การเลือกตัวต้านทานแบบฟิล์มบางสำหรับการใช้งานยานยนต์และอุตสาหกรรม

การใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ยานยนต์ อุตสาหกรรม และโทรคมนาคม ต้องใช้ส่วนประกอบที่มีความแม่นยำที่สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ความชื้นสูง และบรรยากาศที่กัดกร่อน ส่วนประกอบแบบพาสซีฟมีความสำคัญพื้นฐานต่อความสำเร็จของการออกแบบขั้นสูงเหล่านี้ และต้องมีนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้

ตัวอย่างเช่น ตัวต้านทานชิปฟิล์มโลหะจะต้องได้รับการออกแบบและทดสอบเพื่อให้แน่ใจถึงความแม่นยำ ความเสถียร และความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย ปัญหาสำคัญประการหนึ่งที่ส่งผลต่อการออกแบบตัวต้านทานแบบชิปสำหรับตลาดยานยนต์และอุตสาหกรรมคือความน่าเชื่อถือในระยะยาวเมื่อพบสารประกอบซัลเฟอร์ สภาพแวดล้อมเหล่านี้ซึ่งมีน้ำมัน น้ำมันหล่อลื่น เชื้อเพลิง และสารประกอบกำมะถันอื่น ๆ อยู่มาก อาจทำให้หน้าสัมผัสเสื่อมสภาพและลดความน่าเชื่อถือของตัวต้านทานชิปได้

บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อเลือกตัวต้านทานสำหรับสภาพแวดล้อมยานยนต์และอุตสาหกรรมที่รุนแรง จากนั้นจะนำเสนอตัวต้านทานแบบติดตั้งบนพื้นผิวที่ทนต่อกำมะถันและความชื้นสองตระกูลจาก YAGEO และแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้ตัวต้านทานเหล่านี้เพื่อรับมือกับความท้าทายของแอปพลิเคชันเหล่านี้ได้อย่างไร

คุณสมบัติของตัวต้านทานแบบชิป

ตัวต้านทานแบบชิปเป็นส่วนประกอบสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ รวมถึงอุปกรณ์ยานยนต์ อุตสาหกรรม และโทรคมนาคม ขนาดเล็ก ความแม่นยำ ความเสถียร และความน่าเชื่อถือของวงจรเหล่านี้เหมาะกับวงจรความหนาแน่นสูง มีค่าความต้านทาน ความคลาดเคลื่อน ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิ (TCR) และอัตรากำลังไฟที่หลากหลาย ตระกูลตัวต้านทานชิป YAGEO สองตระกูลคือซีรีย์ AT และ RP ทั้งสองซีรีย์ได้รับการจัดอันดับสำหรับการใช้งานในยานยนต์ด้วยคุณสมบัติ AEC-Q200 ซึ่งข้อกำหนดนี้จะทดสอบส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟสำหรับอุณหภูมิ ความชื้น ความทนทานต่อความร้อนจากการบัดกรี แรงกระแทกจากความร้อน และความทนต่อการโค้งงอของบอร์ด นอกจากนี้ยังทดสอบความไวต่อความชื้นต่ำและความต้านทานต่อกำมะถันอีกด้วย

ข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่สำคัญ

ตัวต้านทานอุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว (SMD) ซีรีย์ AT และ RP มีจำหน่ายในแพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิวมาตรฐานสี่แบบ ได้แก่ 0402, 0603, 0805 และ 1206 รหัสตัวเลขสำหรับแต่ละแพ็คเกจประกอบด้วยความยาวและความกว้างของอุปกรณ์เป็นนิ้ว (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: แสดงขนาดและกำลังไฟฟ้าสำหรับส่วนประกอบตัวต้านทานชิป RP และ AT ขนาดแพ็คเกจทั้ง 4 ขนาด (ที่มาของตาราง : Art Pini)

ค่าพิกัดพลังงานจะแตกต่างกันโดยตรงกับปริมาตรบรรจุภัณฑ์ โดยมีตั้งแต่ 1/16W ถึง 1/4W

ขนาดแพ็คเกจเหล่านี้มีค่าความต้านทาน ความทนทานต่อตัวต้านทาน TCR และแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ข้อมูลจำเพาะของตัวต้านทานซีรีย์ AT สรุปอยู่ในตารางที่ 2

ตารางที่ 2: แสดงคุณลักษณะทางไฟฟ้าของตัวต้านทานแบบ AT (ที่มาของตาราง: YAGEO)

ตารางแสดงช่วงค่าตัวต้านทานที่มีสำหรับแต่ละขนาดแพ็คเกจ TCR และค่าความคลาดเคลื่อน

ในทำนองเดียวกัน ข้อมูลจำเพาะสำหรับซีรีย์ RP จะสรุปไว้ในตารางที่ 3

ตารางที่ 3: แสดงคุณลักษณะทางไฟฟ้าของตัวต้านทานซีรีย์ RP (ที่มาของตาราง: YAGEO)

ส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ทั้งสองซีรีย์จะถูกเลือกตามขนาดบรรจุภัณฑ์ TCR ความทนทานต่อความต้านทาน และความต้านทาน ช่วงค่าความต้านทานที่มีอยู่จะแตกต่างกันไปตามข้อมูลจำเพาะอื่นๆ

ค่า TCR สำหรับซีรีย์ RP มีให้ใช้งานเป็นขั้นๆ ±50, ±25, ±15 และ ±10 ส่วนต่อล้านส่วนต่อองศาเซลเซียส (ppm/°C) ซีรีย์ AT เพิ่ม TCR ที่ต่ำกว่าอีก ±5 ppm/°C

โปรดทราบว่าช่วงค่าความต้านทานที่มีอยู่สำหรับอุปกรณ์ซีรีย์ RP จะมากกว่าหรือเท่ากับค่าความต้านทานของตัวต้านทาน AT สำหรับแต่ละขั้นตอน TCR

ทั้งสองซีรีย์มีค่าความคลาดเคลื่อน 0.1%, 0.25%, 0.5% และ 1% ซึ่งเป็นค่าความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานที่ใช้มากที่สุด อย่างไรก็ตาม ซีรีย์ AT เสนอช่วงความคลาดเคลื่อนเพิ่มเติมสามช่วง: 0.05%, 0.02% และ 0.01% ความคลาดเคลื่อนที่แม่นยำเหล่านี้มักไม่ค่อยได้รับการเรียกร้องมากนัก และค่าตัวต้านทานที่นำเสนอจะมีช่วงที่จำกัดยิ่งขึ้น

การเปรียบเทียบตัวต้านทานซีรีย์ AT และ RP

YAGEO AT0402FRE0710KL คือตัวต้านทานซีรีย์ AT ขนาด 10 กิโลโอห์ม (kΩ) 1/16W พร้อม TCR ±50 ppm/°C ในแพ็กเกจ 0402 RP ซีรีย์เทียบเท่าคือ RP0402FRE0710KL ซึ่งมีข้อกำหนดเดียวกัน ความแตกต่างของผลิตภัณฑ์คือซีรีย์ RP มีค่าความต้านทาน 10Ω ถึง 240kΩ ในช่วง TCR นี้เมื่อเปรียบเทียบกับซีรีย์ AT ในช่วง 10Ω ถึง 100kΩ ซีรีย์ RP มีช่วงความต้านทานสำหรับค่า TCR ทั้งหมด ในขณะที่ซีรีย์ AT ลดช่วงสำหรับค่า TCR ลงเหลือ ±10 ppm/°C และ ±5 ppm/°C

AT0603DRE0710KL คือตัวต้านทานซีรีย์ AT ขนาด 10kΩ, 1/10W ในแพ็กเกจ 0603 TCR อยู่ที่ ±50 ppm/°C RP0603DRD0710KL คือตัวต้านทานซีรีย์ RP 0603 ที่มีค่ารายละเอียดจำเพาะเหมือนกัน ยกเว้น TCR ซึ่งอยู่ที่ ±25 ppm/°C ช่วงความต้านทานที่มีให้เลือกในซีรีย์ RP คือตั้งแต่ 10Ω ถึง 910kΩ ตัวต้านทาน AT มีค่าตั้งแต่ 10Ω ถึง 330kΩ สำหรับค่า TCR สองค่าที่สูงที่สุด และช่วงที่เข้มงวดกว่ามากสำหรับการเลือก TCR ที่ต่ำกว่า

ในแพ็คเกจ 0805 ซีรีย์ AT AT0805BRD0710KL เป็นตัวต้านทาน 10kΩ, 1/8W พร้อม TCR ที่ ±25 ppm/°C รายการ RP ที่เทียบเท่า RP0805BRD0710KL มีค่าความต้านทาน ความคลาดเคลื่อน และ TCR เท่ากัน นอกจากนี้ ซีรีย์ RP ยังมีช่วงความต้านทานที่กว้างกว่าในช่วงการเลือก TCR ทั้งหมด ในขณะที่ตัวต้านทาน AT จะมีช่วงที่จำกัดกว่าสำหรับการเลือก TCR ทั้งสามตัวที่ต่ำกว่า

AT1206BRD0710KL คือตัวต้านทาน 10kΩ, 1/4W ในแพ็กเกจ 1206 RP ที่เทียบเท่าคือ RP1206BRD0710KL ซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนกัน

หากพิจารณาจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าแล้ว ตัวต้านทานตระกูลเหล่านี้จึงมีความคล้ายคลึงกันและสามารถใช้งานได้หลากหลาย ซีรีย์ RP มีค่าความต้านทานที่หลากหลายยิ่งขึ้น ทำให้ใช้งานได้หลากหลายยิ่งขึ้น ซีรีย์ AT นำเสนอความคลาดเคลื่อนที่ใกล้เคียงกว่าสำหรับค่าความต้านทานบางค่าและช่วง TCR ที่ต่ำกว่า และคุณลักษณะทั้งสองนี้จะถูกนำไปใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำและความถูกต้องที่สูงขึ้น ทั้งสองซีรีย์ทำงานในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -55°C ถึง +155°C สำหรับระดับพลังงานที่กำหนด โปรดทราบว่าจะต้องลดกำลังไฟที่กำหนดหากอุณหภูมิแวดล้อมสูงเกิน +70°C (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: กราฟการลดกำลังไฟฟ้าของทั้งสองซีรีย์ต้องใช้กำลังไฟฟ้าที่ลดลงที่อุณหภูมิสูงกว่า 70°C (แหล่งที่มาของภาพ: YAGEO)

ความปลอดภัยและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม

ทั้งกลุ่มผลิตภัณฑ์ AT และ RP ได้รับการรับรองว่าเหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมยานยนต์และอุตสาหกรรม สารประกอบอีพอกซีที่ใช้ในการผลิตปราศจากฮาโลเจน นอกจากนี้ ยังปราศจากตะกั่วและเป็นไปตามข้อกำหนด RoHS อีกด้วย ตัวต้านทานเหล่านี้ยังช่วยลดการผลิตของเสียที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมด้วยการใช้วัสดุที่ไม่ต้องห้าม

สายผลิตภัณฑ์ตัวต้านทานทั้งสองสายมีความอ่อนไหวต่อความชื้นและก๊าซกัดกร่อนที่มักพบในสภาพยานพาหนะและอุตสาหกรรมต่ำ ด้านหนึ่งของการต้านทานความชื้นคือระดับความไวต่อความชื้น (MSL) ระบบการให้คะแนนที่ใช้โดยอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะระบุว่าส่วนประกอบต่างๆ สามารถสัมผัสกับความชื้นสัมพัทธ์ 60% ถึง 85% ได้นานเพียงใด และที่อุณหภูมิต่ำกว่า 85°F ก่อนที่จะดูดซับความชื้นมากเกินไปจนไม่สามารถบัดกรีแบบคลื่นได้ ในระหว่างการบัดกรีแบบคลื่น ความชื้นที่ติดอยู่จะขยายตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ส่วนประกอบและอาจรวมถึงแผงวงจรได้รับความเสียหายได้ ตัวต้านทานซีรีย์ AT และ RP ได้รับการจัดอันดับที่ MLS 1 ซึ่งบ่งชี้ถึงอายุการเก็บไฟฟ้าบนพื้นแบบไม่จำกัด นอกจากนี้ยังได้รับการทดสอบความทนทานต่อความชื้นภายใต้ AEC-Q200 และทั้งสองซีรีย์มีค่าความต้านทานที่แตกต่างกันน้อยกว่า ±(0.1% + 0.05 Ω) เนื่องจากสัมผัสกับความชื้น

การปนเปื้อนอันเนื่องมาจากการสัมผัสกับสารประกอบซัลเฟอร์เป็นพื้นที่ความไวที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวต้านทานแบบชิป น้ำมัน น้ำมันหล่อลื่น เชื้อเพลิงที่ทำจากน้ำมัน และส่วนประกอบหรือสารเคลือบที่ทำจากยาง ต่างปล่อยควันที่มีส่วนประกอบของกำมะถันออกมา สารประกอบกำมะถันเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับโลหะ โดยเฉพาะเงิน และสามารถทำลายตัวต้านทานชิปได้

การทดสอบ (ASTM-B-809-95 ปรับปรุง) สำหรับความต้านทานต่อกำมะถันเกี่ยวข้องกับการนำส่วนประกอบที่ใช้ทดสอบไปสัมผัสกับบรรยากาศที่อุดมด้วยกำมะถันซึ่งสร้างขึ้นในภาชนะปิด โดยการเติมกำมะถันผงในปริมาณที่วัดได้ เรือได้รับความร้อนถึง +105°C และส่วนประกอบต่างๆ จะถูกสัมผัสกับบรรยากาศนี้เป็นเวลา 750 ชั่วโมง ตัวต้านทานที่ทดสอบจะถูกวัดเพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานจะน้อยกว่าขีดจำกัดที่กำหนด ตัวต้านทานทั้งสองซีรีย์นี้มีคุณสมบัติต้านทานกำมะถันได้ดีกว่า

ความแตกต่างระหว่างตัวต้านทานซีรีย์ AT และ RP

ตัวต้านทานซีรีย์ AT และ RP มีการออกแบบที่แตกต่างกัน ซีรีย์ AT เป็นการออกแบบก่อนหน้านี้ที่ใช้แนวทางดั้งเดิมกว่าในการต้านทานความชื้นและกำมะถัน ซีรีย์ RP เป็นการออกแบบใหม่ล่าสุดที่นำเทคนิคและวัสดุในการก่อสร้างใหม่ๆ มาใช้ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบโครงสร้างของตัวต้านทานชิปซีรีย์ AT และ RP แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในการป้องกันอุปกรณ์จากความชื้นและกำมะถัน (ที่มาของภาพ: YAGEO)

ทั้งสองซีรีย์ใช้ฟิล์มโลหะต้านทานที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวเซรามิกเช่นเดียวกับตัวต้านทานแบบชิปทั้งหมด ตัวต้านทาน AT ใช้ทองแดงเป็นอิเล็กโทรดด้านบน (C1) เพื่อลดผลการกัดกร่อนของไอกำมะถัน เนื่องจากปฏิกิริยาของทองแดงกับกำมะถันไม่รุนแรงเท่าปฏิกิริยาของเงิน ชั้นต้านทานและอิเล็กโทรดได้รับการปิดผนึกด้วยสารเคลือบอีพอกซี ฝาปิดทำจากนิกเกิลเคลือบดีบุกเพื่อให้สามารถบัดกรีได้ พวกมันปิดผนึกและจัดเตรียมจุดเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดเงินที่ด้านล่างของตัวต้านทาน

จากประสบการณ์หลายปีกับส่วนประกอบชิปที่เกี่ยวข้อง อุปกรณ์ RP จะเพิ่มชั้นโพลิเมอร์เงิน (C3) ไว้ด้านบนของอิเล็กโทรดด้านใน C1 เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของกำมะถัน วิธีนี้ทำให้สามารถทำอิเล็กโทรดภายในด้วยเงินได้ ชั้นพาสซีฟบางๆ เป็นตัวกั้นระหว่างฟิล์มโลหะและธาตุที่กัดกร่อน การทำให้เป็นพาสซีฟเป็นกระบวนการทางเคมีที่เคลือบชั้นต้านทานเพื่อให้มีโอกาสกัดกร่อนหรือได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมน้อยลง การเคลือบอีพอกซีช่วยให้กระบวนการปิดผนึกเสร็จสมบูรณ์

ซีรีย์ RP มีความต้านทานกำมะถันดีกว่าซีรีย์ AT เนื่องจากกระบวนการปิดผนึกที่ได้รับการปรับปรุงดีขึ้น ข้อกำหนดการทดสอบกำมะถันสำหรับอุปกรณ์ RP มีขีดจำกัดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นที่ ±(2.0% + 0.05Ω) เทียบกับขีดจำกัด AT ที่ ±(4.0% + 0.05Ω) ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานจะน้อยลงอันเนื่องมาจากการสัมผัสกับกำมะถัน

โครงสร้างตัวต้านทานแบบใหม่ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตด้วยต้นทุนที่ต่ำลงและระยะเวลารอคอยที่สั้นลง

บทสรุป

ระบบยานยนต์ อุตสาหกรรม และโทรคมนาคม ต้องมีส่วนประกอบที่มีความแม่นยำซึ่งสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้อย่างน่าเชื่อถือ รวมถึงความชื้นสูงและบรรยากาศที่มีการกัดกร่อน ตัวต้านทานซีรีย์ AT และ RP ผ่านการรับรอง AEC-Q200 และเหมาะสมกับการใช้งานเหล่านี้ ซีรีย์ RP มีความทนทานต่อความชื้นและกำมะถันที่ดีขึ้น ราคาถูกลง และระยะเวลารอคอยสั้นลง ซีรีย์ AT นำเสนอค่าตัวต้านทานแบบเลือกได้พร้อมค่าความคลาดเคลื่อนที่ต่ำกว่าที่ ±0.01%, ±0.02% และ ±0.05%