Val av tunnfilmsresistorer för fordons- och industritillämpningar

Elektroniska tillämpningar inom fordons, industri och telekommunikation kräver noggranna komponenter som tål tuffa miljöer, inklusive hög luftfuktighet och frätande atmosfärer. Passiva komponenter är grundläggande för att dessa avancerade konstruktioner ska bli framgångsrika och kräver ständig innovation för att garantera tillförlitlig prestanda.

Kretsresistorer av metallfilm måste exempelvis konstrueras och testas för att garantera noggrannhet, stabilitet och tillförlitlighet i krävande miljöer. En viktig fråga som påverkar konstruktionen av kretsresistorer för fordons- och industrimarknader är deras långsiktiga tillförlitlighet i närvaro av svavelföreningar. Dessa miljöer, där oljor, smörjmedel, bränsle och andra svavelrika ämnen förekommer, kan försämra kretsresistorernas kontaktpunkter och tillförlitlighet.

Artikeln går igenom de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de väljer resistorer för tuffa fordons- och industrimiljöer. Därefter presenteras två familjer av svavel- och fuktbeständiga ytmonterade resistorer från YAGEO och hur dessa kan användas för att klara av utmaningarna i dessa tillämpningar.

Kretsresistorers egenskaper

Kretsresistorer är en viktig komponent i modern elektronik, bland annat i fordons-, industri- och telekommunikationsutrustning. Den lilla storleken, noggrannheten, stabiliteten och tillförlitligheten perfekt i kretsar med hög täthet. De finns i ett stort antal olika resistanser, toleranser, temperaturresistanskoefficienter (TCR) och märkeffekter. Två familjer av kretsresistorer från YAGEO är serierna AT och RP. Båda serierna är klassificerade för fordonstillämpningar med godkännande enligt AEC-Q200; denna specifikation testar passiva elektroniska komponenter gällande temperatur, fuktighet, beständighet mot värme vid lödning, termisk chock och tolerans för kortflexibilitet. Tester sker även för låg fuktkänslighet och svavelbeständighet.

Viktiga elektriska specifikationer

Serierna AT och RP med ytmonterade resistorer (SMD) finns i fyra ytmonterade standardförpackningar: 0402, 0603, 0805 och 1206. Sifferkoden för respektive förpackning innehåller enhetens nominella längd och bredd i tum (tabell 1).

Tabell 1: Här visas mått och märkeffekter för de fyra kapslingsstorlekarna för kretsresistorerna i serien RP och AT. (Källa för tabell: Art Pini)

Märkeffekterna är direkt relaterade till kapslingsvolymen och ligger mellan 1/16 och 1/4 W.

Kapslingsstorlekarna har varierande värden för resistans, resistiv tolerans, TCR och märkspänning. Specifikationer för resistorer i serien AT sammanfattas i tabell 2.

Tabell 2: Här visas de elektriska egenskaperna för resistorerna i AT-serien. (Källa för tabellen: YAGEO)

Tabellen visar det tillgängliga intervallet med resistorvärden, TCR och tolerans för respektive kapslingsstorlek.

Specifikationerna för serien RP sammanfattas på samma sätt i tabell 3.

Tabell 3: Här visas de elektriska egenskaperna för resistorerna i RP-serien. (Källa för tabellen: YAGEO)

Komponenterna i respektive produktserie väljs baserat på kapslingsstorlek, TCR, resistanstolerans och resistans. De tillgängliga resistansvärdena varierar med de övriga specifikationerna.

TCR-värden för RP-serien finns i steg om ±50, ±25, ±15 och ±10 ppm/°C. AT-serien har ytterligare lägre TCR på ±5 ppm/°C.

Observera att de tillgängliga resistansvärdena för enheter i RP-serien är större eller lika stora som för AT-resistorerna i respektive TCR-steg.

Båda serierna har toleransvärden på 0,1 %, 0,25 %, 0,5 % och 1 %, som är de vanligaste resistanstoleranserna. Serien AT har dock ytterligare tre toleransområden: 0,05 %, 0,02 % och 0,01 %. Dessa noggranna toleranser krävs inte lika ofta och de resistansvärden som erbjuds har ett mer begränsat intervall.

Jämförelse av resistorer i serien AT och RP

AT0402FRE0710KL från YAGEO är en resistor i AT-serien på 10 kΩ, 1/16 W med en TCR på ±50 ppm/°C i en 0402-kapsling. Motsvarigheten i RP-serien heter RP0402FRE0710KL och har samma specifikationer. Skillnaden mellan produkterna är att RP-serien har resistansvärden på 10 Ω till 240 kΩ i detta TCR-område jämfört med AT-seriens område från 10 Ω till 100 kΩ. RP-serien har detta resistansområde för alla TCR-värden, medan AT-serien minskar området för TCR-värden på ±10 ppm/°C och ±5 ppm/°C.

AT0603DRE0710KL är en resistor i AT-serien på 10 kΩ, 1/10 W i 0603-kapsling. Dess TCR är ±50 ppm/°C. RP0603DRD0710KL är en resistor i serien RP 0603 med samma nominella specifikationer förutom TCR, som är ±25 ppm/°C. De tillgängliga resistanserna i serien RP sträcker sig från 10 Ω till 910 kΩ. Resistorer i AT-serien har värden som sträcker sig från 10 Ω till 330 kΩ för de två högsta TCR-specifikationerna och ett mycket mer begränsat intervall för resistorerna med lägre TCR.

AT0805BRD0710KL i AT-serien, finns i en 0805-kapsling och är en resistor på 10 kΩ, 1/8 W med en TCR på ±25 ppm/°C. Motsvarande enhet i RP-serien, RP0805BRD0710KL, har samma resistans, tolerans och TCR. Även här har RP-serien ett större resistansområde i hela TCR-intervallet, medan resistorer i AT-serien har ett mer begränsat intervall för de tre resistorerna med lägre TCR.

AT1206BRD0710KL är en resistor på 10 kΩ, 1/4 W med en 1206-kapsling. Dess motsvarighet i RP-serien är RP1206BRD0710KL med identiska specifikationer.

Baserat på de elektriska specifikationerna är de här resistorfamiljerna likartade och kan passa i många tillämpningar. RP-serien har ett större utbud av resistansvärden, vilket gör den mer användbar. AT-serien har snävare toleranser för vissa resistansvärden och ett lägre TCR-område, och båda dessa egenskaper kan användas i tillämpningar som kräver större precision och noggrannhet. Båda serierna arbetar i ett temperaturområde från -55 °C till +155 °C vid sina nominella effektnivåer. Observera att märkeffekten måste minskas om omgivningstemperaturen överstiger +70 °C (figur 1).

Bild 1: Effektreduktionskurvan för båda serierna kräver minskad effekt vid temperaturer över 70 °C. (Bildkälla: YAGEO)

Miljösäkerhet och skydd

Båda produktfamiljerna AT och RP är godkända för användning i fordon och industrimiljöer. De epoxiämnen som används vid tillverkningen är halogenfria. De är dessutom blyfria och uppfyller RoHS-specifikationerna. Resistorerna minskar även produktionen av miljöfarligt avfall genom användning av material som inte är förbjudna.

Båda resistorsortimenten har låg känslighet för fukt och frätande gaser som är vanliga i fordon och industriella miljöer. En aspekt av fuktbeständigheten är fuktkänslighetsnivån (MSL). Detta klassificeringssystem som används av elektronikindustrin identifierar hur länge en komponent kan utsättas för en luftfuktighet på 60 % till 85 % relativ luftfuktighet., vid en temperatur under +29,4 °C innan den absorberat för mycket fukt för att kunna våglödas. Vid våglödning expanderar den instängda fukten snabbt, vilket potentiellt kan skada komponenten och kretskortet. Resistorerna i serien AT och RP är klassificerade för MLS 1, vilket innebär en obegränsad lagringstid vid golvlagring. De är även testade för fuktbeständighet enligt AEC-Q200, och båda serierna har resistansvariationer på mindre än ±(0,1 % + 0,05 Ω) vid exponering för fukt.

Nedsmutsning till följd av exponering för svavelföreningar är ett allt känsligare område för passiva komponenter som kretsresistorer. Olja, smörjmedel, oljebaserade bränslen, gummikomponenter eller ytbehandlingar avger svavelbaserade ångor. Dessa svavelföreningar reagerar med metaller, i synnerhet silver, och kan skada kretsresistorer.

Testet (ASTM-B-809-95, modifierat) för svavelbeständighet innebär att testkomponenter utsätts för en svavelfylld atmosfär som skapas i ett slutet kärl genom tillsats av en uppmätt mängd svavelpulver. Kärlet värms upp till +105 °C och komponenterna exponeras för atmosfären i 750 timmar. De resistorer som testas mäts för att säkerställa att resistansen förändras mindre än en föreskriven gräns. Båda resistansserierna uppvisar överlägsen beständighet mot svavel.

Skillnader mellan resistorer i serien AT och RP

Resistorerna i serien AT och RP har olika konstruktion. Serien AT är en äldre konstruktion som använder ett mer traditionellt tillvägagångssätt för fukt- och svavelbeständighet. Serien RP är en senare konstruktion med nyare konstruktionstekniker och material (figur 2).

Bild 2: En jämförelse av kretsmotståndens konstruktion i AT- och RP-serien visar skillnaderna i hur enheterna skyddas mot fukt och svavel. (Bildkälla: YAGEO)

Båda serierna använder en resistiv metallfilm som är deponerad på ett keramiskt substrat på samma vis som alla kretsresistorer. AT-resistorerna använder koppar som elektrod på ovansidan (C1) för att minska de korrosiva effekterna av svavelångor, eftersom koppar inte reagerar lika starkt på svavel som silver. Det resistiva skiktet och elektroden förseglas med ett epoxiöverdrag. Ändstyckena är tillverkade av förtennat nickel för att garanterar lödbarhet. De tätar och skapar anslutningspunkter till silverelektroden på resistorns undersida.

Baserat på många års erfarenhet av relaterade kretskomponenter lägger RP-enheterna till ett lager silverpolymer (C3) ovanpå den inre elektroden C1 för att förhindra nedsmutsning av svavel. Det medför att de inre elektroderna kan tillverkas av silver. Ett tunt passiveringsskikt utgör en barriär mellan metallfilmen och frätande ämnen. Passivisering är en kemisk process som ytbehandlar det resistiva skiktet för att göra det mindre benäget att korrodera eller påverkas av sin omgivning. Ett epoxiöverdrag avslutar tätningsprocessen.

Serien RP har bättre svavelbeständighet än serien AT till följd av den förbättrade tätningsprocessen. Specifikationen för svaveltest av enheterna i RP-serien har en snävare gräns på ±(2 %) + 0,05 Ω) jämfört med gränserna för AT-serien ±(4 %) + 0,05 Ω). Det innebär en mindre förändring av resistansen till följd av svavelexponering.

Den modernare resistoruppbyggnaden har även förbättrat produktionseffektiviteten, med lägre kostnader och kortare ledtider.

Sammanfattning

System i fordons, industri- och telekommunikationssystem kräver noggranna komponenter som kan arbeta tillförlitligt i tuffa miljöer, inklusive hög luftfuktighet och frätande atmosfärer. Resistorer i serien AT och RP är godkända enligt AEC-Q200 och väl lämpade för dessa tillämpningar. Serien RP har förbättrade toleranser mot fukt och svavel, lägre priser och kortare ledtider. Serien AT har selektiva resistorvärden med lägre toleranser på ±0,01 %, ±0,02 % och ±0,05 %.