必须了解的薄膜电阻技术的3大进步

 自从八十多年前首次提供金属化玻璃和破裂的碳膜以来,薄膜电阻器技术已经走了很长一段路,作为替代线绕和复合材料的替代方法。金属氧化物是在1950年代出现的,它是一种更稳定的膜,并被广泛应用,直到将其研磨成用于精密的金属膜(金属膜电阻)和用于高功率用途的厚膜(大功率贴片电阻)为止。然后,这两种技术都以新兴的SMD芯片格式采用。这一点在三十多年前就已实现,并在当今的薄膜电阻器产品中得到了很大的体现。但是,认为薄膜电阻器的没有任何变化是错误的。

本文确定了持续发展的三个驱动因素,并概述了正在做出的一些响应。首要的驱动因素是减少环境影响,当务之急是通过立法法规和间接的消费者压力。此后,安全操作区域的持续扩展,推回了限制模拟电路小型化的电气额定值极*。后,通过为太空和军事应用开发的技术过渡,可以满足在工业和工业应用中对更高水平的稳定性和可靠性的不断增长的需求。

确定了对环境驱动因素的两个响应。首先是减少了小型化所反映的整体材料使用量,其次是消除了有害物质。在厚膜电阻器领域,这可以从用于配制膜材料的玻璃中去除氧化铅中看出。考虑在何种程度上减少了对相关RoHS豁免的持续更新的依赖。

对于第二个驱动器,复查了定义电阻器安全工作区域的三个电气额定值。连续额定功率,限制元件电压和脉冲能量限制。每个都已定义,并通过实际示例介绍了中度和极端过载的结果和故障机理。讨论了这三个额定值对电阻元件的材料,尺寸和几何形状的依赖性,并参考了将设计转换为SMD格式并*小化占位面积的持续趋势。然后给出了相对于这些额定值的商用厚膜贴片电阻器的当前状态,并讨论了多组件解决方案及其隐性成本。然后介绍现有技术和新技术,从而可以扩展三个等级。

与稳定性和可靠性有关的终驱动力正在促使氮化钽技术从其高可靠性起源发展成为精密电阻器应用的主流。将检查与替代材料有关的差异以及高度加速的寿命测试所表明的性能优势。

尽管与半导体甚至其他无源元件相比,变化的速度似乎很慢,但薄膜电阻器技术的发展在21世纪仍在继续。

必须了解的薄膜电阻技术的3大进步

驱动程序1:减轻环境影响

小型化

在给定的加工条件下,零件制造对环境的影响很大程度上取决于每件物品消耗的材料质量。如表1所示,这种情况已经经历了长期的下降趋势,并且在可预见的将来还将持续下去。从广义上讲,我们看到的流行率较高的组件数量大约每十年减少一半,这表明该比率呈下降趋势。与摩尔定律正受到严格​​的加工限制所限制的不同,片式电阻器的按比例缩小始终受运行中产生热量的先天要求以及设计人员要求的额定功率所限制。当电阻器的额定值下降至单毫瓦范围时,这很有可能将小型化带入一个虚拟的停滞点,尽管比晶体管预期的停止更缓慢。此外,应该注意的是,较大的旧尺寸永远不会过时。即使比例很低,即使是1980年代的2512尺寸的贴片电阻器都可以正常使用。

尺码 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%

相对于1206的典型质量 100% 52% 20% 6.0% 1.6% 0.78%

每克电阻的典型数量 111 214 555 1,850 6,940 14,230

有害物质

铅(Pb)长期以来被认为是严重的环境危害。它对人类中枢神经系统的运作具有有害影响,当儿童接触该系统时,这种影响尤其严重。根据1960年代进行的科学研究发现,在1970年代和1980年代逐步淘汰了石油,油漆和其他家用产品中的铅,并且进一步的立法措施逐步将其从我们日常生活的大部分方面根除。

有害物质限制指令2002/95 / EC(RoHS)的立法旨在从电子组件中去除金属铅,以及汞和镉等其他有害成分,并用对生态没有严重影响的替代品代替。该法规于2006年生效,尽管大多数供应商在实施前已经遵守了该法规。值得一提的是,RoHS指令有某些例外情况-在实施时,找不到可行的替代品。

在厚膜电阻器中,可以证明需要豁免的区域之一,直到今天,仍允许将氧化铅化合物掺入其玻璃元件中。尽管环境更加稳定,因此对眼前的威胁较小,但仍有这些有毒重金属化合物随时间推移进入周围环境,并从填埋场渗入地下水的风险。由于越来越多的人担心现在会收集大量电子废物,因此,目前正面临着新的压力,要求缩小现有豁免的范围,并使法规更加严格。

对于OEM而言,重要的是要意识到当前实行的RoHS豁免必须接受定期审查。因此,存在已经被指定为电子设计中的组件不再在豁免范围内的潜在风险。显然,这对于没有做好充分准备的OEM可能会带来严重且极其昂贵的影响,并且这现在导致某些OEM采取先发制人的行动。

有关RoHS豁免7(c)-I“玻璃或陶瓷材料中包含铅的电气和电子组件”的下一次审核定于2021年进行,在此审核过程中,厚膜电阻器中可能包含氧化铅。受到严格审查。OEM要求使用组件,以便在做出RoHS免除更改时可以对系统设计进行过时的验证。因此,当期限迫在眉睫时,他们将不必担心会分配额外的时间和工程资源来进一步修改。

从玻璃中去除厚膜材料中的铅氧化物并不容易,而且这样做常常会带来相关的电性能损失1。该领域的研究实际上早于初的RoHS实施,但到2000年代中期,已开始生产适用于商用电阻器的材料。标准芯片电阻器的绿色版本已经可用了几年,并且在技术要求较低的情况下也可以接受。但是,这些尚未接近达到解决高端应用程序所需的基准。近,随着一家提供由“绿色”厚膜材料制成的高压片式电阻器的制造商,这种情况开始发生变化。这能够匹配由常规材料制成的相似零件的额定值,但尚不能完*在整个欧姆值范围或相同的温度系数下。

TT Electronics的绿色高压芯片(GHVC)于2018年末推出,目标是混合动力汽车(HEV),工业自动化,临床医疗和家庭医疗保健应用,它们将在高压感应或电路保护功能中发挥作用。尽管在所有形式的电子设计中都非常重要,但面向未来的方面在医学领域将具有特殊价值,因为使用绿色组件不仅意味着可以避免重新设计,而且可以避免繁琐的重新认证程序。

早期的经验表明,通过使用更的材料并实施新的制造工艺,但不必在设备升级上花费任何大笔资金,向完*无铅战略的迁移并不能代表生产成本的大幅增加。因此,价格点实际上与含氧化铅的产品相同。初,人们平均预期GHVC的价格会上涨20%左右-尽管随着销量需求的增加和规模经济的开始,预计价格会下降。

在将RoHS豁免7(c)-I视为完*多余之前,绿色厚膜材料需要克服一些困难。其中包括降低温度系数,该系数可以高达传统材料的两倍,并提高对高温瞬时温度事件的稳定性,这将使高浪涌能量产品的过渡成为可能。

驱动程序2:扩展SOA

介绍

自从1970年代问世以来,厚膜片式电阻器的设计几乎没有改变。从专业开始,它们已成为所有产品领域小信号应用中的主要电阻元件。但是,紧凑型结构支撑了它们的流行,也对它们的电气额定值施加了严格的限制。这部分是因为对于电阻器而言,通孔格式没有完*消失的原因。

但是,持续开发和部署SMD处理技术给元件制造商带来了压力,要求它们将尽可能多的范围转换为几乎无处不在的芯片格式。尽管此过程总是存在局限性,但近年来,创新的芯片解决方案将其推向了极*。TT Electronics自1960年代就开始涉足厚膜技术,一直处于该领域产品开发的前沿。

驱动程序3:提高稳定性和可靠性

薄膜技术

如今,绝大多数薄膜贴片电阻器将溅射的镍铬合金薄膜(NiCr)用于电阻元件。这项技术是TT Electronics IRC在1950年代开发的,如今已被广泛使用。Bell Labs在1960年代开发了第二种方法。它使用氮化钽(TaN),其*大优势是完*不易受潮,因此成为可靠性的应用的优选技术。

NiCr薄膜具有固有的缺点,即当水分与薄膜接触并施加电压时,它们会在几秒钟内分解。TaN能够经受住这种结合,因为它会产生稳定的保护性氧化层。它是自我钝化的。该层中的材料是五氧化钽,它用作钽电容器中的电介质,并使得钽几乎不受化学腐蚀的影响。这类似于铝的更熟悉的行为,铝形成了一种薄的,机械稳定的氧化物,可防止像铁中的锈蚀那样进行性氧化。但是,由于常规TaN工艺的成本相对较高,到目前为止,它仅被部署在高可靠性应用中,例如军事和航空航天,高端计算机服务器和某些关键医疗产品。

TaN电阻器的内部结构如图13和14所示。它们分别显示了通过溅射沉积后和氧化物生长过程之后的典型薄膜结构。通常在电阻器元件上添加印刷的环氧树脂层(未显示),这可以提供机械保护和绝缘,但重要的是,它不依赖于耐湿性。

结论

按照更广泛的电子行业的标准,薄膜电阻器技术的使用寿命很长。从20世纪30年代起源它仍在不断发展,以满足21日世纪的挑战。特别是它正在适应满足减轻短寿命电子产品对环境影响的需求。此外,它仍在推翻安全工作区域的限制,以满足高压(高压贴片电阻)或耐浪涌(抗浪涌贴片电阻)紧凑型设计的需求。后,对高可靠性薄膜的重新设计使其能够扩展到新的市场领域。

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