Vorteile von Dünnschicht-Widerständen
Passender Widerstand für welche Anwendung?
Während bei vielen Applikationen Dickschicht-Widerstände zum Einsatz kommen, macht es Sinn, bei höheren Anforderungen in Bezug auf Temperaturkoeffizient und Langzeitstabilität zu Bauformen in Dünnfilm-Technologie zu wechseln.
SMD-Widerstände (Surface Mounted Device) unterteilen sich in Dickschicht- und kostenintensivere Dünnschicht-Widerstände. Nachdem Widerstände meist in großen Stückzahlen zum Einsatz kommen, sollte man bei deren Verwendung unbedingt darauf achten, dass man für die jeweilige Applikation nicht Bauformen in der falschen Technologie wählt. Denn die Auswahl hat einen immens hohen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Anwendungsschaltung.
Bei Dickschicht-Widerständen wird die relativ inhomogene Widerstandsschicht aus Rutheniumdioxid (RuO) als Widerstandspaste mittels Schablonen- oder Siebdruckverfahren auf einen Keramikgrundträger aufgetragen. Ihre Temperaturkoeffizienten (TCR) liegen in der Regel zwischen ±200 ppm/K und bestenfalls ±100 ppm/K, die Ausliefertoleranzen indes lassen sich auf Werte zwischen ±5 % und ±1 % begrenzen.
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Präzision und Langzeitstabilität
Diese Stabilität reicht für viele digitale und analoge Schaltungen mit durchschnittlichem Stabilitätsanspruch aus – vor allem gilt dies für Konsumgüter.
Bei Präzisionsanwendungen jedoch stellt man als Entwickler höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Schaltung, und Dünnschicht-Widerstände sind dann die erste Wahl. Ihre Keramikoberfläche wird in einem aufwendigen Sputterverfahren mit einer homogenen, 50 Å bis 250 Å dicken Widerstandsschicht metallisiert.
Dadurch verfügen oberflächenmontierbare Bauelemente in Dünnschicht-Technologie über Temperaturkoeffizienten von ca. ±50 ppm/K bis ±5 ppm/K sowie geringe Ausliefertoleranzen zwischen ±1 % und ±0,02 %. Für spezielle Einsatzbeispiele sind außerdem Modelle für höhere Temperaturen bis etwa 175 °C sowie mit entsprechend höherer Leistung erhältlich, und für Feuchte-exponierte Applikationen gibt es spezielle Lacksysteme.
Die Langzeitstabilität wird als maximale Widerstandsänderung über die Zeit definiert. Bei guten Widerständen beträgt diese Änderung weniger als
±0,1 % binnen 1.000 h. Sind also z. B. eine Toleranz von unter ±0,5 %, ein Temperaturkoeffizient TCR von unter ±50 ppm/K sowie eine gute Langzeitstabilität gefordert, so führt kein Weg an den Dünnschicht-Widerständen vorbei.
Der Einfluss des TCR wird in folgendem Beispiel deutlich: Ändert sich die Temperatur eines Dünnschicht-Widerstands mit R = 100 Ω und TCR = ±5 ppm/K von 30 auf 80 °C, so bewirkt eine Temperaturänderung um 50K eine Widerstandsänderung (ΔR = 50 K × ±5 ppm/K × 100 Ω) von ±0,025 Ω.
Ein Dickschicht-Widerstand mit einem TCR von ±400 ppm/K hingegen würde bei diesen Bedingungen eine Widerstandsänderung von ±2 Ω zur Folge haben. Schwankungen in dieser Größenordnung sind vor allem bei analogen Schaltungen entscheidend, da in diesem Umfeld die Langzeitstabilität eine große Rolle spielt.
Der Temperaturkoeffizient beschreibt die reversible Änderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit von der Temperatur. Jedoch definiert sich die Genauigkeit eines Bauelementes nicht alleine dadurch. Hinzu kommt die Ausliefertoleranz des Widerstandes. Sie sagt zwar aus, um wieviel Prozent der Widerstandswert bei Auslieferung in ungelötetem Zustand vom Nenn- Widerstandswert abweichen darf, sie verrät jedoch nichts über die Kurz- und Langzeitstabilität des Widerstandswertes im Betrieb.
Bei jeder Schaltungsauslegung ist es also wichtig, die maximal mögliche Wertänderung eines Bauelementes zu betrachten und alle anzunehmenden Änderungen, die im Laufe des Produktlebenszyklus auftreten können, zu addieren – zumindest soweit deren Wirkmechanismen voneinander unabhängig sind.
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