Schichtwiderstand
Ein Schichtwiderstand ist eine Bauart eines elektrischen Widerstands in elektronischen Schaltungen, bei dem das Widerstandselement als dünne Schicht auf einem Träger aufgebracht ist. Im Aufbau besteht der Schichtwiderstand aus einem elektrisch nicht leitenden, meist keramischen Kern als Trägermaterial, der mit einer Schicht aus einem Widerstandmaterial und zwei metallenen Anschlüssen versehen ist. Die dünne Schicht erlaubt aufgrund der geringen Querschnittsfläche höhere Widerstandswerte; nochmals höhere Widerstandswerte werden mit Hilfe einer Wendel- oder Mäanderstruktur in der Widerstandsschicht erreicht, die die Querschnittsfläche weiter reduziert und zugleich den Strompfad verlängert. Ein Abgleich des elektrischen Widerstandwertes ist durch Schleifen, Sandstrahlen, Elektronenstrahl- oder Laserabtrag der Widerstandsschicht möglich. Die Schichtwiderstände werden neben ihren elektrischen Eigenschaften nach dem Material der Widerstandsschicht, nach der Herstellungstechnik und der Bauform klassifiziert. Sie sind die am häufigsten genutzte Widerstandsbauart in der Elektronik.
Während bis in die 1970er Jahre Kohleschichtwiderstände als kostengünstigstes Bauelement überwiegten, wurden sie in dieser Rolle durch Dickfilmwiderstände abgelöst,[1] die zudem bessere elektrische Eigenschaften wie Fertigungstoleranz und Temperaturkoeffizient des Widerstandes aufweisen. Für Präzisionsanwendungen eignen sich Metall-Dünnfilmwiderstände; sie können im Vergleich zu Dickschichtwiderständen mit nochmals
- höherer Genauigkeit gefertigt werden, und können eine
- geringere Alterung, ein
- geringeres Strom- bzw. Spannungsrauschen, eine
- geringere Abhängigkeit von Temperatur anderen Umwelteinflüssen
- aber auch eine geringere Impulsfestigkeit aufweisen.
Übliche Fertigungstoleranzen und Temperaturkoeffizienten sind bei
- Kohleschicht: [2]
- Dickschicht: [3]
- Metallschicht: [2]
Metallschicht bzw. Dünnfilmwiderstände liegen in den Kosten über denen von Dickschichtwiderständen. Beide Bauweisen werden auch in Form eines Widerstandsnetzwerkes angeboten; insbesondere bei ersteren können dabei Toleranz und Temperaturkoeffizient zwischen den Widerständen des Netzwerkes verringert werden. Zudem können Metallschichtwiderstände, insbesondere in Form von Netzwerken, eine geringere Ausfallrate als Kohleschicht-, Metalloxidschicht- oder Drahtwiderstände aufweisen; die Ausfallrate liegt je nach Betriebstemperatur bei unter 1 Ausfall in einem Zeitintervall von einer Milliarde Stunden.
Bauform
BearbeitenNach Bauform unterscheidet man für Leiterplattenmontage zylindrische und flache, quaderförmige Geometrien, jeweils bedrahtet für die Durchsteckmontage oder unbedrahtet für die Oberflächenmontage sowie Bauformen für eine sogenannte Chassismontage. Bauformen für Leitplattenmontage werden in unterschiedlichen Größen im Millimeter- und Zentimeterbereich und dadurch für elektrische Leistungen im oberen Milliwatt- und im Wattbereich angeboten. Die kurzzeitige Belastbarkeit kann insbesondere bei manchen Dickfilm- oder Kohleschichtwiderständen deutlich größer sein, bspw. über ein Kilowatt für eine Millisekunde.[4][5][6] Kohleschicht- und Dünnschichtwiderstände[7] können auch mit Sicherungsfunktion gefertigt werden und unterbrechen dann bei Überlastung den Stromfluss, ohne einen Brand zu verursachen. Filmwiderstände für Chassismontage weisen häufig ein komplexeres Gehäuse auf, über das Wärme an das Chassis abgeführt werden kann; dauerhafte elektrische Leistungen von mehreren hundert Watt sind damit möglich.[8]
Alternativ zu diskreten Bauelementen können Dickschichtwiderstände auch als gedruckte Elemente in Hybridschaltungen eingesetzt werden. Dünnfilmwiderstände werden in ähnlicher Weise in integrierten Schaltungen verwendet.[9] In beiden Fällen ist eine Trimmung des Widerstandwertes mittels Laserschnitt möglich, wie es auch in den beiden nachfolgenden Bilder zu sehen ist.
-
Hybridschaltung mit gedruckten Schichtwiderständen (schwarz)
-
Ein integrierter Schaltkreis mit Dünnfilmwiderständen (grün)[10]
Widerstandsschicht
BearbeitenKohleschichtwiderstand
BearbeitenBei Kohleschichtwiderständen wird als Widerstandelement eine polykristallinen Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 10 nm bis 40 µm[2] auf einen kleinen Keramikzylinder durch Pyrolyse aufgebracht. Dafür werden die Keramikträger auf etwa 1000 °C erhitzt und in eine Kohlenwasserstoffatmosphäre wie Methan gebracht, welche sich durch die hohe Temperatur zersetzt und dabei den Kohlenstoff auf dem Keramikträger ablagert. Um den Widerstandswert zu erhöhen, wird anschließen in die Kohlenstoffschicht eine helixförmige Unterbrechung mittels Laser oder Diamantschneider eingebracht,[11] wodurch für den Stromfluss längere Bahnen mit weniger Querschnittsfläche entstehen. Auf die Zylinderenden werden dann metallischen Kappen aufgepresst, welche die Widerstandschicht elektrisch kontaktieren und an denen Anschlussdrähte angeschweißt sind, über die der Widerstand durch eine Lötverbindung sowohl elektrisch mit der Schaltung verbunden als auch mechanisch getragen wird. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse ist der Widerstand meist mit einer Lackschicht versehen.
Kohleschichtwiderstände wurden in den 1920er Jahren von Siemens & Halske entwickelt und ab den 1930er Jahren von mehreren Firmen in Deutschland hergestellt.[12]
Metallglasurwiderstand
BearbeitenBei Metallglasurwiderständen wird die Widerstandsschicht mit einer Dicke von etwa 10 µm durch Aufbringen und Brennen einer Glas-Metall-Suspension auf einem Träger bei Temperaturen zwischen 900 und 1100 °C hergestellt. Die Widerstandsschicht wird wie bei Kohleschicht- und Metalloxidwiderständen mit einer Helixstruktur versehen; die Enden des Trägers werden vernickelt und mit Anschlussdrähten verlötet.[11]
Metalloxidwiderstand
BearbeitenFür das Widerstandselement von Metalloxidwiderständen wird häufig Antimon-dotiertes Zinn(IV)-oxid mit einer Schichtdicke von 1 nm bis 100 nm[11] nach anderen Quellen von 1 µm[2] verwendet. In einem Herstellungsverfahren wird das Zinn und das Antimon als Chloridsalz auf einen als Träger fungierenden Glasstab aufgesprüht und bei etwa 1000 °C dann in die Widerstandsschicht umgewandelt. Die Weiterverarbeitung zum Bauelement erfolgt wie bei dem Kohleschichtwiderstand.
Metalloxidwiderstände etablierten sich in den 1950er Jahren als stabiliere Alternative gegenüber Kohleschicht- und Metallglasurwiderständen.[13]
Metallschichtwiderstand
BearbeitenBei der als Metallschicht-, Metallfilm- oder Dünnfilmwiderstand bezeichneten Bauart[1] wird das Widestandselement als dünne Schicht von meist 10…100 nm Dicke[2] durch Sputtern auf einem Träger aufgebracht. Dünnfilmwiderstände wurden seit den 1950er Jahren entwickelt und setzen meist die Materialkombination Nickel und Chrom oder Tantalnitrid für die Widerstandschicht ein, wobei mit Widerstandsschichten aus Nickel-Chrom die geringere Temperaturabhängigkeit und damit eine kleinere Toleranz erreicht werden kann. Die Strukturierung der Widerstandsschicht kann durch Photolithographie oder Laserablation erfolgen. Zum Schutz vor Feuchtigkeit werden Nickel-Chrom Widerstandsschichten mit mitunter mehreren verschiedenen Schutzschichten versehen oder hermetisch in einem Gehäuse verschlossen, während Widerstandsschichten aus Tantalnitrid eine Schutzschicht aus Tantalpentoxid ausbilden und dadurch eine hohe Beständigkeit gegen Feuchtigkeit aufweisen.[3][13]
Bereits im Jahr 1913 wurden gesputterte Metallschichtwiderstände[14] und 1919 höherohmige spiralförmige Metallfilm-Widerstände erfunden,[15] in den 1940er und 1950er Jahren beispielsweise bei der International Resistance Company (IRC) Nickel-Chrom-[16][13][17][18][19] und bei den Bell Labs Tantalschichten.[20][13]
Dass dünne Metallfilme abweichende, vorteilhafte Widerstandseigenschaften aufweisen im Vergleich zur Berechnung aus dem spezifischen Widerstand des Materials, wurde verschiedentlich untersucht[21] und modelliert. Grundlegende Arbeiten stammen von Fuchs[22] und Sondheimer[23] aus den Jahren 1938 und 1952, die in der Folgezeit weiter verfeinert wurden.[24][25][26]
Dickschichtwiderstand
BearbeitenBei einem Dickschichtwiderstand wird die Widerstandschicht als Paste in einem Siebdruckverfahren aufgebracht und dann bei etwa 850 °C[1] zu einer Widerstandsschicht gebrannt.[27] Die Paste beinhaltet Rutheniumdioxid oder ähnliche Materialien zusammen mit Glaspartikel, aus denen die Widerstandschicht mit einer Dicken je nach Quelle von 25 µm oder rund 100 µm hergestellt wird.[3][1]
Die widerstandsbehaftete Stromleitung zwischen den Partikeln kann auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen.[28]
Literatur
Bearbeiten- Otto Zinke: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer Verlag, Berlin 1965, ISBN 3-540-03434-X (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ a b c d https://eepower.com/resistor-guide/resistor-materials/thin-and-thick-film/
- ↑ a b c d e Michael Reisch: Elektronische Bauelemente. 2013, S. 80–81 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ a b c https://passive-components.eu/metal-thin-film-foil-thick-film-and-carbon-resistors/
- ↑ https://www.viking.com.tw/Templates/att/SWR_Series.pdf
- ↑ https://www.ohmite.com/assets/docs/res_tfss.pdf?r=false
- ↑ https://www.vishay.com/docs/28956/cma0204-cmb0207.pdf
- ↑ https://www.ttelectronics.com/TTElectronics/media/ProductFiles/Datasheet/EMC.pdf
- ↑ https://www.ohmite.com/assets/docs/res_tgh600.pdf?r=false
- ↑ https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina149.pdf
- ↑ https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad558.pdf
- ↑ a b c F. F. Mazda: Discrete Electronic Components. 1981, S. 55–58 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ https://www.google.de/books/edition/Electronic_Inventions_and_Discoveries/PbYgBQAAQBAJ?hl=de&gbpv=1&dq=carbon%20film%20resistor%201930&pg=PA95&printsec=frontcover
- ↑ a b c d Stephen Oxley, TT Electronics UK: Advances in Film Resistor Technology. In: EPCI e-symposium PCNS paper. (passive-components.eu).
- ↑ https://www.google.de/books/edition/Electronic_Inventions_1745_1976/7tsiAAAAMAAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=%20sputtered%20metal%20film%20resistor%20swann&dq=1919%20metal%20film%20resistor&printsec=frontcover
- ↑ https://www.google.de/books/edition/Electronic_Inventions_1745_1976/7tsiAAAAMAAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=1919%20metal%20film%20resistor&dq=1919%20metal%20film%20resistor&printsec=frontcover
- ↑ https://www.google.de/books/edition/Electronic_Inventions_1745_1976/7tsiAAAAMAAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=nickel%20chromium%20film%20resistor&dq=1919%20metal%20film%20resistor&printsec=frontcover
- ↑ R. H. Alderson, F. Ashworth: Vacuum-deposited films of nickel-chromium alloy. In: British Journal of Applied Physics. Band 8, Nr. 5, 1957, S. 205, doi:10.1088/0508-3443/8/5/305.
- ↑ Patent US2935717A: Metal film resistor and method of making the same. Angemeldet am 12. November 1957, veröffentlicht am 3. Mai 1960, Anmelder: International Resistance Company, Erfinder: Solow Benjamin.
- ↑ Patent US2586752A: Alloy resistance element and method for manufacturing same. Angemeldet am 26. September 1946, veröffentlicht am 19. Februar 1952, Anmelder: Polytechnic Institute of NYU, Erfinder: Weber Ernst, Johnson Stanley Adams.
- ↑ https://www.google.de/books/edition/Electronic_Inventions_and_Discoveries/PbYgBQAAQBAJ?hl=de&gbpv=1&bsq=bell%20labs%20tantalum%20film&printsec=frontcover
- ↑ https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/AD0765534.pdf
- ↑ K. Fuchs: The conductivity of thin metallic films according to the electron theory of metals. In: Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Band 34, Nr. 1, 1938, S. 100–108, doi:10.1017/S0305004100019952.
- ↑ E. H. Sondheimer: The mean free path of electrons in metals. In: Advances in Physics. Band 1, Nr. 1, 1952, S. 1–42, doi:10.1080/00018735200101151.
- ↑ Nai-Chuan Chuang, Jyi-Tsong Lin, Kow-Ming Chang, Tsung Ming Tsai: The Film Thickness Effect on Electrical Conduction Mechanisms and Characteristics of the Ni-Cr Thin Film Resistor. In: IEEE Journal of the Electron Devices Society 4(6):1-1. 2016 (researchgate.net).
- ↑ I. M. Pazukha, I. Yu. Protsenko: Theoretical Methods of Investigations of Thin Film Materials Properties. Study guide. Sumy State University, 2017 (archive.org [PDF]).
- ↑ A. Fert: Transport Properties of Thin Metallic Films and Multilayers. In: George C. Hadjipanayis, Gary A. Prinz (Hrsg.): Science and Technology of Nanostructured Magnetic Materials. 1991, S. 221–237 (springer.com).
- ↑ https://www.rohm.de/electronics-basics/resistors/chip-resistor-structure
- ↑ Maria Prudenziati: Electrical Transport in Thick Film (Cermet) Resistors. 1983, doi:10.1155/APEC.10.285.