Dünnschicht oder Dickschicht
Den richtigen Widerstand finden
Die folgenden Ausführungen beschreiben die Eigenschaften und Vorteile verschiedener Widerstandstypen und sind bei der richtigen Auswahl eines Widerstandes behilflich. Wesentliche Einflussfaktoren, die zur Änderung des Widerstandswertes führen können, werden ebenfalls vorgestellt.
Der fortschreitende Einzug der Elektronik in alle Lebensbereiche bewirkt eine zunehmende Anforderung an die Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente. Nicht nur die steigende Anzahl der verwendeten Komponenten hat Auswirkungen auf die Schaltungszuverlässigkeit, sondern auch die Betriebsbedingungen der Anwendung. Viele elektronische Baugruppen werden bei hohen Temperaturen und hoher relativer Feuchte eingesetzt, nicht selten kommen viele Temperaturwechsel und Impulsbelastungen hinzu. Entscheidend für die Zuverlässigkeit von elektronischen Schaltungen ist somit auch die richtige Auswahl der Bauelemente.
Um die richtige Bauelementeauswahl zu treffen, ist es wichtig, sich mit den Eigenschaften von Widerständen näher zu befassen. Häufig wird ein Widerstand lediglich als Schaltungssymbol betrachtet, welches sich allein durch einen Widerstandswert mit einer Toleranz definiert – ungeachtet seines Lebenszyklus. Dabei wird vernachlässigt, dass es weitere reversible und irreversible Änderungen infolge äußerer Einflüsse gibt. Diese Änderungen können um ein Vielfaches höher liegen als die Ausliefertoleranz.
Aufgrund hoher Kosten und ihrer Komplexität erfahren integrierte Schaltkreise bei der Schaltungsentwicklung eine große Aufmerksamkeit und werden sorgfältig ausgewählt und definiert. Passive Bauelemente wie Widerstände werden dagegen oft weniger gründlich betrachtet. Wenn sich jedoch die Wahl eines Widerstandes als falsch erweist, kann der Einfluss auf die Zuverlässigkeit einer Schaltung extrem hoch sein, denn Widerstände werden meistens in großer Stückzahl eingesetzt.
Dieser Artikel zeigt die Eigenschaften und Vorteile verschiedener Widerstandstypen auf und hilft bei der richtigen Auswahl eines Widerstandes. Dazu werden wesentliche Einflussfaktoren, die zur Änderung des Widerstandswertes führen können, als Entscheidungsgrundlage vorgestellt.
Eigenschaften linearer Schicht-Festwiderstände
Es gibt verschiedene Widerstandstechnologien, zum Beispiel Dünnschicht-Widerstände oder Dickschicht-Widerstände, die sich bezüglich der elektrischen Eigenschaften und ihrer Stabilität zum Teil deutlich voneinander unterscheiden. Zudem kann die Produktqualität ebenso stark vom Hersteller und dessen Qualitätsphilosophie abhängig sein.
Widerstände in Dickschicht-Technologie werden in einer Vielzahl elektronischer Schaltungen eingesetzt und kommen vornehmlich in Konsumgüterapplikationen zum Einsatz. Dickschicht-Widerstände, deren Widerstandsschicht als Widerstandspaste in einem Schablonen- oder Siebdruckprozess auf einen Keramikträger aufgetragen wird, werden üblicherweise mit Temperaturkoeffizienten zwischen ±200 ppm/K und ±100 ppm/K und mit Ausliefertoleranzen zwischen ±5 % und ±1 % angeboten. Die Stabilität dieser Bauelemente ist für viele digitale wie analoge Schaltungen mit durchschnittlichem Stabilitätsanspruch ausreichend.
Stellt man höhere Genauigkeitsanforderungen an die Schaltung, so werden bevorzugt Dünnschicht-Widerstände eingesetzt. Die Keramikoberflächen von Dünnschicht-Widerständen werden in einem aufwendigen Sputterverfahren mit einer sehr homogenen Widerstandsschicht metallisiert. Oberflächenmontierbare Bauelemente in Dünnschicht-Technologie sind mit Temperaturkoeffizienten von etwa ±50 ppm/K bis ±5 ppm/K und mit Ausliefertoleranzen zwischen ±1 % und ±0,02 % verfügbar. Abhängig vom Einsatzgebiet gibt es zudem noch spezielle Dünnschicht-Widerstände, die für höhere Temperaturen, wie beispielsweise 175 °C, mit entsprechend höherer Leistung ausgelegt sind. Spezielle Lacksysteme ermöglichen einen Einsatz dieser Bauelemente auch in feuchte-exponierten Applikationen.
Toleranz und Temperaturkoeffizient
Bei jeder Schaltungsauslegung sollte die maximal mögliche Wertänderung eines Bauelementes in Betracht gezogen werden. Alle anzunehmenden Änderungen, die im Laufe des Produktlebenszyklus auftreten können, müssen addiert werden, soweit deren Wirkmechanismen voneinander unabhängig sind. Die Genauigkeit eines Bauelementes definiert sich also nicht alleine durch den Temperaturkoeffizienten, der die reversible Änderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit von der Temperatur beschreibt, oder durch die Ausliefertoleranz des Widerstandes. Die Ausliefertoleranz beschreibt, um wie viel Prozent der Widerstandswert bei Auslieferung im ungelöteten Zustand vom Nenn-Widerstandswert abweichen darf. Sie sagt nichts über die Kurz- und Langzeitstabilität des Widerstandswertes im Betrieb aus; vielmehr kommen noch weitere Änderungen hinzu.
Für eine Gesamtbetrachtung der möglichen Änderungen (Worst-Case-Betrachtung) müssen weitere Einflussgrößen wie Wärme über Zeit, Impulse, Feuchte oder Lötwärme betrachtet werden. Diese Änderungen sind zum Teil zeitabhängig, zum Teil aber auch durch einmalige oder sich wiederholende Belastungen hervorgerufen.
In Datenblättern elektrischer Widerstände finden sich Angaben zur Toleranz, zum Wertebereich und zum Temperaturkoeffizienten. Zudem wird das Verhalten des Widerstandes unter bestimmten Umwelt- oder Prüfbedingungen in unterschiedlicher Detaillierung beschrieben. Datenblätter professioneller Bauelementehersteller ermöglichen es, genau zu beurteilen, welche Widerstandswert-Änderung unter definierten Bedingungen eintreten kann. Um Angaben vergleichbar und für den Schaltungsentwickler nutzbar zu machen, werden in den Datenblättern der nachstehend diskutierten Dünnschicht-Widerstände maximal zulässige Widerstandswert-Änderungen bei definierten Produktbelastungen in Form von Prüfungen angegeben. Typische Angaben würden eine Worst-Case-Betrachtung nicht erlauben.
Bei vielen digitalen Anwendungen sind im Laufe des Produktlebens häufig größere Änderungen des Widerstandswertes zulässig als bei analogen Schaltungen. Werden zum Beispiel Spannungsteiler in einer Motorsteuerung betrachtet, ist die Langzeitstabilität der Widerstände von entscheidender Bedeutung. Wenn ein Sensorsignal über mehrere Jahre zuverlässig ausgewertet werden soll, darf sich das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände nicht verändern. Andernfalls würde das Eingangssignal falsch interpretiert werden, was zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen kann. Aus diesem Grund wird von den Widerständen des Spannungsteilers gefordert, dass sie den anfänglichen Widerstandswert möglichst stabil halten.
Löten bewirkt eine irreversible Änderung des Widerstandswertes
Abgesehen von speziellen Verbindungstechniken, werden die meisten oberflächenmontierbaren Bauelemente (SMD) gelötet. Dies findet zunehmend mit bleifreien Loten statt. Bei bleifreien Lötprozessen können die Bauelemente kurzfristig noch um 20 bis 30 K höheren Temperaturen ausgesetzt werden als bei traditionellen Lötprozessen mit bleihaltigen Loten. Der Lötprozess, ob verbleit oder bleifrei, bewirkt eine irreversible Änderung des Widerstandswertes. Je nach Qualität und Technologie kann dies zu Änderungen führen, die über der Ausliefertoleranz liegen.
Aus diesem Grunde ist bei der Widerstandsauswahl darauf zu achten, dass die spezifizierte Toleranz und der Temperaturkoeffizient in einem angemessenen Verhältnis zu den spezifizierten Stabilitätswerten stehen. Bei Dünnschicht-Widerständen, wie dem TNPW e3 oder der MC-Precision-Serie aus dem Hause Vishay Draloric/ Beyschlag, liegen Änderungen nach dem Löten bei maximal ±0,02 % beziehungsweise ±0,05 % und stehen damit in einem zweckmäßigen Verhältnis zur spezifizierten Ausliefertoleranz.
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