DE2607026C3

DE2607026C3 - Abschmelzmetallschichtwiderstand ohne räumlich eng begrenzte Engestelle

Info

Publication number: DE2607026C3
Application number: DE19762607026
Authority: DE
Inventors: Hyogo Neyagawa Hirohata; Terukazu Hirakata Kinugasa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1976-02-19
Filing date: 1976-02-19
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE2607026B2; DE2607026A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Abschmelzmetallschichtwiderstand mit einem elektrisch isolierenden Träger und einer auf dem Träger ausgebildeten Widerstandsschicht ohne räumlich eng begrenzte Engestelle.

Bei Abschmelzwiderständen, wie z. B. Schichtwiderstände, auf deren Oberfläche eine Schicht aus einem Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt gebildet worden ist, schmilzt die Schicht bei Überstrom durch Selbsterwärmung des Widerstands, und dann wird die Widerstandsschicht in das geschmolzene Material hinein geschmolzen, so daß der Widerstand unterbrochen wird. 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 wird. Ein anderes Problem besteht darin, 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 führt.

Bisher wird ein Metallschichtwiderstand, wie z. B. ein Nickel-Chrom-Schichtwiderstand (vgl. G. Z i η s m e i -ster-Barzers in »High Vacuum«, Report 7 [1966], und ein Zinnoxidschichtwiderstand (US-PS 25 64 706) in großem Umfang in verschiedenen elektronischen Geräten als Widerstand mit hoher Konstanz und Betriebszuverlässigkeit benutzt. Weil ein solcher Metallschichtwiderstand eine große Wärmebeständigkeit hat, kann eine Unterbrechung ausbleiben, wenn er durch Selbsterwärmen bei Oberbelastung erwärmt wird. Daher kann ein solcher zu hoch erwärmter Widerstand ein Anbrennen umgebender brennbarer Materialien hervorrufen oder eine elektronische Schaltung durch den dadurch fließenden Oberstrom zerstören.

Ein Abschmelzmetallschichtwiderstand der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 24 24 424 bekanntgeworden. Diese Druckschrift beschreibt einen abschmelzenden Sicherheitswiderstand mit einer spiralförmigen Widerstandsschicht auf einem stangenförmigen Trägerkörper, wobei die Schicht aus Kohlenstoff, Metall oder einem Metalloxid bestehen kann. Die Widerstandsschicht ist dort nur an einem Ende des stangenförmigen Trägerkörpers spiralförmig ausgebildet

Aus der DE-AS 16 90 507 ist ein Widerstandselement bekanntgeworden, dessen Widerstandsschicht aus einer Nickelphosphorlegierung besteht, die auf stromlosem Wege aufgebracht ist und die bei einer Temperatur zwischen 100 und 400° C getempert wird. Dort findet sich jedoch kein Hinweis auf einen Abschmelzmetallschichtwiderstand.

Die DE-OS 24 00 783 beschreibt ein Widerstandselement mit einer Nickelphosphorlegierung, die auch Zink enthält, um höhere Widerstandswerte bei einem möglichst kleinen Koeffizienten des Widerstandes zu erreichen. Aus dieser Druckschrift ist es ferner bekannt dem Widerstandselement zusätzlich Mangan und Eisen beizufügen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abschmelzmetallschichtwiderstand zu schaffen, der bei Überlastung schnell abschmilzt und der einen niedrigen und konstanten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bei Normallast besitzt

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Widerstandsschicht (3) aus Nickel als Hauptbestandteil und ferner aus 4 bis 12 Gew.-°/o Phosphor und 0,05 bis 10 Gew.-% wenigstens eines Metalls der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut bestehenden Gruppe besteht und daß die Widerstandsschicht (3) kurzzeitig auf eine Temperatur von 100 bis 300⁰C erhitzt worden ist

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert In den Zeichnungen ist

die F i g. 1 ein Querschnitt eines Abschmelzmetallschichtwiderstands der Erfindung,

die F i g. 2 ein Diagramm, das die Temperaturkennlinie des Widerstands eines Abschmelzmetallschichtwiderstands der Erfindung zeigt und

die F i g. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stärke der Überbelastung und der Abschmelzdauer eines Abschmelzmetallwiderstands der Erfindung zeigt.

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 Abschmelzmetallwiderstand der Erfindung ist in der F i g. 1 dargestellt, worin eine mit der Bezugsziffer 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 6 mit den betreffenden Kappen wird

das Ganze mit einer Schutzschicht 5 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie in der F i g. 1 dargestellt ist, überzogen. Die Widerstandsschicht 3 ist eine Nickellegierungsschicht, die aus Nickel, 4 bis 12 Gew.-% Phosphor und 0,05 bis 10 Gew.-% n.indestens eines Metalls der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut bestehenden Gruppe besteht Ähnlich wie beim üblichen Metallschichtwiderstand ist die Widerstandsschicht 3 spiralförmig eingekerbt, um so den gewünschten Widerstandswert zu ergeben. Die Kappen 4 sind durch Preßsitz an jier Unterlage befestigt und mit der Widerstandsschicht 3 verbunden.

Die vorstehend beschriebene Widerstandsschicht 3 des Abschmelzmetallschschtwiderstands der Erfindung hat eine Temperatur/Widerstand-Charakteristik, wie sie in der F i g. 2 angegeben ist Das heißt, während eine Widerstandsänderung bei einem Temperaturkoeffizienten innerhalb von ±50 ppm/" C in einem niedrigen Temperaturbereich reversibel ist, nimmt der Widerstand in einem Temperaturbereich über einem bestimmten Punkt abrupt ab und erreicht eine Mindesttemperatur von etwa 600⁰C Bei etwa 900⁰C schmilzt die Widerstandsschicht ab und wird dadurch unterbrochen. Bei Überlastung des Widerstands gemäß der Erfindung wird also die Temperatur der Widerstandsschicht durch Selbsterwärmung erhöht und das Erwärmen durch die Stromzunahme aufgrund der abrupten Abnahme des Widerstands weiter beschleunigt Dann steigt die Temperatur sehr schnell auf etwa 900⁰C, und die Widerstandsschicht schmilzt ab und wird unterbrochen. Durch Versuche ist bestätigt worden, daß zum Erhöhen der Temperatur auf etwa 900⁰C durch Selbsterwärmung, wie vorstehend beschrieben ist, das Verhältnis des Mindestwiderstands (R_mm) in einem höheren Temperaturbereich zu dem Anfangswiderstand (Ro), d. h. RmJRo, gering sein soll.

Die Fig.3 zeigt die Beziehung zwischen dem vorstehend genannten Verhältnis RmJRa und der Abschmelzcharakteristik des Widerstands. In der F i g. 3 sind die Meßwerte der Abschmelzdauer bei Überbelastung für 0,5-Watt-Widerstände mit verschiedenen Verhältnissen RmJRa angegeben. Wie der Fig.3 zu entnehmen ist, wird der Widerstand bei Überbelastung entsprechend der Abnahme des Verhältnisses R_n, JRo schon bei einer geringeren Überlastung unterbrochen bzw. abgeschaltet

Die Widerstandsschicht der Erfindung wird nach der Bildung auf der Unterlage bei einer Temperatur von 100 bis 300⁰C 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 Wider-Standsänderung bei einer Temperatur über 80^cC erleidet, hat die so behandelte Widerstandsschicht einen konstanten Kennwert mit reversibler Widerstandsänderung bis herauf zu einer Temperatur, die der Wärmebehandlungstemperatur entspricht, und mit so einem Temperaturkoeffizienten des Widerstands innerhalb von ±50ppm/°C. Oberhalb der betreffenden Temperatur nimmt der Widerstand abrupt ab und findet das Abschmelzen statt.

Obwohl eine der F i g. 2 etwas ähnliche Charakteristik für eine Legierungsschicht, wie z. B. aus Ni-P und Ni-B, mit einem verhältnismäßig geringen Abnahmegrad 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. Weil ferner der Temperaturkoeffizient des Widerstands von einer solchen konventionellen Legierungsschicht sehr groß ist und über 100 ppm/" C 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 erst bei einer hohen Temperatur außerordentlich stark abnimmt und die eine ausgezeichnete Abschmelzcharakteristik und einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat

Die Widerstandsschicht der Erfindung wird, wie nachfolgend beschrieben wird, durch stromloses Aufbringen gebildet Die Badlösung enthält ein Nickelsalz, wie z. B. Nickelsulfat oder Nickelchlorid, und als Zusatzmetallsalz Eisensalz, wie z. B. Eisen(II)-sulfat oder Eisen(II)-chlorid, Zinnsalz, wie z. B. Zinntetrachlorid, Mangansalz, wie z. B. Manganchlorid, und Wismutsalz, wie z. B. Natriumwismutat Außerdem enthält die Badlösung einen Komplexbildner, wie z. B. Natriumtartrat Natriumkaliumtartrat oder Natriumcitrat und gegebenenfalls Borsäure als Puffer. Als Reduktionsmittel wird in der Lösung Natriumhypophosphit verwendet

Die Unterlage, deren Oberfläche zuvor aktiviert worden ist wird in die zum stromlosen Aufbringen benutzte oben beschriebene Badlösung eingetaucht, so daß sich auf der Oberfläche der Unterlage eine Phosphor und Zusatzmetall enthaltende Nickelschicht bildet. Nach Bildung der Schicht wird diese 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:

Nickelsalz

Zusatzmetallsalz

Citrat

Natriumhypophosphit

pH

Temperatur

0,05 bis 1,0 Mol/l
0,1 bis 0,3 Mol/l
0,1 bis 2 Mol/l
0,15 bis 15 Mol/l
5 bis 10
30 bis 90° C

Die Menge eines Zusatzmetalls in dem Material der erhaltenen, auf der Oberfläche der Unterlage abgeschiedenen Plattierungsschicht hängt von dem Molverhältnis eines Zusatzmetallsalzes zu der Summe der Anteile von Nickelsalz und Zusatzmetallsalz ab. Ein erwünschter Wert für dieses Verhältnis ist nach den Versuchen 0,3 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 Mole von der Summe der Metallsalze entspricht, für die Zusammensetzung eines beständigen und wirtschaftlichen Bads 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. Die unter den oben angebebenen Plattierungsbedingungen abgeschiedene Nickellegierungsschicht enthält 4 bis 12 Gew. % Phosphor und 0,05 bis 10 Gew.-% von wenigstens einem Metall der aus Mn, Sn, Bi und Fc bestehenden Gruppe, und ein mit einer solchen Schicht erhaltener Widerstand zeigt eine geeignete Abschmelz-

charakteristik mit einer Abschmelzdauer von 15 bis 25 Sekunden bei einer zehnmal höheren Belastung als der Nennleistungsverbrauch. Insbesondere zeigt ein Widerstand mit einer Ni-Legierungsschicht mit einem Gehalt von 5 bis 10 Gew.-% Phosphor und 0,05 bis 6,0 Gew.-% Eisen eine noch geeignetere Abschmelzcharakteristik mit einer Abschmelzdauer von 5 bis 10 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. Ferner ergibt eine Menge über der oben angegebenen oberen Grenze eine lange Abschmelzdauer und einen negativen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird in dem nachfolgenden Beispiel ausführlicher erläutert.

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 Sensibiliserung in eine Zinn(II)-chloridlösung getaucht. Dann wurde der Keramikstab in eine Palladiumlösung getaucht und die Staboberfläche dadurch aktiviert. Dann wurde entsprechend den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Galvanisierungsbedingungen eine Plattierungsschicht mit einer Dicke von etwa 2 Mikrometer auf der so aktivierten Oberfläche des Kerainikstabs gebildet. Nach dem Wärmebehandeln des erhaltenen Keramikstabs bei einer Temperatur von 250⁰C für eine Stunde wurden zwei Kappen, an denen Leitungsdrähte befestigt worden waren, durch Pressen an den beiden Enden des Keramikstabs angebracht Der Widerstandswert des so gebildeten Widerstands wurde durch spiralförmiges Einkerben der Schicht eingestellt. Dann wurde eine elektrisch isolierende Deckschicht auf die Oberfläche des erhaltenen Widerstands aufgebracht und bei etwa 150⁰C für 30 Minuten gehärtet Es wurde auf diese Weise ein O.S-Watt-Metallschichtwiderstand erhalten. In der Tabelle sind die Meßwerte der Abschmelzcharakteristik und des Temperaturkoeffizienten des so gebildeten Abschmelzmetallschichtwiderstands der Erfindung angegeben.

Wie der Tabelle zu entnehmen ist, hat der Widerstand der Erfindung eine ausgezeichnete Abschmelzcharakteristik und einen geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands innerhalb ±50 ppm/"C. Insbesondere ist der aus der Ni-Legierungsschicht mit einem Gehalt von 5,0 bis 10 Gew.-% Phosphor und 0,05 bis 6,0 Gew.-% Eisen gebildete Widerstand aufgrund einer kürzeren Abschmelzdauer von 5 bis 10 Sekunden besonders geeignet.

Tabelle

Probe	Galvanisierungsbedingungen	MnCk	Natriumcitrat	NaPH₂O₂	■	—	PH	Temp. CC)
Nr.		0,01 bis 0,15	1,0	5,0		NH4CI
	Menge in Mol/l	SnCk	Natriumcitrat	NaPH₂O₂		1,0	10	35
1	NiCb	0,01 bis 0,14	0,4	2,0
	0,35 bis 0,48	NaBiOs	Natriumcitrat	NaPH₂O₂	—	8,9	80
2	NiCl₂	0,0001 bis 0,0015	0,4	2,0
	0,06 bis 0,19	FeSO₄	Natriumcitrat	NaPH₂Oz		10	90
3	N1SO4	0,02
	0,2	0,03
4	N1SO4	0,04
	0,08	0,05			0,5
5	0,07	0,06	0,2	1,0
6	0,06	0,07				7,0	90
7	0,05	0,08
8	0,04
9	0,03
10	0,02

Tabelle (Fortsetzung)

Probe Nr.	Zusammensetzung der	*Widerstandsschicht)**	Widerstandscharakteristik	0,43 bis 0£5	Abschmelz
			TCR··)		dauer···¹)
				0,45 bis 056	(S)
	(Gew.-%)		(ppm/°C)
1	Mn	P		0,45 bis 0,55	15 bis 25
	0,05 bis 10,2	4,0 bis 123	-10 bis 40
2	Sn	P		15 bis 25
	0,05 bis 10,0	5,0 bis 12,1	-10 bis 40
3	Bi	P		15 bis 25
	0.05 bis 10.8	3,8 bis 11,8	-5 bis 50

Fortsetzunu

Probe Nr. Zusammensetzung der Widerstandsschicht*)

(Gew.-%)

Widerstandscharakteristik

CR")	*R _min/Ri₁)*	Abschmelz
		dauer***)
)pm/°C)		(S)
150	0,80	kein Ab
		schmelzen
40	0,35	9
-10	0,30	7
-20	0,22	6
-30	0,10	4
-50	0,45	15
-200	0,60	60

4	Fe	P
	<0,05	12,3
5	0,05	10,3
6	2,2	8,9
7	4,5	7,0
8	5,9	5,2
9	9,5	3,8
10	11,5	3,3

Der Rest ist Ni. Temperaturkoeffizient des Widerstands. Abschmelzdauer bei zehnmal höherer Belastung als die Nennleistung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abschmelzmetallschichtwiderstand mit einem elektrisch isolierenden Träger und einer auf dem Träger ausgebildeten Widerstandsschicht ohne räumlich eng begrenzte Engestelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (3) aus Nickel als Hauptbestandteil und ferner aus 4 bis 12 Gew.-% Phosphor und 0,05 bis 10 Gew.-% wenigstens eines Metalls der aus Eisen, Zinn, Mangan und Wismut bestehenden Gruppe besteht und daß die Widerstandsschicht (3) kurzzeitig auf eine Temperatur von 100 bis 300⁰C erhitzt worden ist

2. Abschmeizmetallschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (2) aus 4 bis 12 Gew.-% Phosphor, 0,05 bis 10 Gew.-% Eisen und als Rest Nickel besteht

3. Abschmelzmetallschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (3) aus 4 bis 12 Gew.-% Phosphor, 0,05 bis 10 Gew.-% Zinn und als Rest Nickel besteht

4. Abschmelzmetallschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider- Standsschicht (3) aus 4 bis 12 Gew.-% Phosphor, 0,05 bis 10 Gew.-% Mangan und als Rest Nickel besteht

5. Abschmelzmetallschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (3) aus 4 bis 12 Gew.-% Phosphor, 0,05 bis 10 Gew.-% Wismut und als Rest Nickel besteht

6. Abschmelzmetallschichtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (3) aus 5 bis 10 Gew.-% Phosphor, 0,05 bis 6 Gew.-% Eisen und als Rest Nickel besteht.