DE1473325B1

DE1473325B1 - Verfahren zur herstellung von temperaturempfindlichen halbleiterwiderstaenden

Info

Publication number: DE1473325B1
Application number: DE19641473325
Authority: DE
Inventors: Harry Moore Landis; Joseph Jr W Waseleski
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1963-12-19
Filing date: 1964-12-11
Publication date: 1971-08-12
Also published as: US3266001A; GB1090963A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung pulverförmigen Halbleitermaterials vor dessen Zuvon temperaturempfindlichen Halbleiterwiderständen sammensintern in einer Vorzugsrichtung erreicht, durch Querschnittsverminderung nebst gleichzeitiger wodurch sich die angestrebte Widerstandscharakte-Längung eines eine im wesentlichen konzentrisch in ristik mit sprunghafter Änderung des Widerstands-Halbleitermaterial eingebettete Metalldrahtseele umge- 5 wertes bei Erreichen einer bestimmten Temperatur benden Metallrohres mittels Kaltverformung, vor- ergibt,
zugsweise Ziehen in einer Matrize. Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeich-

Es ist bereits ein Verfahren der erwähnten Art nungen näher erläutert. Es zeigt

bekannt, bei welchem eine Metalldrahtseele schraub- F i g. 1 ein mit pulverförmigem Halbleitermaterial wendelartig mit einem oder mehreren in einer Lage io gefülltes Metallrohr nebst einer in das Halbleitermatebenachbarten Halbleiterdrähten nebst einem Strang rial konzentrisch eingebetteten Metalldrahtseele nebst gleichen Durchmessers aus Isoliermaterial bewickelt zwei Endstopfen im Längsschnitt sowie teilweise in wird, wonach ein Metallrohr auf die Bewickelung auseinandergezogener Darstellung,
geschoben und in einer Ziehform einer Querschnitts- F i g. 2 die Anordnung gemäß F i g. 1 nach dem verminderung unterworfen wird. Diese Querschnitts- 15 Verschweißen beider das Metallrohr abschließender verminderung des umgebenden Metallrohres erfolgt Stopfen im Längsschnitt,

jedoch nur in einem solchen Maß, daß eine elektrisch F i g. 3 die Anordnung gemäß F i g. 2 nach Durchleitende Anlage gegen das drahtwendelartig auf die führung eines Ziehvorganges in einer ersten Matrize Metalldrahtseele gewickelte Halbleitermaterial be- nebst Teillängung des Metallrohres in Ansicht von wirkt wird, nicht jedoch eine Zusammenpressung des- 20 außen,

selben. Es entsteht auf diese Weise ein langgestreckter F i g. 4 die Anordnung gemäß F i g. 2, 3 nach

Halbleiterwiderstand, welcher entsprechend der Stei- Beendigung der Querschnittsverminderung des Metall-

gung der Schraubengänge des drahtförmig aufge- rohres in Ansicht von außen,

wickelten Halbleitermaterials gewissermaßen in eine F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 von

Vielzahl von Längenabschnitten unterteilt ist, wobei 25 F i g. 4 in stark vergrößerter Darstellung,

eine Temperaturänderung an einem dieser Längen- F i g. 6 eine durch Zerteilung der Anordnung nach

abschnitte eine entsprechende Widerstandsänderung F i g. 4 senkrecht zur Achse zu erhaltende Scheibe in

und damit ein Ansprechen einer zugeordneten Über- gegenüber F i g. 4 wesentlich vergrößerter perspek-

wachungsschaltung hervorrufen kann. tivischer Darstellung,

Gemäß einem anderen Verfahren ist es auch bekannt, 30 F i g. 7 und 8 Schaubilder zur Veranschaulichung

zwischen eine Metalldrahtseele und ein Metallrohr verschiedener Widerstandscharakteristiken in Ab-

Halbleitermaterial in Pulverform einzufüllen, wobei hängigkeit von unterschiedlichem pulverförmigen

die Metalldrahtseele schraubenförmig mit einem strang- Halbleitermaterial.

förmigen Isoliermaterial umwickelt ist, so daß der Das erfindungsgemäße Verfahren geht, wie in elektrische Kontakt zwischen der Metalldrahtseele 35 F i g. 1 veranschaulicht, von einer Metalldrahtseele 3 sowie dem umgebenden pulverförmigen Halbleiter- sowie einem diese umgebenden Metallrohr 1 aus, das material wiederum gewissermaßen in Längenab- an einem Ende (vorzugsweise dem unteren Ende) schnitte unterteilt wird. Bei diesem Verfahren erfolgt mittels eines Stopfens 5 gegenüber der Metalldrahtindessen weder eine Querschnittsverminderung des seele 3 abgeschlossen ist. Der Stopfen 5 ist mittels Metallrohres noch ein Zusammenpressen des pulver- 40 zweier (nicht mit Bezugsziffern versehener) ringförmigen Halbleitermaterials in der Weise, daß eine förmiger Schweißnähte stirnseitig sowohl mit der Verdichtung oder gar ein Zusammensintern erfolgt. Metalldrahtseele 3 als auch mit dem umgebenden

Die nach den bekannten Verfahren erhaltenen tem- Metallrohr 1 verschweißt. Der Ringraum zwischen peraturempfindlichen Halbleiterwiderstände besitzen dem Metallrohr 1 sowie der hierzu konzentrisch vereine weitgehend lineare Widerstands-Temperatur- 45 laufenden Metalldrahtseele 3 ist durch pulverförmiges Charakteristik, was wiederum bei bestimmten Über- Halbleitermaterial 11 ausgefüllt. Nach Einbringung wachungsschaltungen nicht ausreicht, bei denen ein des Halbleitermaterials 11 sowie Verdichtung desdefiniertes Ansprechen bei einer bestimmten Tempera- selben durch Rütteln wird das obere Ende 9 des tür gefordert wird. Metallrohres 1 mittels eines dem Stopfen 5 entsprechen-

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung 50 den Stopfens 7 abgeschlossen, welcher nach bündiger

eines Verfahrens zur Herstellung eines demgegenüber Einstellung seiner Stirnfläche mit denjenigen des

verbesserten temperaturempfindlichen Halbleiterwider- Metallrohres 1 sowie der Metalldrahtseele 3 in analoger

Standes, dessen Widerstandswert bei Erreichen einer Weise wie der Stopfen 5 mittels zweier ringförmiger

bestimmten Temperatur (unter Voraussetzung eines (nicht mit Bezugsziffern versehener) Schweißnähte

konstanten Spannungsabfalls) sprungartig auf einen 55 sowohl mit dem Metallrohr 1 als auch mit der Metall-

sehr niedrigen Wert absinkt, ohne daß der Widerstand drahtseele 3 verbunden wird.

hierbei unbrauchbar wird. Erreicht wird dies durch das Nach vorliegender Anordnung gemäß F i g. 2 an sich bekannte Einbringen des Halbleitermaterials erfolgt eine Querschnittsverminderung des Metallin Pulverform zwischen die Metalldrahtseele sowie das rohres 1 mittels Kaltverformung, vorzugsweise Ziehen Metallrohr und durch Beenden der Querschnittsver- 60 in einer Matrize, und zwar zweckmäßigerweise in minderung des Metallrohres bei einem Wert, welcher mehreren Stufen. In F i g. 3 ist die Anordnung einem zumindest teilweisen Zusammensintern des gemäß F i g. 2 nach teilweisem Durchlaufen einer pulverförmigen Halbleitermaterials sowie dessen zu- Ziehmatrize veranschaulicht, wobei ein durch KaItmindest teilweiser Kaltverschweißung mit dem Metall- verformung einer Querschnittsverminderung unterrohr und der Metalldrahtseele entspricht. 65 worfener Abschnitt 17 und ein den ursprünglichen

Durch die vorgesehene Kaltverformung und die Querschnitt aufweisender Abschnitt 15 veranschau-

damit verbundene Längenausdehnung des umgeben- licht sind. Die Querschnittsverminderung des Metall-

den äußeren Metallrohres wird eine Orientierung des rohres 1 wird bei einem Wert beendet, welcher einem

zumindest teilweisen Zusammensintern des pulverförmigen Halbleitermaterials H sowie dessen zumindest teilweiser Kaltverschweißung mit dem Metallrohr 1 sowie der Metalldrahtseele 3 entspricht. In der im Vergleich zu F i g. 1 bis 3 etwa maßstäblichen Darstellung nach F i g. 4 wird die Querschnittsverminderung beendet, wenn die Anordnung gemäß F i g. 2 den dort veranschaulichten geringen Querschnitt entsprechend einem Verbunddraht P aufweist. In F i g. 5 ist durch entsprechende unregelmäßige Darstellung der Innenfläche des Metallrohres 1 sowie der Außenflächen der Metalldrahtseele 3 die Kaltverschweißung des Halbleitermaterials 11 mit den Bauelementen 1, 3 veranschaulicht.

Nach Entstehung des Verbunddrahtes P wird dieser gemäß F i g. 6 senkrecht zur Achse in Scheiben S geschnitten, wobei die Axiallänge der Scheiben S einem gewünschten Widerstandswert entspricht. Abschließend werden sowohl die Stirnfläche der Metalldrahtseele 3 als auch die ringförmige Stirnfläche des ao Metallrohres 1 kontaktiert, so daß das gebildete Halbleiter-Widerstandselement in einer elektrischen Schaltungsanordnung verwendet werden kann, gegebenenfalls nach Aufbringung eines schützenden Überzuges nebst eines Sockels.

Als Halbleitermaterial können folgende Stoffe verwendet werden:

1. anorganische Isolatoren, wie beispielsweise Al₂O₃, BaTiO₃, NaNO₂, SiC, Co₂O₃, CuO, Fe₂O₃, NiO, V₂O₅, SrTiO₃, PbTiO₃, BaZrO₃, KNO₃;

Quarz, Gläser, Steatite, Seignettesalz u. ä.;

2. anorganische Halbleiter, wie beispielsweise dotiertes BaTiO₃, Ge, Si, In, Sb, GaAs u. ä.;

3. kristalline organische Isolatoren, wie beispielsweise Saccharose (Rohrzucker), Dextrose od. dgl.

Ein typisches, verwendbares dotiertes BaTiO₃ weist die Formel

40

auf. Dieser Stoff weist in gewissen Temperaturbereichen eine positive Widerstands-Temperatur-Charakteristik auf. Typische Glasarten sind Kalkglas sowie Kunstgläser (in F i g. 8 mit »Kunstglas I« und »Kunstglas II« bezeichnet).

Das Kunstglas II hat beispielsweise die Zusammensetzung

Aus den F i g. 7, 8 geht hervor, daß sich eine im wesentlichen nichtlineare Widerstands-Temperatur-Charakteristik ergibt, wobei fast bei jedem dargestellten Halbleitermaterial eine ausgeprägte Sprungstelle der Charakteristik bei einem bestimmten Temperaturwert auftritt (beispielsweise bei etwa 124° C für Natriumnitrit). Der Widerstand sinkt — ausgehend von dieser Stelle — bei Erhöhung der Temperatur praktisch auf den Wert Null ab, was einem Durchbruchswiderstand entspricht. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die hierbei erhaltenen Widerstandselemente durch einen derartigen Durchbruch nicht zerstört werden, sondern daß eine Vielzahl von Durchbrüchen stattfinden kann, ohne die Charakteristik des Widerstandselementes wesentlich zu verändern.

Die Sprungstellen der Widerstands-Temperatur-Charakteristik sind eine Funktion der Feldstärke und damit der angelegten Spannung. In F i g. 7, 8 sind Kurven bei Verwendung von 40 bzw. 42 V aufgenommen, jedoch ergeben sich wesentliche Veränderungen bei Anlegung anderer Spannungen, insbesondere eine Linksverschiebung der dargestellten Kurven. In der nachfolgenden Zusammenstellung ist die normalerweise zu erwartende prozentuale Änderung des Widerstandswertes pro Celsiusgrad in Abhängigkeit von dem verwendeten Halbleitermaterial nebst dem zugeordneten gültigen Temperaturbereich angegeben.

30

	Prozentuale	Gültiger
Material	Änderung des Widerstandswertes	Bereich
	pro ⁰C Temperatur
	änderung
Titanate		100 bis 600° C
BaTiO₃	1,6%	100 bis 60O⁰C
SrTiO₃	2,4%	100 bis 600⁰C
PbTiO₃	1.6%
Keramikstoffe
(hohe
Temperatur)		300 bis 850° C
Steatite	1,9%	100 bis 600° C
Al₂O₃	0,5 »/0	200 bis 500° C
BaZrO₃	0,4%	100 bis 700⁰C
SiC	0,2%
Gläser		100 bis 200° C
Kunstglas II	3,6%	300 bis 400° C
	3,1%	200 bis 30O⁰C
	2,1%	200 bis 300° C
Kunstglas I	2,9%	500 bis 600⁰C
	1,5%	200 bis 300⁰C
Kalkglas	2,9%	350 bis 500⁰C
	1,5%
Salze
(niedere
Temperatur)		25 bis 65⁰C
Seignettesalz	12,5%	25 bis 50° C
NaNO₂ (Natri	20,2%	75 bis 125° C
umnitrit)	5,7%	50 bis 150° C
KNO₃	5,2%	200 bis 300° C
(Kaliumnitrat)	2,2%	50 bis 150⁰C
Saccharose	3,5%	150 bis 200° C
(Rohrzucker	14,6%
rein)

45 Hinsichtlich der Abmessungen wäre zu erwähnen, daß der Außendurchmesser des Metallrohres 1 zweckmäßig zwischen 2,25 und 50 mm und vorzugsweise bei 25 mm liegen kann. Bei Anwendung des letztgenannten Wertes des Außendurchmessers weist das Metallrohr 1 eine Wandstärke von etwa 4 mm auf; der Durchmesser der Metalldrahtseele 3 beträgt dann etwa 8 mm, was eine Ringraumbreite zur Einfüllung des Halbleitermaterials 11 von etwa 4,5 mm ergibt. Nach dem Ziehen beträgt der Außendurchmesser des Verbunddrahtes P gemäß F i g. 4 etwa 0,5 mm. Als Material für das Metallrohr sowie die Metallrohrseele 3 kann gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen entweder rostfreier Stahl oder Kupfer verwendet werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein aus Kupfer bestehendes Metallrohr 1 von 2,25 mm Außendurchmesser sowie einer Wandstärke von 0,5 mm in Verbindung mit einer ebenfalls aus Kupfer bestehenden Metalldrahtseele von 0,5 mm Durch-

messer verwendet werden, wobei sich ein Enddurchmesser des Verbunddrahtes P nach dem Ziehen von 1,25 mm ergibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von temperaturempfindlichen Halbleiterwiderständen durch Querschnittsverminderung nebst gleichzeitiger Längung eines eine im wesentlichen konzentrisch in Halbleitermaterial eingebettete Metalldrahtseele umgebenden Metallrohres mittels Kaltverformung, vorzugsweise Ziehen in einer Matrize, gekennzeichnet durch das an sich bekannte Einbringen des Halbleitermaterials in Pulverform zwischen die Metalldrahtseele sowie das Metallrohr und durch Beendigen der Querschnittsverminderung des Metallrohres bei einem Wert, weichereinem zumindest teilweisen Zusammensintern des pulverförmigen Halbleitermaterials sowie dessen zumindest teilweiser Kaltverschweißung mit dem Metallrohr und der Metalldrahtseele entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr nebst dem Halbleitermaterial und der Metalldrahtseele senkrecht zur Achse in Scheiben mit einer einem gewünschten Widerstandswert entsprechenden Axiallänge zerteilt und danach das einen Bestandteil der Scheibe bildende Metallrohr sowie die Metalldrahtseele kontaktiert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung der Querschnittsverminderung das Metallrohr an beiden Enden mittels Stopfen abgeschlossen wird, welche die Metalldrahtseele konzentrisch dicht aufnehmen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung der Querschnittsverminderung des Metallrohres das pulverförmige Halbleitermaterial durch Rüt-'IeIn verdichtet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen