必須了解的薄膜電阻技術的3大進步

 自從八十多年前首次提供金屬化玻璃和破裂的碳膜以來,薄膜電阻器技術已經走了很長一段路,作為替代線繞和復合材料的替代方法。金屬氧化物是在1950年代出現的,它是一種更穩定的膜,并被廣泛應用,直到將其研磨成用于精密的金屬膜(金屬膜電阻)和用于高功率用途的厚膜(大功率貼片電阻)為止。然后,這兩種技術都以新興的SMD芯片格式采用。這一點在三十多年前就已實現,并在當今的薄膜電阻器產品中得到了很大的體現。但是,認為薄膜電阻器的沒有任何變化是錯誤的。

本文確定了持續發展的三個驅動因素,并概述了正在做出的一些響應。首要的驅動因素是減少環境影響,當務之急是通過立法法規和間接的消費者壓力。此后,安全操作區域的持續擴展,推回了限制模擬電路小型化的電氣額定值極*。后,通過為太空和軍事應用開發的技術過渡,可以滿足在工業和工業應用中對更高水平的穩定性和可靠性的不斷增長的需求。

確定了對環境驅動因素的兩個響應。首先是減少了小型化所反映的整體材料使用量,其次是消除了有害物質。在厚膜電阻器領域,這可以從用于配制膜材料的玻璃中去除氧化鉛中看出??紤]在何種程度上減少了對相關RoHS豁免的持續更新的依賴。

對于第二個驅動器,復查了定義電阻器安全工作區域的三個電氣額定值。連續額定功率,限制元件電壓和脈沖能量限制。每個都已定義,并通過實際示例介紹了中度和極端過載的結果和故障機理。討論了這三個額定值對電阻元件的材料,尺寸和幾何形狀的依賴性,并參考了將設計轉換為SMD格式并*小化占位面積的持續趨勢。然后給出了相對于這些額定值的商用厚膜貼片電阻器的當前狀態,并討論了多組件解決方案及其隱性成本。然后介紹現有技術和新技術,從而可以擴展三個等級。

與穩定性和可靠性有關的終驅動力正在促使氮化鉭技術從其高可靠性起源發展成為精密電阻器應用的主流。將檢查與替代材料有關的差異以及高度加速的壽命測試所表明的性能優勢。

盡管與半導體甚至其他無源元件相比,變化的速度似乎很慢,但薄膜電阻器技術的發展在21世紀仍在繼續。

必須了解的薄膜電阻技術的3大進步

驅動程序1:減輕環境影響

小型化

在給定的加工條件下,零件制造對環境的影響很大程度上取決于每件物品消耗的材料質量。如表1所示,這種情況已經經歷了長期的下降趨勢,并且在可預見的將來還將持續下去。從廣義上講,我們看到的流行率較高的組件數量大約每十年減少一半,這表明該比率呈下降趨勢。與摩爾定律正受到嚴格??的加工限制所限制的不同,片式電阻器的按比例縮小始終受運行中產生熱量的先天要求以及設計人員要求的額定功率所限制。當電阻器的額定值下降至單毫瓦范圍時,這很有可能將小型化帶入一個虛擬的停滯點,盡管比晶體管預期的停止更緩慢。此外,應該注意的是,較大的舊尺寸永遠不會過時。即使比例很低,即使是1980年代的2512尺寸的貼片電阻器都可以正常使用。

尺碼 1206 0805 0603 0402 0201 01005 其他

峰值比例使用年份 1990年代中期 1990年代后期 2000 2010年 2024年1 2035年1

2019比例用法 4% 7% 17% 33% 28% 9% 2%

相對于1206的典型質量 100% 52% 20% 6.0% 1.6% 0.78%

每克電阻的典型數量 111 214 555 1,850 6,940 14,230

有害物質

鉛(Pb)長期以來被認為是嚴重的環境危害。它對人類中樞神經系統的運作具有有害影響,當兒童接觸該系統時,這種影響尤其嚴重。根據1960年代進行的科學研究發現,在1970年代和1980年代逐步淘汰了石油,油漆和其他家用產品中的鉛,并且進一步的立法措施逐步將其從我們日常生活的大部分方面根除。

有害物質限制指令2002/95 / EC(RoHS)的立法旨在從電子組件中去除金屬鉛,以及汞和鎘等其他有害成分,并用對生態沒有嚴重影響的替代品代替。該法規于2006年生效,盡管大多數供應商在實施前已經遵守了該法規。值得一提的是,RoHS指令有某些例外情況-在實施時,找不到可行的替代品。

在厚膜電阻器中,可以證明需要豁免的區域之一,直到今天,仍允許將氧化鉛化合物摻入其玻璃元件中。盡管環境更加穩定,因此對眼前的威脅較小,但仍有這些有毒重金屬化合物隨時間推移進入周圍環境,并從填埋場滲入地下水的風險。由于越來越多的人擔心現在會收集大量電子廢物,因此,目前正面臨著新的壓力,要求縮小現有豁免的范圍,并使法規更加嚴格。

對于OEM而言,重要的是要意識到當前實行的RoHS豁免必須接受定期審查。因此,存在已經被指定為電子設計中的組件不再在豁免范圍內的潛在風險。顯然,這對于沒有做好充分準備的OEM可能會帶來嚴重且極其昂貴的影響,并且這現在導致某些OEM采取先發制人的行動。

有關RoHS豁免7(c)-I“玻璃或陶瓷材料中包含鉛的電氣和電子組件”的下一次審核定于2021年進行,在此審核過程中,厚膜電阻器中可能包含氧化鉛。受到嚴格審查。OEM要求使用組件,以便在做出RoHS免除更改時可以對系統設計進行過時的驗證。因此,當期限迫在眉睫時,他們將不必擔心會分配額外的時間和工程資源來進一步修改。

從玻璃中去除厚膜材料中的鉛氧化物并不容易,而且這樣做常常會帶來相關的電性能損失1。該領域的研究實際上早于初的RoHS實施,但到2000年代中期,已開始生產適用于商用電阻器的材料。標準芯片電阻器的綠色版本已經可用了幾年,并且在技術要求較低的情況下也可以接受。但是,這些尚未接近達到解決高端應用程序所需的基準。近,隨著一家提供由“綠色”厚膜材料制成的高壓片式電阻器的制造商,這種情況開始發生變化。這能夠匹配由常規材料制成的相似零件的額定值,但尚不能完*在整個歐姆值范圍或相同的溫度系數下。

TT Electronics的綠色高壓芯片(GHVC)于2018年末推出,目標是混合動力汽車(HEV),工業自動化,臨床醫療和家庭醫療保健應用,它們將在高壓感應或電路保護功能中發揮作用。盡管在所有形式的電子設計中都非常重要,但面向未來的方面在醫學領域將具有特殊價值,因為使用綠色組件不僅意味著可以避免重新設計,而且可以避免繁瑣的重新認證程序。

早期的經驗表明,通過使用更的材料并實施新的制造工藝,但不必在設備升級上花費任何大筆資金,向完*無鉛戰略的遷移并不能代表生產成本的大幅增加。因此,價格點實際上與含氧化鉛的產品相同。初,人們平均預期GHVC的價格會上漲20%左右-盡管隨著銷量需求的增加和規模經濟的開始,預計價格會下降。

在將RoHS豁免7(c)-I視為完*多余之前,綠色厚膜材料需要克服一些困難。其中包括降低溫度系數,該系數可以高達傳統材料的兩倍,并提高對高溫瞬時溫度事件的穩定性,這將使高浪涌能量產品的過渡成為可能。

驅動程序2:擴展SOA

介紹

自從1970年代問世以來,厚膜片式電阻器的設計幾乎沒有改變。從專業開始,它們已成為所有產品領域小信號應用中的主要電阻元件。但是,緊湊型結構支撐了它們的流行,也對它們的電氣額定值施加了嚴格的限制。這部分是因為對于電阻器而言,通孔格式沒有完*消失的原因。

但是,持續開發和部署SMD處理技術給元件制造商帶來了壓力,要求它們將盡可能多的范圍轉換為幾乎無處不在的芯片格式。盡管此過程總是存在局限性,但近年來,創新的芯片解決方案將其推向了極*。TT Electronics自1960年代就開始涉足厚膜技術,一直處于該領域產品開發的前沿。

驅動程序3:提高穩定性和可靠性

薄膜技術

如今,絕大多數薄膜貼片電阻器將濺射的鎳鉻合金薄膜(NiCr)用于電阻元件。這項技術是TT Electronics IRC在1950年代開發的,如今已被廣泛使用。Bell Labs在1960年代開發了第二種方法。它使用氮化鉭(TaN),其*大優勢是完*不易受潮,因此成為可靠性的應用的優選技術。

NiCr薄膜具有固有的缺點,即當水分與薄膜接觸并施加電壓時,它們會在幾秒鐘內分解。TaN能夠經受住這種結合,因為它會產生穩定的保護性氧化層。它是自我鈍化的。該層中的材料是五氧化鉭,它用作鉭電容器中的電介質,并使得鉭幾乎不受化學腐蝕的影響。這類似于鋁的更熟悉的行為,鋁形成了一種薄的,機械穩定的氧化物,可防止像鐵中的銹蝕那樣進行性氧化。但是,由于常規TaN工藝的成本相對較高,到目前為止,它僅被部署在高可靠性應用中,例如軍事和航空航天,高端計算機服務器和某些關鍵醫療產品。

TaN電阻器的內部結構如圖13和14所示。它們分別顯示了通過濺射沉積后和氧化物生長過程之后的典型薄膜結構。通常在電阻器元件上添加印刷的環氧樹脂層(未顯示),這可以提供機械保護和絕緣,但重要的是,它不依賴于耐濕性。

結論

按照更廣泛的電子行業的標準,薄膜電阻器技術的使用壽命很長。從20世紀30年代起源它仍在不斷發展,以滿足21日世紀的挑戰。特別是它正在適應滿足減輕短壽命電子產品對環境影響的需求。此外,它仍在推翻安全工作區域的限制,以滿足高壓(高壓貼片電阻)或耐浪涌(抗浪涌貼片電阻)緊湊型設計的需求。后,對高可靠性薄膜的重新設計使其能夠擴展到新的市場領域。

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