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Abschmelzmetallschichtwiderstand
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Zusammenfassung der Beschreibung Es handelt sich um einen Abschmelzmetallschichtwiderstand
(Schmelzsicherungsmetallschichtwiderstand), der eine Unterlage aus einem elektrisch
isolierenden Material und eine auf der Unterlage gebildete Widerstandsschicht enthält,
die aus Nickel, 4 bis 12 Gew.-% Phosphor und 0,05 bis 10 Gew.-6 mindestens eines
Zusatzmetalls aus der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut bestehenden Gruppe besteht,
und der einen konstanten und geringen lemperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist
und als Präzisionswiderstand bei normaler Belastung geeignet ist und leicht und
schnell bei einer abnormalen Überbelastung abschaltet, und zwar durch Abschmelzen
der Widerstandsschicht durch Selbsterwärmung aufgrund einer schnellen Widerstandsabnahme
bei einer hohen Temperatur.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Metallschichtwiderstand und
im
spezielleren auf einen Abschmelzmetallschichtwiderstand.
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Bisher wird ein Metallschichtwiderstand' wie z¢Be ein Nickel @@@@@@-S@@@@chtwiderstand
und ein Zlnnoxidschichtwiderstand, in großem Umfange in verschiedenen elektronischen
Geräten als Widerstand mit hoher Konstanz und Betriebszuverlässigkeit benutzt.
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Weil ein solcher Netallschichtwiderstand eine große Wärmebeständigkeit
hat, ist der Nachteil gegeben, daß, wenn er durch Selbsterwärmen bei Überbelastung
erwärmt wird, er nicht leicht unterbrochen wird bzw. abschaltet0 Daher kann ein
solcher zu hoch erwärmter widerstand ein Brennen umgebender brennbarer Materialien
hervorrufen oder eine elektronische Schaltung durch den dadurch gließenden Überstrom
zerstören.
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Seit letzter Zeit besteht ein großes Bedürfnis nach Sicherheit elektronischer
Vorrichtunger, und daher ist ein Widerstand sehr erwünscht, der bei normaler Belastung
ein hohes Leistungsvermägen und eine hohe Betriebssicherheit zeigt und leicht und
sofort bei anormaler bberlastung abschmilzt, wodurch ein Brand und die Zerstörung
einer elektronischen Schaltung vermieden werden.
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Bisher ist ein Abschmelzwiderstand, wie z.B. ein Schichtwiderstand,
auf dessen Oberfläche eine Schicht aus einem Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt
gebildet worden ist, entwickelt worden0 In diesem Fall schmilzt die Schicht bei
tiberstrom durch Selbsterwärmung des Widerstands und wird dann die Widerstandsschicht
in das geschmolzene Material hinein geschmolzen. Dann ist
der Widerstand
unterbrochen. Ein solcher üblicher Abschmelzwiderstand ist jedoch mit einigen Problemen
verbunden, weil er z,B, verhältnismäßig lange Abschmelzdauer erfordert und unkonstante
Abschmelzeigenschaften hat, wodurch manchmal der Schichtwiderstand nicht völlig
unterbrochen wird0 Ein anderes Problem ist ferner, daß bei der Herstellung eine
Verfahrensstufe zur Bildung einer Schicht aus dem Material mit niedrigem Schmelzpunkt
erforderlich ist, was mühsam ist und zu hohen Kosten führte Der Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Abschmelzmetallschichtwiderstand
zur Verfügung zu stellen, der durch Abschmelzen bei Überlastung leicht unterbrochen
wird.
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;Nach einer anderen Aufgabe der Erfindung soll ein Metall schichtwiderstand
geschaffen werden, der mit einem ausgezeichneten und konstanten Temperaturkoeffizienten
des Widerstands bei normaler Belastung arbeitet und bei Überlastung aufgrund der
sehr schnellen Selbsterwärmung sofort unterbrochen wird.
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Nach einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein Abschmelzzetallschichtwiderstand
geschaffen werden, der sich mit geringen Kosten leicht herstellen läßt.
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Zur Lösung dieser Aufgaben schlägt die Erfindung einen Abschmelzmetallschichtwiderstand
vor, der eine Unterlage aus einem elektrisch isolierenden Material und eine auf
dieser Unterlage gebildete
Widerstandsschicht enthält, wobei diese
Widerstandsschicht aus Nickel, 4 bis 12 Gew.% Phosphor und 0,05 bis io Gew.-% wenigstens
eines Metalls der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut bestehenden Gruppe besteht.
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In der nachfolgenden ausführlicheren Beschreibung und den dazugehörenden
Zeichnungen wird die Erfindung weiter erläutert. In den Zeichnungen ist die Figur
1 ein Querschnitt eines Abschmelzmetallschichtwiderstands der Erfindung, die Figur
2 ein Diagramm, das die Temperaturkennlinie des Widerstands eines Abschmelzmetallschichtwiderstands
der Erfindung zeigt, und die Figur 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Stärke der Überbelastung und der Abschmelzdauer eines Abschmelzmetallwiderstands
der Erfindung zeigt.
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Die Erfindung basiert auf der Feststellung, daß beim Fließen eines
Überstroms durch eine Widerstandsschicht mit besonderer Zusammensetzung das Selbsterwärmen
der Schicht sehr beschleunigt wird und daher diese praktisch sofort abschmilzt.
Ein Abschmelzmetall wider stand der Erfindung ist in dec Figur 1 dargestellt, worin
eine mit der Bezugssiffer 3 bezeichnete Widerstandsschicht auf einer isolierenden
Unterlage 2, die ein Stab oder ein Rohr ist, gebildet worden ist. Die Unterlage
2 besteht vorteilhafterweise aus Keramik oder Glas. Nach dem Anbringen von Kappen
4 an den beiden Enden der Unterlage und dem Verbinden von Leitungsdrähten
milt
den betreffenden Kappen wird das Ganze mit einer Schutzschicht 5 aus einem elektrisch
isolierenden Material, wie in der Figur 1 dargestellt ist, überzogen. Die Widerstandsschicht
3 ist eine Nickellegierungsschicht, die aus Nickel, 4 bis 12 Gew.-% Phosphor und
o,o5 bis lo Gew.-% mindestens eines Metalls der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut
bestehenden Gruppe besteht. Ähnlich wie beim üblichen Metallschichtwiderstand ist
die Widerstandsschicht 3 spiralenförmig eingekerbt, um so den gewünschten Widerstandswert
zu ergeben. Die Kappen 4 sind durch Preßsitz an der Unterlage befestigt und mit
der Widerstandsschicht 3 verbunden.
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Die vorstehend beschriebene Widerstandsschicht 3 des Abschmelz-;metallschichtwiderstands
der Erfindung hat eine emperatur/Widerstand-Charakteristik, wie sie in der Figur
2 angegeben ist. D.h.
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während eine Widerstandsänderung bei einem Temperaturkoeffizienten
innerhalb von + 50 ppm/°O in einem niedrigen Temperaturbereich reversibel ist, nimmt
der Widerstand in einem Temperaturbereich über einem bestimmten Punkt abrupt ab
und erreicht eine Mindeettemperatur von etwa 6oo0O. Bei etwa 9oo°C wird die Widerstandsschicht
abgeschmolzen und unterbrochen. Daher wird bei Überbelastung des Widerstands der
Erfindung die temperatur der Widerstandsschicht durch Selbsterwärmung erhöht und
wird das Erwärmen durch die Stromzunahme aufgrund der abrupten Abnahme des Widerstands
weiter beschleunigt. Dann steigt die Temperatur sehr schnell auf etwa 90000 und
wird die Widerstandsschicht abschmolzen und unterbrochen. Durch Versuche ist bestätigt
worden, daß zum Erhöhen der Temperatur auf etwa 9oo°C durch Selbsterwärmung, wie
vorstehend
beschrieben ist, das Verhältnis des Mindestwiderstands (Rmin) in einem höheren Temperaturbereich
zu dem Anfangswiderstand (R0), d.h. Rmin/RO, gering sein soll.
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Die Figur 3 zeigt die Beziehung zwischen dem vorstehend genannten
Verhältnis Rmin/Ro und der Abschmelzcharakteristik des Widerstands0 In der Figur
3 sind die Meßwerte der Abschmelzdauer bei Überbelastung für o,5-Watt-Widerstände
mit verschiedenen Verhältnissen Rmin/Ro angegeben. Wie der Figur 3 zu entnehmen
ist, wird der Widerstand bei Überbelastung in kurzerer Zeitdauer entsprechend der
Abnahme des Verhältnisses Rmin/Ro unterbrochen bzw. abgeschaltext.
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Die Widerstandsschicht der Erfindung wird vorzugsweise nach der Bildung
auf der Unterlage bei einer Temperatur von loo bis 3oo00 für eine kurze Zeitdauer
erwärmt. Durch diese Behandlung wird die Widerstandsschicht mit konstanten Widerstandskennwerten
und insbesondere mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands
versehen. Während die Widerstandsschicht, bei der die vorstehend angegebene Behandlung
nicht durchgeführt wurde, eine permanente Widerstandsänderung bei einer Temperatur
über 80°C erleidet, hat die so behandelte Widerstandsschicht einen konstanten Kennwert
mit reversibler Widerstandsänderung bifl herauf zu einer Temperatur, die der Wärmebehandlungstemperatur
entspricht, lund mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstands innerhalb Von
+ 50 ppm/°C. Oberhalb der betreffenden Temperatur nimmt der Widerstand abrupt ab
und findet das Abschmelzen statt.
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Obwohl eine der Figur 2 etwas ähnliche Charakteristik für eine Legierungsschicht,
wie z0B0 aus Ni-P und Ni-B, wegen eines verhältnismäßig geringen Abnahmegrads des
Widerstands in einem höheren Temperaturbereich teilweise bekannt sein mag, ist bisher
nicht die ausgezeichnete Abschmelzcharakteristik, wie sie bei dem Widerstandsmaterial
der Erfindung gegeben ist, erzielt worden.
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Weil ferner der Temperaturkoeffizient des Widerstands von einer solchen
konventionellen Legierungsschicht sehr groß ist und über +ioo ppm/OC liegt, kann
eine derartige Schicht nicht vorteilhaft als Präzisionsmetallschichtwiderstand benutzt
werden. Bei der Erfindung wird durch Zusatz von mindestens einem Metall von Fe,
Mn, Sn und Bi in einer bestimmten Menge zu einem Grundmaterial aus Ni-P eine Widerstandsschicht
erhalten, deren Widerstand bei einer hohen Temperatur außerordentlich stark abnimmt
und die eine ausgezeichnete Abschmelzcharakteristik und einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands hat.
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Die Widerstandsschicht der Erfindung wird, wie nachfolgend beschrieben
wird, durch stromloses Plattieren (Galvanisieren) gebildet. Die Badlösung enthält
ein Nickel salz, wie zOB Nickelsulfat oder Nickelchlorid, und als Zusatzmetallsalz
Eisensalz, wie z.B. Eisen-Il-sulfat oder Eisen-II-chlorid, Zinnsalz, wie z.B.
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Zinntetrachlorid, Mangansalz, wie zvB Manganchlorid, und Wismutsalz,
wie z.3. Natriumwismutat. Außerdem enthält die Badlösung einen Komplexbildner, wie
z.B. Natriumtartrat, Natriumkaliumtartrat oder Natriumcitrat, und gegebenenfalls
Borsäure als Puffer.
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Als Reduktionsmittel wird in der Lösung Natriumhypophosphit verwendet.
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Die Unterlage, deren Oberfläche zuvor aktiviert worden ist, wird in
die zum stromlosen Plattieren benutzte oben beschriebene Badlösung eingetaucht,
so daß sich auf der Oberfläche der Unterlage eine Phosphor und Zusatzmetall enthaltende
Nickelschicht bildet.
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Nach Bildung der Schicht wird diese im allgemeinen bei einer Temperatur
unter 3000C für eine kurze Zeitdauer behandelt. Die für die Erfindung verwendete
Badlösung hat z.B. die folgende Zusammensetzung und weist die folgenden Bedingungen
auf: Nickel salz 0,05 bis i,o Mol/l Zusatzmetallsalz o,1 bis 0,3 Mol/l Citrat o,1
bis 2 Mol/l Natriumhypophosphit o,15 bis 15 Mol/l pH 5 bis io Temperatur 30 bis
9o°C Die Menge eines Zusatzmetalls in dem Material des erhaltenen auf der Oberfläche
der Unterlage abgeschiedenen Plattierungsschicht hängt von dem Molverhältnis eines
Zusatzmetallsalzes zu der Summe der Anteile von Nickel salz und Zusatzmetallsalz
ab, und ein erwünschter Wert für dieses Verhältnis ist nach den Versuchen o,3 bis
0,7. Für die Menge des Reduktionsmittels gilt, daß ein Molverhältnis von dem Reduktionsmittel
zu dem Metallsalz von 3 bis 15 erwünscht ist. Für die Menge eines Komplexbildners
gilt, daß eine Menge, die den Molen oder dem Doppelten der Zole von der Summe der
Metallsale entspricht, für die Zusammensetzung eines bestänteigen und wirtschaftlichen
Bads t erwünscht ist. Die Temperatur
und der pH-Wert der Lösung
hängen von der Art der Zusatzmetallsalze ab, und es werden die dafür oben angegebenen
Werte benutzt.
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Die unter den oben angegebenen Plattierungsbedingungen abgeschiedene
Nickellegierungsschicht enthält 4 bis 12 Gew.-% Phosphor und o,o5 bis 10 Gew.-%
von wenigstens einem Metall der aus Mn, Sn, Bi und Fe bestehenden Gruppe, und ein
mit einer solchen Schicht erhaltener Widerstand zeigt eine geeignete Abschmelzcharakteristik
mit einer Abschmelzdauer von 15 bis 25 Sekunden bei einer zehnmal höheren Belastung
als der Nennleistungsverbrauch.
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Insbesondere zeigt ein Widerstand mit einer Ni-Legierungsschicht mit
einem Gehalt von 5 bis lo Gew.-% Phosphor und o,o5 bis 6,o ,Gew.-% Eisen eine noch
geeignetere Abschmelzcharakteristik mit einer Abschmelzdauer von 5 bis io Sekunden.
Bezüglich der Zusammensetzung der Ni-Legierungsschicht gemäß der Erfindung ist zu
sagen, daß eine Zusatzmetallmenge unter der oben angegebenen unteren Grenze eine
unerwünschte lange Abschmelzdauer und einen positiven hohen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands ergibt.
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Ferner ergibt eine Menge über der oben angegebenen oberen Grenze eine
lange Abschmelzdauer und einen negativen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird in dem nachfolgenden Beispiel
ausführlicher erläutert.
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Beispiel Ein Keramikstab mit einem Durchmesser von 2 mm und einer
Länge von 8 mm wurde mit heißer Alkalilösung entfettet und nach dem
Waschen
mit Wasser zur Sensibilisierung in eine Zinn-II-Chloridlösung getaucht. Dann wurde
der Keramikstab in eine Palladiumlösung getaucht und die Staboberfläche dadurch
aktiviert0 Dann wurde entsprechend den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen
Galvanisierungsbedingungen eine Plattierungsschicht mit einer Dicke von etwa 2 Mikron
auf der so aktivierten Oberfläche des Keramikstabs gebildet. Nach dem Wärmebehandeln
des erhaltenen Keramikstabs bei einer Temperatur von 250 0C für eine Stunde wurden
zwei Kappen, an denen Beitungsdrahte befestigt worden waren, durch Pressen an den
beiden Enden des Keramikstabs angebracht. Der Widerstandswert des so gebildeten
Widerstands wurde durch spiralenförmiges Einkerben der Schicht eingestellt, und
dann wurde eine elektrisch isolierende Deckschicht auf die Oberfläche des erhaltenen
Widerstands aufgebracht und bei etwa 150°C für 30 Minuten gehärtet. Es wurde auf
diese Weise ein o,5-Watt-Metallschichtwiderstand erhalten. In der Tabelle 1 sind
die Meßwerte der Abschmelzcharakteristik und des Temperaturkoeffizienten des so
gebildeten Abschmelzmetallschichtwiderstands der Erfindung angegeben.
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Wie der Tabelle 1 zu entnehmen ist, hat der Widerstand der Erfindung
eine ausgezeichnete Abschmelzcharakterlstik und einen geringen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands innerhalb + 50 ppm/OC, Insbesondere ist der aus der Ni-Legierungsschicht
mit einem Gehalt von 5,o bis io Gew.-% Phosphor und o,o5 bis'6,o Gew.-% Eisen gebildete
Widerstand aufgrund einer kürzeren Abschmelzdauer von 5 bis 1o Sekunden überragend.
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Tabelle 1
| Galvanisierungsbedingungen Zusammensetzung Widerstandscharakteristik |
| Probe Menge in Mol/1 pH Temp. der TCR @@ Rmin/RO Abschmelz |
| Nr. (°C) Widerstandscschicht@ (ppm/°C) dauer |
| (Gew.-%) (s) @@@@@ |
| 1 NiCl2 MnCl4 Natrium- NaPH2O2 Mn P |
| citrat |
| 0,35 0,01 0,05 4,0 -10 0,43 15 |
| # # 1,0 5,0 ----- 10 35 # # # # # |
| 0,48 0,15 10,2 12,5 40 0,55 25 |
| 2 NiCl2 SnCl4 "" "" NH4Cl Sn P |
| 0,06 0,01 0,05 5,0 -10 0,45 15 |
| # # 0,4 2,0 1,0 8,9 80 # # # # # |
| 0,19 0,14 10,0 12,1 40 0,56 25 |
| 3 NiSO4 NaBiO3 "" "" Bi P |
| 0,0001 0,05 3,8 -5 0,45 15 |
| 0,2 # 0,4 2,0 ----- 10 90 # # # # # |
| 0,0015 10,8 11,8 50 0,55 25 |
| 4 NiSO4 FeSO4 "" "" Fe P |
| 0,08 0,02 < 0,05 12,3 150 0,80 kein Ab- |
| schmelzen |
| 5 0,07 0,03 0,05 10,3 40 0,35 9 |
| 6 0,06 0,04 2,2 8,9 -10 0,30 7 |
| 7 0,05 0,05 4,5 7,0 -20 0,22 6 |
| 8 0,04 0,06 0,2 1,0 0,5 7,0 90 5,9 5,2 -30 0,10 4 |
| 9 0,03 0,07 9,5 3,8 -50 0,45 15 |
| 10 0,02 0,08 11,5 3,3 -200 0,60 60 |
* Der Rest ist Ni.
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** Temperaturkoeffizient des Widerstands *** Abschmelzdauer bei zehnmal
höherer Belastung als die Nennleistung.
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L e e r s e i t e