DE3722576A1 - Elektrischer schichtwiderstand und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schicht­ widerstand, bei dem ein Substrat einen mit Trennaussparun­ gen versehenen Metallfilm trägt, der eine Widerstandsbahn mit Anschlußbereichen an seinen Enden bildet, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Unter der Bezeichnung Pt-100 oder Pt-1000 sind Platin- Schichtwiderstände bekannt, die insbesondere als Tempera­ turfühler mit hoher Genauigkeit verwendet werden. Zu ihrer Herstellung wird auf ein gemeinsames Keramik-Sub­ strat ein dünner Platinfilm durch Kathodenzerstäubung aufgetragen. Danach wird zur Bildung von mäanderförmigen Widerstandsbahnen überflüssiges Material des Platinfilms weggeätzt oder mit Hilfe eines Laserstrahls weggebrannt. Durch Zerschneiden des gemeinsamen Substrats erhält man einzelne Schichtwiderstände. An den Anschlußbereichen werden Drähte mittels Thermokompressionsschweißung be­ festigt. Aufgrund von Messungen zwischen den Anschluß­ drähten können die einzelnen Widerstände entweder nach Genauigkeitsklassen sortiert oder nachjustiert werden, z.B. durch Trimmen mittels Laserstrahl.

Bei diesen Schichtwiderständen besteht die Gefahr, daß die mit dem Metallfilm verbundenen Anschlußdrähte abreis­ sen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, als Substrat ein sehr reines Keramiksubstrat mit besonders glatter Oberfläche, nämlich ein teures, sogenanntes Dünnfilmsub­ strat, zu verwenden, so daß die Haftung zwischen Metall­ film und Substratoberfläche einen bestimmten Mindestwert hat. Außerdem versucht man, die Anschlußdrähte zusätzlich mechanisch zu sichern, indem über der Drahtanschlußstelle ein Überzug aus geschmolzener Glasfritte angebracht wird. Letzteres hat zur Folge, daß die einzelnen Schichtwider­ stände schon beim Hersteller mit Anschlußdrähten versehen und in diesem Zustand versandt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektri­ schen Schichtwiderstand der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die Gefahr einer mechanischen Beschä­ digung der Anschlüsse wesentlich geringer ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Anschlußbereich mit mindestens einer Anschlußaus­ sparung versehen ist und ein leitfähiges Anschlußelement den Metallfilm kontaktiert und durch die Anschlußausspa­ rung mit dem Substrat verbunden ist.

Bei diesem Aufbau haftet das Anschlußelement nicht über den Metallfilm am Substrat. Vielmehr haftet es unmittel­ bar an der Substratoberfläche, weil es durch die Anschluß­ aussparung hindurchgreift. Dies führt zu einer sehr hohen mechanischen Beständigkeit. Anschlußdrähte können in üblicher Weise mit diesen Anschlußelementen verbunden werden, beispielsweise durch Löten. Dies braucht nicht beim Hersteller zu geschehen, sondern kann beim Anwender erfolgen. Hierdurch ergeben sich Vereinfachungen bei der Herstellung und beim Transport.

Günstig ist es, wenn jeder Anschlußbereich mit einer Vielzahl von kleinen Anschlußaussparungen versehen ist. Hierdurch wird eine gute mechanische Befestigung mit einer sicheren Kontaktierung des Metallfilms gewähr­ leistet.

Insbesondere ist das Anschlußelement durch eine einge­ brannte Dickschichtpasta gebildet. Diese Dickschichtpasten sind aus der Dickschichttechnik bekannt und bestehen aus einem Metallpulver, das mit einem Glasfrittepulver und einem Träger gemischt ist, der aus Ölen und Lösungs­ mitteln bestehen kann. Eine solche Dickfilmpasta ergibt infolge ihrer Konsistenz eine gute Kontaktierung des Metallfilms und der Substratoberfläche.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat ein keramisches Dickschichtsubstrat. In der Dickschicht­ technik können billigere Keramiksubstrate mit stärkeren Verunreinigungen und einer rauheren Oberfläche verwendet werden. Zwar ergibt sich eine geringere Haftung des Me­ tallfilms im Vergleich zu einem Dünnfilmsubstrat. Dies ist aber zulässig, weil der Metallfilm nicht durch die Anschlußdrähte belastet wird. umgekehrt ergibt sich in Verbindung mit der Dickschichtpasta eine besonders gute Haftung.

In diesem Zusammenhang ist es günstig, daß die Anschluß­ aussparungen durch beim Auftragen des Metallfilms auf das Dickschichtsubstrat verbleibende kleine Löcher gebil­ det werden. Denn häufig genügen diese kleinen Löcher, sogenannte "pinholes", um das Anschlußelement sicher an der Substratoberfläche zu befestigen.

Besonders empfehlenswert ist es, daß der Metallfilm mit einer Schutzschicht überzogen ist, die vom Anschlußelement durchsetzt ist. Diese schützt den Metallfilm vor einer mechanischen Beschädigung und einem Ablösen vom Substrat, behindert aber nicht die freie Zugänglichkeit der An­ schlußelemente. Sie kann aus Glas, einem Polymer oder einem anderen geeigneten Material bestehen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtwider­ standes, bei dem ein Metallfilm auf ein Substrat, insbe­ sondere durch Kathodenzerstäubung, aufgetragen wird und anschließend durch Materialentfernung Trennaussparungen erzeugt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Anschlußbereichen Anschlußaussparungen erzeugt werden und daß eine pastenartige Anschlußmasse in den Anschluß­ bereichen sowohl auf den Metallfilm als auch durch die Aussparungen auf das Substrat aufgetragen und dann zu einem Anschlußelement verfestigt wird.

Für die Erzeugung der Anschlußaussparungen können die gleichen Mittel verwendet werden wie sie für die Trenn­ aussparungen schon benutzt worden sind. Insbesondere können die Anschlußaussparungen gleichzeitig mit den Trennaussparungen erzeugt werden. Die pastenartige An­ schlußmasse stellt die Kontaktierung der gewünschten Flächen sicher.

Zweckmäßigerweise enthält die Anschlußmasse außer einem Metallpulver eine Glasfritte und wird durch Einbrennen verfestigt. Derartige Verfahren sind aus der Dickschicht­ technik bekannt.

Ferner sollte die Anschlußmasse im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Dies ist eine rationelle Verfahrens­ weise, insbesondere wenn die einzelnen Widerstandsbahnen sich noch auf einem gemeinsamen Substrat befinden.

Wenn der Widerstandswert durch zusätzliche Materialent­ fernung justiert wird, sollte die Justierung erst nach dem Aufbringen und Verfestigen der Anschlußmasse erfol­ gen. Die durch die Anschlußmasse möglichen Widerstands­ änderungen können dann bei der Justierung berücksichtigt werden.

Günstig ist es auch, daß nach dem Verfestigen der An­ schlußmasse bzw. dem Justieren außerhalb der Anschluß­ masse eine Glasfritte aufgetragen und dann zur Bildung eines Glasüberzugs geschmolzen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Schichtwiderstand vor Anbringung der Anschluß­ elemente,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des fertigen Schichtwiderstandes längs der Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt des fertigen Schichtwiderstandes längs der Linie B-B der Fig. 1 und

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen abgewandelten Teil des Schichtwiderstandes nach Fig. 1.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen elektrischen Schichtwider­ stand 1. Dieser besitzt ein Substrat 2 aus Keramik. Es ist hier als Dickschichtsubstrat mit 96% Al₂O₃, Rest Verunreinigungen, wie SiO₂, MgO u.dgl., ausgebildet.

Auf dieses Substrat ist ein dünner Metallfilm 3, hier ein Platinfilm, aufgetragen. Der Auftrag erfolgte durch Kathodenzerstäubung. Es kommt aber auch jede andere für Dünnfilme bekannte Auftragsart in Betracht.

Alsdann wurde aus dem Metallfilm 3 an zahlreichen linien­ förmigen Trennaussparungen 4 Material entfernt. Diese Trennaussparungen sind hier als einfache Striche ange­ geben. Auf diese Weise ergab sich eine mäanderförmige Widerstandsbahn 5. An deren Enden befinden sich zwei Anschlußbereiche 6 und 7. In diesen Bereichen ist durch Materialentfernung jeweils eine Anschlußaussparung 8 bzw. 9 erzeugt worden. Das Material der Trennaussparun­ gen 4 und der Anschlußaussparungen 8 und 9 wurde durch Wegbrennen mittels Laserstrahl in einem Arbeitsgang vor­ genommen. Es kann aber auch durch Ätzen oder auf andere Weise entfernt werden.

Anschlußelemente 10 und 11 überdecken die Anschlußberei­ che 6 und 7. Sie kontaktieren in einem Randbereich 12 den Metallfilm 3 und greifen durch die Anschlußaussparun­ gen 8 und 9, wo sie die Oberfläche 13 des Substrats 2 berühren. Diese Anschlußelemente werden in Form einer Dickfilmpasta durch ein Siebdruckverfahren oder auf ande­ re Weise aufgetragen und anschließend eingebrannt. Diese Dickfilmpasta besteht aus einem Metallpulver, insbesonde­ re einer Silberpalladium- oder Goldpalladium-Mischung, einem Glasfrittepulver und einem Träger, der beispiels­ weise aus Äthylzellulose besteht, das in Kienölderivaten und Phthalatestern gelöst ist. Es können auch kleinere Mengen von Rhizinusölderivaten und einem Phospholipid vorhanden sein. Derartige Pasten werden von der Firma Dupont unter der Typennummer 9308 und 9572 vertrieben.

Die Dickfilmpasta wird anschließend in einem Durchlauf­ ofen eingebrannt. Die Temperaturen liegen beispielsweise zwischen 750°C und 950°C.

Anschließend wird der Schichtwiderstand justiert. Dies geschieht dadurch, daß der Widerstand über die Anschluß­ elemente 8 und 9 mit einem Meßgerät verbunden wird. Als­ dann werden zwei Grobjustier-Trennlinien 14 und 15 sowie eine Feinjustier-Trennlinie 16 in der entsprechenden Länge gezogen, bis der genaue Widerstandswert erreicht ist. Durch Trennung einer Spur mittels der Trennlinie 14 ergibt sich beispielsweise ein Widerstandszuwachs von 50 Ohm und durch Trennung einer Spur mittels der Trenn­ linie 15 ein Widerstandszuwachs von beispielsweise 2 Ohm. Durch die Trennlinie 16 läßt sich eine lineare Wider­ standsänderung erzielen.

Abschließend wird eine Schutzschicht 17 über die gesamte Oberfläche, aber unter Aussparung der Anschlußelemente 10 und 11 gelegt. Dies geschieht durch Aufbringen einer Glasfritte, die anschließend geschmolzen wird. Auf den freibleibenden Oberflächen der Anschlußelemente können dann beim Hersteller oder später beim Anwender die An­ schlußdrähte angelötet werden. Das Anbringen der Drähte kann auch durch ein Schweißverfahren erfolgen.

Fig. 4 zeigt einen abgewandelten Schichtwiderstand 101, dessen Anschlußbereich 106 nicht mit einer einzigen Aus­ sparung 8, sondern mit einer Vielzahl von kleinen Lö­ chern 108 versehen ist. Diese "pinholes" ergeben sich in vielen Fällen von allein, wenn der Metallfilm auf die rauhe Oberfläche des Dickschichtsubstrats aufgetragen wird.

Es sei noch bemerkt, daß bei der Herstellung eine große gemeinsame Substratplatte verwendet werden kann, auf der eine Vielzahl von Widerstandsbahnen mit zugehörigen Anschlußelementen gleichzeitig erzeugt wird. Erst nach Fertigstellung werden die einzelnen Schichtwiderstände durch Zerschneiden des gemeinsamen Substrats voneinander getrennt.

Claims (12)

1. Elektrischer Schichtwiderstand, bei dem ein Substrat einen mit Trennaussparungen versehenen Metallfilm trägt, der eine Widerstandsbahn mit Anschlußbereichen an seinen Enden bildet, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschlußbereich (6, 8; 106) mit mindestens einer Anschlußaussparung (8, 9; 108) versehen ist und ein leitfähiges Anschlußelement (10, 11) den Metallfilm (3) kontaktiert und durch die Anschlußaussparung mit dem Substrat (2) verbunden ist.

2. Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Anschlußbereich (106) mit einer Vielzahl von kleinen Anschlußaussparun­ gen (108) versehen ist.

3. Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (10, 11) durch eine eingebrannte Dickschichtpasta gebildet ist.

4. Elektrischer Schichtwiderstand nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) ein keramisches Dickschichtsubstrat ist.

5. Elektrischer Schichtwiderstand nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußaussparun­ gen (108) durch beim Auftragen des Metallfilms auf das Dickschichtsubstrat verbleibende kleine Löcher gebildet werden.

6. Elektrischer Schichtwiderstand nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall­ film (3) mit einer Schutzschicht (17) überzogen ist, die vom Anschlußelement (10, 11) durchsetzt ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schicht­ widerstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Metallfilm auf ein Substrat, insbesondere durch Kathodenzerstäubung, aufgetragen wird und an­ schließend durch Materialentfernung Trennaussparungen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Anschlußbereichen Anschlußaussparungen vorgesehen werden und daß eine pastenartige Anschlußmasse in den Anschlußbereichen sowohl auf den Metallfilm als auch durch die Aussparungen auf das Substrat aufge­ tragen und dann zu einem Anschlußelement verfestigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußaussparungen in einem Arbeitsgang mit den Trennaussparungen erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anschlußmasse außer einem Metallpulver eine Glasfritte enthält und durch Einbrennen verfe­ stigt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußmasse im Siebdruck­ verfahren aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Widerstandswert durch zusätzliche Material­ entfernung justiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierung nach dem Aufbringen und Verfestigen der Anschlußmasse erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfestigen der Anschluß­ masse bzw. dem Justieren außerhalb der Anschlußmasse eine Glasfritte aufgetragen und dann zur Bildung eines Glasüberzugs geschmolzen wird.