Erweiterter Widerstandsbereich eröffnet neue Anwendungsbereiche

| Autor / Redakteur: Ryuji Hayashi * / Thomas Kuther

Eine typische Anwendung für Dünnschicht-Chipwiderstände: das Batteriemanagementsystem in Elektrofahrzeugen.
Eine typische Anwendung für Dünnschicht-Chipwiderstände: das Batteriemanagementsystem in Elektrofahrzeugen. (Bild: Susumu)

Mit dem Einsatz eines neuen hochohmigen Materials und der Anpassung des Patterns sowie über präziseres Trimmen konnte der Widerstandsbereich von Dünnschicht-Chipwiderständen erweitert werden.

Für Anwendungen in der Automobilelektronik, Medizintechnik oder Mess- und Prüftechnik werden hochpräzise und zuverlässige Widerstände benötigt. Gerade wenn die Widerstände zusätzlich harschen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, eignen sich hierfür Dünnschicht-Chipwiderstände wegen ihren exzellenten elektrischen Eigenschaften und hoher thermischer Langzeitstabilität.

Aufbau von Dünnschicht- Chipwiderständen

Dünnschicht-Chipwiderstände bestehen aus dünnen, metallischen Schichten, die meist durch Sputtern abgeschieden werden. Die Schichtdicken liegen in der Größenordnung von zehn bis wenigen hundert Nanometern. Die elektrischen Eigenschaften sind von verschiedenen Faktoren abhängig. Bei Metallen, die im Dünnschicht-Verfahren durch Sputtern zu einer Schicht geformt werden, ist im Gegensatz zu massiv verarbeiteten Metallen der spezifische Widerstand keine reine Materialkonstante, sondern abhängig vom Abscheideprozess, dem Untergrundsubstrat und der Schichtdicke.

So sind z.B. Widerstandswert und Temperaturkoeffizient eines Dünnschicht- Widerstandes von den Bedingungen während und nach dem Abscheideprozess abhängig. Natürlich ist auch das verwendete Material ausschlaggebend für die Qualität des Widerstands. Eingesetzt werden reine Metalle sowie Legierungen und Verbindungen aus Metallen. Über gezieltes Einbringen von Fremdatomen, z.B. bei Legierungen, kann der Temperaturkoeffizient angepasst werden.

Die 2003 von Susumu eingeführten Dünnschicht-Chipwiderstände der RG-Serie sind sehr resistent gegen hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und Verunreinigungen. Zudem sind sie rauscharm sowie äußerst langzeitstabil und weisen Widerstandstoleranzen von lediglich ±0,02% bis ±0,5% auf. Grund für die hohe Präzision und Zuverlässigkeit ist eine besondere anorganische Passivierung, die Susumu als Spezialist für Dünnschichttechnik mit dieser Serie eingeführt hat.

Breiterer Widerstandsbereich dank angepasster Parameter

Durch geschickte Anpassung verschiedener Parameter konnte Susumu den Widerstandsbereich der Serie nun erweitern. Für den Widerstand RG2012 betrug der höchste Wert 1 MΩ. Jetzt ist dieser Widerstand mit bis zu 2,7 MΩ erhältlich. Auch das Limit des RG3216 lag bei 1 MΩ. Dieser Wert wurde sogar auf 5,1 MΩ erweitert. Weitere Verbesserungen zeigt Tabelle 1.

Bereits für die RG-Serie hatte Susumu eine spezielle NiCr-Legierung entwickelt. Für die Serie mit höheren Widerstandswerten wird ein neues hochohmiges Material verwendet. Durch eine zusätzliche Verringerung der Schichtdicken wurde der Flächenwiderstand der neuen Folien auf 500 Ω/m2, und somit auch der Absolutwert, vergrößert.

Auch über die Länge der Leiterbahnen lässt sich der Wert des Widerstands bestimmen. Mithilfe von fotolithografischen Verfahren ist es nun möglich, noch feinere Strukturen herzustellen: Der Leiterbahnabstand wurde beispielsweise bei RG2012 von 14 µm auf nur noch 10 µm verringert.

Ein weiteres Merkmal von Widerständen in Dünnschichttechnik ist die Möglichkeit, den Absolutwert des Widerstands durch Lasertrimmen anzupassen. Dazu werden verschiedene Strukturmuster – von grob bis fein – nacheinander und zum Teil mehrfach getrimmt, um dem gewünschten Wert Schritt für Schritt näher zu kommen.

Durch geschicktes Anpassen dieser Faktoren ist es Susumu gelungen, den Widerstandswert der RG-Reihe zu erweitern. Obwohl ein anderes Material verwendet wurde als bei der NiCr-basierenden Baureihe, besitzt die hochohmige Baureihe die gleichen hervorragenden elektrischen Eigenschaften (Tabelle 2). Möglich wird dies durch die bereits bei der alten RG-Baureihe eingesetzte schützende, anorganische Passivierung.

URG-Serie für noch höhere Anforderungen

Diese Widerstände erfüllen die Bedürfnisse von Kunden, die zuverlässige Dünnschicht-Chipwiderstände mit hoher Präzision und hoher Stabilität benötigen. Eine typisches Beispiel ist das Batteriemanagement von 48-V-Lithium-Ionen-Akkus in Automotive-Anwendungen.

Für noch höhere Anforderungen hat Susumu die Serie URG geschaffen. Einmal wurde die Toleranz auf ±0,01% eingeengt, wobei der Temperaturkoeffizient nur noch 1 bis 2 ppm/K beträgt. Die in den Baugrößen 0603 bis 2512 lieferbaren Widerstände mit Nennleistungen von 0,063 bis 0,75 W bei 100 bis 300 V im Bereich –55 bis 155 °C überdecken den Wertebereich von 10 Ω bis 200 kΩ und die Zuverlässigkeit ist höher als bei der RG-Serie. So beträgt die Drift weniger als ±0,02%. Haupteinsatzgebite sind die Präzisionsmeßtechnik, die Medizintechnik, die Industrieelektronik und die Autoelektronik.

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* Ryuji Hayashi ist Salesman bei der Susumu Deutschland GmbH in Eschborn.

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