必須了解的薄膜電阻技術(shù)的3大進(jìn)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(shù)已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路,作為替代線繞和復(fù)合材料的替代方法。金屬氧化物是在1950年代出現(xiàn)的,它是一種更穩(wěn)定的膜,并被廣泛應(yīng)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(shù)都以新興的SMD芯片格式采用。這一點(diǎn)在三十多年前就已實(shí)現(xiàn),并在當(dāng)今的薄膜電阻器產(chǎn)品中得到了很大的體現(xiàn)。但是,認(rèn)為薄膜電阻器的沒有任何變化是錯(cuò)誤的。

本文確定了持續(xù)發(fā)展的三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素,并概述了正在做出的一些響應(yīng)。首要的驅(qū)動(dòng)因素是減少環(huán)境影響,當(dāng)務(wù)之急是通過立法法規(guī)和間接的消費(fèi)者壓力。此后,安全操作區(qū)域的持續(xù)擴(kuò)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(yīng)用開發(fā)的技術(shù)過渡,可以滿足在工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中對(duì)更高水平的穩(wěn)定性和可靠性的不斷增長(zhǎng)的需求。

確定了對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素的兩個(gè)響應(yīng)。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(zhì)。在厚膜電阻器領(lǐng)域,這可以從用于配制膜材料的玻璃中去除氧化鉛中看出。考慮在何種程度上減少了對(duì)相關(guān)RoHS豁免的持續(xù)更新的依賴。

對(duì)于第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器,復(fù)查了定義電阻器安全工作區(qū)域的三個(gè)電氣額定值。連續(xù)額定功率,限制元件電壓和脈沖能量限制。每個(gè)都已定義,并通過實(shí)際示例介紹了中度和極端過載的結(jié)果和故障機(jī)理。討論了這三個(gè)額定值對(duì)電阻元件的材料,尺寸和幾何形狀的依賴性,并參考了將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為SMD格式并*小化占位面積的持續(xù)趨勢(shì)。然后給出了相對(duì)于這些額定值的商用厚膜貼片電阻器的當(dāng)前狀態(tài),并討論了多組件解決方案及其隱性成本。然后介紹現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù),從而可以擴(kuò)展三個(gè)等級(jí)。

與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的終驅(qū)動(dòng)力正在促使氮化鉭技術(shù)從其高可靠性起源發(fā)展成為精密電阻器應(yīng)用的主流。將檢查與替代材料有關(guān)的差異以及高度加速的壽命測(cè)試所表明的性能優(yōu)勢(shì)。

盡管與半導(dǎo)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(shù)的發(fā)展在21世紀(jì)仍在繼續(xù)。

必須了解的薄膜電阻技術(shù)的3大進(jìn)步

驅(qū)動(dòng)程序1:減輕環(huán)境影響

小型化

在給定的加工條件下,零件制造對(duì)環(huán)境的影響很大程度上取決于每件物品消耗的材料質(zhì)量。如表1所示,這種情況已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的下降趨勢(shì),并且在可預(yù)見的將來還將持續(xù)下去。從廣義上講,我們看到的流行率較高的組件數(shù)量大約每十年減少一半,這表明該比率呈下降趨勢(shì)。與摩爾定律正受到嚴(yán)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(yùn)行中產(chǎn)生熱量的先天要求以及設(shè)計(jì)人員要求的額定功率所限制。當(dāng)電阻器的額定值下降至單毫瓦范圍時(shí),這很有可能將小型化帶入一個(gè)虛擬的停滯點(diǎn),盡管比晶體管預(yù)期的停止更緩慢。此外,應(yīng)該注意的是,較大的舊尺寸永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí)。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(duì)于1206的典型質(zhì)量 100% 52% 20% 6.0% 1.6% 0.78%

每克電阻的典型數(shù)量 111 214 555 1,850 6,940 14,230

有害物質(zhì)

鉛(Pb)長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是嚴(yán)重的環(huán)境危害。它對(duì)人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作具有有害影響,當(dāng)兒童接觸該系統(tǒng)時(shí),這種影響尤其嚴(yán)重。根據(jù)1960年代進(jìn)行的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),在1970年代和1980年代逐步淘汰了石油,油漆和其他家用產(chǎn)品中的鉛,并且進(jìn)一步的立法措施逐步將其從我們?nèi)粘I畹拇蟛糠址矫娓?/p>

有害物質(zhì)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(duì)生態(tài)沒有嚴(yán)重影響的替代品代替。該法規(guī)于2006年生效,盡管大多數(shù)供應(yīng)商在實(shí)施前已經(jīng)遵守了該法規(guī)。值得一提的是,RoHS指令有某些例外情況-在實(shí)施時(shí),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(qū)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(huán)境更加穩(wěn)定,因此對(duì)眼前的威脅較小,但仍有這些有毒重金屬化合物隨時(shí)間推移進(jìn)入周圍環(huán)境,并從填埋場(chǎng)滲入地下水的風(fēng)險(xiǎn)。由于越來越多的人擔(dān)心現(xiàn)在會(huì)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(xiàn)有豁免的范圍,并使法規(guī)更加嚴(yán)格。

對(duì)于OEM而言,重要的是要意識(shí)到當(dāng)前實(shí)行的RoHS豁免必須接受定期審查。因此,存在已經(jīng)被指定為電子設(shè)計(jì)中的組件不再在豁免范圍內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。顯然,這對(duì)于沒有做好充分準(zhǔn)備的OEM可能會(huì)帶來嚴(yán)重且極其昂貴的影響,并且這現(xiàn)在導(dǎo)致某些OEM采取先發(fā)制人的行動(dòng)。

有關(guān)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(jìn)行,在此審核過程中,厚膜電阻器中可能包含氧化鉛。受到嚴(yán)格審查。OEM要求使用組件,以便在做出RoHS免除更改時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行過時(shí)的驗(yàn)證。因此,當(dāng)期限迫在眉睫時(shí),他們將不必?fù)?dān)心會(huì)分配額外的時(shí)間和工程資源來進(jìn)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(huì)帶來相關(guān)的電性能損失1。該領(lǐng)域的研究實(shí)際上早于初的RoHS實(shí)施,但到2000年代中期,已開始生產(chǎn)適用于商用電阻器的材料。標(biāo)準(zhǔn)芯片電阻器的綠色版本已經(jīng)可用了幾年,并且在技術(shù)要求較低的情況下也可以接受。但是,這些尚未接近達(dá)到解決高端應(yīng)用程序所需的基準(zhǔn)。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(fā)生變化。這能夠匹配由常規(guī)材料制成的相似零件的額定值,但尚不能完*在整個(gè)歐姆值范圍或相同的溫度系數(shù)下。

TT Electronics的綠色高壓芯片(GHVC)于2018年末推出,目標(biāo)是混合動(dòng)力汽車(HEV),工業(yè)自動(dòng)化,臨床醫(yī)療和家庭醫(yī)療保健應(yīng)用,它們將在高壓感應(yīng)或電路保護(hù)功能中發(fā)揮作用。盡管在所有形式的電子設(shè)計(jì)中都非常重要,但面向未來的方面在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂刑厥鈨r(jià)值,因?yàn)槭褂镁G色組件不僅意味著可以避免重新設(shè)計(jì),而且可以避免繁瑣的重新認(rèn)證程序。

早期的經(jīng)驗(yàn)表明,通過使用更的材料并實(shí)施新的制造工藝,但不必在設(shè)備升級(jí)上花費(fèi)任何大筆資金,向完*無鉛戰(zhàn)略的遷移并不能代表生產(chǎn)成本的大幅增加。因此,價(jià)格點(diǎn)實(shí)際上與含氧化鉛的產(chǎn)品相同。初,人們平均預(yù)期GHVC的價(jià)格會(huì)上漲20%左右-盡管隨著銷量需求的增加和規(guī)模經(jīng)濟(jì)的開始,預(yù)計(jì)價(jià)格會(huì)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(shù),該系數(shù)可以高達(dá)傳統(tǒng)材料的兩倍,并提高對(duì)高溫瞬時(shí)溫度事件的穩(wěn)定性,這將使高浪涌能量產(chǎn)品的過渡成為可能。

驅(qū)動(dòng)程序2:擴(kuò)展SOA

介紹

自從1970年代問世以來,厚膜片式電阻器的設(shè)計(jì)幾乎沒有改變。從專業(yè)開始,它們已成為所有產(chǎn)品領(lǐng)域小信號(hào)應(yīng)用中的主要電阻元件。但是,緊湊型結(jié)構(gòu)支撐了它們的流行,也對(duì)它們的電氣額定值施加了嚴(yán)格的限制。這部分是因?yàn)閷?duì)于電阻器而言,通孔格式?jīng)]有完*消失的原因。

但是,持續(xù)開發(fā)和部署SMD處理技術(shù)給元件制造商帶來了壓力,要求它們將盡可能多的范圍轉(zhuǎn)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(chuàng)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(shù),一直處于該領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)的前沿。

驅(qū)動(dòng)程序3:提高穩(wěn)定性和可靠性

薄膜技術(shù)

如今,絕大多數(shù)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(xiàng)技術(shù)是TT Electronics IRC在1950年代開發(fā)的,如今已被廣泛使用。Bell Labs在1960年代開發(fā)了第二種方法。它使用氮化鉭(TaN),其*大優(yōu)勢(shì)是完*不易受潮,因此成為可靠性的應(yīng)用的優(yōu)選技術(shù)。

NiCr薄膜具有固有的缺點(diǎn),即當(dāng)水分與薄膜接觸并施加電壓時(shí),它們會(huì)在幾秒鐘內(nèi)分解。TaN能夠經(jīng)受住這種結(jié)合,因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的保護(hù)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(zhì),并使得鉭幾乎不受化學(xué)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(jī)械穩(wěn)定的氧化物,可防止像鐵中的銹蝕那樣進(jìn)行性氧化。但是,由于常規(guī)TaN工藝的成本相對(duì)較高,到目前為止,它僅被部署在高可靠性應(yīng)用中,例如軍事和航空航天,高端計(jì)算機(jī)服務(wù)器和某些關(guān)鍵醫(yī)療產(chǎn)品。

TaN電阻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhǎng)過程之后的典型薄膜結(jié)構(gòu)。通常在電阻器元件上添加印刷的環(huán)氧樹脂層(未顯示),這可以提供機(jī)械保護(hù)和絕緣,但重要的是,它不依賴于耐濕性。

結(jié)論

按照更廣泛的電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),薄膜電阻器技術(shù)的使用壽命很長(zhǎng)。從20世紀(jì)30年代起源它仍在不斷發(fā)展,以滿足21日世紀(jì)的挑戰(zhàn)。特別是它正在適應(yīng)滿足減輕短壽命電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響的需求。此外,它仍在推翻安全工作區(qū)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(shè)計(jì)的需求。后,對(duì)高可靠性薄膜的重新設(shè)計(jì)使其能夠擴(kuò)展到新的市場(chǎng)領(lǐng)域。

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