CC BY
281
Недорезов В.Г.
МЕТАЛЛОФОЛЬГОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ И НАБОРЫ РЕЗИСТОРОВ
Технический уровень и основные тенденции развития производства резисторов и резисторных компонентов, в первую очередь, определяются изделиями, имеющими уникальные параметры по временной и температурной стабильности сопротивления, по величине токовых шумов, по точности обеспечения номинального сопротивления и т.д. Такими уникальными характеристиками обладают прецизионные и суперпрецизи-онные резисторы, изготавливаемые из резистивных сплавов в виде микропровода, микропроволоки и металлургической фольги микронных размеров.
Вполне очевидно, что прогресс в проектировании и изготовлении прецизионных и суперпрецизионных резисторов является особо важным, т.к. он определяет научно-технический прогресс в смежных областях, использующих эти изделия, и способствует созданию радиоэлектронной аппаратуры, приборов и комплексов, отличающихся высокой точностью, стабильностью, надежностью и качеством.
К изделиям, разработка которых стала возможной благодаря глубокой научной проработке, использованию прогрессивных групповых технологий и специальным конструкторским и материало-ведческим решениям, относятся металлофольговые резисторы, сочетающие в себе достоинства проволочных резисторов с технологичностью изготовления полупроводниковых изделий.
В общем виде металлофольговый резистор представляет собой резистивный элемент - тонкую металлургическую фольгу толщиной 2-10 мкм, приклеенную к диэлектрическому основанию (обычно это керамика) . Методом фотолитографии формируется специальная топология резистивного элемента, обеспечивающая получение заданного значения номинального сопротивления. Резистивный элемент герметизируется в металлическом или опрессованном корпусе, для исключения влияния внешнего воздействия на параметры резисторов. Подключение резисторов в схему осуществляется с помощью мощных электрических выводов, которые также обеспечивают дополнительный теплоотвод. Для уменьшения механических воздействий на электрические характеристики резистивный элемент помещается в специальную демпфирующую силиконовую оболочку (рисунок 1).
Силиконовое демфирующ' по крытие
Резистивный элемент из металлургической фольги
Металлический или опрессованный корпус '
Защитное полимерное покрытие
Керамическое основание
Электрический вы вед
Рисунок 1. Общая конструкция металофольгового резистора
Разработка и производство металлофольговых резисторов основывается на семи специфических технических особенностях, сформулированных фирмой «Vishay» [1]:
Экстремально низкий температурный коэффициент сопротивления.
Экстремально высокая временная стабильность сопротивления при воздействии условий эксплуатации и различных дестабилизирующих факторов.
Высочайшая точность обеспечения номинального сопротивления.
Высокие частотные параметры.
Низкий уровень токовых шумов.
Низкое значение термо - э.д.с. по отношению к меди;
Отсутствие зависимости сопротивления от величины приложенного напряжения.
Достижение высоких эксплуатационных характеристик этих резисторов и, прежде всего, низкого температурного коэффициента сопротивления (ТКС), обеспечивается за счет принципа термокомпенсации, который связан с тензорезистивным эффектом, возникающим в системе резистивный материал - подложка из-за различия их температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР).
Феноменологическая модель температурной зависимости сопротивления металлофольгового резистора, разработанная автором, учитывающая собственную температурную зависимость сопротивления резистивной фольги и тензорезистивный эффект, приведена ниже [2]:
ТКС = а20 + р(Т - Т0 ) + 2(«ф-ап )
1 + 2ц-Кф 2ц-1
(ц-1) + ц
(1)
где а20 - ТКС свободной резистивной фольги при комнатной температуре; р - характеризует температурную зависимость ТКС резистивной фольги; аф - температурный коэффициент линейного расширения фольги; ц - коэффициент Пуассона резистивного материала; ап - температурный коэффициент линейного расширения подложки; К^ - продольный коэффициент тензочувствительности.
Первая составляющая в данном выражении соответствует ТКС резистора при комнатной температуре, вторая составляющая характеризует крутизну изменения ТКС от температуры и третья определяется тен-зорезистивным эффектом.
Зависимость относительного изменения сопротивления от температуры можно представить в виде:
ДК К '
а20 + 2 (аф -ап )
1 + 2ц-К^ 2ц-1
(ц -1 )+ц
(Т - То ) + Р(Т - То )2
В общем виде минимальный ТКС металлофольгового резистора в диапазоне рабочих температур определяется следующим образом
I ТКС(Т) • dT ^ тіп ^ 0 ;
(2)
| "і а20 +Р(Т - То)+ 2(аф-ап )
Т1 І
После интегрирования получим
1 + 2ц-К^
2ц-1
(ц -1)-
ц
аТ = о.
а
+ р(Т2 + Т1 - 2Т0) + 2(аф-ап)
1 + 2ц-К^
■(ц- 1) + ц
= 0,
(3)
(4)
2ц-1
где T2, Tl, ^ - максимальная, минимальная и комнатная температуры, соответственно, в рабочем
диапазоне температур.
Для обеспечения минимальных значений ТКС в рабочем интервале температур необходимо решить данное уравнение относительно #2о , величина которой обычно регулируется за счет термической обработки. Для обеспечения минимальной температурной зависимости сопротивления в рамках разработанной модели необходимо использовать резистивную фольгу с минимальным значением ТКСр. Температурные зависимости металлофольговых резисторов фирмы «Vishay» на основе различных сплавов с различными значениями ТКСр приведены на рисунке 2.
ЛП
ПТ
І РР ті
1 т* * -■
_ _ г-1 ^
X,
/ J'
ч
1 рргп РС
2 ррт ;С
■50 -25
■І5____________
Сплав С 2 ррт/ 0С
Сплав К 2 ррт/ 0С
Сплав Z 2 ррт/ 0С
Рисунок 2. Температурные зависимости сопротивления металлофольговых резисторов фирмы «Vishay» Минимальная температурная зависимость металлофольговых резисторов реализуется для сплава Z,
1 о
-8 о
ет ТКСр на уровне минус 2,5 -10- °^ , что обеспечивает в отечественных резисторах, например, в резисторах типа Р2-67, минимальный ТКС в рабочем диапазоне температур ±2,5-10-6 ° ^1.
Обеспечение второго принципа (высокой временной стабильности при воздействии условий эксплуатации резистора) достигается за счет использования прецизионных металлических резистивных сплавов в виде резистивной микронной фольги, так и за счет различных режимов старения и термоэлектротренировки, которые приводят структуру резистивного материала и сложную гетерогенную конструкцию резистора в квазистабильное состояние.
Отличительной характерной особенностью металлофольговых резисторов является возможность сколь угодно точной подгонки номинального сопротивления. Точность подгонки номинального сопротивления металлофольговых резисторов практически определяется уровнем метрологического обеспечения.
Возможность получения заданной величины номинального сопротивления обеспечивается специфической топологической схемой резистивного элемента, которая содержит как основные, грубые подгоночные секции, так и дополнительные тонкие подгоночные секции, которые позволяют осуществлять подгонку резистора от нескольких процентов до тысячных долей процента (рисунок3).
Подгонка осуществляется методом отсечения секций, в результате секция исключается из процесса проводимости. Такая топологическая схема позволяет осуществлять подгонку как в процессе изготовления резисторов, так и непосредственно на печатной плате при использовании чип - резисторов.
Высокие частотные характеристики металлофольговых резисторов определяются свойствами используемых материалов, а также особенностями топологических схем. Планарная схема металлофольговых резисторов и встречное направление тока в резистивных меандрах предотвращают увеличение индуктивности и уменьшают емкостные эффекты.
Типичная частотная зависимость сопротивления металлофольговых резисторов фирмы «Vishay» представлена на рисунке 4.
Линии тока
Пр оте кан ие тока до подгонки
Рисунок 3. Часть топологической схемы металлофольгового резистора (подгоночная секция)
Частота, МГц
Рисунок 4. Типичные частотные зависимости металлофольговых резисторов в зависимости от величины номинального сопротивления
Кроме перечисленных достоинств металлофольговых резисторов, необходимо отметить еще самый низкий уровень токовых шумов по сравнению с другими резисторами,-низкое значение термо-э.д.с. по отношению к меди и практические постоянное значение коэффициента напряжения.
Все перечисленные достоинства позволяют на основе данной технологии разрабатывать уникальные резисторы и резисторные компоненты, которые невозможно реализовать, используя другие технологии.
В России единственным предприятием, которое владеет технологией производства и выпускает металлофольговые резисторы является ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г.Пенза) . По величине температурного коэффициента сопротивления отечественные резисторы находятся на уровне резисторов фирмы «Vishay» из сплава С, и уступают резисторам из сплавов К и Е. По временной стабильности сопротивления отечественные резисторы типа Р2-67 находятся на уровне лучших резисторов фирмы «Vishay». По специальным требования заказчика уровень стабильности резисторов типа Р2-67 может быть доведен до величины ±10-3%, что в (2-3) раз лучше, чем у резисторов фирмы «Vishay». Достижение суперстабильности обеспечивается за счет специальных технологических приемов их изготовления.
Анализ металлофольговых резисторов и резисторных компонентов на их основе проведен по продукции выпускаемой фирмой «Vishay», которая в настоящее время является лидером в данной технологическом направлении резисторостроения.
Постоянные металлофольговые резисторы
С использованием металофольговой технологии изготавливаются постоянные суперпрецизионные резисторы различного конструктивного исполнения. Для автоматизированного поверхностного монтажа используются металлофольговые чип-резисторы, габаритные размеры которых соответствуют чип - резисторам
серий 1206 и 1506.
Характеристики металлофольговых чип - резисторов серии 1206 и 1506 следующие:
диапазон номинальных сопротивлений 10... 4 -104 Ом;
температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур минус 55.125 °С ±(2.5) -10-6 °С-1
(максимальный);
стабильность сопротивления при номинальной электрической нагрузке ±(0,25.0,01) %.
К классу чип - резисторов относятся и металлофольговые датчики тока для автоматизированного монтажа, изготавливаемые из металлургической прокатанной ленты (рисунок 4).
Уровень параметров датчиков тока следующий:
диапазон сопротивлений 2.2 0 0 мОм;
температурный коэффициент сопротивления в диапазоне температур минус 55.125 °С ±15 -10-6 °С-1;
стабильность сопротивления при номинальной электрической нагрузке 0,1 %.
/Ж} ■
Рисунок 5. Общий вид датчика тока типа СБМ2512, изготовленного из резистивной ленты
Для объемного монтажа металлофольговые резисторы выпускаются в корпусированных и опрессованных вариантах с аксиальным и радиальным расположением выводов. Самые высокие параметры реализуются на корпусированных металлофольговых резисторах, например, изделия типа Е201.
Характерные представители металлофольговых резисторов типа Е2 01 серии Н и типа VH102K представлены на рисунке 6.
Фирмой «Vishay» разработано уникальное в своем роде изделие - металлофольговый резистор для военных целей типа ЯЫС90Е для эксплуатации при температурах минус 55.17 5 °С с температурным коэффициентом сопротивления ±2 -10-6 °С-1 и временной стабильностью сопротивления ±0,01% при температуре 75
°С и номинальной электрической мощности.
Сопротивление суперпрецизионных резисторов обычно не превышает 150 кОм, а по особому заказу может достигать величины 3 0 0 кОм.
Особое место среди дискретных металлофольговых резисторов занимают мощные прецизионные датчики тока. Отвод электрической мощности от резистивного элемента обеспечивается или за счет мощного радиатора, который представляет собой толстую металлическую пластину, запрессованную в корпус
Рисунок 6. Характерные представители суперпрецизионных металлофольговых резисторов резистора, или размещением резистивного металлофольгового элемента в мощный теплопроводный корпус, используемый при производстве мощных полупроводниковых транзисторов (рисунок 7).
VFP4Z
Рисунок 7. Базовые конструкции металлофольговых датчиков тока
Увеличенный теплоотвод также обеспечивается мощными выводами. Жесткий способ крепления резистора на плате или дополнительном радиаторе с помощью крепежной оснастки увеличивает теплоотвод за счет теплопроводности через печатную плату или дополнительный радиатор.
Для исключения влияния подводящих проводов и соединительных линий на величину сопротивления датчика тока, сопротивление которого обычно не превышает 10 0.50 0 Ом, в данных изделиях реализуется четырехвыводная схема: два токовых и два потенциальных вывода.
Мощность металлофольговых датчиков тока достигает 10 Вт при температурном коэффициенте сопротивления ±2 -10-6 °С-1 в температурном интервале минус 55.125 °С и временной стабильности сопротивления
до ±0,01% при температуре 25 °С и номинальной электрической мощности.
Металлофольговые наборы резисторов
Необходимость разработки и производства наборов резисторов продиктована многими факторами: техническими, эксплуатационными и экономическими. Использование наборов резисторов обеспечивает увеличение плотности монтажа по сравнению с дискретными резисторами.
Элементы набора резисторов и их внутренние и наружные соединения формируются в едином технологическом цикле, учитывая единый технологический цикл изготовления наборов резисторов, они имеют исчезающий малый разброс параметров в наборе, это особенно важно, когда они используются в качестве делителей напряжения или резистивных сеток типа R/2R. Если абсолютное значение температурного коэффициента сопротивления керметных резисторов обычно составляет ±(0,2.2) •Ю-6 °C-1, то температурный коэффициент отношения обычно при этом не превышает ± (0,05.0,1) ) •Ю-6 °C-1 (т.е. изменения меньше од-
ного ppm) .
С использованием металофольговой технологии изготавливаются уникальные наборы резисторов с различными схемными решениями соединения резисторов в наборе, в частности делители напряжения для входных и выходных цепей, резистивные сетки типа R/2R в цифроаналоговых и аналогоцифровых гибридных интегральных микросхемах и т.д.
Наборы металлофольговых резисторов изготавливаются в различных конструктивных исполнениях. Это чип-резисторы и чип-наборы, в том числе и в корпусах типа SON, корпусированные наборы для поверхностного монтажа в корпусах типа SOT и другие.
Для объемного монтажа выпускаются наборы резисторов в корпусах типа SIP, DIP и корпусах на «ножках», используемых при производстве полупроводниковых микросхем.
Классификация металлофольговых наборов резисторов представлена на рисунке 8.
Выводы:
Металлофольговые резисторы и резисторные компоненты в настоящее время являются самыми прецизионными и точными и находят применения в различных изделиях гражданского и военного назначения: высокопрецизионных измерительных приборах и оборудовании, медицинском оборудовании и средствах автоматики, в аэро и космических аппаратах и т.д.
Лучшие характеристики металлофольговых резисторов следующие:
диапазон номинального электрического сопротивления от тысячных долей Ома до 3 0 0 кОм;
минимальный ТКС в рабочем интервале температур минус 55...+ 125 °С составляет ±0,2^10-6 °С-1;
временная стабильность сопротивления при воздействии электрической нагрузки и температуры может достигать величины ±10-3% за 2000 часов;
точность подгонки номинального сопротивления до ±0,5 ^10-3%.
В России единственным предприятием, которое в настоящее время владеет технологией производства и выпускает металлофольговые резисторы, является ФГУП «Научно-исследовательский институт электронномеханических приборов» (г.Пенза).
4-х сторонний корпус типа БОМ # ^
Делитель
напряжения
Набор с 3-16 ножками
Выводов от 8 до 20
Делитель
напряжения
о'
резисторы
и|г
Аттенюатор :■ ч V ;■ 5 Отдел ьн ые резисторы и делители рл- ?
Рисунок 7. Классификация металлофольговых наборов резисторов
ЛИТЕРАТУРА
1. Каталог фирмы «Vishay».
2. Недорезов В.Г. Температурная зависимость сопротивления металлофольговых резисторов// Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1988, - Вып. 2(71), - С. 22-25.
