[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen angegebene Verfahren gelöst.
[0006] 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.
[0007] 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 Wiederstandslage bildenden Folie senkrechte Ausbildung und
die Position der dem aktiven Widerstandsbereich zugewandten Flanken wichtig sind.
[0008] Die zweite Voraussetzung zur erfindungsgemäßen Herstellung genauer Widerstände ist
die Erzeugung einer definierten Breite. Vorzugsweise wird dies durch Zersägen der
galvanisierten Widerstandslage erreicht.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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 x 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. CuMnl2Ni od.
dgl.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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 Fig. F). In Fig. 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.
[0019] 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 x 400 mm lassen sich auf die hier beschriebene Weise
mehrere 10.000 Widerstände aussägen.
[0020] 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.
[0021] Wie ersichtlich ist, hat der Widerstand an den genannten entgegengesetzten Enden
ebene Stirnflächen 9 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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).
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.
8. 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.