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DE1815759A1 - Gedruckte Heissleiter-Anordnung - Google Patents

Gedruckte Heissleiter-Anordnung

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DE1815759A1
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DE
Germany
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thermistor
film
oxide
conductive film
printed
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Pending
Application number
DE19681815759
Other languages
English (en)
Inventor
Ewing Keith Elwood
Herbst Darwyn Leroy
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Motors Liquidation Co
Original Assignee
General Motors Corp
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Publication date
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    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
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    • H01C7/042—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient mainly consisting of inorganic non-metallic substances
    • H01C7/043—Oxides or oxidic compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
    • H05K1/167—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed resistors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)

Description

DR. MDLLER-BORg DIP L.-IN G. GRALFS DR. MANITZ Dr.Deufel
Braunschw«g, den 17.12.1968 Unser Zeichen: Kl/kl - G 1776
General Motors Corporation Detroit,Michigan. / USA
Gedruckte Heißleiter-Anordnung "
Die Erfindung betrifft Heißleiter,insbesondere niederohmige gedruckte Heißleiter-Anordnungen.
Heißleiter sind elektrische Widerstände aus einem Material, dessen Widerstand sich in bekannter Weise mit der Temperatur ausgeprägt ändert. Sie haben somit einen mittleren bis hohen Temperaturbexvvert des Widerstandes. Heißleiter werden aus Kupferoxid,Manganoxid,Eisenoxid,Chromoxid,Kobaltoxid und Nickeloxid hergestellt. Der spezifische Widerstand dieser metalloxide für sich oder einzeln ist hoch und es ergibt sich daher, daß Gemische aus zwei oder mehreren dieser Oxide gewöhnlich dazu verwendet werden,eine Heißleiter-Zusammensetzung mit einem geringeren spezifischen Widerstand zu schaffen.
Die am meisten verbreiteten Heißleiter sind diskrete keramikartige Perlen,Stäbe und Scheiben mit zwei daran befestigten Zuleitungen. Heißleiter dieser Art sind für viele Anwendungs-
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BRAUNSCHWEIG, AM BÖRGERPARK 8 ® (0531) 28487 8 MÜNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STR. 1 β? (0811) 225110
Form 20/5 2000 12.64 BAD
fälle geeignet und werden häufig in hochempfindlichen Thermostaten und automatischen Regeleinrichtungen verwendet. Bei bestimmten Anwendungen wie ζ „ B0 als Temp era turfiihl el ement eines hybriden integrierten Spannungsreglers ist es aus Gründen der 'Wirtschaftlichkeit der Herstellung wünschenswert, einen niederohmigen Heißleiter in einer von Perle,Stab oder Scheibe abweichenden Form zu verwenden,beispielsweise einen gedruckten Heißleiter,der den Herstellungsverfahren zur Ausbildung der mit den Heißleiter verbundenen elektrischen Schaltung besser angepaßt ist.
Die Verwendung gedruckter Heißleiterfilme auf keramischen Substraten zur Ausbildung niederohmiger Heißleiter war bisher nicht durchführbar wegen des hohen spezifischen Widerstandes des Heißleitermaterials. Ein konventioneller Streifen eines gedruckten Widerstandsfilmes ( 0,025 - 0,05 mm.dick) von 2,5 nun Breite und 5 mm Länge, der an jedem Ende durch ein leitendes Material abgeschlossen ist,hätte einen Widerstand, der zwischen 10 0hm bis zu 10 kOhm oder mehr bei einer Temperatur von 25 C. verändert werden kann,abhängig von dem gewünschten Widerstand. Heißleiter haben jedoch einen derart hohen spezifischen Widerstand,daß ein konventioneller Streifen eines gedruckten Heißleiterfilms ( 0,025 - 0,05 mm dick) von 2,5 mm Breite und 5 mm Länge, der aus einem typischen Heißleitermaterial besteht ,einen Widerstand von etwa 5- 7 iVlOhm bei 25°C. haben würde,ein Widerstand,der für die meisten Anwendungsfälle viel zu hoch ist. Eine Verkürzung der Lange und Erhöhung der Breite des Heißleiterfilms,so daß sich ein
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Streifen von IO ram Breite und 1 mm Länge ergibt, um den Kleinstwiderstand für einen Heißleiterfilm dieser Art zu erzielen,würde den Widerstand in die Größenordnung von 300 kOhm bei 250C. absenken. Als Ergebnis des hohen spezifischen Widerstands des Heißleitermaterials hatten gedruckte Heißleiterfilme bisher einen Widerstand,der für die meisten Anwendungsfälle zu hoch ist. Gedruckte Heißleiterfilme mit einem Widerstand in der Größenordnung von 100 Ohm bis 10 kOhm bei 25°C. konnten unter Beibehaltung der konventionellen Widerstands-Formgebung wie vorstehend beschrieben nicht erzielt werden.
Bei einer Heißleiter-Anordnung gemäß der Erfindung liegt ein Heißleiterfilm sandwichartig zwischen zwei leitenden Filmen, wobei die Heißleiterfilm-Anordnung von einer isolierenden Substratschicht getragen wird und den oberen leitenden Film von dem unteren leitenden Film isoliert. Der Widerstand einer gegebenen Heißleiterfilm-Anordnung kann durch Verändern der Fläche des oberen leitenden Films in einfacher Weise eingestellt werden. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Fläche des oberen leitenden Films zu einer Abnahme des Widerstands der Heißleiter-Anordnung.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Figur 1 eine teilweise geschnitten dargestellte perspektivische Ansicht einer Heißleiter-Anordnung gemäß der Erfindung und
Figur 2 einen Schnitt in der Linie 2-2 der Figur 1.
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Die Figuren 1 und 2 der Zeichnung zeigen eine Heißleiter-Anordnung 10 auf einer isolierenden Substratschicht 12,die aus einer dünnen Lage oder Schicht eines keramischen Materials oder Glasmaterials mit einer Dicke von etwa 0,625 - 1,0 mm besteht. Handelsübliche gebrannte Aluminiumoxidschichten werden bevorzugt, obgleich andere isolierende Materialien oder keramische Materialien verwendet werden können.
Die Heißleiter-Anordnung 10 hat einen unteren leitenden Film 14, der auf die Substratschicht 12 aufgedruckt ist und einen Teil 16 aufweist,der als Verbindungsleitung zu einer (nicht dargestellten) elektrischen Schaltung dient. Der leitende Film 14 kann aus Palladium-Silber, GoIg, Gold-Platin oder einem beliebigen anderen leitenden Material bestehen)das für die Anwendung in gedruckten elektrischen Schaltkreisen geeignet ist. Handelsübliche leitende Farben sind geeignet und werden für die Herstellung des leitenden Films 14 bevorzugt. Die Dicke des unteren leitenden Films beträgt etwa 0,01 - 0,03 mm ,wobei die bevorzugte Dicke 0,0175 mm beträgt.
Auf den leitenden Film 14 ist ein Heißleiterfilm 18 aufgedruckt, der zwischen 0,025 - 0,25 mm dick ist,wobei die bevorzugte Dicke zwischen etwa 0,05 und 0,075 mm liegt. Dicken von weniger als 0,025 mm neigen zu leitenden Durchschlagstellen. Filmdicken von 0,05 - 0,075 mm oder mehr werden bevorzugt,da die Dicke ausreichend ist,um eine relative Freiheit von Durchschlagstellen zu gewährleisten. Der Heißleiterfilm besteht aus 40-80 Gewichtsprozent eines Metalloxids und vorzugsweise einer Mischung aus zwei oder mehreren Oxiden aus der Gruppe
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Kupferoxid, Manganoxid,Eisenoxid,Chromoxid,Kobaltoxid und Nickeloxid, sowie 20- 60 Gewichtsprozent eines niedrigschmelzenden Glases. Eine bevorzugte Heißleiterfilm-Zusammensetzung ist eine Mischung, die 45 Gewichtsteile Manganoxid, 55 Teile Kobaltoxid und 98 Teile Glas enthält. Eine derartige Mischung
4 hat einen spezifischen Widerstand in dem Bereich von 3.10 Ohmzentimeter, während Kobaltoxid selbst einen spezifischen Widerstand von 10 Ohmzentimeter und Mangangxid selbst einen
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Widerstand von 4 . 10 Ohmzentimeter hat. Die Teilchengröße des Metalloxides muß kleiner sein als 0,0125 mm und beträgt vorzugsweise 0,0025 mm.
Die Anwesenheit von Glas in dem Heißleiterfilm ist erforderlich, um das Heißleitermaterial zu binden und um einen ausreichenden Abriebwiderstand des Heißleiterfilms zu schaffen, damit dieser normaler Handhabung sowie der Umwelt,der der Film während des Herstellungsverfahrens ausgesetzt ist, widerstehen kann. Konzentrationen von Glas unterhalb 20 Gewichtsprozent vermitteln weder eine ausreichende Bindefestigkeit noch ausreichenden Abriebwiderstand. Glaskonzentrationen über 60 Gewichtsprozent sind nicht befriedigend,weil der Heißleiterfilm dann bröckelig wird und rissig oder brüchig werden kann. Das Glas kann in Pulverform oder in Form einer handelsüblichen Glaspaste, die einen Träger oder eine Lösung enthält, hinzugesetzt werden. Die bevorzugte Teilchengröße des Glases ist kleiner als 15 Mikron. Das Glas sollte einen Wärmeausdehnungsbeiwert im Bereich von 6-9.10" /0C. aufweisen und einen Schmelzpunkt zwischen 4500C und 8000C. haben.
Blei-Borsilikatgläser werden bei der Durchführung der Erfindung
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bevorzugt. Ein typisches Blei-Borsilikatglas für die erfindungsgemäße Anwendung enthält 63 Gewichtsteile PbO, 25 % Bo°3 und 12 °/o SiO2 und hat einen Schmelzpunkt von 750°CT Eine handelsübliche Blei-Borsilikatglas-Paste ,die 75 Gewichtsprozent festes Material mit einer Teilchengröße von weniger als 15 Mikron enthält und bei der das Glas zwischen 500 und 5500C. schmilzt,erwies sich als zufriedenstellend.
Auf den Heißleiterfilm 18 aufgedruckt ist der obere leitende Film 20 oder die Gegenelektrode,deren Teil 22 als Verbindungsleitung zu einer (nicht dargestellten) elektrischen Schaltung dient. Der leitende Film 20 kann aus Palladium-Silber,Gold, Gold-Platin oder einem beliebigen anderen leitenden Material bestehen,das für die Verwendung in gedruckten elektrischen Schaltungen geeignet ist. Handelsübliche leitende Farben sind geeignet,und werden für die Herstellung des leitenden Films 20 bevorzugt. Die Dicke des oberen leitenden Films beträgt etwa 0,01 - 0,03 mm ,wobei die bevorzugte Dicke etwa 0,0175 mm beträgt. Der obere leitende Film 20 und der untere leitende Film 14 sind voneinander durch den Heißleiterfilm 18 isoliert.
Der Widerstand der Heißleiteranordnung ist durch den spezifischen Widerstand der Heißleiter-Zusammensetzung ,die Dicke des Heißleiterfilms ,welche die Länge des Strompfads ist, und die Querschnittsfläche des oberen leitenden Films bestimmt, wie durch die nachstehende Formel aufgezeigt wird:
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Widerstand » spez.Widerstand . Strompfadlänge
Querschnittsfläche
Der Widerstand einer Heißleiter-Anordnung mit einem Heißleiterfilm einer gegebenen Zusammensetzung mit einem gegebenen spez.Widerstand und einer gegebenen Filmdicke,z.B. 0,075 mm, kann leicht erhöht werden, indem die Größe des oberen leitenden Films 20 verringert wird,oder er kann herabgesetzt werden, Λ indem die Größe des oberen leitenden Films erhöht wird. Obgleich dies die bequemste Möglichkeit zur Änderung des Heißleiterwiderstandes ist,kann dieser ebenfalls durch Änderung der Heißleiter-Zusammensetzung erfolgen,so daß sich ein anderer spezifischer Widerstand ergibt«, Der resultierende Widerstand der Heißleiteranordnung kann so eingerichtet werden, daß er in dem Widerstandsbereich von 100 Ohm bis 10 kOhm bei 25°C. liegt,ein Bereich,der einen wesentlichen Teil der meisten Heißleiter-Anwendungen überdeckt. Der Widerstand der Heißleiter-Anordnung gemäß der Erfindung wird niedrig gehalten,indem ' die Länge des Strompfades, d.h.die Dicke des Heißleiterfilms, klein gehalten und die Querschnittsflache,d.h.die Fläche des oberen leitenden Films oder der Gegenelektrode 20, groß gemacht wird.
Die erfindungsgemäße Heißleiter-Anordnung wird vorzugsweise wie folgt gefertigt. Ein leitender Farbauftrag, ζ.Β.Palladium-Silber, wird auf die Aluminiumoxidsubstratschicht aufgetragen, so da'l sich ein Film mit einer Dicke von 0,0125 -0,0175 mm ergibt. Der leitende Film wird getrocknet und dann bei einer
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Temperatur von 7600C. gebrannt.. Bei der Herstellung eines Spannungsreglers beispielsweise werden Widerstände in Reihenoder Parallelschaltung mit der leitenden Zuleitung 16 gleichzeitig gedruckt und getrocknet. Eine"Heißleiterfarbe,die in Gewichtsteilen ausgedrückt z.B. 20,6 % Kobaltoxid,16,8 % Manganoxid, 0,6 % Äthylzellulose (Binder) ,11,9% Diäthylen-Glykol-Monobutyläther (Lösung und Träger) und 50 % Glas-Paste mit 7596 Feststoff enthält,wird auf den leitenden Film 14 aufgedruckt. Der Heißleiterfilm wird getrocknet und eine zweite Schicht Heißleiterfarbe wird auf den ersten Heißleiterfilm aufgedruckt und getrocknet. Der sich ergebende Heißleiterfilm 18 hat eine zusammengesetzte Dicke von etwa 0,06 mm. Eine leitende Farbe wie bereits erwähnt wird dann auf den resultierenden Heißleiterfilm 18 aufgedruckt.Die Heißleiter-Anordnung wird während einer Dauer von 40-50 Min*ten in ' einem Ofen gebrannt,in dem die Temperatur von Raumtemperatur auf eine Spitzentemperatur von etwa 6700C. ansteigt.Diese Temperatur wird für etwa 10 Minuten gehalten und dann wieder auf Raumtemperatur reduziert. Die resultierende Heißleiter-Anordnung hat einen Widerstand von etwa 100·Ohm bis 10 kOHm oder mehr bei 25°C.
Die Erfindung wird durch die Im Folgenden gegebenen speziellen Beispiele weiter erläutert.
Beispiel Nr.1
Eine aus Palladium-Silber bestehende leitende Farbe wurde auf eine Aluminiumoxid-Substratschicht aufgebracht,getrocknet und gebrannt, um einen leitenden Film mit Länge und Breite von
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je 5,625 mm und einer Dicke von 0,0175 nun auszubilden. Eine Heißleiter-Farbzusainmensetzung aus 33 Gewichtsprozent Co3O45 27 % MnO2 ,19 % Diäthylen-Glykol-Moeobutyläther, 1 % Äthylzellulose und 20 % Glas-Paste (75 Gewichtsprozent Feststoff) wurde auf die Oberfläche des unteren leitenden Films aufgetragen und dann getrocknet. Eine weitere Schicht der gleichen Heißleiterfarbe wurde auf die Oberseite des ersten Heißleiterfilms aufgetragen und getrocknet. Der resultierende Heißleiterfilm hatte eine Dicke von 0,06 mm und war 6mm lang und 6mm breit. Der spezifische Widerstand dieses Heißleiterfilmmaterials
wurde definiert als RA » 14 Ohm-in. , wobei R der spez.Widerstand ist und Δ die Querschnittsfläche. Die Gegenelektrode oder der obere leitende Film wurde auf der Oberseite des Heißleiterfilms durch Auftragen einer aus Palladium-Silber bestehenden leitenden Farbe ausgebildet. Der obere leitende Film war 5,375 mm lang, 5,375 mm breit und 0,0175 mm dick.Die Heißleiter-Anordnung wurde in einen Ofen eingebracht und bei einer Spitzentemperatur von 7600C. für zehn Minuten gebrannt. Der Widerstand der so geschaffenen Heißleiter-Anordnung betrug 300 Ohm bei 250C.
Beispiel Nr.2
Ein aus Palladium-Silber bestehender leitender Film,dessen Länge und Breite je 3,125 mm und dessen Dicke 0,0175 mm betrug, wurde wie im Beispiel Nr.1 beschrieben ausgebildet.Ein Heißleiterfilm wurde ebenfalls wie in Beispiel Nr.1 beschrieben ausgebildet und zwar aus einer Heißleiterfarbe,die 23,7 Gewichtsprozent Co3O4, 12,9 Gewichtsprozent MnO3,12,8 °/o Diäthylen-
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Glykol-Monobutyläther, 0,6 % Äthylzellulose und 50 % Glas-Paste (75% Feststoff) enthielt. Der Heißleiterfilm war 3,5 am breit, 3,5 mm lang und 0,06 mm dick. Der spezifische Widerstand dieser Heißleiter-Zusammensetzung wurde definiert als
ο
RA * 12,7 0hm-in. . Der obere leitende Film wurde aus einer Palladium-Silber-Farbe hergestellt und war 2,875 mm lang, 2,875 mm breit und 0,0175 mm dick. Die Heißleiter-Anordnung wurde wie im Beispiel Nr.1 gebrannt. Der Widerstand der Heißleiter-Anordnung betrug 1000 Ohm bei 25°C.
Beispiel Nr.3
Ein leitender Film aus Palladium-Silber mit einer Länge und Breite von je 2,5 mm sowie einer Dicke von 0,0175 mm wurde gedruckt. Darauf wurde ein Heißleiterfilm aus einer Heißleiterfarbe mit 10,5 Gewichtsprozent Co3O4, 27,9 % MnO3, 11,0 % Diäthylen-Glykol-Monobutyläther, 0,6 % Äthylzellulose und 50 % Glas-Paste (75?6 Feststoff)aufgetragen. Der Heißleiterfilm war 3 mm lang und 3 mm breit bei einer Dicke von 0,06 mm. Der spezifische Widerstand dieser Heißleiter-Zusammen-
Setzung wurde definiert als RA - 350 0hm-in. . Die Gegenelektrode wurde auf die Oberseite des Heißleiterfilms mit einer Palladium-Silber-Farbe aufgetragen und war je 2,125 mm lang und breit bei einer Dicke von 0,0175 mm. Die Heißleiter-Anordnung wurde wie in Beispiel Nr.1 angegeben gebrannt. Der Widerstand der Heißleiter-Anordnung betrug 50 kOhm bei 25° C.
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Die beschriebenen Heißleiter-Anordnungen können in gedruckten Schaltkreisen Anwendung finden,weil sie durch ein Verfahren hergestellt werden,das mit den Verfahrensschritten bei der Ausbildung typischer gedruckter Schaltkreise im Einklang steht und das die Herstellung einer niederohraigen Heißleiter-Anordnung mit einem Widerstand im Bereich von 100 Ohm bis 10 kOhm oder mehr bei 25°C. gestattet.
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Claims (7)

Patentansprüche
1. Gedruckte Heißleiter-Anordnung auf einem isolierenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Substrat ein erster leitender Film befindet, der einen zur Verbindung mit einer elektrischen Schaltung ausgebildeten Teil aufweist, daß auf die Oberseite des ersten leitenden Films ein Heißleiterfilm aufgedruckt ist und daß auf die Oberseite des Heißleiterfilms ein zweiter leitender Film aufgedruckt ist, der einen zur Verbindung mit der genannten elektrischen Schaltung ausgebildeten Teil aufweist, und daß der Heißleiterfilm den ersten leitenden Film von dem zweiten leitenden Film isoliert.
2· Heißleiter-Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiterfilm ein Metalloxid aus der Gruppe Kobaltoxid,Manganoxid,Kupferoxid,Eisenoxid,Chromoxid und Nickeloxid enthält.
3» Heißleiter-Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiterfilm im wesentlichen aus Glas und einem Gemisch aus zwei oder mehreren der Metalloxide aus der Gruppe Kobaltoxid,Manganoxid,Kupferoxid,Eisenoxid,Chromoxid und Nickeloxid besteht.
4. Heißleiter-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,daß ein Teil des leitenden Films den Heißleiterfilm überlappt und auf dem Substrat angeordnet ist.
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5. Heißleiter-Anordnung nach Anspruch 3 oder 4,dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiterfilm 20 - 60 Gewichtsprozent Glas enthält.
6. Heißleiter-Anordnung nach Anspruch 3,4 oder 5,dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiterfilm Kobaltoxid und Manganoxid enthält.
7. Heißleiter-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,daß der Heißleiterfilm 0,025 bis 0,25 ram dick ist.
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