Stahlbasierte Widerstände übertreffen Keramikwiderstände

Keramische Dickschichtwiderstände, die seit langem in elektronischen Anwendungen zum Einsatz kommen, basieren auf einem spröden Substrat, das anfällig für Risse oder Delaminationen ist. Bourns, Inc. bietet eine Alternative auf Stahlbasis für Anwendungen, die hohe Leistung, thermische Effizienz und mechanische Robustheit erfordern.

Keramische Dickschichtwiderstände sind zuverlässig, bis sie reißen oder delaminieren, vor allem, wenn die Bauteile kleiner werden und die Leistungsdichte steigt. Biegungen, Vibrationen oder Temperaturschwankungen auf der Leiterplatte können ihre Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen, was zu latenten Fehlern im Einsatz führen kann.

Herkömmliche keramische Dickschichtwiderstände sind kostengünstig und weithin verfügbar, aber ihre spröden Substrate machen sie in anspruchsvollen Umgebungen weniger zuverlässig. Edelstahl bietet ein steifes, aber dennoch leicht nachgiebiges Substrat, das die mechanische Beanspruchung durch die Biegung der Leiterplatte, Vibrationen und die Handhabung während der Montage absorbieren kann, wodurch das Risiko von Rissen oder Delaminationen verringert wird.

Dickschichtwiderstände auf Stahl (TFOS) bieten eine mechanisch robuste, thermisch effiziente Alternative für anspruchsvolle, stark beanspruchte Designs, bei denen selbst geringe Biegungen, Vibrationen oder Temperaturschwankungen auf der Leiterplatte Widerstände auf Keramikbasis beschädigen können.

Bourns stellte Mitte 2025 den ersten TFOS-Widerstand, den TFOS30-1-150T (Abbildung 1), vor. TFOS liefert Komponenten mit außergewöhnlicher Wärmeübertragung, hoher Leistungsdichte und starker mechanischer Beständigkeit, wodurch sie für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind. Bei vielen Leistungs- oder Hochenergie-Schaltkreisen kommt es darauf an, wie gut ein Bauteil Energieimpulse absorbieren, ableiten und überstehen kann, ohne zu brechen, abzudriften oder vorzeitig auszufallen.

Abbildung 1: Der TFOS30-1-150T von Bourns ist mit einem Edelstahlsubstrat ausgestattet und bietet eine höhere Zuverlässigkeit als Dickschicht-Keramikwiderstände. (Bildquelle: Bourns, Inc.)

Stahlsubstrate sorgen für eine bessere Wärmeverteilung, was die Verlustleistung verbessert und eine höhere Leistungsdichte bei geringerer Grundfläche ermöglicht. Auf das gereinigte Edelstahlsubstrat wird eine hochintegrierte dielektrische Schicht aufgebracht, um die elektrische Leitung durch den Stahl zu verhindern.

Durch die Verlagerung der Leistungsaufnahme und der Robustheit in den Widerstand können die Entwickler die Kühlung reduzieren, die Anzahl der Bauteile verringern und die Zuverlässigkeit im Feld erhöhen. Einfach ausgedrückt, können Entwickler mehr Leistung auf weniger Raum ohne zusätzliche thermische Hardware unterbringen, so Bourns.

Bei der Herstellung von TFOS-Bauteilen werden Dickschichtleiter- und Widerstandsmuster im Siebdruckverfahren auf die dielektrische Schicht aufgebracht. Nach jedem Durchgang werden die Materialien durch Brennen in einem Hochtemperaturofen verfestigt, um Haftung und robuste Leit- und Widerstandsbahnen zu gewährleisten. Abschließend wird eine schützende Überglasurschicht über den Leiter und den Widerstand aufgetragen, die mechanischen Schutz, Umweltbeständigkeit und elektrische Isolierung zu den darunter liegenden Schichten bietet.

Wichtige Überlegungen zum Design

TFOS-Widerstände bieten eine hohe Leistungs- und Impulslastfähigkeit in einem kompakten, flachen Formfaktor, um Leistungsspannen unter schwierigen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht es Ingenieuren, strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit und Wärmemanagement zu erfüllen, ohne den Formfaktor zu beeinträchtigen.

Der TFOS30-1-150T ist AEC-Q200-konform und eignet sich für Anwendungen im Automobilbereich, wie z. B. Batteriespeichersysteme, Motorantriebe, Wechselrichter, Sensorplatinen für Brennstoffzellenfahrzeuge und andere Anwendungen, bei denen hohe Leistung, Wärmemanagement und mechanische Robustheit erforderlich sind.

In einem Anwendungshinweis über den Einsatz des Bauteils in einer Sensorplatine für Brennstoffzellenstapel^[1] hebt Bourns die Eignung des TFOS für derartige Anwendungen hervor, da er hohe Leistungsdichten bewältigen kann. Er kann Vorlade- und Entladekreise in Brennstoffzellenfahrzeugen unterstützen und ein effizientes Energiemanagement auch bei variabler Frequenz gewährleisten. Seine niedrige Induktivität und enge Toleranz gewährleisten eine genaue Messung von Spannung, Strom und Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels.

Erhältlich in einem 4,000 Zoll langem x 2,756 Zoll breiten (101,60 mm x 70,00 mm) bietet der TFOS30-1-150T anpassbare Anschlussoptionen wie Lötfahnen, Steckverbinder, Drahtleitungen und Anschlusskabel. Laut Bourns kann das flache, robuste Stahlsubstrat in verschiedenen Formen und Größen bis zu 406 mm x 406 mm hergestellt werden, um kundenspezifische Layouts zu ermöglichen, oder direkt auf wärmableitenden Oberflächen montiert werden. Entwickler können auch alternative ohmsche Werte, Widerstandstoleranzen und die Integration mehrerer Widerstände spezifizieren.

Mit einem Widerstandswert von 150 Ohm und einer Toleranz von ±10% ist er für Präzision optimiert. Mit einer Nennleistung von 260 W bei Montage auf einem Kühlkörper und bis zu 900 W mit einem lüftergekühlten Kühlkörper eignet er sich für Anwendungen, die eine hohe Energieabgabe erfordern. Der TFOS30-1-150T arbeitet in einem erweiterten Temperaturbereich von -55°C bis +125°C, und laut Bourns kann der TFOS extrem hohen Elementtemperaturen bis zu 350°C standhalten.

Fazit

TFOS ist kein universeller Ersatz für keramische Widerstände, aber es bietet einen strategischen Upgrade-Pfad, wenn die thermischen Margen knapp sind, die Zuverlässigkeit im Vordergrund steht oder die Brüchigkeit des Substrats ein Risiko darstellt. Durch ein Umdenken beim Substrat hat Bourns ein grundlegendes passives Bauteil in einen haltbareren, thermisch belastbaren und anpassungsfähigen Baustein für moderne Elektronik verwandelt.

Ressourcen

1. Anwendungshinweis: Effektive Lösung für die Überwachung, den Schutz und die Energieübertragung für Brennstoffzellen-Fahrzeuge