Dobór rezystorów cienkowarstwowych do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych

Na przykład warstwowe metalizowane rezystory mikroelektroniczne muszą być zaprojektowane i przebadane tak, by zapewnić dokładność, stabilność i niezawodność w trudnych warunkach. Istotną kwestią wpływającą na konstrukcję rezystorów mikroelektronicznych na rynek motoryzacyjny i przemysłowy jest ich niezawodność długoterminowa w obecności związków siarki. Środowiska, w których występują oleje, smary, paliwa i inne związki o dużej zawartości siarki, mogą powodować degradację styków i zmniejszać niezawodność rezystorów mikroelektronicznych.

Artykuł omawia wyzwania stojące przed projektantami, którzy dobierają rezystory do niesprzyjających warunków środowiskowych w motoryzacji i przemyśle. Następnie przedstawia dwie grupy odpornych na siarkę i wilgoć rezystorów do montażu powierzchniowego firmy YAGEO i demonstruje sposób, w jaki można je wykorzystać, aby sprostać wyzwaniom tych zastosowań.

Charakterystyka rezystorów mikroelektronicznych

Rezystory mikroelektroniczne są kluczowym elementem nowoczesnej elektroniki, w tym urządzeń motoryzacyjnych, przemysłowych i telekomunikacyjnych. Niewielkie rozmiary, dokładność, stabilność i niezawodność idealnie pasują do obwodów o dużej gęstości. Dostępne są one w szerokim zakresie rezystancji, tolerancji, współczynników temperaturowych rezystancji (TCR) i mocy znamionowych. Dwie grupy rezystorów mikroelektronicznych YAGEO to serie AT i RP. Obie serie mają parametry znamionowe odpowiednie do zastosowań motoryzacyjnych, co gwarantuje kwalifikacja AEC-Q200. Specyfikacje te badają pasywne komponenty elektroniczne pod kątem tolerancji na temperatury, wilgotność, odporność na ciepło lutowania, wstrząsy cieplne oraz zginanie płytek. Sprawdzają one również niską wrażliwość na wilgoć i odporność na działanie siarki.

Porównanie specyfikacji elektrycznych

Rezystory SMD z serii AT i RP są dostępne w czterech standardowych obudowach 0402, 0603, 0805 oraz 1206 przeznaczonych do montażu powierzchniowego. Kody numeryczne poszczególnych obudów zawierają nominalną długość i szerokość urządzeń w calach (tabela 1).

Obudowa SMDWymiary (cale)Wymiary (mm)Moc znamionowa (W)04020,039 x 0,02 x 0,0141,0 x 0,5 x 0,350,063 (1/16)06030,063 x 0,031 x 0,0221,6 x 0,8 x 0,550,10 (1/10)08050,79 x 0,049 x 0,0242 x 1,25 x 0,60,125 (1/8)12060,122 x 0,063 x 0,0263,1 x 1,6 x 0,650,25 (1/4)

Tabela 1: wymiary i moce znamionowe dla czterech rozmiarów obudów rezystorów mikroelektronicznych z serii RP oraz AT. (Źródło tabeli: Art Pini)

Moce znamionowe zmieniaj się w bezpośredniej zależności od wielkości obudowy od 1/16W do 1/4W.

Te wielkości obudów oferują różne wartości rezystancji, tolerancji rezystancyjnej, współczynnika temperaturowy rezystancji (TCR) i napięć znamionowych. Specyfikacje rezystorów z serii AT zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2: charakterystyki elektryczne rezystorów z serii AT. (Źródło tabeli: YAGEO)

Tabela zestawia dostępny zakres wartości rezystancji dla poszczególnych rozmiarów obudowy, współczynników temperaturowych rezystancji (TCR) oraz tolerancji.

Specyfikacje rezystorów z serii RP zestawiono natomiast w tabeli 3.

Tabela 3: charakterystyki elektryczne rezystorów z serii RP. (Źródło tabeli: YAGEO)

Komponenty z tych serii serii są dobierane na podstawie wielkości obudowy, współczynnika temperaturowego rezystancji (TCR), tolerancji rezystancji oraz samej rezystancji. Zakres dostępnych wartości rezystancji różni się w zależności od pozostałych specyfikacji.

Wartości współczynnika TCR dla serii RP są dostępne w szeregu ±50, ±25, ±15 i ±10 części na milion na stopień Celsjusza (ppm/°C). Seria AT zawiera dodatkowo niższy współczynnik TCR wynoszący ±5 ppm/°C.

Należy zauważyć, że dla każdego poziomu współczynnika TCR zakres dostępnych wartości rezystancji dla urządzeń z serii RP jest większy lub równy wartościom dla rezystorów AT.

Obie serie oferują najczęściej stosowane wartości tolerancji 0,1%, 0,25%, 0,5% i 1%. Jednak seria AT oferuje trzy dodatkowe poziomy tolerancji: 0,05%, 0,02% i 0,01%. Precyzyjne tolerancje są rzadziej wymagane, a zakres oferowanych wartości rezystorów jest bardziej ograniczony.

Porównanie serii AT i RP rezystorów

Rezystory AT0402FRE0710KL z serii AT firmy YAGEO mają parametry 10kΩ, 1/16W, TCR ±50ppm/°C i dostępne są w obudowach 0402. Ich odpowiednikiem w serii RP są rezystory RP0402FRE0710KL o takich samych specyfikacjach. Różnica między produktami polega na tym, że dla podanego zakresu współczynnika temperaturowego rezystancji seria RP obejmuje wartości rezystancji od 10Ω do 240kΩ, natomiast seria AT oferuje zakres od 10Ω do 100kΩ. Seria RP oferuje ten zakres rezystancji dla wszystkich wartości współczynnika TCR, podczas gdy seria AT ogranicza zakres dla wartości współczynnika TCR ±10ppm/°C i ±5ppm/°C.

Rezystor AT0603DRE0710KL z serii AT ma parametry 10kΩ, 1/10W i jest zamknięty w obudowie 0603. Jego współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) wynosi ±50 ppm/°C. Rezystor RP0603DRD0710KL należy do serii RP 0603 i ma te same parametry znamionowe, za wyjątkiem współczynnika TCR, który wynosi ±25ppm/°C. W serii RP dostępny jest zakres rezystancji od 10Ω do 910kΩ. Rezystory AT mają wartości od 10Ω do 330kΩ dla dwóch najwyższych specyfikacji współczynnika TCR i znacznie bardziej restrykcyjny zakres dla niższych wyborów współczynnika TCR.

Zamknięte w obudowach 0805 rezystory AT0805BRD0710KL z serii AT mają parametry 10kΩ, 1/8W i współczynnik TCR równy ±25ppm/°C. Ich odpowiedniki w serii RP, rezystory RP0805BRD0710KL, mają te same rezystancje, tolerancje i współczynniki temperaturowe rezystancji (TCR). Seria RP ma szerszy zakres rezystancji dla pełnego zakresu współczynników temperaturowych rezystancji (TCR), natomiast zakres dla rezystorów AT jest bardziej ograniczony dla trzech niższych wariantów współczynnika TCR.

Rezystor AT1206BRD0710KL ma parametry 10kΩ, 1/4W i jest zamknięty w obudowie 1206. Jego odpowiednikiem w serii RP jest rezystor RP1206BRD0710KL o identycznych specyfikacjach.

W oparciu o specyfikacje elektryczne, omawiane grupy rezystorów są podobne i odpowiednie do wielu zastosowań. Seria RP oferuje szerszy zakres wartości rezystancji, dzięki czemu może być bardziej przydatna. Seria AT oferuje ciaśniejsze tolerancje dla niektórych wartości rezystancji oraz niższy współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR). Obie te cechy sugerują użycie w zastosowaniach wymagających większej precyzji i dokładności. Obie serie pracują w zakresie temperatur od -55°C do +155°C przy znamionowych poziomach mocy. Należy zauważyć, że moc znamionowa musi zostać obniżona, jeśli temperatura otoczenia wzrośnie powyżej 70°C (ilustracja 1).

Ilustracja 1: krzywa obniżenia parametrów znamionowych dla obu serii wymaga niższej mocy w temperaturach powyżej 70°C. (Źródło ilustracji: YAGEO)

Bezpieczeństwo i ochrona przed warunkami środowiskowymi

Zarówno grupa produktów AT, jak i RP jest przeznaczona do stosowania w środowiskach przemysłowych i motoryzacyjnych. Materiały epoksydowe stosowane do ich produkcji są nie zawierają halogenów. Nie zawierają one również ołowiu i spełniają wymagania dyrektywy RoHS. Omawiane rezystory redukują również wytwarzanie odpadów niebezpiecznych dla środowiska dzięki zastosowaniu materiałów, które nie są zakazane.

Obie linie rezystorów charakteryzują się niską wrażliwością na wilgoć i gazy korodujące powszechnie występujące w pojazdach i warunkach przemysłowych. Jedną z miar odporności na wilgoć jest poziom czułości na wilgoć (MSL). Ten system oceny stosowany w przemyśle elektronicznym określa, jak długo element może być narażony na wilgotność względną od 60% do 85% w temperaturze poniżej 85°F, zanim wchłonie zbyt dużo wilgoci, co uniemożliwi lutowanie na fali. Podczas lutowania na fali, uwięziona wilgoć szybko rozszerza się, uszkadzając komponenty, a nawet płytkę drukowaną. Rezystory z serii AT i RP charakteryzują się poziomem odporności na wilgoć MLS 1, co oznacza nieograniczony czas od wyjęcia z opakowania w środowisku produkcyjnym. Są one badane pod kątem odporności na wilgoć zgodnie z normą AEC-Q200. Wahania rezystancji pod wpływem narażenia na wilgoć dla obydwu serii są mniejsze od ±(0,1% +0.05Ω).

Komponenty pasywne, takie jak rezystory mikroelektroniczne, są wrażliwe na zanieczyszczenia spowodowane narażeniem na działanie związków siarki. Oleje, smary, paliwa na bazie ropy naftowej oraz elementy gumowe lub powłoki wydzielają opary w postaci związków siarki. Związki siarki z kolei reagują z metalami, a szczególnie srebrem, co może prowadzić do uszkodzeń rezystorów mikroelektronicznych.

Próba odporności na siarkę (ASTM-B-809-95, ze zmianami) polega na wystawieniu badanych komponentów na atmosferę o dużym stężeniu siarki w zamkniętym naczyniu, poprzez dodanie odmierzonej ilości sproszkowanej siarki. Naczynie jest następnie podgrzewane do temperatury +105°C, a komponenty przebywają w tej atmosferze przez 750 godzin. Następnie badane rezystory poddaje się pomiarom, aby upewnić się, że zmiany ich rezystancji mieszczą się w określonych granicach. Obie serie rezystorów wykazują znakomitą odporność na działanie siarki.

Różnice między rezystorami z serii AT i RP

Konstrukcja rezystorów z serii AT i RP jest różna. Seria AT to wcześniejsza konstrukcja, która wykorzystuje bardziej tradycyjne podejście do odporności na wilgoć i siarkę. Seria RP to nowsza konstrukcja, w której zastosowano nowsze techniki i materiały konstrukcyjne (ilustracja 2).

Ilustracja 2: porównanie konstrukcji rezystorów mikroelektronicznych z serii AT i RP ukazujące różnice w sposobie ochrony urządzeń przed wilgocią i siarką. (Źródło ilustracji: YAGEO)

Obydwie serie wykorzystują oporową warstwę metalizowaną nałożoną na podłoże ceramiczne, podobnie jak wszystkie rezystory mikroelektroniczne. Górna elektroda (C1) rezystorów AT jest wykonana z miedzi, aby zmniejszyć korozyjne działanie oparów siarki, ponieważ reakcja miedzi z siarką nie jest tak silna jak w przypadku srebra. Warstwa oporowa i elektroda są szczelnie pokryte powłoką epoksydową. Kołpaki końcowe są wykonane z niklu pokrytego cyną, aby uzyskać łatwość lutowania. Stanowią one uszczelnienie i punkty połączeniowe z elektrodą srebrną na spodzie rezystora.

Opierając się na wieloletnim doświadczeniu z podobnymi komponentami mikroelektronicznymi, w urządzeniach RP dodano polimerową warstwę srebra (C3) na elektrodzie wewnętrznej C1, aby zapobiec zanieczyszczeniom siarką. Pozwala to na wykonanie elektrod wewnętrznych ze srebra. Cienka warstwa pasywacyjna stanowi barierę między warstwą metalizowaną i czynnikami korodującymi. Pasywacja jest procesem chemicznym, który nakłada odporną warstwę, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo korozji lub wpływu środowiska. Powłoka epoksydowa uzupełnia proces uszczelniania.

Seria RP charakteryzuje się wyższą odpornością na działanie siarki niż seria AT ze względu na ulepszony proces uszczelniania. Specyfikacje prób oddziaływania siarki dla urządzeń RP ma węższe wartości graniczne ±(2,0% 0,05Ω) w porównaniu z wartościami granicznymi urządzeń AT ±(4,0% + 0,05Ω). Oznacza to mniejsze zmiany rezystancji spowodowane narażeniem na działanie siarki.

Nowsza konstrukcja rezystorów zapewnia również wyższą wydajność produkcji, niższe koszty i krótsze czasy realizacji.

Podsumowanie

Instalacje motoryzacyjne, przemysłowe i telekomunikacyjne wymagają precyzyjnych komponentów, które będą niezawodnie działać w trudnych warunkach środowiskowych, włączając w to agresywne atmosfery i wysoką wilgotność. Rezystory z serii AT i RP posiadają kwalifikację AEC-Q200 i świetnie sprawdzają się w takich zastosowaniach. Seria RP charakteryzuje się wyższą odpornością na działanie wilgoci i siarki, niższymi cenami i krótszymi czasami realizacji. Seria AT z kolei oferuje selektywne wartości rezystancji o niższych tolerancjach ±0,01%, ±0,02% oraz ±0,05%.

Źródło: Dobór rezystorów cienkowarstwowych do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.