för framställning av denna.

Ritningsfiguren är en sektion genom en del av en resistor framställd med resistormaterialet enligt uppfinningen.

Allmänt innefattar emaljresistormaterialet enligt uppfinnin- gen en blandning av en vitrös glasfritta och en ledande fas av fina partiklar av tantalnitrid (Ta2N). Tantalnitriden (Ta2N) ingår i resistormaterialet i en mängd av cirka 29 till cirka 78 viktprocent. Den ledande fasen i resistormate- rialet kan även innefatta såsom tillsatser bor, nickel, kisel, tantal, zirkoniumdioxid (ZrO2) eller magnesiumzirkonat (MgZr05) i en mängd av upp till cirka 100 viktprocent av mängden tantalnitrid-partiklar (Ta2N). Var och en av dessa tillsatser ökar generellt skiktresistiviteten (sheet resis- tivity) hos resistormaterialet.

Den använda glasfrittan kan utgöras av någon välkänd komposi- tion som användes för framställning av vitrösa emaljresistor- kompositioner och som har en smältpunkt under smältpunkten för tantalnitrid (Ta2N). Det har emellertid visat sig lämpligt 79095 00-6 att använda en borsilikatfritta och i synnerhet.en alkalisk jordartsmetall-borsilikatfritta, exempelvis barium-, magne- sium- eller kalciumborsilikatfritta. Framställningen av så- dana frittor är välkända och innefattar exempelvis samman- smältning av beståndsdelarna av glaset i form av oxider av beståndsdelarna och tappning av den smälta kompositionen i vatten till bildning av frittan. Mängens beståndsdelar kan givetvis även utgöras av godtyckliga föreningar som ger de önskade oxiderna under de vanliga betingelserna för framställ- ning av frittan. Boroxid kan exempelvis erhållas från bor- syran, kiseldioxid kan erhållas från flinta, bariumoxid kan erhållas från baríumkarbonat, etc. Den grova frittan males företrädesvis i en kulkvarn med vatten för minskning av par- tikelstorleken hos frittan och för erhållande av en fritta med i huvudsak likformig storlek.

Tantalnitrid (Ta2N) kan erhållas kommersiellt eller framstäl- las genom att man inför pulver av elementär tantal i ett eld- fast skepp och värmebehandlar i kvävgasatmosfär upp till en maxímitemperatur inom intervallet 600 - l0O0°C under l timmes cykeltid.

Resistormaterialet enligt uppfinningen framställes företrä- desvis genom sammanblandning av glasfrittan och partiklarna av tantalnitrid (Ta2N) i lämpliga proportioner. Eventuella tillsatsmateríal, om sådana användes, tillsättas även till blandningen. Blandningen_genomföres lämpligen genom kulmal- ning av beståndsdelarna i ett organiskt medium, exempelvis butylkarbitolacetat.

För framställning av en resistor med resistormaterialet enligt uppfinningen påföres resistormaterialet med likformig tjock- lek på ytan av ett substrat till vilket anslutningar, exempel- vis koppar- eller nickel-tjockfilmanslutningar duktryckts och bränts. Substratet kan utgöras av en kropp av godtyckligt material som kan motstå bränningstemperaturen för resistor- materialet. Substratet utgöres i allmänhet av en kropp av 79095 00-6 isolerande material, exempelvis keramiskt material, glas, porslin, steatit, bariumtitanat eller aluminiumoxid. Resistor- materialet kan påföras på substratet genom pensling, doppning, sprutning eller dukstencilpåföring. Substratet med resistor- materialbeläggningen brännes därefter i en konventionell ugn vid en temperatur vid vilken glasfrittan smälter. Resistor- materialet brännes företrädesvis i inert atmosfär, exempelvis argon, helium eller kväve. Den bränningstemperatur som använ- des beror på smältningstemperaturen för den speciella glas- fritta som användes. När substratet och resistormaterialet kyles hårdnar den vitrösa emaljen och binder motståndsmateria- let till substratet.

Såsom visas på ritningsfiguren innefattar en resistor lO en- ligt uppfinningen ett keramiskt substrat 12 på vars yta finnes ett par med mellanrum anordnade anslutningsskikt lä av ett an- slutningsmaterial,_samt ett skikt av resistormaterial enligt uppfinningen som är belagt och bränt på underlaget. Resistor- materialskiktet 20 innefattar en film av glas 16 innehållande de finfördelade partiklarna 22 av tantalnitrid (Ta2N) och eventuella använda tillsatser som är inbäddade i och fördelade i hela glaset.

I det följande anges exempel som åskådliggör vissa föredragna detaljer av uppfinningen, men dessa är icke avsedda att be- gränsa uppfinningens omfång.

Exempel l Tantalnitrid-partiklar (Ta2N), framställdes genom upphettning av tantal-partiklar i kvävgasatmosfär (NE) till en maximi- temperatur av 900°C under en cykeltid av l timme. Tantal- partiklarna var tillverkade av NCR, Inc., Newton, Massachusetts Afs och betecknade Ûgrade SGQ-2". Satser av ett resistor- material framställdes genom sammanblandning och kulmalning under 72 timmars tid av pulverformiga tantalnitrid-partiklar (Ta2N) och en glasfritta med en sammansättning i viktprocent _ ,,_ ,. . .___...-..___.__-~v-- -.-wfl-w--u-p-s- 7909500-6 av M2% bariumoxid (Ba0), 2Ä% boroxidi(B2O3) och 3H% kisel- dioxid (SiO2). Varje sats innehöll en olika mängd tantal så- som anges i tabell I. Var och en av satserna kulmaldes i butylkarbitolacetat.

Efter avlägsnandet av den flytande bäraren från varje sats blandades den återstående blandningen med en duktrycksbärare innehållande, räknat på vikten, 2% etyl-cellulosa, 98% Texanol esteralkohol, om icke annat anges. De erhållna re- sistormaterialen duktrycktes därefter på keramiska substrat på vilkas yta var med inbördes avstånd anordnade anslutnings- organ av kopparglas (copper glaze) betecknat ESL 2310 från Electro Science Laboratories, Inc., Pennsauken, New Jersey, Afs som i förväg påförts och bränts vid 950°C. Efter torkning vid 15000 under 10 - 15 minuters tid brändes de belagda substraten därefter i en transportösngn vid 100000 med 1/2 timmes cykeltid i kvävgasatmosfär. De erhållna resistorerna uppmättes beträffande resistansvärden och provades beträffande resistanstemperaturkoefficient. Resultaten av dessa provningar anges i tabell I varvid varje resultat är medelvärdet som er- hållits vid provning av ett flertal resistorer i varje sats. 7909500-6 7 TABELL I Ledande fas (volym %) 7,5 10 29 Tantalnitrid (vikt %) 29* 36** 56 Resistans (Ohm/kvadrat) 9ooo 3200 H200 Resistanstempera- turkoefficient (millíondelar, PPM/°C) +15o°c Bau -117 ;95 _5500 383 -138 i7Ä * duktryckbärare, räknat på vikten, 39% butyl- metakrylat och 61% butylkarbitolacecat. ** tantal-partiklar med kvalitetsbeteckningen grade SGV-U användes.

Exempel II Satser av resístormaterial framställdes på samma sätt som be- skrives i exempel I med undantag av att de innehöll de mäng- der av tantalnitrid (Ta2N), som visas i tabell II, samt att tantalnitríd-partiklarna framställts genom nitrering av tantal- pulver vid 700, 800 och 90000. Resistorerna framställdes av satserna av resistormaterial på samma sätt som beskrives i exempel I med undantag av att duktryck-bäraren innehöll, i viktprocent, 39% bntylmetakrylat och 61% butylkarbitolacetat.

Resultaten av provningen av resistorerna anges i tabell II. 7909500-6 8 TABELL II ledande fas (volym %) 8 8 7,5 tantalnitrid (vikt %) 30* 30* 29 nitrešingstempera- tur ( C) 700 800 900 resistans (ohm/kvardrat) 28,000 U,600 9,000 resistanstemperatur- koef_'cient (PPMI C) æ15o°c -1283 350 32u -55°c -2555 1:60 385 * Resistorn_glasyrbränd vid 105000.

Exempel III Satser av resistormaterial framställdes på det i exempel I beskrivna sättet med undantag av att de innehöll de mängder av tantalnitrid som anges i tabell III och att tantalnitrid- partiklarna framställdes genom nitrering av tantalpulver av kvaliteten SGV>ü vid 600, 900 och 100000. Restistorer fram- ställdes av satserna av resistormaterial på samma sätt som an- ges i exempel I. Resultaten av provning av resistorerna anges i tabell III: TABELL III ledande fas (volym %) l0f l0 10,5* tantalnitrid (Ta2N) (vikt %) 55 35 37 nitreríngstem-O peratur ( C) ' 600 900 1000 resistans (ohm/kvadrat) É>l0M 3200 930 7909500-6 resistanstemperatur~ koefficient (PPM/°c> +15o°c - -117 608 -55°c - -138 702 * Duktrycksbärare, i viktprocent, 39% butyl- metakrylat och 61% butylkarbitolacetat.

Exempel IV Satser av resistormaterial framställdes med användning av tantalpartiklarna av kvalitet SGV-4 för bildning av partiklar av tantalnitrid (Ta2N) på samma sätt som beskrives i exempel I, med undantag av att partiklarna av bor införlivades med glasfrittan och tantalnitrid-partiklarna i den mängd som an- ges i tabell IV samt att glasfrittan hade sammansättningen, i viktprocent, 2,2% kalciumoxid (CaO), l0,Ä% magnesiumoxid (MgO), 1U,4% aluminíumoxid (Al203), 29% boroxid (B203) och ü4% kiseldioxid (SiO2). Resistorer framställdes av resistor- materialen på det sätt som anges i exempel I. Resistorerna underkastades även belastningsfri provning vid 17500. Resul- taten av provningen av resistorerna anges i tabell IV. 7909500-6 10 TABELL'IV ledande fas (volym %) 20 tantalnitrid (Ta N) sv bor (vika %) 1,6 resistans (ohm/kvadrat) 3500 resistanstemperatur- * koeffšcient (PPM/ C) +15o°c ;22 -5s°c 153 175°c, ingen belastning (no load) (resistans- ändring, %) 24 h ,4 350 h 1,1 20,5 58 1,6 EÄOO -117 21 59 1,5_ sed 63 76 1,1 3,7 22 61 1,5 580 57 73 1,1 3,9 25 63 l,Ä '1oo 120 156 ,5 27 65 l,H H0 137 152 BO 69 1,5 28 165 160 Exempel V Satser av resistormaterial framställdes med användning av tantal-partiklar av kvaliten SGQ-2 för bildning av tantal- nítrid-partiklar (Ta2N), på samma sätt som anges i exempel IV vilka innehöll de mängder tantalnitrid och bor som anges i tabell V, varvid anslutningarna på vissa av substraten var utförda av nickelglasyr med benämningen CERMALLOY Ni 7328 från Bala Electronics Corp., West Conshohocken, Pennsylvania, A.f.s., som brändes vid 100000. Resistorer framställdes av satser av resístormaterial på samma sätt som beskrives i exempel I och resultaten av provningarna av resistorerna an- ges i tabell V. 7909500-6 ll TABELL V ledande fas (volym %) HO HO tantalnitrid (Ta N) mät m ve va* bor (Vikt %) 1,1 1,1 resistans (ohm/kvadrat) ll 8 temperatur- koeffioient, resistans (PPM/°c) +15o°c 159 157 -55°c 187 186 * Anslutning med nickelglasyr.

Exempel VI Satser av resistormaterial framställdes med användning av tantal-partiklar av kvaliten SGV-4 till bildning av tantal- nítrid-partiklar (Ta2N), på samma sätt som beskríves i exem- pel V, med undantag av att de innehöll tantalnitrid och bor i de mängder som anges i tabell VI. Resistorer framställdes av resistormaterialen på det sätt som anges i exempel I.

Resultaten av provning av resistorerna anges i tabell VI. 7909500-6 12 TABELLÉVI ledande fas (volym %) 20 20 20 20 tantalnitrid (Ta N) (višt %> 57 57* 57 57 bor (Vikt %) 0 l 1,6 2,5 resistans (ohm/kvadrat) l0M #800 N700 6100 temperatur- koefficient, resistans (PPM/WB) +15o°c - -341 -126 -253 -55°c - -183 -83 -216 * Anslutningar framställda av CERMALLOY Ni 7328, nickelglasyr.

Exempel VII Satser av resistormaterial framställdes med användning av tantal-partiklar av kvaliten SGV-H till bildning av tantal~ nitrid-partiklar (Ta2N), på samma sätt som anges i exempel I med undantag av att partiklar valda från tantal, nickel, kisel, zirkoniumoxid (ZrO2) och magnesíumzirkonat (MgZr03) införlivades i glasfrittan och partiklarna av tantalnitrid (Ta2N), i den mängd som anges i tabell VII. Resistorer fram- ställdes av resistormateríalen på det sätt som anges i exempel I. Resultaten av provningar av resistorerna anges i tabell VII. 13 TABELL VII 790950Û~6 ledande fas (volym %) tantal- nitrid (Ta2N) (vikt %) tantal (vikt %) - nickel (vikt %) - kisel (vikt %) zirkoniumoxid (ZrO ) (vikê z) - magnesium- zirkonat (Mgzro ) - (vikt ä) ' resistans (ohm/kvad- rat) 10,5 36* 0,7 10k resistansens temperatur- koefficient (PPM/°c) +15o°c -55°c 430 522 10,5 3300 560 H02 18 32* 6700 -159 -119 2o ao 28* šfl 28 20 0,3 - 390 2700 178 133 209 188 25 39 22 360 220 3H2 12 Egil* 11 5800 _78 -130 12 39* 11 5100 -12U -2lU * Duktrycksbärare, i viktprocent, 39% butylmetakrylat och 61% butylkarbitolacetat.

** Resistorglasyren brändes vid 105000.

Av exemplen i det föregående framgår effekterna på de elekt- riska egenskaperna hos resistorer enligt uppfinningen av variationer av sammansättningen av resistormaterialet och för- farandet för framställningen av resistorerna. Exemplenl, II och III visar effekterna av variationer av förhållandet mellan mängden ledande fas av tantalnitríd (Ta2N) och glasfrittan, under det at exemplen II och III även visar effekten av 7909500'6 lä nitreringstemperaturen som användes vid framställning av tantalnitrid-partiklarna (Ta2N). Exemplen IV, V och VI visar effekterna av tillsats av bor till den ledande fasen och exempel VII visar effekten av tillsatser av tantal, nickel, kisel, zirkoniumoxid (ZrO2) och magnesiumzirkonat (MgZrO5).

Effekterna av användning av anslutningsorgan för resistorerna av koppar och nickelglasyr-kompositioner visas även, i synnerhet i exemplen V och VI, och samtliga exempel visar den förhållandevis höga stabilitet som erhålles med resi- storer med koppar- och nickel-anslutningsorgan. Stabiliteten hos resistorerna visas även av temperaturkoefficienten för resistansen som ligger inom cirka 3300 milliondelar per OC, samt temperaturkoefficienterna för resistansen som hålles inom cirka 3200 milliondelar per OC för tantalnitrid-partik- lar (Ta2N) med vissa tillsatspartiklar. Förändringar av resistansen ( R) under belastningsfri provning under upp till 360 timmars tid vid 17500 visas i exempel IV och var så låga som 0,5% och mindre än 4%. Tabellerna visar även det vid- sträckta intervallet för reistivitetsvärden och låga resi- stivitetsvärden som erhållas enligt uppfinningen varierande från cirka 8 ohm/kvadrat till cirka 9000 ohm/kvadrat med bi- behållande av hög stabilitet. Resistorer enligt uppfinningen kan sålunda framställas av prisbilligt material och ge varie- rande resistiviteter med hög temperaturstabilitet och sam- tidigt tillåta användning av anslutningsorgan av prisbilliga material av koppar och nickel.

Det framgår sålunda att de ändamål som angivits i det före- gående effektivt uppfyllas. Beskrivningen i det föregående är emellertid endast avsedd att åskådliggöra uppfinningen utan att begränsa dennas omfång. ïeoea Qvzitïëg

Claims (10)

7909500-6 15 PATENTKRAV

1. Elektrisk resistor innefattande ett keramiskt substrat samt ett resistormaterial på ytan av substratet, k ä n n e t e c k n a d därav, att resistormaterialet inne- fattar en film av glas innehållande partiklar av tantalnitrid Ta2N inbäddade i och fördelade inom hela glaset.

2. Elektrisk resistor enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d därav, att resistormaterialet innehåller ca 29 till 78 viktprocent tantalnitrid.

3. Elektrisk resistor enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att resistormaterialet även innefattar tillsatsmedelspartiklar inbäddade i och fördelade inom hela glasfilmen, varvid tillsatsmedelspartiklarna är valda från gruppen bestående av bor, tantal, kisel, zirkonium- dioxid ZrO2 tillsatsmedelspartiklar företrädesvis är upp till ca 100 vikt- samt magnesiumzirkonat MgZrO3, varvid mängden procent av mängden tantalnitrid.

4. Förfarande för framställning av en elektrisk resistor, k ä n n e t e d k n a t därav, att man sammanblandar en glasfritta av partiklar bestående väsentligen av tantalnitrid Ta2N, belägger blandningen på ytan av ett substrat av ett elektriskt isolerande material, bränner det belagda substratet i en väsentligen inert atmosfär vid en temperatur, vid vilken glasfrittan smälter, och kyler det belagda substratet.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k - n a t därav, att blandningen innehåller ca 29 till 78 vikt- procent tantalnitrid.

6. Förfarande enligt patentkrav 4 eller 5, k ä n n e - 7909500-6 16 t e c k n a t därav, att man även införlivar ett tillsatsmaterial valt från gruppen bestående av bor, tantal, kisel, zirkoniumdioxid ZrO2 och magnesiumzirkonat MgZrO3, belägger blandningen på ytan av ett substrat av ett elektriskt isolerande material, bränner det belagda substratet i en väsentligen inert atmosfär vid en temperatur, vid vilken glasfrittan smälter, och därefter kyler det belagda substratet, varvid mängden tillsatsmedelspartiklar företrädesvis är upp till ca 100 viktprocent av mängden tantalnitrid.

7. Förfarande enligt något av patentkraven 4-6, k ä n - -n e t' e c k n a t därav, att man införlivar partiklar av tan- talnitrid Ta2N framställda genom värmebehandling av tantalpar- -tiklar i kväveatmosfär, företrädesvis genom upphettning till en maximitemperatur inom området 600-l000°C under en entimmes- cykel.

8. Resistormaterial för framställning av en elektrisk resistor enligt något av patentkraven l-3 bestående väsent- ligen av en blandning av en glasfritta och partiklar av tantalnitrid, Ta2N.

9. Resistormaterial enligt patentkrav 8, k ä n n e - t e c k n a t därav, att tantalnitriden närvarar i en mängd av ca 29-78 viktprocent.

10. Resistormaterial enligt patentkrav 8 eller 9 inne- fattande en blandning av glasfritta och partiklar av tantal- nitrid, Ta2N, k ä n n e t e c k n a t därav, att materialet även innefattar tillsatsmedelspartiklar valda från gruppen bestående av bor, tantal, kisel, zirkoniumdioxid ZrO2 och magnesiumzirkonat MgZrO3, vari mängden tillsatspartiklar före- trädesvis närvarar i en mängd av upp till ca 100 viktprocent av mängden tantalnitridpartiklar.