DE1765884A1 - Circuits with thin films - Google Patents
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Description
Joseph Lucas (Industries) Ltd.Joseph Lucas (Industries) Ltd.
Great King Street,Great King Street,
Schaltungen mit dünnen FilmenCircuits with thin films
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen mit dünnen Filmen und richtet sich in ihrer weitesten Auslegung auf Schaltungen mit dünnen Filmen« bei denen die Unterlage ein anodisiertes Aluminium ist.The invention relates to thin film circuits and is directed in its broadest sense Circuits with thin films «where the backing is an anodized aluminum.
Die Verwendung von anodisiertem Aluminium als Unterlage weist den großen technischen Vorteil auf, daß die Unterlage sowohl eine gute mechanische Festigkeit als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Darüber hinaus besitzt die Unterlage auch eine elektrische Kapazität zwischen deren Oberfläche und einer darüber aufgetragenen Aluminiumschicht. Diese Kapazität kann bei Ausbildung von Schaltungen so verwendet werden, daß es nicht erforderlich ist, Kondensatoren auf die dünnen Filmsohaltungen aufzubringen. The use of anodized aluminum support has the great technical advantage that the support both a good mechanical strength and has good thermal conductivity. In addition, the base also has an electrical capacitance between its surface and an aluminum layer applied over it. This capacitance can be used in the formation of circuits in such a way that it is not necessary to apply capacitors to the thin film supports.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Herstellungsablaufs, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,1 shows a schematic representation of a production process, which shows an exemplary embodiment of the invention shows
Fig. 2 und j5 besondere Einrichtungen, die gemäß derFig. 2 and j5 special devices, which according to the
Erfindung hergestellt werden können undInvention can be produced and
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Ma/He22 328
Ma / He
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Fig. 4 bis 7 weitere Verfahrensschritte zur Herstellung der Einrichtung.4 to 7 further process steps for the production of the device.
In Fig. 1 1st eine Aluminiumplatte Il alt einer Starke von etwa 1 mn gezeigt, deren Oberflächenrauheit geringer als 0,5 Mikron von Spitze zu Spitze 1st. Diese Platte wird für zwei Stunden in eine wässerige Lösung von alkalischen Detergentien (Wasch- und Reinigungsmittel) eingetaucht. Diese Behandlung ergibt auf der Oberflache eine leichte Ätzung, so daß alle Spuren von organischen Rückständen von der Oberfläche entfernt werden. Die Platte wird dann anodislert, wobei anodlsierte Schichten 12 gebildet werden. Dies wird in einer 10 £lgen Lösung von Chroaaäure bei 40°C unter Verwendung einer aus rostfreien Stahl hergestellten Kathode und mit einer Spannung von 30 Volt zwi-Bohen der Anode und Kathode ausgeführt. Die Zeitdauer der Anodislerung 1st von der Stärke der erforderlichen Oxidschicht abhängig« jedoch bei der oben angegebenen Abmessung muß sie geringer als 60 Minuten sein, da die Anodisierungsdauer, die länger als 60 Minuten beträgt, eine Verschlechterung der Oberflächengüte der Oxidschicht bewirken würde, In einem typischen Aueführungsbeispiel bei der Behandlung bei 4o°C erzeugt dl· Anodislerungsdauer von 30 Minuten eine Oxidschicht auf dem Aluminium von 3,5 Mikron mit einer zugehörigen Kapazität von 2330 pP/cm2. Diese Größe wird auf 1550 pF/cm2 bei Filmen von 5 Mikron Stärke verringert, die nach HO Minuten Anodlsierung erzeugt werden. In einem anderen Ausführungsbeiepiel erfolgt die Behandlung bei einer Temperatur von 200C und einer Dauer von 300 Minuten, wobei die Oberflächengüte nicht nachteilig beeinflußt wird, jedoch die erzeugte Oxidschicht 6,5 Mikron stark 1st mit einer zugehörigen Kapazität von 930 pF/cm . Diese Zahl erhöht sich auf 1550 pF/om2 für Filme von 5 Mikron Stärke, die nach 230 Minuten Behandlung hergestellt werden. In jedem Fall wird der Isolationswiderstand besser als 155 Mega-Ohm/cm bei 8o Volt Oleichstrom. Es kann somit festgestellt werden,In Fig. 1 is shown an aluminum plate 11 approximately 1 mm thick, the surface roughness of which is less than 0.5 microns from tip to tip. This plate is immersed in an aqueous solution of alkaline detergents (washing and cleaning agents) for two hours. This treatment results in a slight etching on the surface, so that all traces of organic residues are removed from the surface. The plate is then anodized, forming anodized layers 12. This is carried out in a 10 lgen solution of chroaic acid at 40 ° C. using a cathode made of stainless steel and with a voltage of 30 volts between the anode and cathode. The duration of the anodization depends on the thickness of the oxide layer required, but with the dimensions given above it must be less than 60 minutes, since the anodization time, which is longer than 60 minutes, would cause a deterioration in the surface quality of the oxide layer, in a typical case An embodiment of the treatment at 40 ° C. produces an oxide layer on the aluminum of 3.5 microns with an associated capacity of 2330 pP / cm 2 . This size is reduced cm 2 to 1550 pF / at 5 micron thickness films which are produced by HO Anodlsierung minutes. In another exemplary embodiment, the treatment takes place at a temperature of 20 ° C. and a duration of 300 minutes, the surface quality not being adversely affected, but the oxide layer produced being 6.5 microns thick with an associated capacitance of 930 pF / cm. This number increases to 1550 pF / om 2 for 5 micron films made after 230 minutes of treatment. In any case, the insulation resistance will be better than 155 mega-ohms / cm at 80 volts of direct current. It can thus be determined
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daß die gewählten Parameter in weiten Grenzen veränderbar sind und von den erforderlichen Anwendungen abhängig sind, für die die Schaltung mit dünnen Filmen vorgesehen ist. Eine Behandlung bei Temperaturen, die höher als 500C liegen, 1st unerwünscht.that the selected parameters can be varied within wide limits and are dependent on the required applications for which the circuit with thin films is intended. Treatment at temperatures which are higher than 50 ° C. is undesirable.
Nach dem Anodlsierungsvorgang wird die Platte im fließenden Wasser gewaschen, so daß Jede Spur von Chromsalzen, die in der Anodenschicht zurückgehalten werden könnten, entfernt wird. Es wurde festgestellt, daß falls die Salze nicht vollständig entfernt werden, eine Schaltung mit dünnen Filmen, bei der eine anodlsierte Aluminiumunterlage verwendet wird, nicht befriedigend arbeiten würde. Nach dem Wasohvorgang wird die Platte in Aceton gekocht, um alle Spuren von Wasser zu entfernen und wird dann für die Dauer von 10 Minuten bei 400°C erwärmt, um die Spannungen der anodisierten Schichten 12 auszulösen. Dieser Vorgang ist besonders bedeutend für den Glühvorgang, der später angewendet wird, um den Widerstandsfilm zu stabilisieren, um feststehende Ergebnisse innerhalb geringer Toleranzen zu gewährleisten. Die Temperatur von 400°C wird gewählt, da sie höher als diejenige ist, die während des Glühvorganges verwendet wird.After the anodizing process, the plate becomes fluid Water washed so that any trace of chromium salts that might be retained in the anode layer Will get removed. It has been found that if the salts are not completely removed, a circuit with thin films using an anodized aluminum backing would not work satisfactorily. After the washing process, the plate is boiled in acetone to remove all traces of water and then used for heated for 10 minutes at 400 ° C to relieve tension of the anodized layers 12 to trigger. This process is particularly important for the annealing process, the later applied to stabilize the resistive film, to ensure fixed results within tight tolerances. The temperature of 400 ° C is chosen because it is higher than that used during the annealing process.
Die so ausgebildete Unterlage 1st nunmehr vorgesehen, um darauf eine Schaltung sit dünnen gedruckten Filmen herzustellen und in dieser Hinsicht muß betont werden, daß die Zeichnung rein schematlsch ist und daß die Schichten nicht maßstabgerecht dargestellt sind.The base thus formed is now provided for making a circuit thereon by means of thin printed films and in this respect it must be emphasized that the drawing is purely schematic and that the layers are not are shown to scale.
Eine Maske 13 wird aus einem spannungsfreien weichen Stahl ausgebildet, die öffnungen besitzt, die den Stellungen entsprechen, . an denen Widerstandsschaltungstelle angebracht werden sollen und außerdem Stellungen besitzt, an denen die Lotung bei einem späteren Arbeitsvorgang erfolgen soll. Die !toterlage wird durch Anbringen von Bolzen undA mask 13 is made of a stress-free soft steel formed, which has openings that correspond to the positions. attached to which resistance switching point and also has positions at which the plumbing will take place in a later work process target. The! Dead position is established by attaching bolts and
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leiohter Pressung auf die Maske 13 mittels einer Blattfeder In Stellung gehalten und die Unterlage sowie die Maske wird dann in ein Vakuumsystem eingebracht, das aufleiohter pressing on the mask 13 by means of a leaf spring held in position and the pad and the Mask is then placed in a vacuum system that is on einen Druck von 2 χ 10 ran Hg evakuiert ist, woraufa pressure of 2 χ 10 ran Hg is evacuated, whereupon
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der Druck auf 3 χ 10 mm Hg erhöht wird unter Einführung von Argon. Bei diesem Druck lard ein Bogen mit niedriger Spannung zwisohen einer Anode und einer Kathode geschlagen· Wenn die Hauptentladung auf 6 Amp« stabilisiert ist, wird die hohe negative Spannung von der OröBenordnung von 800 Volt an eine Chrom-Nickel-Scheibe angelegt, die annähernd 10 cm entfernt parallel zu der Maske und der Unterlagen angeordnet 1st. Das Chrom-Nickel wird von der Soheibe entfernt und auf die Unterlage wie es die Maske erlaubt, abgelagert. Es kann festgestellt werden, dafl mit der besonderen Maske 13, die in der Zeichnung dargestellt 1st, ein Wlderstandssohaltungsteil 14 abgelagert wird, der eine Verlängerung 14a zusammen mit einer getrennten Fläche 15a besitzt, wobei die Fläohen l4a, 15a Fläohen sind, an die später die Lötverbindungen angebraoht werden.the pressure is increased to 3 × 10 mm Hg while introducing argon. At this pressure a low voltage arc was struck between an anode and a cathode. When the main discharge stabilized at 6 amps the high negative voltage is of the order of the organs of 800 volts applied to a chrome-nickel disc that placed approximately 10 cm away, parallel to the mask and pad. The chromium-nickel is used by the Soheibe removed and deposited on the base as the mask allows. It can be stated that With the special mask 13 shown in the drawing, a forest stand holding part 14 is deposited which has an extension 14a together with a separate surface 15a, the surfaces 14a, 15a Are surfaces to which the soldered connections will later be applied.
Nachfolgend zu der Ablagerung von Chrom-Nickel wird eine zweite Maske 17 auf die Unterlage aufgelegt. In dem sohematisohen AusfUhrungsbelsplel wird angenommen, daß ein Kondensator in der Schaltung erforderlich 1st und bevor die Maske 17 auf die Unterlage aufgelegt wird, wird eine Öffnung 16 in der oberen anodisierten Sohicht 12 hergestellt. Diese Öffnung ist von einem Teil der Maske 17 umgeben, der in der gleiohen Weise wie die Maske 13 ausgebildet ist und Offnungen besitzt, in die leitende Sohaltungstelle abgelagert werden sollen und ferner eine Öffnung um die Öffnung 16 und um die Fläohen 15a, l4a herum besitzt. Die Unterlage und die Maske 17 werden dann in eine Vakuumelnriohtung, wie vorstehend erläutert, eingesetzt, jedoch wird Jetzt Nickel abgelagert, um die leitenden Sohaltungsteile l8, die Niokelfläohen l4b, 15b oberhalb der Chrom-Nlckelfläohen 14a, 15a und einen lei-Subsequent to the deposition of chromium-nickel is a second mask 17 placed on the base. In the explanatory note on the same topic, it is assumed that a Capacitor required in the circuit 1st and before the mask 17 is placed on the base, becomes a Opening 16 made in the upper anodized layer 12. This opening is from part of the mask 17 surrounded, which is formed in the same way as the mask 13 and has openings in the conductive So holding point are to be deposited and also a Opening around the opening 16 and around the surfaces 15a, 14a owns around. The base and the mask 17 are then inserted in a vacuum assembly, as explained above, but now nickel is deposited around the conductive so-holding parts 18, the niokel surfaces 14b, 15b above the chrome corner surfaces 14a, 15a and a
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tenden Bereich 19 auszubilden, der elektrisch mit der Aluminiumschicht 11 verbunden ist und an der oberen Oberfläche bloßgelegt ist. Die Anschlüsse zum Kondensator werden selbstverständlich zwischen den Flächen 19 und einer geeigneten Fläche 14 auf der Unterlage hergestellt.tend to form region 19 which is electrically connected to the aluminum layer 11 and is exposed on the upper surface. The connections to the capacitor are of course made between the surfaces 19 and a suitable surface 14 on the base.
Der letzte Schritt besteht darin, die erforderlichen Schaltungelemente, beispielsweise Transistoren und Dioden anzubringen und die erforderlichen Anschlüsse an diese vorzugsweise durch Löten herzustellen. Es wurde festgestellt, daß die Anordnung von Chrom-Nickel unterhalb der Nickelschieht an den Lötstellen beträchtlich die Haftfähigkeit der Lötstellen verbessert. Vor dem Lötvorgang werden die Widerstandsschaltungsteile mittels Glühen stabilisiert, beispielsweise durch Erhitzen auf 350O0C für die Dauer von 30 Minuten.The last step is to attach the necessary circuit elements, for example transistors and diodes, and to make the necessary connections to them, preferably by soldering. It has been found that the arrangement of chromium-nickel below the nickel layer at the solder joints considerably improves the adhesiveness of the solder joints. Before the soldering process, the resistor circuit parts are stabilized by annealing, for example by heating to 350O 0 C for a period of 30 minutes.
Es wurde festgestellt, daß in den Fällen, in denen die gedruckte Schaltung zu irgend einer Zeit Temperaturen höher als 120°C ausgesetzt wird, der einzige befriedigende Weg für das Anodisieren des Aluminiums in der elektrochemischen Behandlung in Chromsäure besteht, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Ein Lötvorgang erfolgt bei einer Temperator, die höher als 120°C ist und so muß an den Stellen, an denen die Bauteile an die gedruckte Schaltung mittels Löten befestigt werden sollen, iefc die Anodisierung mittels Chromsäure ausgeführt werden. Indessen können in einigen Ausführungsbeispielen die Schaltungsteile auf der gedruckten Schaltung auf eine andere Weise als durch Löten befestigt werden, beispielsweise durch eine Ultraschall-Verbindung und in diesem Fall kann die Anodisierung in einer anderen geeigneten bekannten Art ausgeführt werden. Es ist selbstverständlich erforderlich, sicherzustellen, daß die vorgesehene Verwendung der Schaltung nicht bei Temperaturen erfolgen darf, die wesentlich die Temperatur von 1200C überschreiten. In diesen Fällen, in denen dieIt has been found that where the printed circuit board is exposed at any time to temperatures higher than 120 ° C, the only satisfactory way of anodizing the aluminum is by electrochemical treatment in chromic acid as described above. A soldering process takes place at a temperature that is higher than 120 ° C and so anodizing must be carried out using chromic acid at the points where the components are to be attached to the printed circuit by means of soldering. However, in some embodiments, the circuit parts can be attached to the printed circuit in a manner other than soldering, for example by ultrasonic bonding, in which case the anodization can be carried out in another suitable known manner. It is of course necessary to ensure that the intended use of the circuit must not be carried out at temperatures which substantially exceed the temperature of 120 0 C. In those cases where the
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Bauteile mittels Ultraschall-Verbindung befestigt werden, wird das Nickel beispielsweise durch Aluminiumablagerung ersetzt.Components are attached by means of an ultrasonic connection, for example, the nickel is replaced by aluminum deposition.
In den Fällen« in denen keine Schaltungsteile vorhanden sind, die Widerstände darstellen, sind die Arbeitsvorgänge des Auslösens von Spannungen und des OlUhens nicht erforderlich.In those cases where there are no circuit components which represent resistances, the operations of releasing voltages and oiling are not required.
Eine besondere Anwendung der Erfindung ist in den Fig. 2 bis 7 gezeigt. In den Fig. 2 und 3 ist eine anodlslerte Aluminlumplatte ll gezeigt, auf der Leiter angeordnet sind, die nach den Schablonen der Zeichnung ausgebildet sind. Diese Einrichtung 1st für die Verwendung bei einer Batterieaufladeschaltung vorgesehen, die von einem dreiphasigen Wechselstromgenerator gespeist wird. Die Schaltung enthält neun Dioden. Sechs von diesen Dioden bilden den Doppelweggleichrichter und die drei anderen Dioden liefern die Ausgangsspannung an die Feldwicklung. Es ist daher erforderlich, drei Ausgangsklemmen und drei Eingangsklemmen zum Anschluß an die Phasen des Wechselstromgenerator vorzusehen. Wie in Flg. 2 gezeigt ist, besteht die Schaltung aus drei Hauptleitern 41 bis 43 und drei kleineren Leitern 44 bis 46. Es werden Ausgangsklemmen 4la bis 46a an die Unterlage in Verbindung mit den Leitern 41 bis 46 angelötet und auf jeden der Leiter 4l, 42, 43 werden drei Dioden angelötet (Fig. 3). Angenommen« daß die Klemmen 4la und 42a die Hauptausgangsklemmen und die Klemme 43a die Ausgangsklemme der Feldwicklung sind und die gleiche Polarität wie die Klemme 4la besitzt -, dann werden die Anoden der drei Dioden an den Leiter 41 und die Anoden der drei weiteren Dioden an den Leiter 43 angelötet. Die Kathoden der drei Dioden werden an den Leiter 42 und die Leiter werden an die freien Klemmen der einen Diode von jedem der Leiter 4l, 42, 43 und an die entsprechenden Klemmen 44a, 45j|« 46a angelötet, so daß die gesamte Anordnung einen Brückengleiohriohter mit drei zusätzlichen Dioden ergibt.A particular application of the invention is shown in FIG to 7 shown. In FIGS. 2 and 3, an anodized aluminum plate II is shown, arranged on the conductor which are designed according to the templates in the drawing. This device is for use with a Battery charging circuit provided, which is fed by a three-phase alternator. The circuit contains nine diodes. Six of these make up diodes the full wave rectifier and the three other diodes provide the output voltage to the field winding. It is therefore it is necessary to provide three output terminals and three input terminals for connection to the phases of the alternator. As in Flg. 2 consists of the Circuit of three main conductors 41 to 43 and three smaller conductors 44 to 46. There are output terminals 4la to 46a to the base in connection with the ladders 41 Soldered to 46 and on each of the conductors 4l, 42, 43 three diodes are soldered (Fig. 3). Assume «that the Terminals 4la and 42a the main output terminals and the Terminal 43a is the output terminal of the field winding and has the same polarity as terminal 4la -, then the anodes of the three diodes are connected to the conductor 41 and the anodes of the three further diodes are connected to the conductor 43 soldered on. The cathodes of the three diodes are connected to conductor 42 and the conductors are connected to the free terminals of the a diode from each of the conductors 4l, 42, 43 and to the corresponding terminals 44a, 45j | «46a soldered so that the entire arrangement results in a bridge earphone with three additional diodes.
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Der nächste Verfahrensschritt, der in Fig. 4 gezeigt ist, ist das Umhüllen der Einrichtung, die in Fig. 2 und 5 gezeigt 1st mit einem thermoplastischen Material 48, das einer Temperatur von der Größenordnung von 200°0 widerstehen kann. Die Einrichtung wird dann an einen mit Rippen versehenen Aluminiumwärme-Ableiter 51 unter Zwischenlage einer thermisch leitenden Sohioht 52 angenietet, so daß der Wänaewlderstand zwischen der Einrichtung und dem Wärmeableiter 51 herabgesetzt wird. Obwohl die Alunlnlum-Unterlage selbst bereits als ein guter Wärmeableiter wirkt, 1st es fttr diese besondere Anwendung, die oben beschrieben wurde, vorteilhaft, einen zusätzlichen Wärmeableiter 51 vorzusehen. Die Einrichtung 1st nunmehr für die Benutzung bereit.The next process step, which is shown in Fig. 4, is the wrapping of the device shown in Figs. 2 and 5 with a thermoplastic material 48 which can withstand a temperature of the order of 200 ° 0. The device is then riveted to a ribbed aluminum heat sink 51 with the interposition of a thermally conductive material 52, see above that the wall between the institution and the Heat sink 51 is reduced. Although the aluminum underlay itself already acts as a good heat sink, For this particular application described above, it is advantageous to have an additional heat sink 51 to be provided. The device is now ready for use.
Die Flg. 6 und 7 zeigen eine besonders geeignete Anordnung zum Befestigen der äußeren Klemme an die Alumlnlumsoheibe 11. Qn eine Klemmenplatte 1st ein thermoplastischer Körper r 61 derart ausgeformt, daß die Platte selbst, die mit 62 bezeichnet 1st, sich von einer Seite des Körpers 61 aus ; erstreckt und ein Metallfinger 6? eich von der anderenThe Flg. Figures 6 and 7 show a particularly suitable arrangement for attaching the outer clamp to the aluminum bracket 11. Qn a terminal board is a thermoplastic body r 61 shaped in such a way that the plate itself, which is designated by 62, extends from one side of the body 61 ; extends and a metal finger 6? different from the other
Seite des Körpers 63 aus erstreckt. Dieser Körper 61 1st , mit einer Lasche 64 versehen, die wie in Fig. 7 gezeigt, ι die Alutainlufflunterlage 11 umfaßt. Die Lasche 64 wird in ι einer geeigneten Welse umgebogen, so daß der Körper 61 fest mit der Unterlage 11 verbunden wird und der Finger 63 wird an den geeigneten Leiter auf die Unterlage angelötet.Side of the body 63 extends from. This body 61 1st , provided with a tab 64, which as shown in Fig. 7, ι the Alutainlufflunterlage 11 includes. The tab 64 is in ι bent over a suitable catfish so that the body 61 is firmly connected to the pad 11 and the finger 63 is soldered to the appropriate conductor on the pad.
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