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Schmelzleiter und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schmelzleiter für eine -Sicherungseinrichtung,
insbesondere für eine Halbleitersicherung, der zwischen mindestens zwei unedleres
Metall enthaltenden Leiterstücken jeweils in einem Engstellenbereich aus einem dünnen
Leiterelement aus edlerem Metall besteht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Herstellung dieses Schmelzleiters. Ein derartiger Schmelzleiter ist z.B. aus
der DE-PS 1 161 987 bekannt.
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Zum Schutz von Leistungshalbleiter-Bauelementen, z.B.
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Siliziumdioden oder Thyristoren, die wegen ihrer geringen Wärmekapazität
sehr überstromempfindlich sind, müssen besondere, extrem flinke Sicherungseinrichtungen,
sogenannte Halbleitersicherungen, vorgesehen werden. Diese Sicherungen weisen im
allgemeinen mindestens einen meistens bandförmigen Schmelzleiter auf, der mit einem
oder mehreren Engstellenbereichen versehen ist, an denen der Leiterquerschnitt wesentlich
verringert ist. Die Engstellenbereiche können z.B. durch Lochungen oder Durchbrechungen
in dem Schmelzleiter ausgebildet sein. Der Schmelzleiter besitzt einen vorbestimmten
Schmelz-I2t-Wert, der bei Überschreiten zu einem Schmelzen in dem mindestens einen
Engstellenbereich führt. Die Größen 1 und t sind dabei der durch den Schmelzleiter
hindurchgeleitete Strom bzw. die Zeit, während der der Leiter mit dem Strom maximal
belastet werden darf (vgl. z.B.
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"Der Elektroniker", 14. Jahrgang, Heft 3, März 1975, Seiten 7 bis
14).
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Wegen seiner Oxidationsbeständigkeit, Zunderfestigkeit und seinem
günstigen Verhältnis von Schmelz-I2t-Wert zu elektrischer Leitfähigkeit ist Silber
für Schmelzleiter von Halbleitersicherungen besonders vorteilhaft.
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Allerdings werden diese Eigenschaften eines Schmelzleiters nur für
seinen Engstellenbereich gefordert.
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Um den Bedarf an Reinsilber für Schmelzleiter von Haibleitersicherungen
zu reduzieren, wurden deshalb Schmelzleiter entwickelt, die lediglich im Engstellenbereich
ein dünnes Leiterelement aus Silber enthalten, während die übrigen Leiterstücke
z.B. aus Kupfer bestehen. Als dünne Leiterelemente können dabei Silberdrähte verwendet
werden (DE-PS 1 161 987).
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Diese Silberdrähte müssen jedoch bei der bekannten Ausführungsform
in einem verhältnismäßig aufwendigen Verfahren an die übrigen Leiterstücke des Schmelzleiters,
die aus dem gegenüber Silber unedlerem Kupfer bestehen können, angeschlossen, beispielsweise
angelötet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den eingangs genannten
Schmelzleiter dahingehend zu verbessern, daß er verliältnismäßig einfach und kostengünstig
herzustellen ist und dennoch einen nur verhältnismäßig kleinen Anteil an dem edleren
Metall aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der-Schmelzleiter
ein-sich über seine gesamte Länge erstreckendes Leiterelement aus dem edleren Metall
enthält, das außerhalb des mindestens einen Engstellenbereiches auf mindestens einer
Seite mit dem mindestens einen unedleren Metall der Leiterstücke verbunden ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung des Schmelzleiters sind
insbesondere in seiner verhältnismäßig einfachen Herstellbarkeit zu sehen. Der Schmelzleiter
besteht nämlich im wesentlichen nur aus einem Verbundleiter mit einem mit dem unedleren
Metall seiner Leiterstücke verbundenen dünnen Leiterelement aus dem vergleichsweise
edleren Metall. Lediglich in dem mindestens einen Engstellenbereich braucht man
das unedlere Metall zu entfernen. Dies ist nach an sich bekannten Verfahren auf
einfache Weise möglich.
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Die Nötwendigkeit einer Kontaktierung des einzelnen Leiterelementes
aus dem edleren Metall wie bei dem bekannten Schmelzleiter unterbleibt also. Dabei
kann vorteilhaft der Querschnittsanteil dieses dünnen Leiterelementes im Vergleich
zum Querschnitt des gesamten Verbundleiters verhältnismäßig klein gehalten werden.
Außerdem sind auch die Querschnittsabmessungen des dünnen Leiterelementes in weiten
Grenzen wahlbar, so daß sich Schmelzleiter herstellen lassen, die praktisch die
gleichen Eigenschaften besitzen wie bekannte Schmelzleiter aus Reinsilber.
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Mit einer Bandform des Schmelzleiters ist zugleich eine gute Wärmeabfuhrmöglichkeit
an die Umgebung und eine hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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Besonders vorteilhaft kann der Schmelzleiter dadurch hergestellt werden,
daß zunächst ein Leitervorprodukt mit mindestens einem Leiterteil aus unedlerem
Metall und mit einem Leiterteil aus edlerem Metall gebildet wird, daß dann dieses
Leitervorprodukt zu einem Verbundleiter verformt wird und daß anschließend an dem
vorgesehenen mindestens einen Engstellenbereich dieses Verbundleiters das unedlere
Metall entfernt wird. Vorzugsweise wird das unedlere Metall in dem
mindestens
einen Engstellenbereich in einem Ätzschritt entfernt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Schmelzleiters nach der Erfindung
bzw. des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den übrigen Unteransprüchen
hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen,
anhand deren Fig. 1 bis 7 ein Verfahren zur Herstellung eines Schmelzleiters nach
der Erfindung nachfolgend erläutert wird. Die Fig. 8 bis 10 zeigen je ein Leitervorprodukt
eines solchen Schmelzleiters, während in Fig. 11 ein weiteres Verfahren zur Herstellung
eines Verbundleiters als Vorstufe eines erfindungsgemäßen Schmelzleiters veranschaulicht
ist.
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Zur Herstellung eines Schmelzleiters nach-der Erfindung, wie er insbesondere
für Halbleitersicherungen vorgesehen werden kann, wird von einem Verbundleiter ausgegangen.
Dieser Verbundleiter soll dabei ein über seine Gesamtlänge durchgehendes dünnes,
bandförmiges Leiterelement aus einem edleren Metall wie z.B. Reinsilber enthalten,
das auf mindestens einer seiner beiden Flachseiten mit einem unedleren Metall wie
z.B. Kupfer verbunden ist. Unter einem dünnen Leiterelement werden dabei alle langgestreckten
ebenen oder gekrümmten Leiterteile verstanden, deren Dicke höchstens 0,5 mm beträgt.
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Der Querschnittsanteil des dünnen Leiteretemen-tes am Gesamtquerschnitt
des Verbundleiters beträgt vorteilhaft
etwa 2 bis 40 %, vorzugsweise
etwa 5 bis 20 .
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Die Herstellung eines entsprechenden Kupfer-Silber-Verbundleiters
mit einem dünnen zentralen bandförmigen Leiterkern aus Silber, der in einer Kupfer
matrix eingebettet ist, kann nach bekannten Verfahren durchgeführt werden. Gemäß
einem Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens, wie es in den Querschnit$en
der Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellt ist, wird zunächst ein Silberstab oder
-draht 2 in ein Kupferrohr 3 gesteckt (Fig. 1). Dieser sich so ergebende Mantel
draht 4 wird dann durch eine geeignete Verformungsbehandlung wie z.B. durch Hämmern,
Drahtziehen oder Walzen zu einem Mantelband 5 mit annäherend rechteckigem Querschnitt
verformt (Fig. 2).
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Da der Silberanteil dieses Mantelbandes 5 noch verhältnismäßig hoch
ist, wird es zwischen zwei gleich breite Kupferbänder 6 und 7 gelegt (Fig. 3) und
mit diesen Kupferbändern in einen entsprechenden Hohlprofilkörper 8 eingebracht
(Fig. 4). Dieser Hohlprofilkörper 8 besteht entweder ebenfalls aus Kupfer oder vorteilhaft
aus einem zunderfesten Material wie z.Be aus einer besonderen Kupferlegierung. Entsprechende
IMupferlegierungen sind insbesondere Kupfer-Germanium, Kupfer-Aluminium, Kupfer
Magnesium oder Kupfer-Zinn.
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Anschließend wird diesem so erstellten Leitervorprodukt 10 mittels
eines geeigneten Verformungsschrittes wie z.B. durch Hämmern, Walzen oder Drahtziehen
die gewünschte endgültige Bandform eines Einkern-Verbundleiters 11 gegeben (Fig.
5).
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Nach dem Verformungsschritt hat dann der in Fig. 5 schematisch als
Querschnitt dargestellte bandförmige Einkern-Verbundleiter (all) im allgemeinen
eine Dicke D
von 0,1 bis 0,5 mm und eine Breite B zwischen 10 und
70 mm. Vorteilhaft wird ein Verhältnis von Dicke zu Breite des Querschnittes von
kleiner als i:50, vorzugsweise kleiner als 1:100 vorgesehen.
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Bei diesem Herstellungsverfahren kann gegebenenfalls noch eine Zwischenglühung
bei etwa 700 0C für mehrere Stunden vor, während oder nach der Verformung zur Verbesserung
der Verbindung des einzigen dünnen Leiterelementes mit dem Matrixmaterial erforderlich
sein.
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In seiner Matrix 12 aus dem unedleren Metall ist als Leiterkern das
dünne Leiterelement 13 aus dem edleren Metall eingebettet. Dieses Leiterelement
hat aufgrund des vorangegangenen Walzschrittes ebenfalls Bandform.
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Seine Breite b und Dicke d sind dabei abhängig von dem Querschnittsanteil
des ursprünglichen Silberstabes am Gesamtquerschnitt des Leitervorproduktes.
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Während die Dicke d im allgemeinen unter 0,1 mm liegt, kann gemäß
Fig. 5 die Breite b fast den Wert der Breite B des gesamten Einkern-Verbundleiters
11 haben. Wie aus Fig. 5 ferner hervorgeht, ist die Matrix 12 formschlüssig von
einer Hülle 14 aus einem zunderfesten Material wie z.B. einer speziellen Kupferlegierung
umgeben.
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In diesem so hergestellten bandförmigen Einkern-Verbundleiter werden
anschließend die erforderlichen Engstellenbereiche ausgebildet. Hierzu kann vorteilhaft
ein an sich bekanntes Formätzverfahren vorgesehen werden. Dementsprechend wird gemäß
der in Fig. 6 dargestellten Aufsicht der EiKkern-Verbundleiter der Länge L in einem
geeigneten Lackierungs- oder Fotolackverfahren mit einer Maske 16 versehen. Der
maskierte Verbundleiter ist in der Figur allgemein mit 17 bezeichnet. Er enthält
beispielsweise
drei mit dieser Maske abgedeckte Bereiche 18, zwischen
denen zwei nicht-maskierte Bereiche 19 frei gehalten sind, welche die späteren Engstellen
festlegen. Diese nicht-maskierten Bereiche 19 werden dann bei einem Eintauchen des
bandförmigen Leiters 17 in ein selektives ätzmittel allein dem Ätzmittel ausgesetzt.
Für Kupfer-Silber-Verbundleiter eignet sich als selektives Ätzmittel insbesondere
Kupfer III-Chlorid oder auch Königswasser, eine Mischung aus Salzsäure und Salpetersäure
im Verhältnis 3:1.
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Das Ätzmittel löst nur die Kupfermatrix 12 sowie deren gegebenenfalls
vorhandene Hülle 14 auf, so daß in den Engstellenbereichen 19 dann nur der durchgehende
Silber-Kern zurückbleibt. Anschließend kann der Einkern-Verbundleiter noch in einem
Polierbad gereinigt werden, das die auf dem Silber-Kern gebildeten Schutzschichten
entfernt.
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Statt des gemäß dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Formätzverfahrens
können zur Herstellung der Engstellenbereiche des Schmelzleiters nach der Erfindung
gegebenenfalls auch physikalische Ätzverfahren wie z.B. Ionenätzen oder Plasmaätzen
eingesetzt werden.
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Der so hergestellte Einkern-Verbund-Schmelzleiter ist in Fig. 7 als
Aufsicht in seiner endgültigen Form angedeutet. Dieser Leiter 21 enthält breite,
ungeätzte Leiterstücke 22 aus der Matrix aus mindestens einem unedleren Metall und
dem darin eingebetteten einzigen dunnen Leiterelement 13 aus edlerem Metall, wobei
die Leiterstücke 22 durch das dünne Leiterelement 13 in Engstellenbereichen 23 miteinander
verbunden sind.
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Während für das edlere Metall des dünnen Leiterelementes z.B. auch
eine Silberlegierung gewählt werden kann, läßt sich als Matrixmaterial statt des
Kupfers auch eine Kupferlegierung verwenden. Ferner kann man- als Matrixmaterial
auch Nickel oder Nickellegierungen vorsehen.
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Darüber hinaus ist Aluminium oder eine Aluminiumnegierung als Matrixmaterial
besonders geeignet.
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Gegebenenfalls kann man, um eine Interdiffusion von Silber und Kupfer
zu verhindern, das Leiterelement aus dem edleren Metall in dem Verbundleiter jeweils
mit einem besonderen diffusionshemmenden Hüllrohr umgeben.
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Hierzu wird beispielsweise bei der Herstellung des Leitervorproduktes
der Silberdraht zunächst in ein Hüllrohr und dann mit dem Hüllrohr in ein Kupferrohr
eingefügt. Das Hüllrohr besteht zweckmäßig aus einem sowohl in dem Matrixmaterial
als auch in dem Leiterkernmaterial weitgehend unlöslichen Metall. Geeignete Materialien
sind hierfür z.B. Niob, Tantal, Molybdän oder Zirkon. Beim Ätzen der Engstellenbereiche
des Verbundleiters wird dann auch das Hüllrohr in diesen Bereichen selektiv abgeätzt.
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Abweichend von dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen
Einkern-Verbundleiters kann bei einer geeigneten Wahl des Hohlprofilkörpers 8 auch
eine andere Anzahl von Kupferbändern 6 und 7 gewählt oder auf diese Kupferbänder
ganz verzichtet werden. Daneben kann bei dem Schichten auch das Kupfer-Silber-Mantelband
5 durch ein Silberbani geeigneter Dicke ersetzt werden, sofern für eine gute Verbindung
zwischen dem Kupfer und dem Silber gesorgt wird.
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Verwendet man bei dem Kupfer-Silber-Manteldraht 4 gemäß Fig. 1 ein
Kupferrohr 3, das so dickwandig ist, daß der Silberanteil bereits dem für das Endprodukt
gewünschten Silber- zu Kupferverhältnis entspricht, so kann man allein durch Flachwalzen
dieses Mantelirahtes auf die gewünschte Dicke ein ein Einiern-Verbundleiterband
herstellen. Im allgemeinen wird sich dabei der bandförmige Silber Rern nicht über
die gesamte Breite des Verbundleiters erstrecken.
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Schließlich kann auch auf den Hohlprofilkörper 8 gemäß Fig. 4 verzichtet
werden. Wie aus dem in Fig. 8 dargestellten schematischen Querschnitt hervorgeht,
läßt sich nämlich ein Silberband 25 einseitig auf die Flachseite eines Kupferbandes
26 vorbestimmter Dicke aufbringen. Dies kann z.3. durch Walzplattieren erfolgen.
Das so entstandene Leitervorprodukt 27 wird anschließend zu einem Verbundleiter
der gewünschten Dicke verformt, beispielsweise gewalzt.
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Neben dieser asymmetrischen Anordnung des Silberbandes 25 auf dem
Kupferband 26 kann in entsprechender Weise auch gemäß dem in Fig. 9 gezeigten schematischen
Querschnitt ein Leitervorprodukt 22 erstellt werden, bei dem ein Silberband 30 symmetrisch
zwischen zwei Kupferbandern 31 und 32 vorbestimmter Dicke angeordnet wird.
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Gemäß dem schematischen Querschnitt nach Fig. 10 läßt sich ein bandförmiges
Leitervorprodukt 33 auch dadurch herstellen, daß man ein Kupferband 34 durch Profilwalzen
mit liner durchlaufenden Vertiefung versieht, in welche ein Silberband 35 oder auch
ein KupSer-Silber-Mantelband eingelegt wird. Dieser Aufbau wird dann durch ein weiteres
Kupferband 36 abge-
deckt, das mit dem profilierten, das Silberband
35 enthaltenden Kupferband noch verschweißt oder verlötet werden kann. Durch nachfolgendes
Flachwalzen wird die gewünschte Banddicke des Verbundleiters erreicht. Die Engstellenbereiche
lassen sich anschließend in der beschriebenen Weise erzeugen.
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Als weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Verbundleiters mit einem
zentralen bandförmigen Silberkern in einer Kupfermatrix kann eine Doppelwalzentechnik
vorgesehen werden. Diese Technik wird in vereinfachter Weise bei der Herstellung
amorpher Bänder angewandt (vgl. z.B.
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"Rev.Sci.Lnstr,PB, Vol. 41, 1970, Seiten 1237 ff. oder "Z.Metallkde."
Bd. 69, 1978, H.4, Seiten 212 bis 220).
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Gemäß dem in Fig. 11 dargestellten Längsschnitt wird für einen symmetrischen
Aufbau eines Leitervorproduktes bzw. Verbundleiters wie z.B. nach Fig. 9 jeweils
ein Strahl 40 bzw. 41 flüssigen Kupfers aus geheizten Tiegeln 42 und 43 auf die
kalten Oberflächen von zwei gegenläufig sich drehenden Walzen 45 und 46 aufgebracht.
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Zwischen die auf diesen Walzen erstarrenden Kupferbänder 48 und 49
wird aus einem weiteren geheizten Tiegel 50 ein Strahl 51 flüssigen Silbers gespritzt.
Durch eine geeignete Einstellung der Verfahrensparameter kann dann erreicht werden,
daß hinter den Walzen 45 und 46 der fertige Verbundleiter mit definierten Schichtdicken
und vorbestimmter Bandbreite austritt. Ein asymmetrischer Aufbau, wie er beispielsweise
aus Fig. 8 hervorgeht, läßt sich bei Verwendung nur eines Kupferstrahles 40 oder
41 erreichen.
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Um die mechanische Stabilität des Verbund-Schmelzleiters noch zu erhöhen,
kann man den fertigen, zunächst ebenen bandförmigen Schmelzleiter oder auch den
noch ungeätzten Verbundleiter zu einer seine mechanische Stabilität erhöhenden Form
biegen. Beispielsweise kann
dem Schmelzleiter eine V-förmige Querschnittsform
gegeben werden. Der fertige Schmelzleiter läßt sich z.B. auch zu einer Rohrform
biegen.
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Gemäß einem konkreten Aus£uhrungsbeispiel zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Schmelzleiters entsprechend den Fig. 1 bis 7 wird zunächst ein Cu-Ag-Manteldraht
hergestellt, indem ein Ag Stab mit 5 mm Durchmesser in ein 10 mm x 2,5 mm Cu-Rohr
gesteckt wird. Dieser Aufbau wird dann durch Walzen zu einem Mantelwand mit den
Querschnittsmaßen 0,5 mm x 14 mm verformt. Dieses Mantelband und zwei gleichbreite
Cu-Bänder mit 0,75 mm Dicke werden bei 5000C eine Stunde geglüht und daraufhin gut
gereinigt. 50 cm lange Stücke der Cu-Bänder werden anschließend zusammen mit dem
zwischen ihnen angeordneten Mantelband in einen ebenfalls auf 50 cm Länge gekürzten
Cu-Hohlprofilkörper gesteckt, dessen Außenmasse 4 mm x 16 mm und Innenmaße 2 mm
x 14 mm betragen. Dieses Leitervorprodukt wird dann, gegebenenfalls unter Zwischenglühungen,
auf eine Dicke von 0,2 mm gewalzt. Die Dicke der Ag-Schicht in dem so erhaltenen
Verbundleiter beträgt dann etwa 0,02 mm. Schließlich werden vier Engstellenbereiche
mit einem Abstand von 10 mm und einer Länge von 2 mm durch Formätzen aus dem auf
70 mm Länge geschnittenen Verbundleiter herausgearbeitet. Hierbei wird das Verbundmaterial
zunächst mit Fotolack bedeckt, der im Bereich der späteren Engstellen durch entsprechende
Belichtung und Entwicklung entfernt wird. Bei dem folgenden Ätzen in Eisen-111-Chlorid
wird das Kupfer an den Sotolackfreien Stellen selektiv ntPerut, so daß hier nur
die dünne Ag-Schicht zurückbleibt.