DE4033707A1

DE4033707A1 - Cermet-dickschichtwiderstandselement sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE4033707A1
Application number: DE4033707A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Phys Stecher; Werner Dipl Phys Dr Gruenwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-10-24
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1992-04-30
Also published as: ITMI912722A0; CH689501A5; IT1251928B; ITMI912722A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein Verfahren zur Herstellung von Widerstandselementen in Dick schichttechnik mit glatter Oberfläche ist aus der Zeitschrift "Elek tronik" 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 glasfaserverstärktem Preßmaterial auf Harzbasis verpreßt. Das Ver fahren liefert hochglatte Oberflächen, ist jedoch auf den Fall be schränkt, daß sowohl die auf dem Stempel aufgebrachte Schichtanord nung als auch das Preßmaterial auf Harzbasis aufgebaut sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verschleißfeste Wider standselemente mit glatter und harter Oberfläche preiswert herzu stellen, welche auch bei hohen Temperaturen bis zu 800°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 Temperatur festigkeit 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 Potentiome ter geeignet. Eine aufwendige Nachbehandlung zur Erzeugung einer glatten Oberfläche entfällt. Statt dessen muß lediglich einmalig eine dann für beliebig viele Herstellungsdurchläufe wiederverwend bare Druckunterlage glattgeschliffen werden. Eine Vielzahl von geo metrischen Ausgestaltungen ist möglich. So kann durch die entspre chende Gestaltung des Preßwerkzeuges eine beliebige äußere Form re alisiert werden, wie beispielsweise die Form einer Unterlegscheibe, d. h. mit Mittenaussparung, oder eine Stabform. Die Dickschichttech nik erlaubt auch, bei fester äußerer Form der Widerstandselemente nur die Oberflächenaufteilung variabel zu gestalten. So könnte bei einem beispielsweise scheibenförmigen Widerstandselement die Wider standsschicht wahlweise parallel zum Scheitelrand verlaufen oder wie mäanderförmig gestaltet werden. Erfindungsgemäß hergestellte Wider standselemente sind ferner aufgrund ihrer, infolge der glatten Ober fläche, sehr guten Oberflächenpressungseigenschaften und ihrer ge ringen Temperaturempfindlichkeit gut geeignet als Kraft- oder Druck sensoren.

Zeichnung

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches in der sich an schließenden Beschreibung näher erläutert wird. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die mit einer Trennmittelschicht benutzte Druckunter lage, Fig. 2 die Druckunterlage mit Trennmittelschicht und Schicht anordnung vor dem Verpressen, Fig. 3 einen Schnitt durch das Preß werkzeug 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 ei ner Druckunterlage 1 aus Stahl oder keramischem Werkstoff, sofern notwendig, glattgeschliffen und/oder hochglanzpoliert. Die Druckun terlage 1 kann auch in Form einer Polyesterfolie vorliegen. Die ein gestellte Oberflächenrauhigkeit wird als Negativabdruck auf die spä tere Widerstandsoberfläche abgebildet. Die Glättung der Druckunter lagenoberfläche 2 muß, um eine für die Widerstandsoberfläche 30 ge wünschte 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 Trenn mittelschicht 11 benetzt. Ein geeignetes Trennmittel ist z. B. Sili conöl. 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-Mi schung) aufgebracht, welche die Widerstandsbahn(en) bildet. Aufge bracht wird das Spiegelbild der für das Widerstandselement gewünsch ten Struktur, das insbesondere aus mehreren Widerstandsbahnen beste hen kann. Als Ausgangsmaterial für den Widerstand können handelsüb liche Pasten verwendet werden, wie sie beispielsweise bei der Firma DU PONT, Frankfurt erhältlich sind. Die Dicke der Schicht be trägt zweckmäßig 20-25 µm, kann aber auch deutlich von diesen Wer ten abweichen. Beim Übergang zu größeren Schichtdicken muß berück sichtigt 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 leitfähi ge 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 µm betragen, wodurch einer seits 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, vor zugsweise 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 wer den. Die anzustrebende Güte der Oberfläche 22 hinsichtlich Rauhtiefe richtet sich nach dem vorgesehenen Verwendungszweck des fertigen Widerstandselementes. Wird für die äußere Gestalt des Widerstands elementes 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 Werk stoffen bestehen.

Zur Durchführung des dritten Verfahrensschrittes, Fig. 3, wird in das Preßwerkzeug 20 bis 22 zunächst eine ungebrannte flexible Kera miksubstratfolie 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 Schichtanord nung 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/m² betragen, zweckmäßig sind 30 N/m². 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°C bis 200°C, vorzugsweise bei 150°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°C bis 900°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 voll kommenen parallele Unterseite 31. Ohne Mühe kann eine mittlere Rauh tiefe der Oberfläche 30 von <1 µm erzielt werden. Eine Nachbehand lung 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 Druck sensor eingesetzt werden. Für diese Anwendung ist für die Wider standsbahnen 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.

Claims

1. Widerstandselement, insbesondere in Dickschichttechnik, mit we nigstens einer Widerstandsschicht und wenigstens einer Leitungsbahn schicht auf einem isolierenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Cermet-Widerstandsschicht (12) zusammen mit der Leitungsbahn schicht (13) auf einem keramischen Substrat (14) angeordnet ist, wobei die Cermet-Widerstandsschicht (12) und die Leitungsbahnschicht (13) in das Keramiksubstrat (14) eingepreßt sind und eine glatte Oberfläche mit dem keramischen Substrat (14) bilden.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Substrat, welches die Dickschichtanordnung (12, 13) trägt, eine Keramikfolie (14) ist.

3. Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch die Verwendung als Teil einer elektronischen Schaltung, welche die Änderung des elektrischen Widerstandes der Cermetschicht infolge Druckeinwirkung auf die Oberfläche (30) der Cermetschicht mißt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandselementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung (12, 13) in einem Preßwerkzeug (20 bis 22) mit dem keramischen Substrat (14) verpreßt und eine Druckunterlage (1) nach Abschluß des Preßvorganges entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Schichtanordnung (12, 13) zugewandte Seite der Druckunterlage (1) hochglanzpoliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochglanzpolierte Seite der Druckunterlage (1) mit einem Trennmittel (11) benetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schichtanordnung (12, 13) mit einem in Form einer Folie (14) vorliegenden Keramiksubstrat verpreßt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Sub strat eine ungebrannte, flexible Keramikfolie (14) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Preßvorgang unter erhöhter Temperatur durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der durch Verpressung von Schichtanordnung (12, 13) und Substrat (14) erzeugte Preßling anschießend gebrannt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennvorgang bei einer Temperatur von 400°C bis 1500°C, vorzugs weise bei 850°C erfolgt.