DE3334922A1

DE3334922A1 - Widerstand mit einem einen hohen widerstand aufweisenden film und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3334922A1
Application number: DE19833334922
Authority: DE
Inventors: Ralph Dale Norfolk Nev. Hight; Charles Tobias 68701 Norfolk Nev. Plough Jr.
Original assignee: Dale Electronics Inc
Current assignee: Dale Electronics Inc
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1984-04-05
Also published as: IT1197722B; FR2537329B1; US4498071A; JPH0152881B2; GB2128813B; FR2537329A1; IT8349053A0; JPS59132102A; CA1214230A; DE3334922C2; GB2128813A; GB8324705D0

Description

PATENTANWALT - ' " ^ ^ ? Λ Q

DR. RICHARD KNEiSSL ■ · · ' ~ J O O 4 ö ζ z.

Widcnm: ya.'otr. 45 ~-Jj -

D-8000 MÜNCHEN 22
Tel. 089/295125

_D3oi zi/ui 2 7.Sep.1983

DALE ELECTRONICS, INC., Columbus, Nebraska / V. St. A.

WIDERSTAND MIT EINEM EINEN HOHEN WIDERSTAND AUFWEISENDEN FILM UND VERFAHREN ZU DESSEN

HERSTELLUNG

Widerstand mit einem einen hohen Widerstand aufweisenden Film und Verfahren zu dessen Herste!lung.

Widerstände mit einem Metallfilm werden dadurch hergestellt, daß ein dünner Metallfilm auf einen Träger aus Glas, Aluminiumoxid oder oxidiertem Silikon oder auf irgendeinen, anderen isolierenden Trüger aufgebracht oder niedergeschlagen wird. Eines der üblichsten Widerstandsmaterialien ist eine Nickel-Chromverbindung (Nickelchrom) oder eine Nickel-Chromverbiridüng, die mit einem oder mehreren anderen Elementen legiert ist. Diese Widerstandsmaterialien können auf den Träger aufgedampft oder aufgesprüht werden. Der hier verwendete Ausdruck "Nickelchrom" bezieht sich auf eine Nickel-Chromlegierunc oder eine Nickel-Chromlegierung, die mit einem oder mehreren anderen Elementen legiert ist. Das Nickelchrom liefert einen r---ehr "begehrten dünnen Film aufgrund seiner Stabilität und reinen nahezu bei Null liegenden Temperaturkoeffizienten über einen verhältnismäßig breiten Temperaturbereich (-55⁰C bis 1,?^r;°C). Die Stabilität int hervorragend, solange der Filmwider.-tand unter 200 Ohm pro Zoll (square) auf einem glatten Träger gehalten wird. Höhere Ohmwerte pro Quadrat-KoIl können beim Aufdampfen erzielt werden, aber diese höheren Ohmwerte sind schwierig herzustellen, führen zu einer geringen Ausbeute und haben eine geringe Stabilität bei hohen Temparaturen ' oder bei angelegter Spannung während des Betrieber..

Widerstandnfilme werden normalerweise dadurch stabilisiert, daß die freiliegenden Träger in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden, um künftige V/iderstandsünderungen während des-normalen Betriebes möglichst klein zu halten. Bei sehr dünnen Filmen führt diese Oxidation dazu, daß der Widerstand den Films zunimmt, wenn die freilebenden Oberflächen des MetaHfiIms oxidiert werden. Bei dünnen, nahezu unstetigen oder unterbrochenen Filmen führt diece fxidation zu einer pproßen, unkontrollierbaren Zunahme den ?.πά-

BAD ORIGINAL COPY

widerstander, mit einer entsprechend großen Verschiebung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in positiver Richtung. Untersuchungen der Lebensdauer bei diesen dünnen Filmteilen zeigten, daß diese dünnen Filme die herkömmlichen Spezifikationet) für die Stabilität regelmäßig nicht erfüllten.

Es ist festgestellt worden, daß keramische Träger mit "rauhen" Oberflächen, die mit einem TaIysurf-Profilmeßgerät gemessen wurden, höhere Filmwiderstände bei einer vorgegebenen Dicke den Metallfilms ergaben als "glatte" Oberflächen. Es wäre daher wünschenswert, einen Träger mit einer viel rauheren Oberfläche zu haben und verwenden zu können, um einen Widers band in einer reproduzierbaren Weise mit einigen t send Ohm pro'^uadratzoll unter Verwendung von Nickelchrom oder einem anderen dünnen Metallfilm herzustellen, der eine Stabilität hat, die ähnlich der Stabilität der dickeren oder einen geringeren Widerstand aufweisenden Filme aus diesen Materialie ist.

Es ist daher hauptsächlich Ziel und Zweck der Erfindung, ein einen hohen Widerstand aufweisendes Filmgebilde zu schaffen, das einen höheren Filmwiderstand, eine bessere Stabilität und einen besseren Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat als die v/iderstände, die einen dünnen, aufgesprühten · Metallfilm aufweisen und nach herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.

Es ist ferner Ziel und Zweck der Erfindung, ein einen hohen Widerstand aufweisendes Filmgebilde zu schaffen, das eine Sperre [';op;on eine mögliche Diffusion von Verunreinigungen aus dem Träger in den Widerstandsfilm aufweist.

- Es ist weiterhin Ziel und Zweck der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines einen hohen Widerstand aufweisenden Filmgebildes zu schaffen, bei welchem die Oberfläche des Trägers abgewandelt wird, bevor der V/iderstands-

COPY '

film aufgebracht wird, indem eine Isolierschicht mit einer verhältnismäßig rauhen Oberfläche auf den Tröger aufgebracht wird, bevor der Widerstandsfilm niedergeschlagen wird.

Die Erfindung schafft ein einen hohen Widerstand aufweisendes Filmgebilde und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Filmgebiüde ißt ein einen dünnen Metallfilm aufweirender Widerstand, der einen hohen Filmwiderstand besitzt und eine bessere .Stabilität und einen besseren Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat als die im Handel erhältlichen , herkömmlichen Widerstände mit einem dünnen Metallfilm. Diese Verbesserung wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Oberfläche des Trägers abgewandelt wird, bevor der Widerstandsfilm aufgebracht wird. Dies wird dadurch erzielt, daß eine Isolierschicht auf dem Träger niedergeschlagen wird. Diese Isolierschicht macht die Oberfläche des Trägers mikroskopisch viel rauher und erhöht auf diese Weise den Widerstand des Widerstandsfilms beträchtlich.

Eine richtige Auswahl dieser Isolierschicht schafft auch eine Sperre gegen eine mögliche Diffusion von Verunreinigungen aus dem Träger in den Widerstandsfilm. Die Kombination aus einem offensichtlich dickeren Film bei einem gegebenen Filmwiderstand und einer Sperrschicht zwischen dem Film und dem Träger führt zu einem Widerstand, der einen viel höheren Filmwiderstand aufweist. Der erfindungsgemäße Widerstand hat eine bessere .'Stabilität mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von nahezu Null air. die herkömmlichen Widerstände. Die hier genannte otabiltät bezieht sich auf Widerstandsänderungen wiiticnd der Lebensdauer bei voller Belastung und aufgrund von langfristigen Einwirkungen hoher Temperaturen, wie dies in herkömmlichen Spezifikationen des Militärs vorgeschrieben ist.

Bei dem Gebilde und dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine Isolierschicht auf dem Träger aufgebracht, bevor der

COPY

Widerstandsfilm niedergeschlagen wird. Es hat sich gezeigt, daß ein Isoliermaterial wie Silikonnitrid oder Aluminiumnitrid auf dem Träger niedergeschlagen werden kann, um erstens eine viel rauhere, zusammenhängendere Oberfläche auf -dem Träger aus Aluminiumoxid oder einem anderen keramischen Material zu erreichen und zweitens eine Sperrschicht zu erzielen, welche die Diffusion der Verunreinigungen aus dem Träger verhindert. Wenn eine derartige Isolierschicht durch Aufsprühen unter Anwendung von Hochfrequenz und durch sorgfältiges Steuern der Aufsprühparameter (wie Temperatur der Niederschläge, Niederschlagsdruck, Menge, Zeit, Gas usw.) aufgebracht'wird, ist es möglich , die Natur und die Dicke der Isolierschicht zu steuern.

Die Erfindung schafft einen Widerstand mit einem Film- ^! widerstand, der ein Mehrfaches des Filmwiderstandes bei dem gleichen Aufbringen des Films auf die gleiche Trägerart ohne · eine Isolierschicht beträgt. Es ist mehr Widerstandsmaterial bei einem gehobenen Rohwert (blank value) erforderlich, wenn ein mit Silikonnitrid beschichteter, keramischer Träger verwendet wird. Dies zeigt eine bessere Stabilität für diesen Wert. Dies hat höhere Filmwiderstände (etwa 1 500 Ohm pro Quadratzoll) mit der in militärischen Spezifikationen geforderten Stabilität möglich gemacht, als dies früher ,jemals bei aufgesprühten Nickel-Chromverbindungen der Fall war. FiImwiderstände über 1 500 Ohm pro Quadratzoll (square) können den militärinchen Spezifikationen nicht voll entsprechen, sind aber noch stabil und haben zusammenhängende Filme. Ein Widerstand mit 5000 Ohm pro Quadratzoll (square) beispiels· weise hat eine V/iderstandsverschiebung von 1,5 % nach zweitausend Betriebsstunden bei 15O⁰C. Derartige Filme haben einen Temperaturkoeffizienten unter 100 ppm/°C.

Im nachstehenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den

COPY ]

Zeichnungen zeilen:

■ Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsfqrm eines Widerstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten '.viderstand in einem vergrößerten Maßstab,

Fig. 5 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. in einem vergrößerten Maßstab,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Abwandslungsfortn des Widerstandes gemäß der Erfindung, und

Fi.g 5 eine perspektivische Darstellung eines mit einer Deckschicht versehenen Widerstandes mit elektrischen. Anschlüssen und mit dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau.

Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte V/iderstand 10 einen zylindrischen, keramischen Trager 12 aus herkömmlichem Material auf. Der Träger ist mit einem isolierenden oder dielektrischen Material 14, vorzugsweise mit Silikonnitrid beschichtet. Die Außenfläche der dielektrischen Schicht 14 ist. beträchtlich rauher als die Außenfläche des Trägers

Ein Widerstandsfilm 16, vorzugsweise Nickelchrom, wird auf die gesamte Außenfläche des dielektrischen Materials aufgebracht. Anschlußkappen 18 aus leitendem Metall werden auf die Enden des in Fig. 2 gezeigten, zusammengesetzten Gebildes .aufge.^c;teckt, wobei die Anschlußkappen 18 in einem innigen, elektrischen Kontakt mit dem V/iderstandsfilm 16 stehen. Herkömmliche Anschlußleitungen 20 sind an den Außenenden der Anrrchlußkappen 18 befestigt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wird dann eine isolierende Deckschicht 22 aus

COPY

Silikon oder dergleichen auf die Außenfläche des Widerstandsfilms 16 aufgebracht.

Der Widerstand 10 A in den Pig. 4 und 5 enthält im wesentlichen die gleichen Komponenten wie der in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Widerstand. Der Widerstand 10 Λ hat lediglich eine andere Bauform mit einem flachen Träger 12 A. Ein dielektrisches Material 14 A aus Silikonnitrid ist auf der Oberseite des Trägers 12 A aufgebracht. Eine Widerstandsschicht 16 A aus Nickelchrom ist auf der Oberseite des isolierenden oder dielektrischen Materials 14 A aufgebracht. Herkömmliche Anschlüsse 20 A stehen in einem elektrischen Kontakt mit dem Widerstandsfilm 16 A. Das gesamte Gebilde mit Ausnahme der Anschlüsse 2 O A ist mit einer isolierenden Deckschicht 22 A aUK Silikon oder dergleichen überzogen.

Die Schicht 14 aus Silikonnitrid wird dadurch aufgebracht, daß Silikon mit einer Reinheit von 99 »9999 f° in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von 4 Mikrometer unter Anwendung von Hochfrequenz reaktiv aufgesprüht wird. Die Energiedichte hängt entscheidend von der Dichte der Si₇N. -Schicht ab und lag bei 1,1 bis 1,3 Watt/ cm~, wobei ein Plasma-Therm-Hochfrequenz-Generatorsystem verwendet wurde. Höhere und niedrigere Drücke sowie niedrigere Energiedichten lieferten Ergebnisse, die schlechter als die obigen Bedingungen waren. Auf Grund einer Scanning-Auger-Mikroanalyse dieser Schicht wurde die Dicke des dielektrischen Films auf 50 bis 150 ° geschätzt. Die beschichteten Träger wurden dann bei 900 C 15 Minuten lang . getempert, bevor das Widerstandsmaterial in l'Orm eines Filmes aufgebracht wurde. Keramikträger ohne ein Tempern bei 900° C waren weniger stabil alc die getemperten Träger.

Bei einer Verwendung von Keramikzylindern mit einer Länge von 5₅5 mm (0,217 inch) und einem Durchmesser von 1,6 mm (0,06-: inch) stiegen die höchsten Rohwerte (blank value)

COPY _J

die aus Gründen der Stabilität verwendet werden können und die militärischen Spezifikationen noch erfüllen, von etv/a 275 Ohm bis über 1 Kilo Ohm. Bei maximalen Spiralfaktoren (spiral factors) von 3-5000 konnten Endwerte von 3 bis 4 Megaohm leicht erreicht werden. Die Temperaturkoeffizienten der Widerstände lagen bei + oder - ?5pp^m/ Q über einen Tem-'peraturbereicli von - 20⁰C bis + 85°C. Höhere Rohwerte (blank value) bis 5 Kilo Ohm können dort verwendet werden, wo weniger strenge Spezifikationen vorliegen. Es wurden Rohlinge .bis zu 5OOO Ohm hergestellt, wobei die Temperaturkoeffiezienten der Widerstände bei + oder - 100 ppm/°C über einen Temperaturbereich von -55⁰C bis + 125⁰C lagen und die Widerstandsverschiebung nach 2000 Stunden bei 15O⁰C unter 1,5 96 lag.

Der Widerstand gemäß der Erfindung überdeckt den Bereich der im Handel erhältlichen Widerstände mit Metallfilm bis zu 22 Megaohm oder mehr bei einer früheren Grenze von 5 Mega-•ohm. Der erfindungsgemäße Widerstand gestattet auch die. Verwendung von weniger teueren Trägern, weil der Aufbau und die Oberfläche de:·. Trägers bei der Herstellung des Widerstandes keine größere Bedeutung hat. Die Stabilität der nach der "Erfindung hergestellten Teile ist um das 2- oder 3-fache besser als die Stabilität der Teile, die den gleichen Rohwert (blank value) haben und nach herkömmlichen Verfahren hergestellt sind.

Die Erfindung führt zu viel höheren Filmwiderständen. Die Diffusion von Verunreinigungen aus dem Trägermaterial in das Widerstandsmaterial ist im wesentlichen beseitigt.

___ Die Zunahme des Widerstander, aufgrund der Änderung der Oberflächeneir;enschaften ist in keiner Weise ein naheliegendes Ergebnis eines derartigen Aufbringens des dielektrischen Materials. Frühere Versuche, die Rauhigkeit der Oberfläche des keramischen Trägers zu erhöhen, haben nicht zu einer

COPY

nennenswerten Verbesserung der Stabilität des V/iderstandes bei einem gegebenen Rohwert (blank value) geführt..Es ist nicht naheliegend, daß ein Aufbringen eines dielektrischen Materials den Widerstand des Rohwertes erhöht, während gleichzeitig die Stabilität verbessert wird. Die änderung des Widerstandes, die mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen erreicht wurde, ist daher eine änderung, die vom Fachmann nichb vorhergesehen werden konnte.

Aus dem vorstehenden geht hervor, daß die Erfindung die eingangs genannten Ziele erreicht.

COPY

Leerseite

COPY \

Claims

. PATENTANSPRÜCHE

Π. V/ider.'-.tänd mit einem einen hohen Widerstand aufweisenden Film, gekennzeichnet durch einen keramischen Träger (12), ein au! den Träger (12) aufgebrachtes dielektrisches Material (14) und einen auf dar. dielektrirche Material (14) aufgebrachten, dünnen Metallfilm (16).

2. Widerstand noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des dielektrischen Materials (14) rauher ist. πIr. die Außenfläche den TrMgerr: (1P).

5. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm (16) hauptsächlich aur. Nickelchrom besteht.

4. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material (14) Silikonnitrid ist.

5. V/iderntand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material (14) Silikonnitrid ist.

6. V/iderntand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tröget· (12) Aluminiumoxid ist.

7· v/idcrnfcfind noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material (14) Aluminiumnitrid ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes mit einem dünnen 1'¹Um, dadurch gekennzeichnet, daß eine rauhe Schicht eine;; dielektrischen Materials (14) auf einen keramisqhen Träger (12) aufgebracht und ein dünner Metallfilm (16) auf der rauhen Schicht des dielektrischen Materials niede: geschlagen wird.

COPY j

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Schicht des dielektrischen Materials au? Silikonnitrid besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilra (16) hauptsächlich aus Nickelchrom besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metal Ifilm(16) hauptsächlich aun Nickelchrom besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Schicht des dielektrischen Materials (14) aus Aluminiumnitrid besteht.