DE10153273A1 - Niederohmiger elektrischer Widerstand und Verfahren zur Herstellung solcher Widerstände - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung niederohmiger elektrischer Widerstände aus einem Blech aus einer metallischen Widerstandslegierung wird auf eine Vielzahl photolithographisch definierter paralleler Streifen, die sich mit gleichmäßigen gegenseitgen Abständen über die gesamte Blechoberfläche erstrecken, galvanisch ein die Anschlusskontakte der Widerstände bildendes Metall abgeschieden. Zum Vereinzeln der Widerstände wird das galvanisierte Blech längs senkrecht zueinander verlaufender Schnittebenen zersägt, von denen die Schnittebenen der einen Gruppe jeweils einen der Anschlusskontaktstreifen in deren Längsrichtuntg zerteilen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen niederohmigen elektrischen Widerstand und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Insbesondere handelt es sich um niederohmige Präzisionswiderstände für Strommesszwecke in SMD- oder Chipbauweise.
• Bei einem aus der EP 0841668 A1 bekannten Verfahren zum Herstellen von SMD-Messwiderständen mit Widerstandswerten im Milliohmbereich wird zunächst ein Laminat aus einem als Substrat dienenden Kupferblech, einer Folie aus einer Widerstandslegierung auf Cu-Basis und einer zwischen ihnen befindlichen wärmeleitenden Klebefolie gebildet. Auf der freien Oberseite der Legierungsfolie werden dann Anschlusskontaktbereiche für die einzelnen Widerstände photolithographisch definiert, galvanisch verkupfert und mit Nickel überzogen. Nach der galvanischen Metallisierung wird die eigentliche Struktur der Widerstände und ihrer Anschlusskontakte durch Ätzen erzeugt. Die Widerstandsstruktur kann die übliche Vierpol- und/oder Mäanderform haben. Das Vereinzeln der Widerstände kann mit einer Laserschneidanlage oder vorzugsweise durch Zerbrechen der Klebefolie nach beidseitigem Durchätzen der Metallschichten längs der vorgesehenen Trennlinien erfolgen. Dieses bekannte Verfahren ist relativ aufwendig. Vor allem aber ist es kaum möglich, durch das bisher notwendige Ätzen Widerstände mit genau definierten Widerstandswerten zu erzeugen. Besonders schwierig ist es, auf die Legierungsfolie aufgalvanisierte Anschlusskontakte durch Ätzen zu strukturieren, ohne das darunter befindliche Legierungsmetall anzugreifen, wobei die Präzision außerdem durch die für das Ätzen typische undefinierte Form der Stirnflächen der Anschlusskontakte beeinträchtigt wird, die nicht genau senkrecht zur Oberfläche, sondern mehr oder weniger konkav bis in die Legierungsoberfläche verlaufen.
• Bei einem anderen, aus der EP 0484756 B1 bekannten Verfahren zum Herstellen von SMD-Messwiderständen werden Anschlusskontakte einer auf ein Substrat geklebten, in üblicher Weise strukturierten Widerstandsfolie ggf. nach einer galvanischen Vorverzinnung der Anschlussbereiche als Paste im Siebdruckverfahren auf die Folie aufgebracht und dann in kompakte "Perlen" umgeschmolzen. Auch hier kann der gewünschte präzise Widerstandswert nur durch anschließendes Abgleichen erreicht werden. Das Vereinzeln dieser Widerstände erfolgt in der Praxis durch Stanzen, wie es auch bei vergleichbaren weiteren bekannten Bauelementen üblich ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Präzisionswiderständen der betrachteten Art anzugeben, das einfacher ist als vergleichbare bekannte Verfahren und insbesondere die Bildung der Anschlusskontakte ohne Ätzen ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen angegebene Verfahren gelöst.
• Erfindungsgemäß können mit wenigen einfachen Arbeitsgängen Präzisionswiderstände im Milliohm-Bereich hergestellt werden, die mit Widerstandstoleranzen von maximal ± 5% keinen nachträglichen Abgleich erfordern. Weder die Anschlusskontakte noch die Legierungsbereiche müssen geätzt werden, womit die Nachteile der ätztechnischen Strukturierung vermieden werden, nämlich die Ausbildung auslaufender, nicht senkrechter Ätzflanken, die zu großen Schwankungen des Widerstandswertes und schlechter Reproduzierbarkeit führen.
• Vorteilhaft wirkt sich aus, dass erfindungsgemäß nach fotolithografischer Definition der Abscheidungsflächen die vergleichsweise dicken Kupfer-Kontaktschichten sehr genau galvanisch abgeschieden werden können, wobei insbesondere die zu der Hauptfläche des Bleches bzw. einer die Widerstandslage bildenden Folie senkrechte Ausbildung und die Position der dem aktiven Widerstandsbereich zugewandten Flanken wichtig sind.
• Die zweite Voraussetzung zur erfindungsgemäßen Herstellung genauer Widerstände ist die Erzeugung einer definierten Breite. Vorzugsweise wird dies durch Zersägen der galvanisierten Widerstandslage erreicht.
• Durch das Sägen ergibt sich eine wesentlich höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Widerstände als bei anderen Trennverfahren wie Ätzen, Stanzen und z. B. auch bei der an sich ebenfalls möglichen Verwendung von Lasern. Außerdem kann durch das Sägen die Anzahl der bei einer gegebenen Nutzfläche herstellbaren Widerstände maximiert werden.
• Das Verfahren eignet sich u. a. für die Herstellung extrem niederohmiger Widerstände beispielsweise im Bereich von etwa 0,5 mΩ bis 5 mΩ in großen Stückzahlen, doch können auch Widerstände mit noch niedrigeren oder mit höheren Widerstandswerten hergestellt werden, z. B. 0,01-50 mΩ. Bei einer modifizierten Bauform mit besonders dünnen Widerstandsfolien kann der Widerstandswert auch problemlos noch weiter angehoben werden, z. B. bis auf 100 mΩ. Die Widerstände sind darüber hinaus flexibel und können je nach gewünschter Belastbarkeit fast beliebig groß oder klein hergestellt werden. Da der erfindungsgemäß hergestellte Widerstand im Wesentlichen nur aus Metall besteht und die bei den erwähnten bekannten Verfahren verwendete organische Kleberschicht entweder ganz entfällt oder, soweit vorhanden, keine Wärme ableiten muss, hat er den Vorteil hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Belastbarkeit. In den für diesen Widerstand typischen Anwendungsfällen genügt es, die Verlustwärme über die Anschlusskontakte abzuleiten, beispielsweise in eine Schaltungsplatte, auf deren Oberfläche die Widerstände gemäß der SMD-Technik montiert werden.
• An den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 die verschiedenen Schritte oder Stufen des Verfahrens;
• Fig. 2 eine schematische schrägbildliche Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Widerstands, und
• Fig. 3 eine modifizierte Bauform des Widerstands.
• Gemäß Fig. 1A) wird im ersten Verfahrensschritt ein blankes rechteckiges Blech 1 aus einer metallischen Widerstandslegierung mit eine Photoresistschicht 2 bedeckt, die in der bei der Photolithographie üblichen Weise durch eine Photomaske (nicht dargestellt) belichtet werden kann. Das Blech 1 kann in praktischen Fällen eine Nutzfläche von z. B. etwa 300 × 400 mm haben und zwischen 0,1 und 1 mm dick sein. Es besteht vorzugsweise aus einer der bewährten Widerstandslegierungen auf Cu-Basis wie z. B. CuMn12Ni od. dgl.
• Im nächsten Schritt gemäß Fig. 1B) wird in ebenfalls an sich bekannter Weise durch partielles Entfernen die photolithographische Struktur der Photoresistschicht 2 gebildet. Diese als Abdeckmaske dienende Struktur besteht aus einer Vielzahl sich über die gesamte Breite oder Länge der in der Zeichnung oberen Oberfläche des Bleches 1 oder wenigstens der zu nutzenden Oberfläche erstreckender paralleler Streifen 2', die in der Regel die gleiche Breite und gleiche, über die gesamte Streifenlänge gleichbleibende gegenseitige Abstände haben.
• Vor, nach oder gleichzeitig mit der photolithographischen Strukturierung der Photoresistschicht 2 wird die Unterseite des Bleches 1 mit einer Schutzfolie 3 bedeckt, die bei der anschließenden Galvanisierung eine Metallisierung der Blechunterseite verhindert.
• Fig. 1C) zeigt die Verfahrensstufe nach der galvanischen Abscheidung von Kupfer auf den zwischen den Streifen 2' der Abdeckmaske frei gelassenen Blechstreifen. Die abgeschiedenen Kupferstreifen 4 erstrecken sich folglich ebenfalls mit untereinander gleicher Breite und gleichen, über die gesamte Streifenlänge gleichbleibenden gegenseitigen Abständen über die gesamte Breite oder Länge der Nutzenoberfläche des Bleches 1.
• In der Verfahrensstufe gemäß Fig. 1D) sind die Photoresiststreifen 2' entfernt und durch Schutzlack ersetzt worden. Die Schutzlackstreifen 5 können beispielsweise von Hand durch Spachteln oder Rakeln aufgebracht werden. Sie verhindern eine Metallisierung der zwischen den Kupferstreifen 4 liegenden Bereiche des Bleches 1 bei einer nachfolgenden galvanischen Verstärkung der Kupferstreifen und schützen im übrigen später ebenso wie die Schutzfolie 3 die Oberfläche des Legierungsbereiches des fertigen Widerstands.
• Gemäß Fig. 1E) kann auf den Kupferstreifen 4 galvanisch weiteres Kupfer zur Verstärkung der Kontakte und/oder ein zusätzliches Metall abgeschieden werden. Durch eine Zinnschicht 6 auf der Kupferoberfläche wird diese vor Anlaufen geschützt und das spätere Auflöten des Widerstands auf eine Schaltungsplatte od. dgl. erleichtert. Die Streifen 4 mit der Zinnschicht 6 bilden die Anschlusskontakte der zu erzeugenden einzelnen Widerstände.
• Nun können die insoweit bereits fertig gestellten Präzisionswiderstände vereinzelt werden. Zu diesem Zweck wird das mit den Anschlusskontakten versehene Blech 1 längs senkrecht zu der Blechoberfläche und senkrecht zueinander verlaufender Gruppen von Schnittebenen zertrennt. Die Schnittebenen der einen dieser beiden Gruppen verlaufen parallel zu den Kupferstreifen 4 und somit zu einem der Ränder des Bleches 1 durch das gesamte Blech und liegen jeweils in der Mitte eines der Kupferstreifen 4, die dadurch jeweils in zwei gleiche Streifenteile zertrennt werden, längs der Pfeile 7 in Fig. 1E) und in Figur F). In Figur F) ist als letzte oder vorletzte Verfahrensstufe der vereinzelte Widerstand oder ein noch längs der zweiten Gruppe von Schnittebenen zu zerteilender Streifen dargestellt. Die Schnittebenen der zweiten Gruppe verlaufen parallel zu dem anderen Blechrand ebenfalls durch das gesamte Blech längs der seitlichen Ränder der einzelnen Widerstände.
• Diese Vereinzelung der Widerstände erfolgt am besten durch Zersägen an den einzelnen Schnittebenen. Das Sägen hat den Vorteil, dass sehr präzise die jeweils gewünschten Abmessungen der Widerstände mit zu der Blechebene genau senkrechten ebenen Schnittflächen gewährleistet werden können. Hierfür geeignete Präzisionssägemaschinen, die z. B. optisch mit dem galvanisierten Blech ausgerichtet (referenziert) werden können und mit hoher Genauigkeit im µm-Bereich arbeiten, sind an sich bekannt und im Handel erhältlich. Das Blech wird zum Zersägen zweckmäßig auf eine Unterlage geklebt, von deren Klebeschicht die vereinzelten Widerstände dann problemlos gelöst werden können. Zweckmäßig wird das galvanisierte Blech zunächst längs einer der beiden Gruppen von Schnittebenen in einzelne Streifen zersägt, die dann ihrerseits zur Bildung der einzelnen Widerstände zersägt werden. Je nach Art der Sägemaschine könnten theoretisch auch mehrere Streifen gleichzeitig abgesägt bzw. zersägt werden. Aus einem Blech mit dem oben als Beispiel erwähnten Nutzen von ca. 300 × 400 mm lassen sich auf die hier beschriebene Weise mehrere 10 000 Widerstände aussägen.
• Der nach dem letzten Verfahrensschritt entstandene einzelne Widerstand ist schematisch (nicht maßstabsgetreu) in Fig. 2 dargestellt. Der fertige Widerstand besteht aus dem rechteckigen Legierungsblechstück 1', an dessen entgegengesetzten Enden die rechteckigen Anschlusskontakte 4' und 4" mit den Zinnschichten 6', 6" aufgalvanisiert sind. Die durch das galvanische Abschneiden von Kupfer ggf. in mehreren Schichten gebildeten Anschlusskontakte sind vorzugsweise relativ dick, u. a. um guten Eingang und Ausgang des Stroms in die bzw. aus der Legierung zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Dicke des Kupfers ungefähr 50-100 µm betragen.
• Wie ersichtlich ist, hat der Widerstand an den genannten entgegengesetzten Enden ebene Stirnflächen 7 der Anschlusskontakte und des Blechstücks 1' selbst, die genau senkrecht zu der Blechebene miteinander fluchten. Dasselbe gilt für die beiden seitlichen Stirnflächen 8 der Anschlusskontakte und des Blechstücks 1'. Zwischen den Anschlusskontakten befindet sich die Schutzlackschicht 5', während die den Kontakten abgewandte Oberfläche des Widerstands noch von der Schutzfolie 3' bedeckt sein kann.
• Der in Fig. 3 dargestellte modifizierte Widerstand unterscheidet sich von der Bauform nach Fig. 2 nur dadurch, dass anstelle des mit der Schutzfolie 3' bedeckten relativ dicken Blechstücks 1' eine wesentlich dünnere Widerstandsfolie 11 verwendet worden ist, die auf einer als Schutzfolie dienenden doppelseitig klebenden Klebefolie 13 befestigt worden ist. Die Widerstandsfolie 11, deren Dicke weniger als 100 µm z. B. bis herunter zu 20 µm betragen kann, ist zum Zweck der Handhabbarkeit, d. h. zur mechanischen Stabilisierung mittels der Schutz- und Klebefolie 13 auf einem Substrat 18 fixiert worden, bei dem es sich beispielsweise um ein 0,5 mm dickes Aluminiumblech handeln kann.
• Die Anschlusskontakte 14 mit den Zinnschichten 16 und die Schutzlackschicht 15 entsprechen der Ausführungsform nach Fig. 2, und auch die Herstellung des modifizierten Widerstands erfolgt im Wesentlichen nach dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren mit der Maßgabe, dass im Schritt gemäß Fig. 1A anstelle des relativ dicken Bleches 1 das aus der dünnen Widerstandsfolie 11, der doppelseitigen Klebefolie 13 und dem Substrat 18 bestehende Laminat verwendet wird, wobei die Klebefolie 13 und das Substrat 18 die Schutzfolie 3 ersetzen können. Die Werte der auf diese Weise hergestellten Widerstände können typisch in der Größenordnung von 50 oder auch 100 mΩ liegen.
• Anstelle des aufgeklebten Aluminiumsubstrats 18 könnte die Handhabbarkeit einer ggf. sehr dünnen Widerstandsfolie wie der Folie 11 in Fig. 3 auch durch ein zur mechanischen Stabilisierung der Folie geeignetes nichtmetallisches Substrat ermöglicht werden, so dass sich ein Widerstand ergibt, der bis auf das dünnere Folienstück anstelle des Blechstücks 1' und das dickere nichtmetallische Substrat anstelle der Schutzfolie 3' dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht (bzw. dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, in dem die Klebefolie 13 und das Substrat 18 durch eine einzige Substratschicht ersetzt sind, auf die die Widerstandsfolie 11 aufgeklebt sein kann).

Claims (13)

1. Niederohmiger elektrischer Widerstand, bestehend aus einem flachen rechteckigen Metallstück (1', 11) aus einer Widerstandslegierung und auf die eine Hauptfläche des Metallstücks an entgegengesetzten Enden aufgalvanisierten Anschlusskontakten (4', 4", 14), wobei die Stirnflächen (7) des Metallstücks (1', 11) und der Anschlusskontakte (4', 4", 14) an diesen Enden und die senkrecht zu diesen Stirnflächen (7) angrenzenden Seitenflächen (8) des Metallstücks (1') und der Anschlusskontakte (4', 4", 14) jeweils senkrecht zu der Ebene der Hauptfläche des Metallstücks (1', 11)miteinander fluchten.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Widerstandswert zwischen etwa 0,5 mΩ und etwa 5,0 mΩ beträgt.

3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallstück eine Folie (11) ist, die auf ihrer den Anschlusskontakten (14) abgewandten Seite auf einem Substrat (18) befestigt ist.

4. Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (11) weniger als 100 µm dick ist.

5. Widerstand nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sein Widerstandswert größer als 10 mΩ und vorzugsweise größer als 50 mΩ ist.

6. Verfahren zur Herstellung niederohmiger elektrischer Widerstände, bei dem auf photolithographisch definierte Bereiche einer aus einer metallischen Widerstandslegierung in Form eines Bleches (1) oder einer Folie (11) bestehenden Lage galvanisch ein Metall zur Bildung von Anschlusskontakten (4) für eine Vielzahl einzelner Widerstände abgeschieden und die mit den Anschlusskontakten (4) versehene Lage (1, 11) in die einzelnen Widerstände zerteilt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

- photolithographische Erzeugung einer Abdeckmaske, die durch eine Vielzahl sich über die eine Oberfläche der Lage (1, 11) erstreckender paralleler Streifen (2') mit gleichmäßigen gegenseitigen Abständen gebildet wird;

- Galvanisierung der Lage (1, 11) nur auf ihrer die Abdeckmaske tragenden Oberfläche zur Abscheidung des Anschlusskontaktmetalls auf den zwischen den parallelen Maskenstreifen (2') liegenden Widerstandsstreifen; und

- Zertrennen der galvanisierten Lage (1, 11) längs senkrecht zu deren Oberfläche und senkrecht zueinander verlaufender Gruppen von Schnittebenen, von denen die einen Schnittebenen (7) parallel zu den Anschlusskontaktstreifen (4) je einen der Anschlusskontaktstreifen zertrennen, während die anderen Schnittebenen die Widerstände an ihren quer zu den Anschlusskontaktstreifen (4) verlaufenden Rändern voneinander trennen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisierte Lage (1, 11) zum Vereinzeln der Widerstände zersägt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Galvanisierung die Rückseite der Lage (1) mit einer Schutzfolie (3) bedeckt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Abscheidung des Anschlusskontaktmetalls die Maskenstreifen (2') entfernt und an ihrer Stelle ein Schutzlack (5) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Anschlusskontaktstreifen (4) vor dem Vereinzeln der Widerstände galvanisch mindestens eine zusätzliche Schicht (6) aus demselben Metall oder aus einem anderen Metall aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech (1) oder eine Folie (11) aus einer Cu-Legierung zur Bildung der Anschlusskontaktstreifen verkupfert wird und die Kupferstreifen (4) verzinnt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Länge, Breite und Dicke der nach dem Vereinzeln der Widerstände verbleibenden Blechstücke (1') und der gegenseitige Abstand der verbleibenden Anschlusskontakte (4', 4 ") für Widerstandswerte zwischen etwa 0,1 mΩ und etwa 5 mΩ bemessen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckmaske auf einer aus der Widerstandslegierung bestehenden, weniger als 100 µm dicken Folie erzeugt wird, die durch Befestigung auf einem Substrat (18) handhabbar gemacht wird, und dass Länge, Breite und Dicke der nach dem Vereinzeln der Widerstände verbleibenden Folienstücke (11) für Widerstandswerte von mehr als 10 mΩ und vorzugsweise mehr als 50 mΩ bemessen werden.