Auswahl von Dünnschichtwiderständen für Automobil- und Industrieanwendungen

Elektronische Anwendungen wie Automobil-, Industrie- und Telekommunikationsanwendungen erfordern Präzisionskomponenten, die rauen Umgebungen, einschließlich hoher Luftfeuchtigkeit und erosiver Atmosphären, standhalten. Passive Komponenten sind für den Erfolg dieser fortschrittlichen Designs von grundlegender Bedeutung und erfordern ständige Innovationen, um eine zuverlässige Performance zu gewährleisten.

So müssen beispielsweise Metallfilm-Chipwiderstände entwickelt und getestet werden, um Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit in schwierigen Umgebungen zu gewährleisten. Ein wichtiges Problem bei der Entwicklung von Chipwiderständen für den Automobil- und Industriemarkt ist deren langfristige Zuverlässigkeit in Gegenwart von Schwefelverbindungen. Diese Umgebungen, in denen Öle, Schmiermittel, Kraftstoff und andere schwefelhaltige Verbindungen vorkommen, können die Kontakte beeinträchtigen und die Zuverlässigkeit von Chipwiderständen verringern.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen erörtert, denen sich Konstrukteure bei der Auswahl von Widerständen für raue Automobil- und Industrieumgebungen gegenübersehen. Anschließend werden zwei Familien schwefel- und feuchtigkeitsbeständiger oberflächenmontierbarer Widerstände von YAGEO vorgestellt und gezeigt, wie sie den Herausforderungen dieser Anwendungen gerecht werden können.

Eigenschaften von Chipwiderständen

Chipwiderstände sind eine Schlüsselkomponente in der modernen Elektronik, einschließlich Automobil-, Industrie- und Telekommunikationsgeräten. Ihre geringe Größe, Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit passen perfekt zu Schaltungen mit hoher Dichte. Es gibt sie in einer breiten Palette von Widerstandswerten, Toleranzen, Temperaturkoeffizienten (TCR) und Leistungswerten. Zwei Chip-Widerstandsfamilien von YAGEO sind die Serien AT und RP. Beide Serien sind für Anwendungen im Automobilbereich nach AEC-Q200 qualifiziert; diese Spezifikation prüft passive elektronische Komponenten auf Temperatur, Feuchtigkeit, Beständigkeit gegen Lötwärme, Temperaturschock und Biegetoleranz der Leiterplatte. Es wird auch auf geringe Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Schwefelbeständigkeit geprüft.

Elektrische Spezifikationen im Vergleich

Die oberflächenmontierbaren (SMD) Widerstände der Serien AT und RP sind in vier Standardgehäusen für die Oberflächenmontage erhältlich: 0402, 0603, 0805 und 1206. Der numerische Code für jedes Gehäuse enthält die nominale Länge und Breite der Komponente in Zoll (Tabelle 1).

Tabelle 1: Dargestellt sind die Abmessungen und Nennleistungen für die vier Gehäusegrößen der Chip-Widerstandskomponenten der RP- und AT-Serie. (Tabellenquelle: Art Pini)

Die Leistungswerte variieren direkt mit dem Gehäusevolumen und reichen von 1/16 W bis 1/4 W.

Diese Gehäusegrößen bieten unterschiedliche Widerstandswerte, Widerstandstoleranzen, TCRs und Spannungswerte. Die Spezifikationen der Widerstände der AT-Serie sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2: Abgebildet sind die elektrischen Eigenschaften der Widerstände der AT-Serie. (Quelle der Tabelle: YAGEO)

In der Tabelle ist der verfügbare Bereich der Widerstandswerte für jede Gehäusegröße, jeden TCR und jede Toleranz aufgeführt.

In ähnlicher Weise sind die Spezifikationen für die RP-Reihe in Tabelle 3 zusammengefasst.

Tabelle 3: Dargestellt sind die elektrischen Eigenschaften der Widerstände der RP-Serie. (Quelle der Tabelle: YAGEO)

Die Komponenten beider Produktserien werden auf der Grundlage von Gehäusegröße, TCR, Widerstandstoleranz und Widerstand ausgewählt. Der Bereich der verfügbaren Widerstandswerte variiert mit jeder der anderen Spezifikationen.

Die TCR-Werte für die RP-Serie sind in Stufen von ±50, ±25, ±15 und ±10 Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) erhältlich. Die AT-Serie bietet zusätzlich einen niedrigeren TCR von ±5 ppm/°C.

Beachten Sie, dass der Bereich der verfügbaren Widerstandswerte für die Geräte der RP-Serie größer oder gleich dem der AT-Widerstände für jede TCR-Stufe ist.

Beide Serien bieten Toleranzwerte von 0,1 %, 0,25 %, 0,5 % und 1 %, was den am häufigsten verwendeten Widerstandstoleranzen entspricht. Die AT-Serie bietet jedoch drei zusätzliche Toleranzbereiche: 0,05%, 0,02% und 0,01%. Diese präzisen Toleranzen werden seltener verlangt, und die angebotenen Widerstandswerte haben einen engeren Bereich.

Vergleich der Widerstände der Serien AT und RP

Der AT0402FRE0710KL von YAGEO ist ein 10 Kiloohm (kΩ), 1/16 W AT-Vorwiderstand mit einem TCR von ±50 ppm/°C in einem 0402-Gehäuse. Das Äquivalent der RP-Serie ist der RP0402FRE0710KL, der die gleichen Spezifikationen aufweist. Der Unterschied zwischen den Produkten besteht darin, dass die RP-Serie Widerstandswerte von 10 Ω bis 240 kΩ in diesem TCR-Bereich bietet, während die AT-Serie 10 Ω bis 100 kΩ bietet. Die RP-Serie bietet diesen Widerstandsbereich über alle TCR-Werte, während die AT-Serie den Bereich für TCR-Werte von ±10 ppm/°C und ±5 ppm/°C reduziert.

Der AT0603DRE0710KL ist ein 10 kΩ, 1/10 W AT-Vorwiderstand in einem 0603-Gehäuse. Sein TCR beträgt ±50 ppm/°C. Der RP0603DRD0710KL ist ein Widerstand der Serie RP 0603 mit denselben Nominalspezifikationen außer dem TCR, der ±25 ppm/°C beträgt. Der Bereich der verfügbaren Widerstände in der RP-Serie reicht von 10 Ω bis 910 kΩ. Die AT-Widerstände haben Werte von 10 Ω bis 330 kΩ für die beiden höchsten TCR-Spezifikationen und einen viel restriktiveren Bereich für die niedrigeren TCR-Werte.

Der AT0805BRD0710KL im 0805-Gehäuse der AT-Serie ist ein 10 kΩ, 1/8 W Widerstand mit einem TCR von ±25 ppm/°C. Der entsprechende RP-Widerstand, der RP0805BRD0710KL, hat denselben Widerstand, dieselbe Toleranz und denselben TCR. Auch hier hat die RP-Serie einen breiteren Widerstandsbereich über den gesamten Bereich der TCR-Auswahl, während die AT-Widerstände einen eingeschränkteren Bereich für die unteren drei TCR-Werte haben.

Der AT1206BRD0710KL ist ein 10 kΩ, 1/4 W Widerstand in einem 1206 Gehäuse. Sein RP-Äquivalent ist der RP1206BRD0710KL mit identischen Spezifikationen.

Auf der Grundlage der elektrischen Spezifikationen sind diese Widerstandsfamilien ähnlich und können für viele Anwendungen eingesetzt werden. Die RP-Serie bietet eine breitere Palette von Widerstandswerten und ist daher vielseitiger einsetzbar. Die AT-Serie bietet engere Toleranzen für einige Widerstandswerte und einen niedrigeren TCR-Bereich, und beide Eigenschaften werden bei Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Präzision und Genauigkeit erfordern. Beide Serien arbeiten in einem Temperaturbereich von -55°C bis +155°C für ihre Nennleistung. Beachten Sie, dass die Nennleistung reduziert werden muss, wenn die Umgebungstemperatur über +70°C steigt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Leistungsreduzierungskurve für beide Serien erfordert eine reduzierte Leistung bei Temperaturen über 70°C. (Bildquelle: YAGEO)

Sicherheit und Schutz der Umwelt

Sowohl die AT- als auch die RP-Produktfamilie sind für den Einsatz in Automobil- und Industrieumgebungen qualifiziert. Die zu ihrer Herstellung verwendeten Epoxidverbindungen sind halogenfrei. Außerdem sind sie bleifrei und erfüllen die RoHS-Spezifikationen. Diese Widerstände verringern auch die Produktion von umweltschädlichem Abfall, da sie aus nicht verbotenen Materialien bestehen.

Beide Widerstands-Produktlinien sind wenig anfällig für Feuchtigkeit und korrosive Gase, wie sie in Fahrzeugen und in der Industrie vorkommen. Ein Aspekt der Feuchtigkeitsbeständigkeit ist die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL). Dieses von der Elektronikindustrie verwendete Bewertungssystem gibt an, wie lange ein Bauteil einer Luftfeuchtigkeit von 60 % bis 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur unter +85 °F ausgesetzt werden kann, bevor es zu viel Feuchtigkeit aufnimmt, um wellengelötet zu werden. Beim Wellenlöten dehnt sich eingeschlossene Feuchtigkeit schnell aus und beschädigt das Bauteil und möglicherweise die Leiterplatte. Die Widerstände der AT- und RP-Serie sind mit MLS 1 bewertet, was eine unbegrenzte Lebensdauer für die Lagerung angibt. Sie werden auch auf Feuchtigkeitsbeständigkeit gemäß AEC-Q200 getestet, und beide Serien weisen Widerstandsschwankungen von weniger als ±(0,1 % + 0,05 Ω) auf, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind.

Verunreinigungen durch Schwefelverbindungen sind ein zunehmend sensibler Bereich für passive Bauteile wie Chipwiderstände. Öl, Schmiermittel, Kraftstoffe auf Ölbasis und Gummikomponenten oder -beschichtungen geben schwefelhaltige Dämpfe ab. Diese Schwefelverbindungen reagieren mit Metallen, insbesondere Silber, und können Chipwiderstände beschädigen.

Bei der Prüfung (ASTM-B-809-95, modifiziert) auf Schwefelbeständigkeit werden die Prüfkomponenten einer schwefelreichen Atmosphäre ausgesetzt, die in einem geschlossenen Gefäß durch Zugabe einer abgemessenen Menge Schwefelpulver erzeugt wird. Der Behälter wird auf +105°C erhitzt, und die Komponenten werden 750 Stunden lang dieser Atmosphäre ausgesetzt. Die zu prüfenden Widerstände werden gemessen, um sicherzustellen, dass ihre Widerstandsänderung unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Beide Widerstandsreihen weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen Schwefel auf.

Unterschiede zwischen den Widerständen der Serien AT und RP

Die Widerstände der Serien AT und RP sind unterschiedlich aufgebaut. Bei der AT-Serie handelt es sich um ein früheres Design, das einen traditionelleren Ansatz für die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Schwefel verfolgt. Die RP-Baureihe ist ein neueres Design, das neuere Konstruktionstechniken und Materialien beinhaltet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Vergleich des Aufbaus der Chipwiderstände der AT- und RP-Serie zeigt die Unterschiede beim Schutz der Komponenten vor Feuchtigkeit und Schwefel. (Bildquelle: YAGEO)

Beide Serien verwenden wie alle Chipwiderstände einen Metallwiderstandsfilm, der auf einem Keramiksubstrat aufgebracht ist. Die AT-Widerstände verwenden Kupfer als obere Elektrode (C1), um die korrosiven Auswirkungen von Schwefeldämpfen zu verringern, da Kupfer nicht so stark mit Schwefel reagiert wie Silber. Die Widerstandsschicht und die Elektrode werden mit einem Epoxidüberzug versiegelt. Die Endkappen sind aus verzinntem Nickel gefertigt, um die Lötbarkeit zu gewährleisten. Sie dichten ab und bieten Anschlusspunkte für die Silberelektrode an der Unterseite des Widerstands.

Basierend auf jahrelanger Erfahrung mit verwandten Chipkomponenten fügen die RP-Bauteile eine polymere Silberschicht (C3) auf der C1-Innenelektrode hinzu, um eine Verunreinigung durch Schwefel zu verhindern. Dadurch können die inneren Elektroden aus Silber hergestellt werden. Eine dünne Passivierungsschicht bildet eine Barriere zwischen dem Metallfilm und korrosiven Elementen. Bei der Passivierung handelt es sich um ein chemisches Verfahren, bei dem die Widerstandsschicht beschichtet wird, damit sie nicht mehr so leicht korrodiert oder von der Umgebung beeinträchtigt wird. Die Versiegelung wird mit einem Epoxidüberzug abgeschlossen.

Die RP-Serie hat eine bessere Schwefelbeständigkeit als die AT-Serie aufgrund ihres verbesserten Versiegelungsverfahrens. Die Schwefeltestspezifikation für die RP-Komponenten hat einen engeren Grenzwert von ±(2,0% + 0,05 Ω) im Vergleich zu den AT-Grenzwerten von ±(4,0% + 0,05 Ω). Dies bedeutet eine geringere Veränderung des Widerstands aufgrund der Schwefelexposition.

Die neuere Widerstandsstruktur hat auch die Produktionseffizienz verbessert und zu niedrigeren Kosten und kürzeren Vorlaufzeiten geführt.

Fazit

Automobil-, Industrie- und Telekommunikationssysteme erfordern Präzisionskomponenten, die in rauen Umgebungen, einschließlich hoher Luftfeuchtigkeit und erosiver Atmosphären, zuverlässig funktionieren. Die Widerstände der Serien AT und RP sind AEC-Q200-qualifiziert und eignen sich gut für diese Anwendungen. Die RP-Serie bietet eine verbesserte Feuchtigkeits- und Schwefeltoleranz, niedrigere Preise und kürzere Lieferzeiten. Die AT-Serie bietet selektive Widerstandswerte mit geringeren Toleranzen von ±0,01%, ±0,02% und ±0,05%.