Präzisions-Widerstandsarrays
Stabilität und Temperaturverhalten von Dünnschicht-Widerstands-Arrays
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das Temperaturverhalten
Relativer Temperaturkoeffizient (TK Tracking)
Als absoluter Temperaturkoeffizient beschreibt α die Änderung des Widerstandswertes, die durch eine Temperaturerhöhung bzw. -erniedrigung hervorgerufen wird. Welchen Wert α dabei annimmt, lässt sich mit Hilfe von Gleichung 2 ermitteln:
T steht für die Schichttemperatur in °C, RT für den Widerstandswert bei Schichttemperatur und R20 für den Widerstand bei 20 °C (Referenztemperatur). Bei einer Temperatur von T = 20 °C ist ΔR / R20 = 0.
Wie aus Gleichung 2 ersichtlich, ist die Widerstandsänderung ΔR umso geringer, je kleiner der Temperaturkoeffizient α ist. Daher ist ein kleiner TK unerlässlich, um eine geringe Widerstandsänderung durch Temperatureinflüsse zu garantieren. Der Temperaturkoeffizient TK (bzw. TCR) wird in ppm/K angegeben.
Erhöht sich die Umgebungstemperatur T infolge von Wärme abstrahlenden, nahe liegenden Bauelementen auf beispielsweise 120 °C, so beträgt die Änderung eines 50-ppm/K-Widerstandes ±0,5 %. Der Temperaturkoeffizient bezieht sich immer auf einen definierten Temperaturbereich – beispielsweise auf eine Bandbreite von –55 bis +125 °C.
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Bild 3 zeigt beispielhaft den TK für ein bestimmtes Widerstandsarray. Die Grenze des absoluten TK beträgt hierbei ±50 ppm/K. Die TK-Kurven der vier integrierten Widerstände R1, R2, R3 und R4 liegen innerhalb dieser Grenzen. In einem Präzisions-Widerstandsarray wird zusätzlich der relative Temperaturkoeffizient spezifiziert; also die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten TK der vier integrierten Widerstände.
In dem erwähnten Beispiel beträgt der relative TK 10 ppm/K. Bei der Betrachtung von Einzelwiderständen entspricht dies ±5 ppm/K in einem Temperaturbereich von –55 bis +125 °C. Wie bei der relativen Toleranz, bilden die vier Widerstände beim relativen TK eine Einheit, was zu einem wünschenswert kleinen Wert des relativen TK führt.
Temperaturverhalten eines Spannungsteilers
Auf einer Platine entstehen zumeist unterschiedliche lokale Umgebungstemperaturen durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Wärmekonvektion von angrenzenden elektronischen Bauelementen. Bei Einzelwiderständen führen verschiedene Umgebungstemperaturen zu unterschiedlichen Widerstandsabweichungen. Dies wird anhand eines nachfolgenden Beispiels näher erläutert.
Die Ausgangsspannung eines Festspannungsreglers wird mit Hilfe eines Spannungsteilers eingestellt (Bild 4, links). Die beiden Einzelwiderstände haben die Werte R1 = R2 = 1 kΩ und einen TK von ±50 ppm/K und befinden sich untereinander auf einer Platine. Der Festspannungsregler, der sich direkt neben R1 befindet, ruft durch Wärmestrahlung und -konvektion eine Erhöhung der Umgebungstemperatur hervor. Dabei wird die Umgebungstemperatur von R1 auf +120 °C erhöht. Die lokale Umgebungstemperatur von R2 bleibt davon nahezu unberührt und beträgt nach wie vor +20 °C.
Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus der beiden Widerstände entsteht ein Missmatch des Spannungsteilers, das mit Gleichung 2 berechnet werden kann. Die Auswirkungen auf die umliegende Schaltung, in der sich der Festspannungsregler befindet, können dabei signifikant sein. Im schlimmsten Fall erreicht der Festspannungsregler nicht die geforderte Spannungsstabilität, was zu einem Ausfall der gesamten Schaltung führen kann.
Eine Reduzierung dieses Effektes wird erreicht, indem R1 und R2 möglichst auf einer isothermen Linie platziert werden (Bild 4, rechts). Die Umgebungstemperatur von R2 wird dadurch an das Niveau von R1 angenähert. Aufgrund des einzuhaltenden Mindestabstandes bei Widerständen liegt selbst beim kleinstmöglichen Abstand der Einzelwiderstände ein unterschiedliches Temperaturniveau vor. Darüber hinaus heizen sich die Widerstände unterschiedlich stark auf, wenn ihre Werte verschieden sind (R1 ≠ R2), da unterschiedliche Verlustleistungen (P1 ≠ P2) an ihnen abfallen.
Widerstandsarrays sorgen dafür, dass man gleiche Umgebungstemperaturen für alle integrierten Widerstände sicherstellen kann. Durch die hochwärmeleitfähige Keramik sind alle Widerstände näherungsweise auf einem gleichen Temperaturniveau. Dies hat zur Folge, dass der Festspannungsregler am Ausgang eine Spannung liefert, die unabhängig von Temperatureinflüssen ist.
Produkte, die den genannten Forderungen entsprechen
Die Firma Vishay Beyschlag produziert unter anderen die Standard- Serien ACAC 0612 mit konkaven Kontakten und ACAS 0612 mit konvexen Kontakten und bietet sie jeweils in zwei Varianten an. Während beim professionellen Widerstandsarray eine Toleranz bis zu ±0,5 % und ein TK bis zu ±25 ppm/K erreicht werden, sind innerhalb der Präzisionsvariante zusätzlich die relativen Größen „Toleranz Matching“ und „TK Tracking“ spezifiziert. Durch die relativen Größen wird bei der Präzisionsvariante ein noch stabileres Widerstandsteilerverhältnis sichergestellt. Die Präzisionsvariante ist mit einem Toleranz Matching bis 0,1 % (entspricht ±0,05 %) und einem TK Tracking bis 10 ppm/K (entspricht ±5 ppm/K) erhältlich. Der lieferbare Wertebereich ist von 47 Ω bis 221 kΩ spezifiziert, wobei standardmäßig ein maximales Widerstandsteilerverhältnis bis zu 5:1 gewählt werden kann.
Ein weiteres Beispiel sind die Widerstandsarrays der AT-Grade-Serie ACAS AT, die nach AEC-Q200 qualifiziert sind. Das Widerstandsarray ist ausgelegt für eine maximale Schichttemperatur von +155 °C und erreicht eine ESD-Stabilität von 1000 V. Mit einer Feuchtestabilität von ≤0,5 % (85 °C, 85 % relative Feuchte, 1000 h) eignet sich das Bauelement für Anwendungen unter widrigen Umgebungsbedingungen, die zugleich eine hohe elektrische Zuverlässigkeit erfordern.
- Stabilität und Temperaturverhalten von Dünnschicht-Widerstands-Arrays
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