Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Ein Verfahren zur Herstellung von Widerstandselementen in Dickschichttechnik mit glatter Oberfläche ist aus der Zeitschrift "Elektronik" 10/84, Seite 104 als "Leitplastikpressverfahren" bekannt. Darin werden zunächst Widerstands- und Leitungsbahnen auf Harzbasis auf einen hochglanzpolierten Stempel aufgebracht, der anschliessend in einem Presswerkzeug unter hohem Druck und erhöhter Temperatur mit glasfaser-verstärktem Pressmaterial auf Harzbasis verpresst. Das Verfahren liefert hochglatte Oberflächen, ist jedoch auf den Fall beschränkt, dass sowohl die auf dem Stempel aufgebrachte Schichtanordnung als auch das Pressmaterial auf Harzbasis aufgebaut sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verschleissfeste Widerstandselemente mit glatter und harter Oberfläche preiswert herzustellen, welche auch bei hohen Temperaturen bis zu 800 DEG C einsetzbar sind, insbesondere als Kraft- und Drucksensoren.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäss hergestellten Widerstandselemente zeichnen sich durch eine sehr glatte und harte Oberfläche sowie hohe Temperaturfestigkeit aus. Die Oberfläche weist weder vom Siebdruck herrührende Maschenstrukturen noch durch den additiven Schichtaufbau bedingte Unebenheiten auf. Durch eine hohe Abriebfestigkeit der sehr harten Oberfläche sind die Widerstandselemente insbesondere für Potentiometer geeignet. Eine aufwendige Nachbehandlung zur Erzeugung einer glatten Oberfläche entfällt. Statt dessen muss lediglich einmalig eine dann für beliebig viele Herstellungsdurchläufe wiederverwendbare Druckunterlage glattgeschliffen werden. Eine Vielzahl von geometrischen Ausgestaltungen ist möglich.
So kann durch die entsprechende Gestaltung des Presswerkzeuges eine beliebige äussere Form realisiert werden, wie beispielsweise die Form einer Unterlegscheibe, d.h. mit Mittenaussparung, oder eine Stabform. Die Dickschichttechnik erlaubt auch, bei fester äusserer Form der Widerstandselemente nur die Oberflächenaufteilung variabel zu gestalten. So könnte bei einem beispielsweise scheibenförmigen Widerstandselement die Widerstandsschicht wahlweise parallel zum Scheitelrand verlaufen oder wie mäanderförmig gestaltet werden. Erfindungsgemäss hergestellte Widerstandselemente sind ferner aufgrund ihrer, infolge der glatten Oberfläche, sehr guten Oberflächenpressungseigenschaften und ihrer geringen Temperaturempfindlichkeit gut geeignet als Kraft- oder Drucksensoren.
Zeichnung
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches in der sich anschliessenden Beschreibung näher erläutert wird.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die mit einer Trennmittelschicht benützte Druckunterlage,
Fig. 2 die Druckunterlage mit Trennmittelschicht und Schichtanordnung vor dem Verpressen,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Presswerkzeug mit eingelegter Schichtanordnung,
Fig. 4 einen Schnitt durch den bei der Pressung entstehenden fertigen Pressling.
Erläuterung des Ausführungsbeispiels
In einem vorbereitenden Verfahrensschritt wird die Oberfläche 2 einer Druckunterlage 1 aus Stahl oder keramischem Werkstoff, sofern notwendig, glattgeschliffen und/oder hochglanzpoliert. Die Druckunterlage 1 kann auch in Form einer Polyesterfolie vorliegen. Die eingestellte Oberflächenrauhigkeit wird als Negativabdruck auf die spätere Widerstandsoberfläche abgebildet. Die Glättung der Druckunterlagenoberfläche 2 muss, um eine für die Widerstandsoberfläche 30 gewünschte Qualität aufzuweisen, mit einer entsprechenden Sorgfalt durchgeführt werden.
Die glattpolierte Oberfläche 2 der Druckunterlage 1 wird im ersten Verfahrensschritt, Fig. 1, zweckmässig ganzflächig mit einer Trennmittelschicht 11 benetzt. Ein geeignetes Trennmittel ist z.B. Siliconöl. Dieser Schritt kann entfallen, wenn für die nachfolgenden Schichten 12 bis 14 Pasten bzw. Material verwendet wird, denen ein Trennmittel 11 bereits beigemischt wurde. Eine Trennmittelschicht ist ebenfalls dann nicht erforderlich, wenn für die Druckunterlage 1 Materialien eingesetzt werden, welche keine feste Haftverbindung mit der Schichtanordnung eingehen, wie einige keramische Materialien, beispielsweise TiN.
Im zweiten Verfahrensschritt, Fig. 2, wird auf die, im allgemeinen mit einer Trennmittelschicht 11 versehene, Druckunterlage 1 durch Siebdruck eine Widerstandsschicht 12 aus Cermet (Ceramik-Metall-Mischung) aufgebracht, welche die Widerstandsbahn(en) bildet. Aufgebracht wird das Spiegelbild der für das Widerstandselement gewünschten Struktur, das insbesondere aus mehreren Widerstandsbahnen bestehen kann. Als Ausgangsmaterial für den Widerstand können handelsübliche Pasten verwendet werden, wie sie beispielsweise bei der Firma DU PONT, Frankfurt erhältlich sind. Die Dicke der Schicht beträgt zweckmässig 20-25 mu m, kann aber auch deutlich von diesen Werten abweichen.
Beim Übergang zu grösseren Schichtdicken muss berücksichtigt werden, dass eine grössere Schichtdicke bei gleicher Breite der Widerstandsbahnen zu einem niedrigen Bahnwiderstand und dadurch zu einem kleineren Messsignal führt. Gegebenenfalls muss in diesem Fall zur Kompensation eine entsprechend höherohmige Paste eingesetzt werden. Entsprechend sind für kleinere Schichtdicken niederohmige und ausreichend feinkörnige Pasten zu verwenden.
Nach der Cermet-Widerstandsschicht 12 wird eine elektrisch leitfähige Schicht aus Silber-Palladium o.ä. (Gold, Platin) aufgetragen, welche die Leitungsbahnen 13 bildet. Im allgemeinen sollten jeweils mindestens zwei getrennte Leitungsbahnen 13 eine Widerstandsbahn 12 kontaktieren. Zweckmässig werden die Leitungsbahnen 13 entlang der Ränder der Cermet-Widerstandsbahnen 12 so aufgebracht, dass sie die Ränder überlappen. Die Dicke der leitfähigen Schicht 13 sollte wie die der Widerstandsschicht 12 ca. 20-25 mu m betragen, wodurch einerseits Porenfreiheit der Schicht gewährleistet ist, andererseits die Paste möglichst wirtschaftlich eingesetzt wird.
Für den dritten Verfahrensschritt, Fig. 3, ist ein Presswerkzeug 20 bis 22, bestehend aus Seitenteilen 21 und einer beweglichen, vorzugsweise parallel zu den Seitenteilen 21 verschiebbaren, Bodenteil 20, erforderlich. Das Oberflächenprofil der nach innen weisenden Fläche 22 des Presswerkzeuges 20 bis 22 wird als Negativabdruck auf die spätere Unterseite 31 des Widerstandselementes abgebildet. Die Oberfläche 22 des Bodenteils 20 sollte daher glatt geschliffen werden. Die anzustrebende Güte der Oberfläche 22 hinsichtlich Rauhtiefe richtet sich nach dem vorgesehenen Verwendungszweck des fertigen Widerstandselementes. Wird für die äussere Gestalt des Widerstandselementes eine Form mit Ausparungen gewünscht, wie z.B. die Form einer Unterlegscheibe mit Loch in der Mitte, muss das Presswerkzeug 20 bis 22 entsprechend gestaltet werden.
Das Presswerkzeug 20 bis 22 kann aus Stahl, Aluminium oder auch aus geeigneten keramischen Werkstoffen bestehen.
Zur Durchführung des dritten Verfahrensschrittes, Fig. 3, wird in das Presswerkzeug 20 bis 22 zunächst eine ungebrannte flexible Keramiksubstratfolie 14, erhältlich z.B. bei DUPONT, Handelsbezeichnung "Green Tape" 851 AT, gelegt. Danach wird die Druckunterlage 1 mit darauf befindlicher Schichtanordnung 11 bis 14 in das Presswerkzeug 20 bis 22 so eingesetzt, dass die Schichtanordnung der Keramikfolie 14 gegenüberliegt. Hierbei ist entscheidend, dass die Schichtanordnung 11 bis 13 beim nachfolgenden Pressvorgang auf die Keramikfolie zu liegen kommt. Es ist deshalb beispielsweise auch möglich, die Keramikfolie zunächst auf die Schichtanordnung zu legen und beide zusammen in das Presswerkzeug zu laden. Die Schichtanordnung 11 bis 14 wird anschliessend durch von aussen aufgebrachten Druck auf die Druckunterlage 1 und/oder das Bodenteil 20 mit der Keramikfolie 14 verpresst.
Der Druck sollte wenigstens 25 N/m<2> betragen, zweckmässig sind 30 N/m<2>. Auch wesentlich grössere Drücke sind möglich, liefern aber gegenüber dem empfohlenen Druck kein verbessertes Resultat. Der Pressvorgang muss, um die Keramikfolie plastisch verformbar zu machen, bei einer erhöhten Temperatur von 120 DEG C bis 200 DEG C, vorzugsweise bei 150 DEG C, erfolgen.
Nach Beendigung des Pressvorgangs wird der darin erzeugte Pressling, Fig. 4, von der Druckunterlage gelöst und in einem Ofen gebrannt. Die Brenntemperatur beträgt bei Verwendung von Standardmaterialien etwa 800 DEG C bis 900 DEG C, genaue Temperatur und Dauer des Einbrands richten sich nach der verwendeten Keramikfolie und der jeweils individuell vorhandenen Ofenanlage. Wird als Druckunterlage eine Polyesterfolie verwendet, kann auf das Ablösen des Presseingangs von der Druckunterlage verzichtet werden. Die Polyesterfolie verbrennt beim Einbrand rückstandsfrei.
Das fertige Widerstandselement besitzt eine sehr glatte und harte Oberfläche 30 sowie eine ebenfalls glatte und zur Oberfläche vollkommenen parallele Unterseite 31. Ohne Mühe kann eine mittlere Rauhtiefe der Oberfläche 30 von < 1 mu m erzielt werden. Eine Nachbehandlung ist nicht erforderlich.
Zur Kostenreduzierung ist es sinnvoll, auf einer Druckunterlage mehrere Widerstandselemente gleichzeitig aufzubringen. Der in einem Verfahrensablauf hergestellte Pressling wird anschliessend in die einzelnen Widerstandselemente zerteilt.
In einer weiteren Ausführung kann das Widerstandselement auch so beschaffen sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht nicht Teil der Oberfläche 30 ist. Die Kontaktierung erfolgt in diesem Fall von der Unterseite 31 des Widerstandselementes her.
In einer weiteren Anwendung kann das Widerstandselement als Drucksensor eingesetzt werden. Für diese Anwendung ist für die Widerstandsbahnen insbesondere eine mäandernde Form zweckmässig. Weiter empfiehlt es sich in diesem Fall, zunächst eine isolierende Schicht über die Trennmittelschicht 11 aufzubringen, bevor auf diese dann die Widerstands- und die leitfähige Schicht aufgebracht werden.
State of the art
The invention relates to a resistance element and a method for its production.
A method for producing resistance elements in thick-film technology with a smooth surface is known from the magazine "Electronics" 10/84, page 104 as the "conductive plastic press method". Resin and conductor tracks based on resin are first applied to a highly polished stamp, which is then pressed in a press tool under high pressure and elevated temperature using glass fiber-reinforced press material based on resin. The method provides highly smooth surfaces, but is limited to the case that both the layer arrangement applied to the stamp and the molding material are based on resin.
The invention has for its object to inexpensively manufacture wear-resistant resistance elements with a smooth and hard surface, which can also be used at high temperatures up to 800 ° C., in particular as force and pressure sensors.
Advantages of the invention
The resistance elements produced according to the invention are distinguished by a very smooth and hard surface and high temperature resistance. The surface shows neither mesh structures resulting from screen printing nor unevenness due to the additive layer structure. Due to the high abrasion resistance of the very hard surface, the resistance elements are particularly suitable for potentiometers. A complex after-treatment to produce a smooth surface is not necessary. Instead, a printing pad that can then be reused for any number of production runs only has to be sanded once. A variety of geometric configurations are possible.
Any external shape can be realized by the appropriate design of the pressing tool, such as the shape of a washer, i.e. with center recess, or a rod shape. The thick-film technology also allows only the surface division to be made variable with a fixed outer shape of the resistance elements. For example, in the case of a disk-shaped resistance element, the resistance layer could either run parallel to the vertex edge or be designed like a meandering shape. Resistance elements manufactured according to the invention are furthermore well suited as force or pressure sensors due to their very good surface pressure properties due to the smooth surface and their low temperature sensitivity.
drawing
The drawing shows an embodiment, which is explained in more detail in the subsequent description.
1 shows a section through the printing substrate used with a release agent layer,
2 the printing pad with release agent layer and layer arrangement before pressing,
3 shows a section through the pressing tool with an inserted layer arrangement,
Fig. 4 shows a section through the finished compact formed during pressing.
Explanation of the embodiment
In a preparatory process step, the surface 2 of a printing substrate 1 made of steel or ceramic material is, if necessary, ground and / or polished to a high gloss. The printing pad 1 can also be in the form of a polyester film. The set surface roughness is mapped as a negative impression on the later resistance surface. The smoothing of the printing surface 2 must be carried out with appropriate care in order to have a quality desired for the resistance surface 30.
In the first process step, FIG. 1, the smoothly polished surface 2 of the printing pad 1 is expediently wetted over the entire area with a release agent layer 11. A suitable release agent is e.g. Silicone oil. This step can be omitted if pastes or material to which a release agent 11 has already been added is used for the subsequent layers 12 to 14. A release agent layer is also not required if materials are used for the printing substrate 1 which do not form a firm adhesive bond with the layer arrangement, such as some ceramic materials, for example TiN.
In the second process step, FIG. 2, a resistance layer 12 made of cermet (ceramic-metal mixture), which forms the resistance path (s), is applied to the printing substrate 1, which is generally provided with a release agent layer 11, by screen printing. The mirror image of the structure desired for the resistance element is applied, which can in particular consist of several resistance tracks. Commercially available pastes can be used as the starting material for the resistor, such as are available, for example, from DU PONT, Frankfurt. The thickness of the layer is expediently 20-25 μm, but can also deviate significantly from these values.
When changing to larger layer thicknesses, it must be taken into account that a larger layer thickness with the same width of the resistance tracks leads to a low track resistance and thus to a smaller measurement signal. In this case, a correspondingly higher-impedance paste may have to be used in this case. Correspondingly, low-resistance and sufficiently fine-grained pastes should be used for smaller layer thicknesses.
After the cermet resistance layer 12, an electrically conductive layer made of silver-palladium or the like. (Gold, platinum) applied, which forms the conductor tracks 13. In general, at least two separate conductor tracks 13 should contact a resistance track 12. The conductor tracks 13 are expediently applied along the edges of the cermet resistance tracks 12 such that they overlap the edges. The thickness of the conductive layer 13, like that of the resistance layer 12, should be approximately 20-25 μm, which on the one hand ensures that the layer is free of pores, and on the other hand the paste is used as economically as possible.
For the third method step, FIG. 3, a pressing tool 20 to 22, consisting of side parts 21 and a movable, preferably parallel to the side parts 21, bottom part 20, is required. The surface profile of the inwardly facing surface 22 of the pressing tool 20 to 22 is imaged as a negative impression on the later underside 31 of the resistance element. The surface 22 of the bottom part 20 should therefore be ground smooth. The desired quality of surface 22 with respect to roughness depends on the intended use of the finished resistance element. If a shape with recesses is desired for the outer shape of the resistance element, e.g. the shape of a washer with a hole in the middle, the pressing tool 20 to 22 must be designed accordingly.
The pressing tool 20 to 22 can consist of steel, aluminum or also of suitable ceramic materials.
To carry out the third method step, FIG. 3, an unfired flexible ceramic substrate film 14, available e.g. at DUPONT, trade name "Green Tape" 851 AT. Thereafter, the printing pad 1 with the layer arrangement 11 to 14 located thereon is inserted into the pressing tool 20 to 22 in such a way that the layer arrangement lies opposite the ceramic film 14. It is crucial here that the layer arrangement 11 to 13 comes to rest on the ceramic film during the subsequent pressing process. It is therefore also possible, for example, to first place the ceramic film on the layer arrangement and to load both together into the pressing tool. The layer arrangement 11 to 14 is then pressed with the ceramic film 14 by pressure applied from the outside onto the printing pad 1 and / or the base part 20.
The pressure should be at least 25 N / m 2, 30 N / m 2 are expedient. Significantly higher pressures are also possible, but do not provide an improved result compared to the recommended pressure. In order to make the ceramic film plastically deformable, the pressing process must take place at an elevated temperature of from 120 ° C. to 200 ° C., preferably at 150 ° C.
After the pressing process has ended, the compact, FIG. 4, generated therein is detached from the printing pad and fired in an oven. When using standard materials, the firing temperature is around 800 ° C to 900 ° C, the exact temperature and duration of the burn-in depend on the ceramic film used and the individual furnace system. If a polyester film is used as the printing pad, it is not necessary to detach the press inlet from the printing pad. The polyester film burns without residue when burned in.
The finished resistance element has a very smooth and hard surface 30 as well as an equally smooth underside 31 which is completely parallel to the surface. An average roughness depth of the surface 30 of <1 .mu.m can be achieved without difficulty. Post-treatment is not necessary.
In order to reduce costs, it makes sense to apply several resistance elements simultaneously on one printing pad. The compact produced in a process sequence is then divided into the individual resistance elements.
In a further embodiment, the resistance element can also be designed such that the electrically conductive layer is not part of the surface 30. In this case, the contact is made from the underside 31 of the resistance element.
In another application, the resistance element can be used as a pressure sensor. For this application, a meandering shape is particularly expedient for the resistance tracks. In this case, it is further recommended to first apply an insulating layer over the release agent layer 11 before the resistive and conductive layers are then applied to it.