CC BY
571
Буц В.П., Недорезов В.Г.
КЕРМЕТНЫЕ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Резисторные компоненты, изготавливаемые по керметной толстопленочной технологии, в настоящее время являются наиболее массовыми. Это связано с достаточно низкой ценой на данные пассивные изделия электронной техники, при одновременно высоких электрических и эксплуатационных характеристиках. Преимущество перед другими классами резисторов связано с особенностями технологии их изготовления, которая базируется как на элементах порошковой металлургии, так и на планарной полупроводниковой технологии. Этот симбиоз создает практически безотходную технологию при возможности обеспечения массового автоматизированного их производства.
В данной главе проводится анализ рынка керметных резисторных компонентов на основе продукции ведущих фирм в области резисторостроения, включая постоянные, подстроечные резисторы и наборы резисторов. С помощью керметной технологии также изготавливаются всевозможные элементы для датчи-ковой аппаратуры, однако, в данной монографии вопрос датчиков на основе керметных резистивных пленок рассматриваться не будет.
На основе проведенного анализа проводится классификация данных резисторов. Для классификации резисторов специалистами и фирмами используются различные подходы. В качестве определяющего фактора при классификации могут быть использованы назначение и область применения, конструктивное исполнение, технология изготовления функционального элемента резистора и др.
В качестве основополагающего классификационного признака нами при классификации используется тип монтажа изделий на плату, а именно, поверхностный или объемный. Поверхностный автоматизированный монтаж электронных компонентов в настоящее время является наиболее массовым, т.к. за счет его использования изготавливается большинство современной электронной аппаратуры с миниатюрными и суперминиатюрными параметрами и, соответственно, с пониженными энергопотреблениями и материалоемкостью.
Вторичным в предлагаемой классификации является конструктивное исполнение изделия. А именно, форма изделия, способ его соединения с печатной платой, способ крепления, конструктивные особенности узлов, входящих в состав резистора, тип и способ защиты и т.д. И конечным классификационным признаком является область использования, учитывающая характерные особенности электрических характеристик конкретного резисторного компонента. Это могут быть изделия общего применения, прецизионные резисторы, высоковольтные, высокомегаомные, низкоомные, мощные, и т.д. Предлагаемая классификационная схема является развивающейся, т.к. обеспечивает возможность ее дополнения в случае появления новых типов резисторных компонентов.
1. Постоянные керметные резисторы
Постоянные резисторы являются наиболее массовыми резисторными компонентами. При этом основную долю постоянных резисторов составляют резисторы, изготавливаемые по толстопленочной технологии. Постоянные керметные резисторы отличаются по назначению, конструкции, виду монтажа и т.д. Ниже после описания наиболее массовых представителей данных резисторов будет проведена классификация этого класса резисторов.
Поверхностный автоматизированный монтаж является в настоящее время наиболее массовым и прогрессивным технологическим процессом, с помощью которого изготавливается основная доля радио -,теле - ,аудио аппаратуры. Поэтому основной и наиболее массовой номенклатурой постоянных керметных резисторов являются чип - резисторы для автоматизированного поверхностного монтажа.
Данные резисторы представляют керамическую пластинку прямоугольной формы, с двумя нанесенными по торцам огибающими контактными площадками. Общий вид конструкции керметного чип - резистора для поверхностного монтажа приведен на рис. 1.
Размерный ряд чип - резисторов обычно включает следующие серии: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206,
1210, 2010, 2512. Геометрические, электрические и эксплуатационные параметры чип - резисторов
общего применения приведены в табл. 1.
Основной тенденцией развития изделий электронной техники является их миниатюризация. При этом с течением времени спрос на резисторы с большими массогабаритными характеристиками уменьшается и возрастает спрос на более миниатюрные изделия. На рис. 2 представлена тенденция изменения спроса на чип - резисторы для поверхностного монтажа, начиная с 1980 г. Из данной диаграммы следует что в ближайшее время основным используемым размерным рядом будут чип - резисторы серий 0201 и 0402. Ведущие компании мира уже сегодня имеют в освоении и серийном выпуске чип - резисторы с размерами
0,4 *0,2 мм, например, изделие ERJXG серии 1005 фирмы «Mаtsushita». По-видимому, через 3...4 года доля использования этих чип - резисторов будет соизмерима с чип - резисторами серий 0201 и 0402.
Доля, %
Рис. 1. Конструкция керметного толстопленочного чип Рис. 2. Изменение спроса на керметные чип
- резистора общего применения - резисторы для поверхностного монтажа
Таблица 1 Геометрические, электрические и эксплуатационные характеристики чип - резисторов общего применения
№ пп Размерный ряд Габаритные размеры, мм Мощность при 7 0°С, Вт Стабильность, % Диапазон сопротивлений, Ом Диапазон температур, °С
1 0201 0,6х0,3 1/20 1 1 О 10...106 -55.155
2 0402 1,0х0,5 1/16 - 1...107 -55.155
3 0603 1,6х0,8 1/10 - 1 1 о -55.155
4 0805 2,0x1,25 1/8 - 1...2,2-107 -
5 1206 3,2х1,6 1/4 - - -
6 1210 3,2х2,5 1/3 - - -
7 2010 5,0х2,5 3/4 - - -
8 2512 6,3х3,2 1 - - -
По чип - технологии изготавливаются не только чип - резисторы общего применения, но и резисторы специального назначения. К специальным чип - резисторам относятся прецизионные, низкоомные, сверхнизкоомные, высоковольтные, высокоомные и др.
Прецизионные чип - резисторы имеют стабильность сопротивления на уровне 0,5% и обычно средний диапазон сопротивлений 102...105 Ом
Низкоомные и сверхнизкоомные чип - резисторы обеспечивают сопротивление на уровне 0,05.1 Ом и 1.5 мОм, соответственно и изготавливаются из элементов размерных рядов 0805, 1206, 1210, 2010,
2512
Высокоомные и высоковольтные чип-резисторы изготавливаются из элементов размерных рядов 0805, 12 0 6. Высоковольтные чип - резисторы обычно перекрывают диапазон сопротивлений 10.107 Ом и рабочее напряжение до 4 0 0 В. Высокоомные чип - резисторы имеют сопротивление до 50 ГОм и обеспечивают
стабильность сопротивления на уровне 20% .
Для изготовления чип - резисторов специального назначения используются специальные резистивные пасты и специальные технологические приемы создания особых параметров у данных чип - резисторов.
Общим является то, что все чип - резисторы изготавливаются по одному размерному ряду и имеют одинаковые стандартизованные габаритные и установочные размеры (рис. 3 и табл. 2).
Производство чип - резисторов в настоящее время время составляет более 50 0 млрд. штук в год.
По данным статьи [ ], основной рынок чип - резисторов в настоящее время распределен между не-
сколькими мощными производителями данных пассивных компонентов. Рейтинг предприятий - производителей чип - резисторов возглавляет тайваньская фирма «Уадео» с объемом производства 22%, далее следуют японские фирмы «КОИМ», «Mаtsushita», «КОА», пятерку основных производителей замыкает фирма «Vishay» (США) (рис. 4). На долю этих пяти крупнейших корпораций приходится более 7 5% производства чип - резисторов (данные за 2001 г.).
□ Yageo □ Rohm □ Matsushita □ KOA
□ Vishay □ Kamaya □ Others
22%
23%
7%
17%
7% -----------
11% 13%
Рис. 3. Габаритные и установочные размеры чип - Рис. 4. Рейтинг предприятий-производителей чип резистора - резисторов
Параметрические ряды чип - резисторов различного назначения приведены в табл. 3.
С использованием керметных резистивных материалов изготавливается большая гамма дискретных резисторов для объемного монтажа различного назначения, обычно это специальные изделия: высокоомные и высоковольтные, мощные и сверхмощные, малоиндуктивные и низкоомные. Конструктивное исполнение их также отличается значительным многообразием. Это изделия с радиальными и аксиальными выводами, безвыводные резисторы, плоские резисторы с механическим креплением на плате и т.д.
Таблица 2 Габаритные размеры чип - резистора общего применения серии СЯСИ фирмы Vishay
Серия Размеры, мм Серия Размеры, мм
к Бн Б-н к Бн Б-н
\—1 ГО Ю 'sO \—1 ГО Ю 'sO
1 0 2 о 5 0 0 +1 6 5 0 0 +1 3 5 0 о +1 3 2 5 0 о +1 5 1 5 0 о +1 5 1 0 1 2 1—1 2 0 +1 2 2 0 +1 Ю Ю 0 о +1 Ю Ю 2 о +1 Ю 2 0 +1
О О о о о ГО CN о о о
2 0 4 о 5 0 0 +1 0 5 0 0 +1 5 5 0 о +1 5 3 5 0 о +1 5 2 5 0 0 +1 2 8 1 2 1—1 2 0 +1 2 Ю 1 0 +1 'sO Ю 0 о +1 Ю Ю 2 о +1 Ю 2 0 +1
\—1 о о о о ГО о о о
3 0 6 о Ю 0 О +1 Ю Ю 1 о +1 5 8 5 0 о +1 5 4 2 0 +1 3 2 0 +1 3 0 1 0 Ю 1 0 +1 0 Ю 1 0 +1 Ю Ю 0 0 +1 'sO 2 0 +1 'sO 2 0 +1 'sO
\—1 о о о о Ю CN о о о
5 0 8 о 1 0 +1 5 1 о +1 5 2 \—1 5 0 о +1 5 4 о 2 0 +1 3 о 2 0 +1 3 о 2 1 5 2 0 +1 ГО 'sO Ю 1 О +1 Ю 1 ГО Ю 0 0 +1 'sO о 2 0 +1 'sO о 2 0 +1 'sO о
15 05
1
lsO 0 0 ± 2 ± 5 ± 5 0 ± 3 0 ± 3
\—1 ГО \—1 о О О
Базовая конструкция аксиального дискретного резистора представлена на рис. 5. На керамическое основание цилиндрической формы методом трафаретной печати наносится резистивный слой. Обеспечение заданного значения номинального сопротивления достигается использованием специальных резистивных паст и за счет соответствующей формы резистивного элемента, которая обычно имеет вид спирали. Спиралевидный вид резистивного элемента обеспечивается трафаретной печатью с помощью соответствующей топологии трафарета. Меняя ширину и шаг спирали, можно в широких диапазонах регулировать величину сопротивления резистора. Обеспечение электрического контакта резистивного слоя в электрических схемах достигается с помощью вывода, который приваривается к металлическому колпачку. Данные колпачки с плотным натягом одеваются на торцы керамического основания. Для обеспечения надежного контакта на боковые края керамического основания в области контакта с колпачком может наноситься дополнительный контактный слой.
Таблица 3 Параметрические ряды чип - резисторов
Примечание: Числитель - чип-резисторы, выпускаемые зарубежными фирмами. Знаменатель - чип-
резисторы, выпускаемые отечественными предприятиями. Пустая клетка - отсутствие информации.
Резистивный элемент с выводами на армированных колпачках, если это требуется, подгоняется к заданной величине электрического сопротивления. Подгонка может осуществляться лазерным или механическим способом.
Сформированный резистивный элемент далее с помощью защитных покрытий изолируется от воздействий окружающей среды. Защитные покрытия могут быть на основе эпоксидных смол, органосиликатных покрытий, стеклянных защитных пленок и т.д.
На основе данной конструкции японской фирмой «TT Electronics» выпускаются прецизионные высоковольтные толстопленочные резисторы на керметной основе типа CGH мощностью от 0,25 до 5 Вт. Диапазон сопротивлений данных резисторов составляет от 100 кОм до 2000 МОм. Габаритные размеры (длина) от 7 до 80 мм.
Аналогичную базовую конструкцию имеют резисторы типа RGT с отрицательным ТКС на уровне 3 0 0 0^10-6 1/°С и используются в электрических схемах в качестве температурных компенсаторов.
Керметные резисторы с аксиальными выводами, в основном, используются для изготовления высоковольтных и высокомегаомных, прецизионных и полупрецизионных резисторов, обеспечивают сопротивление до 2 ГОм и мощность до 10 Вт.
Следующим типом дискретных керметных резисторов являются резисторы с радиальным размещением выводов (SIP конфигурация). Радиальные керметные резисторы имеют несколько базовых конструкций. Наиболее распространенными в настоящее время являются мощные планарные резисторы с радиатором, обеспечивающие электрическую мощность до 100 Вт. Базовая конструкция такого резистора представлена на рис. 6.
Данный резистор состоит из отпрессованного корпуса с керметным резистивным слоем внутри. Увеличенный теплоотвод за счет теплопроводности от тела резистивного элемента обеспечивается металлическим радиатором и мощными выводами. Резистор через отверстие в радиаторе с помощью крепежной оснастки плотно прижимается к электрической плате, что также увеличивает теплоотвод за счет теплопроводности.
Производством мощных резисторов занимаются следующие фирмы: «Coddack», «Ohmete» и «TT elec-
tronics». Наибольшее количество типоразмеров таких резисторов выпускается фирмой «Coddack», изготавливающей 8 групп резисторов: МР915, МР821, МР820, МР916, МР930, МР925, МР2080, МР9100 с пятью мощностями от 15 до 100 Вт.
Другие конструктивные исполнения радиальных высоковольтных, высокоомных резисторов представлены на рис. 7. Эти резисторы изготавливаются в трех вариантах.
Рис. 5. Базовая конструкция постоянного керметного резистора с аксиальными выводами
Рис. 6. Базовая конструкция мощного резистора с радиальными выводами
а б в
Рис. 7. Конструкции высоковольтных, высокоомных резисторов с радиальными выводами: а) -безвыводной; б) - с выводами незащищенной конструкции; в) - защищенная конструкция
Изделия фирмы «ТТ Еіе^гопісз» данного конструктивного исполнения типа БИУ 10 - 30 имеют сопротивление до 1 ГОм и электрическую мощность 1,0...3,0 Вт. В зависимости от мощности и типоразмеров радиальных резисторов крепление вывода на керамической плате резистора может осуществляться как с помощью вывода типа «вилочка», так и с помощью механического крепления вывода с последующей пайкой контактного узла.
Особое место в дискретных резисторах занимают мощные и супермощные керметные резисторы для поверхностного механического монтажа. Через специальный узел крепления в конструкции резистора с помощью крепежных деталей данный резистор плотно прижимается к плате или корпусу прибора. Соединение выводов с необходимыми точками электрической или энергетической схемы осуществляется гибкими проводами или кабелями. Максимальная электрическая мощность, рассеиваемая данными резисторами достигает 1000 Вт. На рис. 8 представлен типичный представитель данного класса мощных резисторов
серии ЯСИ фирмы «Vishay».
Вывод
крепления
Рис. 8. Мощный резистор серии ЯСИ фирмы «Vishay»
К постоянным резисторам для объемного монтажа относятся дискретные безвыводные керметные цилиндрические резисторы. Использование данных резисторов достаточно ограничено и они имеют специфическое применение.
На основе неполного анализа дискретных постоянных керметных резисторов, используемых в настоящее время, предлагается следующая система их классификации (рис. 9).
Дискретные резисторы иностранных фирм Дискретные резисторы выпускаемые оте-чественнной помышленностью
Рис. 9. Классификация постоянных керметных резисторов
2. Подстроечные керметные резисторы
Наиболее массовые подстроечные керметные резисторы изготавливаются по толстопленочной технологии. Резистивный элемент для подстроечных резисторов обычно имеет или прямоугольную или подковообразную топологию. Величина номинального сопротивления резистивного элемента подстроечного кер-метного резистора обеспечивается за счет применения паст различного удельного поверхностного сопротивления. Для подстроечных резисторов используются специальные резистивные пасты, отличающиеся низким и стабильным переходным сопротивлением между резистивным слоем и контактной пружиной, имеющие диапазон удельных поверхностных сопротивлений от 1 до 5^10б Ом/Ш. Внешний вид подстроечного резистора может быть самым разнообразным от простых прямоугольных и квадратных, до цилиндрических и более сложной формы.
По кинематической схеме перемещения контактной пружины относительно резистивного элемента под-строечные керметные резисторы также отличаются большим разнообразием:
однооборотные с круговым перемещением;
многооборотные с круговым перемещением.
многооборотные с линейным перемещением.
Реализация данных кинематических схем достигается за счет различных технических решений.
Наиболее старой конструкцией подстроечного резистора является конструкция роторного типа, когда за один оборот вращения регулировочного винта контактная пружина совершает один полный оборот
вдоль резистивного элемента. Данная кинематическая схема реализуется для открытых и закрытых резисторов, разработка которых осуществлялась в недалеком прошлом. Для подстроечных керметных резисторов открытого типа данный вид кинематической схемы является на сегодня единственным (рис. 10).
Для обеспечения плавной регулировки подстроечного резистора в настоящее время используются многооборотные резисторы с различными кинематическими вариантами исполнения.
Таких кинематических схем можно выделить три:
1. Подстроечный резистор кругового вращения с червячным механизмом (рис. 11, 12).
2. Подстроечный резистор кругового вращения с шестеренчатым механизмом (рис. 13).
3. Подстроечный резистор с прямолинейным перемещением с использованием пары «винт - гайка»
(рис. 14).
Вращение контактной пружины вдоль резистивного элемента с шестеренчатым механизмом обеспечивается за счет пары шестерен, одна из которых находится на валу вращения, а вторая - на роторе (подвижном диске) с закрепленной на ней пружиной. Шестерня на валу вращения (ведущая) имеет меньше число зубьев, чем шестерня ведомая. Поэтому величина коэффициента редукции обеспечивает уменьшение числа оборотов резистивной контактной пружины вдоль резистивного элемента. Обычно число оборотов в таких подстроечных резисторах не превышает пяти. Как видно из рис. 13, на котором приведена упрощенная схема такого резистора, данная кинематическая схема отличается значительной сложностью и содержит достаточно много комплектующих по сравнению с другими конструктивными исполнениями подстроечных резисторов.
Учитывая ограниченные возможности конструкции резисторов с шестеренчатым механизмом, в части числа оборотов, и также его сложность, наиболее предпочтительной в настоящее время является конструкция резистора с червячным механизмом вращения (рис. 11, 12). Во время подстройки резистора
при вращении червячного вала его вращение передается червячному колесу. В зависимости от коэффициента редукции червячной пары в данных резисторах обеспечивается число оборотов регулировочного винта для обеспечения одного полного оборота резистора от 10 до 25. Данный резистор также имеет более простое конструктивное исполнение по сравнению со схемами 2 и 3 (рис. 13, 14).
Рис. 10. Конструкция малогабаритного однооборотного резистора открытого типа: 1- контакт №3; 2
- контакт № 1; 3 - ротор; 4 - контакт № 2; 5 - контактная пружина; 6 - резистивный элемент; 7 -
керамическое основание
Конструкция резистора с линейным перемещением контактной пружины (рис. 14) не позволят реализовывать миниатюрные габаритные параметры, что требуется сегодня для современной аппаратуры. Коэффициент редукции в данных типах резисторов обеспечивается за счет пары «винт-гайка» и позволяет получать резисторы с числом оборотов 10-25.
Основные тенденции современного развития подстроечных керметных резисторов, как и других электронных компонентов, состоят в миниатюризации (снижение массогабаритных размеров) и создании изделий для автоматизированного поверхностного монтажа. Изделия, выпускаемые передовыми зарубежными фирмами, в полной мере удовлетворяют данным требованиям.
Рис. 11. Конструкция малогабаритного подстроечного резистора для поверхностного монтажа с червячным механизмом вращения: 1 - контакты №1 и №3; 2 - контактная пружина; 3 - червячное колесо; 4
- червячный вал; 5 - корпус; б - контакты №2; 7 - резистивный элемент; 8 - керамическое основание
Рис. 12. Конструкция малогабаритного подстроечного резистора для объемного монтажа с червячным механизмом вращения: 1 - червячное колесо; 2 - корпус; 3 - червяк; 4 - вывод; 5 - контактная пружина; б - резистивный элемент; 7 - керамическое основание
Рис. 13. Конструкция малогабаритного 4 - оборотного подстроечного резистора для объемного монтажа с механизмом на основе шестеренчатой пары: 1 - керамическое основание; 2 - резистивный эле-
мент; 3 - ротор; 4 - шестерня; 5 - вал со шлицом; б - корпус; 7 - диск; В - вставка; 9 - контактная пружина; 10 - вывод
Рис. 14. Конструкция подстроечного резистора для объемного монтажа с механизмом вращения «винт
- гайка»: 1 - гайка - упор; 2 - винт; 3 - корпус; 4 - вывод; 5 - резистивный элемент ; 6 - кон-
тактная пружина; 7 - керамическое основание
На основе проведенного анализа конструктивных особенностей керметных подстроечных резисторов предлагается следующая классификация данных резисторов. В качестве первоочередного отличительного критерия при классификации подстроечных керметных резисторов, также как и для постоянных резисторов, использовался способ их монтажа на печатной плате. В зависимости от способа монтажа подстро-ечные резисторы подразделяют на резисторы для поверхностного и объемного монтажа (рис. 15).
Резисторы для поверхностного монтажа бывают открытого и закрытого типа. Резисторы открытого типа являются однооборотными и в настоящее время являются самыми миниатюрными в данном классе. Минимальные габаритные размеры подстроечных резисторов для поверхностного монтажа составляют менее 3 мм (2.1* 2,7), так называемые - 2 мм SMD подстроечные резисторы. Они выпускаются японскими фирмами ROHM - изделие типа MVR22, MuRata - изделия типов PVZ2A PVZ2K, Hokuriku - изделия типа VG025CHXT и американской фирмой Bourns - изделия типов 3302, TC22 и др. Выпуск резисторов серии 2 мм SMD освоен небольшим количеством фирм, т.к. для этого необходим высочайший уровень прецизионных технологий. При этом данные резисторы могут монтироваться регулировочным валом как вверх, так и вниз (рис. 10).
Габаритные и установочные размеры для суперминиатюрного резистора для поверхностного монтажа типа MVR22 фирмы ROHM представлены на рис. 16 и табл. 4.
Закрытые подстроечные резисторы для поверхностного монтажа могут иметь регулировочный винт для подстройки сверху или с торца резистора. Использование того или иного варианта зависит от конкретного расположения резистора на печатной плате. Минимальные геометрические параметры, достигнутые для этих изделий, составляют в настоящее время «3x3 мм. Лидерами в технологии данных резисторов также являются известные японские фирмы ROHM, TT Elektronics, MuRata. В лучших образцах подстроечных керметных резисторов реализуется кинематическая схема на основе червячной пары (рис.
11, 12).
Изготовление такого ряда подстроечных резисторов невозможно без уникального сверхпрецизионного оборудования по формообразованию. Корпусные детали изготавливаются из специальных термопластичных материалов с помощью уникальной оснастки на специальных термопластавтоматах, обеспечивающих изготовление деталей с допусками на уровне 0,05.0,1 мм.
Особо необходимо остановиться на конструкции контактной пружины, от качества которой зависят эксплуатационные характеристики керметных миниатюрных подстроечных резисторов. В 70 -е и 80 - е гг. ХХ века контактные пружины изготавливались с помощью вырубных штампов. Данная технология формообразования контактных пружин не позволяет изготавливать контактные пружины современных резисторов, т.к. ширина «лапок» контактирования, получаемая с использованием традиционной штамповки, сегодня соизмерима с шириной контактной пружины. В связи с этим для увеличения точек контактирования в миниатюрных резисторах стали использоваться многолапковые пружины, изготавливаемые из проволок на основе контактных сплавов. Диаметр используемых проволок составляет 100.200 мкм, что позволяет на базе 1 мм получить 5.10 независимо перемещающихся контактных «лапок».
Сверху С торца
Однооборотные с роторным механизмом Однооборотные с роторным механизмом
4 - оборотные с шестеренчатым механизмом «И 4 - оборотные с шестеренчатым механизмом *
Многооборотные с червячным механизмом ф Многооборотные с червячным механизмом
Многооборотные с механизмом “винт-гайка” Многооборотные с механизмом ‘‘винт-гайка” *
Рис. 15. Классификация керметных подстроечных резисторов
Рис. 16. Габаритные и установочные размеры суперминиатюрного резистора 2 мм SMD серии для поверхностного монтажа типа MVR22 фирмы ROHM:
- керамическое основание на основе оксида алюминия;
- контактная пружина из пружинного сплава;
- контакт из нержавеющей стали с гальваническим покрытием;
- защитное стеклянное покрытие;
- контактные площадки на основе толстопленочного проводникового слоя из палладия-серебра, покрытого оловянным припоем;
- защитная органическая пленка Таблица 4
Габаритные и установочные размеры суперминиатюрного резистора типа MVR22 фирмы ROHM (мм)
A B C D E F G
2,0 -0,05 0,65+0,1 2,7+0,15 2,0—0— -0,05 1,35005 0 0,4005 0 0,64-^ -0,1
H I J K L M N
1,45+0,06 0, 5+0,1 0,85+0,1 0,65+0,1 0,65+0,1 0,9 + 0,1 1,17—0— -0,05
O
0, 5+0,1
Упрощенная конструкция данной контактной пружины приведена на рис. 17а. Для обеспечения механической целостности контактной пружины используются пластинки - жесткости (одна или две), которые с помощью контактной сварки соединяются с пакетом набранных проволок. Данные пластинки - перемычки привариваются к проволокам при формировании полотна, а после формообразования контактной пружины на ней остается одна или две пластинки жесткости.
Для изготовления таких многолапковых проволочных пружин используются специальные автоматы. Эти автоматы формируют полотно из контактных проволок и разваривают пластины - перемычки на изготовленное полотно. Формообразование контактных пружин осуществляется с помощью гибочных прецизионных штампов. Технологические пластинки - перемычки в процессе гибки или после ее удаляются. Технология получения проволочных контактных пружин дискретная, что является ее недостатком.
В современных конструкциях переменных резисторов используется так называемая беззазорная контактная пружина на основе тонкой ленты из контактных сплавов (рис. 17б). Технология изготовления беззазорных контактных пружин лишена недостатков технологии многопроволочных контактов. Принципиально данная технология является непрерывной. Лента с изготовленными контактными пружинами может являться технологическим носителем и использоваться в процессе автоматизированной сборки подстро-ечных резисторов. Конструктивная целостность такой пружины обеспечивается самой пружиной и не требуется дополнительных соединительных элементов и узлов жесткости. Изготовление данных контактных пружин основано на использовании уникального прецизионного оборудования и оснастки, а сама технология является «ноу-хау» фирм изготовителей.
Пластинка жесткости
а) б)
Рис. 17. Многолапковые контактные пружины: а) - из проволочных контактных сплавов; б) - из
контактных сплавов на основе тонкой ленты
В данной конструкции пружины также, как и в проволочной многолапковой пружине, каждая из лапок перемещается самостоятельно и независимо, что обеспечивает в подстроечном резисторе увеличение точек контактирования, и, соответственно, увеличивает количество а - пятен при перемещении контактной пружины по телу резистивного слоя. Количество а -пятен приводит к уменьшению сопротивления стягивания [ ], и снижению величины переходного сопротивления в системе «контактная пружина -резистивный элемент» и, в конечном итоге, сказывается на качестве данных изделий.
Сборка подстроечных резисторов включает несколько основных операций. Рассмотрим стадии сборки на примере отечественного резистора РП1-85, разработанного «НИИ электронно-механических приборов» (г. Пенза).
Данный резистор относится к подстроечным резисторам закрытого типа с кинематической схемой на основе червячной пары и состоит из следующих основных деталей: корпуса, червячного колеса, кон-
тактной пружины, регулировочного винта, керамической платы с резистивным элементом и выводной рамки (рис. 18).
v.'#!
**
I
Рис. 18. Детали и узлы подстроечного резистора типа РП1-75
Сборка резистора начинается с установки регулировочного винта 5 в корпус резистора и его фиксации. Червячное колесо 3 устанавливается на ось в корпусе резистора, вводится в зацепление регулировочным винтом (червяком) и фиксируется на оси. Собранный узел корпуса с червячным колесом и регулировочным винтом 5 представлен на рис. 18. Контактная пружина 4 устанавливается на ось корпуса и фиксируется с помощью специального уступа на оси корпуса и усика, расположенного на контактной пружине.
Следующим основным узлом является резистивный элемент с выводами. Резистивный элемент 1 с резистивным слоем и контактными площадками изготавливается с помощью толстопленочной печати и формируется высокотемпературным обжигом. Выводная рамка 6 для резисторов изготавливается методом штамповки и последующим нанесением на нее гальванического покрытия. Соединение выводов с резистивным элементом осуществляется пайкой. Перед началом пайки происходит удаление верхней технологической перемычки, а после того, как вывода припаиваются к контактным площадкам резистивного элемента, удаляется и нижняя технологическая перемычка.
Резистивный элемент с выводами укладывается в специальное гнездо корпуса резистора, фиксируется и герметизируется различными технологическими методами (заливка, сварка специальной крышки к корпусу и т.д.).
Последней технологической операцией является маркировка изделия. Внешний вид собранного резистора РП1-85 7 показан на рис. 18.
Научно-исследовательским институтом электронно-механических приборов (г. Пенза), начиная с начала 8 0-х годов ХХ века, разработана широкая гамма подстроечных резисторов на основе толстопленочной технологии:
резисторы открытого типа для поверхностного монтажа. Изделие типа РП1-75 (SMD серия) с габаритными размеры 4,7х3,9 мм; 5,5*4,8 мм;
резисторы для объемного монтажа с роторным механизмом вращения, закрытого типа с верхним и торцевым расположением регулировочного винта. Изделие типа РП1-60 с габаритными размерами 4,7*3,9 мм; 5,5* 4,8 мм;
резисторы для объемного монтажа с роторным механизмом вращения, закрытого типа с верхним расположением регулировочного винта. Изделие типа СП3-44 с габаритными размерами диаметром 5,6 и
высотой 4 мм;
резисторы для объемного монтажа с роторным механизмом вращения, открытого типа с верхним и торцевым расположением регулировочного винта. Изделие типа РП1-61 с габаритными размерами 12,2*10 мм;
резисторы для объемного монтажа с червячным механизмом вращения, закрытого типа с верхним и
торцевым расположением регулировочного винта. Изделие типа РП1-85 с габаритными размерами 11,4*10 мм;
резисторы для объемного монтажа с червячным механизмом вращения, закрытого типа с верхним и
торцевым расположением регулировочного винта. Изделие типа РП1-85 с габаритными размерами 11,4*10 мм;
резисторы для объемного монтажа с механизмом вращения «винт - гайка». Изделие типа РП1-4 8, РП1-53 с габаритными размеры 12*4 мм и 28*11, соответственно;
резисторы для поверхностного монтажа с червячным механизмом вращения, закрытого типа с верхним и торцевым расположением регулировочного винта. Изделие типа РП1-314.
Проведенный анализ керметных подстроечных резисторов показал, что НИИ электронно-механических приборов разработана практически вся номенклатура изделий данного класса, приведенная на рис. 15, за исключением подстроечных резисторов с шестеренчатым механизмом вращения. Подробные характеристики резисторов разработанных в НИИ электронно-механических приборов приведены в приложении.
Однако, массогабаритный ряд отечественных подстроечных резисторов значительно уступает изделиям выпускаемым ведущими зарубежными фирмами. Одна из ведущих фирм по разработке и производству подстроечных резисторов «Bourns» выпускает более 50 типов резисторов различного конструктивного исполнения и массогабаритных параметров. Особенно, значительное отставание отечественных производителей резисторов наблюдается в разработке и производстве суперминиатюрных резисторов закрытого и открытого типа для поверхностного монтажа, которые являются в настоящее время наиболее востребованными изделиями.
3. Наборы керметных резисторов
Необходимость разработки и производства наборов резисторов продиктована многими факторами: техническими, эксплуатационными и экономическими. Использование наборов резисторов обеспечивает увеличение плотности монтажа по сравнению с дискретными резисторами. В одних и тех же габаритах на резистивной плате может быть сформирована увеличенная их плотность за счет уменьшения соединительных проводниковых и присоединительных элементов между ними и печатной платой. Элементы набора резисторов и их внутренние и наружные соединения формируются в едином технологическом цикле за счет толстопленочной керметной технологии, поэтому значительно повышается их надежность по сравнению с дискретными резисторами. Учитывая единый технологический цикл изготовления наборов резисторов, они имеют незначительный разброс параметров на плате, что особенно важно, когда данные наборы резисторов используются в качестве делителей напряжения или резистивных сеток типа R/2R. Если абсолютное значение температурного коэффициента сопротивления керметных резисторов может
2
достигать ±100^10 6 1/°C и более, но температурный коэффициент отношения обычно не превышает более (20.50) 1/°C, что резко повышает точностные параметры изделий данного класса.
Уменьшается количество монтажных операций на печатной плате по сравнению с монтажом дискретных элементов. Не менее маловажным фактором является применение для изготовления наборов резисторов стандартных унифицированных корпусов, что позволяет использовать единое сборочное и монтажное оборудование, которое применяется для монтажа наиболее массовых изделий электронный техники, интегральных полупроводниковых микросхем.
Стоимость наборов резисторов также значительно ниже, в пересчете на один дискретный резистивный элемент, т.к. керметные резисторы изготавливаются на основе элементов планарной полупроводниковой технологии, что позволяет автоматизировать и механизировать их процесс изготовления.
На основе анализа рынка керметных наборов резисторов проводится их классификация, взяв за первоочередной отличительный квалификационный признак вид монтажа изделия на печатной плате.
Учитывая, что в настоящее время основным методом сборки резисторных компонентов является автоматизированный поверхностный монтаж. Рассмотрение наборов резисторов начнем с изделий для поверхностного монтажа. Наборы резисторов для поверхностного монтажа отличаются большим разнообразием и делятся на корпусированные изделия и чип - наборы. Базовыми конструкциями корпусированных наборов резисторов для поверхностного монтажа являются изделия в SOT, SOMC, QSOIC корпусах. Отличие данных корпусов друг от друга состоит в некоторых конструктивных особенностях их выводных контактов (рис. 19).
Обычно, данные корпуса имеют выводную рамку с 16 контактами, размеры корпусов и рассеяния (шаг) между контактами нормируются в соответствии с международными стандартами и типичный шаг между выводами составляет 1,27 мм.
Рис. 19. Внешний вид габаритные и установочные размеры наборов резистора в QSOIC корпусе с шагом 1,27 мм
Типичнее характеристики наборов керметных резисторов следующие: стандартный диапазон сопротивлений - 10...106 Ом; стандартное изменение сопротивления при 25 °С - 2%; диапазон рабочих температур - минус 55...+ 125 °С; температурный коэффициент сопротивления - ±10 0^10-6 1/°С; максимальное напряжение - 50 В.
Схемные реализации соединения резисторов в наборах могут быть в виде отдельных резисторов (А), с общим выводом (Б), по схеме делителя напряжения (В) и другим вариантам (рис. 20).
К поверхностно монтируемым наборам резисторов относятся резисторы с планарно расположенными выводами, отечественный корпус типа 405.25-2. Данные корпуса имеют 12 выводов, которые расположены с двух сторон корпуса с шагом 1,25 мм. Недостаток данных корпусов состоит в том, что они не предназначены для автоматизированного монтажа.
Пожалуй, самыми массовыми керметными наборами резисторов являются чип - наборы резисторов.
Рис. 20. Варианты схемных соединений резисторов в наборе
При этом выпускаются два типа вариантов чип - наборов резисторов, так называемых SON корпусах (с закругленными углублениями в боковых поверхностях керамической платы) (рис. 21) и корпуса с прямоугольной формой (рис. 22). Контактные площадки в SON корпусах могут располагаться как на плоских участках боковой поверхности, так называемые convex - контакты, так и в скругленных углублениях concave - контакты.
Рис. 21. Чип - набор резисторов в корпусе типа SON:
А - внешний вид чип- набора резисторов типа SON;
Б - схематичная конструкция чип - резистора
В настоящее время резисторные наборы с прямоугольной формой керамического основания практически не выпускаются, данный тип керамического основания используется только для достаточно крупногабаритных наборов резисторов, начиная с типоразмера 2512 и более. Это связано с тем, что при монтировании миниатюрных чип - наборов резисторов с прямоугольной формой и последующей их пайки может наблюдаться смещение чип - набора резисторов относительно контактов печатной платы. Смещение чип - резистора относительно контактов печатной платы обусловлено силами поверхностного натяжения, возникающими во время пайки, когда припой на контактах печатной платы и припойный слой набора резисторов находятся в жидком состоянии. В чип - наборах резисторов с ^ncave - контактами силы поверхностного натяжения из «врага» превращаются в «друга», в результате в процессе пайки керамическое основание само выставляется на контактах печатной платы.
Рис. 22. Чип - набор резисторов с прямоугольным корпусом:
А - внешний вид чип - набора резисторов;
Б - схематичная конструкция чип - резистора
Рассмотрим силы поверхностного натяжения, действующие на concave - контакты. При рассмотрении сил поверхностного натяжения необходимо рассмотреть рис. 25, который поясняет возникновение сил поверхностного натяжения на границе раздела «твердое тело - жидкость - газ». Слой припоя на контактах наборов резисторов и контактах печатных плат на основе оловянных припоев должен обеспечивать неразъемные соединения между ними после пайки, т.е. припой должен смачивать материал контактных площадок.
По определению силы поверхностного натяжения всегда направлены перпендикулярно границе раздела сред и для смачивающих жидкостей направлены внутрь этой границы. В общем случае результирующая сила поверхностного натяжения определяется, как
n
F = 2а x, (8-1) i=1
где а - сила удельного линейного поверхностного натяжения;
Xi - элемент длины границы раздела.
Для бесконечно малого элемента (dx) границы раздела сила поверхностного натяжения равна
F = а • dx .
Для плоской поверхности раздела суммарная результирующая сила, равна
F = а- x . (8.2)
где х - длина границы раздела.
Для расчета результирующей силы действующей на сферическую границу раздела (для плоского сечения), выберем ось «х», параллельно оси симметрии сегмента касания АВ (рис. 23).
Рис. 23. Расчет сил поверхностного натяжения для сферической поверхности раздела Результирующая сила, действующая на границу раздела, определяется как
n
F = 2 F
i=1
С учетом природы сил поверхностного натяжения, суммирование можно заменить интегрированием F = | aTdx = I aTRda (8.3)
где ax - проекция силы удельного линейного натяжения на ось х;
R - радиус границы раздела двух сред.
Нормальные составляющие сил поверхностного натяжения компенсируются.
Если пределы интегрирования принять от 0 до а , то а а
F = cosa/2 • R • da = 2 -ja- cosa/2 • R • da/2 =2 а • Rsina/2/а =
0 0
=2a R sin a/2. (8.4)
Для произвольной поверхности касания получится аналогичное выражение, сила поверхностного натяжения будет равна произведению удельного поверхностного натяжения на длину прямой, соединяющей крайние точки этой поверхности.
Из проведенных расчетов следует, что результирующая сила поверхностного натяжения через замкнутую поверхность равна нулю.
Рассмотрим силы поверхностного натяжения, действующие на контактную площадку concave, с учетом особенностей конструкции чип - наборов резисторов типа SON.
При идеальном положении чип - набора на плате силы поверхностного натяжения действуют только на боковые поверхности контактов AB, CD, EF, GH и результирующие силы поверхностного натяжения, действующие на данные границы раздела, уравновешиваются (рис. 24а).
Если в процессе пайки набора по каким - либо причинам произошло смещение относительно контактов на печатной плате (например, поворот), распределение сил поверхностного натяжения изменяется. Появляется дополнительный момент сил, действующий на точки K и L, за счет которого происходит самоориентация набора на плате (рис. 24б).
а) б)
Рис. 24. Силы поверхностного натяжения, действующие на чип - элемент с контактами concave:
а) - идеальное положение элемента;
б) - развернутое относительно контактов
Чип - наборы резисторов изготавливаются на керамических платах размерных рядов 0201, 0402,
0603, 0805, 1206, 1210, 2010, 2512. В габаритах размерных рядах 0201, 0402, 0603, 0805 изготавливаются наборы с 2, 4 и 8 резисторами. Наборы больших габаритных размеров, начиная с 1206, обычно
содержат 8 или 15 резисторов. Диапазон сопротивлений резисторов в наборе изменяется от 10 до 106 Ом, по специальным требованиям могут изготавливаться низкоомные наборы резисторов с сопротивлением до 10.20 мОм. Стандартная стабильность сопротивления резисторов в наборе 2.5 %.
Также, как и в корпусированных наборах, схемные реализации соединения резисторов внутри набора могут быть самые различные: в виде отдельных резисторов, с общим выводом, по схеме делителя
напряжения и в других вариантах.
Одновременное использование контактов сonvеx и concave на одной плате приведено на рис. 25а. Данный тип керамического корпуса для чип - наборов резисторов используется для реализации схемы делителя напряжения (рис. 256).
Рис. 25. Делитель напряжения с комбинированными контактами
Традиционно наборы резисторов для объемного монтажа выпускаются в SIP или DIP корпусах. Данные изделия относятся к корпусированным. В SIP корпусах выводы направлены в одну сторону (рис. 26а), количество которых может изменяться от 4 до 16 и более. Соединения выводной рамки с керамической платой обычно осуществляется методом пайки.
а) б)
Рис. 26. Внешний вид изделий для объемного монтажа в корпусах типов SIP (а) и DIP (б)
В наборах резисторов в DIP корпусах (26б) выводы располагаются в два ряда с противоположенных сторон корпуса. Обычно количество выводов в таких резисторах - 16. Расстояние между выводами в SIP и DIP корпусах составляет 1,27 или 2,54 мм. В изделиях в корпусах SIP и DIP схемное соединение резистивных элементов аналогичное, как и для других наборов резисторов (рис. 20)
Обычные параметры наборов резисторов в SIP и DIP корпусах следующие: число элементов в наборе 4.16 и более; стандартный диапазон сопротивлений - 10.107 Ом; стандартное изменение сопротивления при 25 °С - (2.5)%; диапазон рабочих температур - минус 55.+125 °С;
ТКС - ±(100.250)-10-6 1/°С;
ТКО - 50^10-6 1/°С; максимальное напряжение - 100 В.
Классификационная система керметных наборов резисторов, построенная на основе проведенного анализа, представлена на рис. 27.
Из всех номенклатурно - параметрических рядов наборов резисторов, выпускаемых ведущими фирмами
- производителями наборов резисторов, отечественными производителями освоены только наборы резисторов в SIP корпусах (наборы резисторов типов НР1-4, НР1-7, НР1-20) и чип - наборы резистов с
прямоугольной формой керамического основания.
Еще одна характерная особенность, присущая изделиям, выпускаемым ведущими фирмами - производителями резисторных компонентов, состоит в том, что практически все они выпускаются в блистер ленте, обеспечивая их автоматизированную сборку в процессе изготовления электронной аппаратуры и приборов.
На основе анализа продукции, выпускаемой ведущими производителями резисторных компонентов: «Vishay», «Yageo», «ROHM», «Mаtsushita», «KOA», «TT Elektronics», «MuRata», «Coddack», «Ohmete»,
«Hokuriku», «Bourns», «Xucon», установлены основные тенденции развития данной отрасли электронной техники:
1. Резисторы и резисторные компоненты на керметной толстопленочной основе являются самыми массовыми изделиями из данной номенклатуры изделий пассивной электроники, т.к. они обладают необходимым и оптимальным соотношением цена-качество.
Основная тенденция развития пассивных резистивных компонентов связана с миниатюризацией и суперминиатюризацией и созданием изделий для автоматизированного поверхностного монтажа.
Керметные резистивные компоненты имеют большую гамму номенклатурно - параметрических рядов, удовлетворяющую жестким требованиям современного рынка радио -,теле - ,аудиоаппаратуры.
Практически вся выпускаемая в настоящее время керметная толстопленочная резистивная компонентная база изготавливаются в блистер - упаковке в специальных тарах, что позволяет осуществлять автоматизированный поверхностный и навесной монтаж данных компонентов на печатную плату в процессе сборки.
Рис. 27. Классификация керметных наборов резисторов
