SMD резисторы

Устройство, конструкция и технология производства чип-резисторов
SMD-резисторы широко распространены и ими уже никого не удивишь. Но, несмотря на это, немногие интересуются их устройством и конструкцией. А, зря! Тут есть чем утолить голод любопытства, ведь чип-резисторы впитали в себя все самые передовые технологии и методы производства резисторов.

Устройство SMD-резистора

В основе практически любого чип-резистора лежит так называемая плёночная технология (Film Technology), где резистивный слой представляет собой тонкую или толстую плёнку, нанесённую на изоляционную подложку, которая является основанием и заодно служит для отвода тепла. В общих чертах SMD-резистор устроен так.

Типовой SMD-резистор состоит из керамической подложки, на которую нанесён резистивный слой. Сопротивление этого слоя зависит от его толщины, формы и материала из которого он изготовлен. Для окончательной «подгонки» до номинального сопротивления используется лазерный тримминг. О нём мы ещё поговорим. Так как от толщины плёнки зависит как сложность изготовления изделия, так и его технические характеристики, то чип-резисторы делят на две большие группы:

Толстоплёночные (Thick Film Chip Resistors). Толщина плёнки ~0,0027″…0,00039″ (70…10 мкм). Считаются самыми дешёвыми резисторами;
Тонкоплёночные (Thin Film Chip Resistors). Толщина плёнки 0,00025″ (6,35 мкм) и вплоть до 50 нм.

Резисторы с толстой и тонкой плёнкой несколько различаются по устройству и технологии производства, хотя внешне их отличить довольно трудно.

Толстоплёночные чип-резисторы. Технология производства.

Толстоплёночные резисторы изготавливают печатным методом. В них резистивный слой, который представляет собой пасту, наносят на поверхность подложки с помощью трафаретов. Затем производят термообработку (вжигание) получившегося отпечатка при температуре 700-900°C в конвейерной печи, благодаря чему образуется крепкая монолитная структура. Паста состоит из смеси нескольких компонентов:

Функциональная основа – высокодисперсный порошок резистивного материала (нанопорошок с размером частиц 500-100 нм и менее);
Стеклосвязка. Мелкодисперсный низкоплавкий стекольный порошок (стеклянная фритта) на основе свинцово-боро-алюмо силикатных стекол;
Органические связующие вещества необходимые для придания пасте вязкости.

В качестве резистивного материала для пасты используются металлы или их оксиды. В основном это оксиды рутения, серебра и палладия. Примером может служить диоксид рутения RuO₂. Также может использоваться композиция палладий–серебро. Из-за наличия серебра в составе пасты ТКС толстоплёночных резисторов довольно высок (50 ppm/°C и более).

Вжигание отпечатка пасты приводит к размягчению стеклянной фритты, которая обволакивает и связывает проводящие частицы. Финальная подгонка сопротивления до номинала осуществляется с помощью лазерной обрезки. В следующем анимационном ролике фирмы YAGEO пошагово показан процесс изготовления SMD резисторов с толстой плёнкой. Толстоплёночные резисторы иногда называют керметными, так как основой их резистивного слоя является смесь порошков металлов и оксидов.

Тонкоплёночный чип-резистор. Устройство и конструкция.

Тонкоплёночный чип-резистор по своему устройству схож с толстоплёночным. Основное и немаловажное отличие заключается в том, что резистивный слой на керамической подложке создаётся методом вакуумного ионного напыления. Это, пожалуй, самое важное отличие от резисторов с толстой плёнкой. Благодаря этому удаётся сформировать очень тонкий однородный слой толщиной вплоть до 50 нм.

Резисторы с тонкой плёнкой очень термостабильны, имеют очень низкий ТКС (25 ppm/K). ТКС прецизионных резисторов может достигать ±2 ppm/°C (серия PLTU от Vishay). Материалом резистивной плёнки, как правило, служит нихром (сплав никеля и хрома). Нихромовая плёнка обладает довольно низким ТКС (до 10 ppm/°C) что позволяет изготавливать очень точные резисторы с допуском в ±0,01%.

Резистивный слой.

В качестве основы резистивного слоя чип-резисторов используются различные материалы:

Никель-хром (он же нихром, Nichrome, NiCr). Обладает низким TCR (ТКС), который составляет 10 ppm/°C (-55…+125°C). Благодаря этому широко используется при производстве тонкоплёночных резисторов;
Нитрид тантала (Tantalum nitride, TaN). Используется в тонкоплёночных резисторах, устойчивых к высокой влажности (moisture-resistant);
Нитрид дитантала (Ta₂N). Его TCR составляет 25 ppm/°C (-55…+125°C);
Диоксид рутения (Ruthenium oxide, RuO₂) (используется в толстоплёночных резисторах);
Рутенит свинца Pb₂Ru₂O₆ и рутенит висмута (Bi₂Ru₂O₇) (применяется в чип-резисторах с толстой плёнкой);
Диоксиды рутения, легированные ванадием (Ru_0,8V_0,2O₂, Ru_0,9V_0,1O₂, Ru_0,67V_0,33O₂);
Оксид свинца (PbO);
Висмут иридий (Bi₂Ir₂O₇).
Сплав никеля (Nikel alloy). Низкоомные (0,03…10 Ом) тонкоплёночные резисторы (Vishay, серия L-NS).

Подложка SMD-резистора (Substrate).

Наиболее используемый материал подложки SMD-резисторов – это чистая керамика на основе 94…96% поликристаллического оксида алюминия Al₂O₃ (Alumina). Она обладает высокой твёрдостью, хорошей адгезией, огнеупорностью и является изолятором. Немаловажно и то, что она обладает хорошей теплопроводностью, ведь от резистивного слоя необходимо отводить тепло. Такую керамику часто применяют в качестве подложек для интегральных схем и микросборок.

Высокомощные чип-резисторы могут иметь подложку из нитрида алюминия (Aluminum nitride – AlN). Это высокочистая керамика, обладающая высокой теплопроводностью. Такая подложка применяется в чип-резисторах серии PCAN фирмы Vishay.

Их рассеиваемая мощность составляет от 0,5W (типоразмер 0603) до 6W (типоразмер 2512). Для сравнения, рассеиваемая мощность аналогичного по габаритам резистора типоразмера 2512 обычно составляет 1W (максимум 2 ватта). Для улучшения отвода тепла от подложки к поверхности печатной платы контактные площадки выводов высокомощных SMD-резисторов увеличены. На фото мощные резисторы Vishay серии PHP. Максимальная мощность чип-резистора этой серии для типоразмера 2512 составляет 2,5W.

В качестве материала для подложки с высокой теплопроводностью может применяться и оксид бериллия (BeO, Beryllium Oxide), но он, в отличие от нитрида алюминия, токсичен.

Формирование выводов SMD-резистора.

Для обеспечения контакта с резистивным слоем на боковых сторонах подложки формируются внутренние электроды (внутренний контактный слой). Чаще всего он выполнен из серебра (Ag) или сплава серебро-палладий (Ag/Pd, Palladium silver). Затем наносится вторичный электрод, который представляет собой тонкий слой никеля (Ni). Его ещё называют никелевым барьером (Ni-barrier). Он необходим для сохранения паяемости в случае растворения металлизации внутреннего электрода. В некоторых случаях вместо никеля используется немагнитный материал. Поверх вторичного электрода наносится оловянно-свинцовое покрытие (припой, tin/lead solder) или же чистое олово (Pure tin, Sn). Это внешний слой контакта. Если чип-резистор выполнен по бессвинцовой технологии, то на промежуточный слой никеля наносится бессвинцовый припой, например, с содержанием серебра и меди (Sn96,5Ag3,0Cu0,5). Многослойная структура электродов необходима для обеспечения качественного контакта и хорошей адгезии слоёв (сцепляемости, прилипания). В техническом описании на резисторы можно встретить термин Wraparound или Wrap Around Thin Film (WATF), что можно перевести, как «обёрнутый», «обёрнутая» тонкая плёнка. Речь идёт о боковых контактах. Под «обёрнутостью» понимается форма контакта, которая как бы зажимает, обёртывает боковую сторону подложки резистора, придавая контакту прочность и надёжность.

Количество, порядок и материал слоёв у контакта-вывода может отличаться. Всё зависит от того, какие характеристики планируется получить от смд-резистора. Например, вместо слоя из никеля может использоваться слой из немагнитного материала, а вместо внешнего слоя из олова может быть слой нихрома, если планируется монтаж резистора с помощью проводящего клея. Если полистать документацию на различные серии SMD-резисторов, то можно убедиться в том, что конструкция их может несколько отличаться от типовой или иметь свои особенности. Но, несмотря на это, его базовое устройство остаётся неизменным.

Защитное покрытие и пассивация.

Для механической защиты и изоляции резистивного слоя его покрывают защитным покрытием (Coating, overcoat). Уже поверх него наносится маркировка (Marking). Как правило, защитный слой выполняется из стекла (свинцово-боросиликатной стеклянной плёнки), эпоксидной смолы или какого-либо полимера. Но такое покрытие выручает не всегда. Слабым звеном нихромовой плёнки, которая широко применяются в качестве резистивного материала в тонкоплёночных резисторах, является её чувствительность к влаге. Под её воздействием тонкие дорожки резистивного слоя вытравливаются за счёт электрохимической коррозии. На картинке приведено фото, где показан тонкий резистивный слой под 400-кратным увеличением с вытравленными участками трассы.

Утрата части рисунка резистивного слоя приводит к смещению значения сопротивления SMD-резистора или же его обрыву. Чтобы защитить резистивный слой могут применятся различные методы защиты, например, так называемая пассивация (passivation). Под пассивацией здесь понимается создание защитных плёнок из химически стойкого соединения на поверхности резистивного слоя. Например, в документации на SMD-резисторы можно встретить термин passivated nichrome, указывающий на то, что нихромовая плёнка защищена с помощью специальных методов пассивации. Поверх нихромовой плёнки может наноситься тонкий слой керамики (глинозёма, Al₂O₃), уже знакомого нам оксида алюминия. Недостатком такого приёма является то, что при механическом повреждении слоя оксида алюминия резистивный слой будет вновь уязвим и подвержен коррозии.

В качестве пассивирующего слоя может использоваться диоксид кремния (SiO₂, Silicon dioxide, он же кремнезём) или нитрид кремния (Si₃N₄, Silicon nitride). Нитрид кремния указан в документации на серию чип-резисторов PHT от Vishay. Для защиты чип-резисторов с резистивным слоем на основе нитрида тантала (TaN) используется пентаоксид тантала (Ta₂O₅), обладающий свойством самопассивации (Self-passivation), что делает его весьма устойчивым к влаге даже при механических повреждениях плёнки. Да, тот самый Ta₂O₅, который является слоем диэлектрика в танталовых конденсаторах. Слой пентаоксида тантала создают путём распыления, после чего происходит самостоятельный рост оксидной плёнки.

Поверх слоя Ta₂O₅ уже наносится внешний слой эпоксидной смолы, служащий для механической защиты и изоляции. Замечательным свойством таких резисторов является то, что даже при механическом повреждении защитного слоя из пентаоксида тантала, он будет «зарастать» за счёт самовосстановления. Естественно, производители всё время ищут новые способы и методы защиты резистивной плёнки. По понятным причинам технологические детали могут не раскрываться. Например, в технической записке «Major Advancements in the Protection of Thin Film Nichrome-Based Resistors with Specialized Passivation Methods (SPM)» фирмы Vishay рассказывается о специальных методах пассивации (SPM), благодаря которым удаётся изготовить маломощные тонкоплёночные резисторы с нихромовой плёнкой, которые устойчивы к воздействию влаги и не уступают по своей стабильности резисторам с плёнкой на основе нитрида тантала Ta₂N. В серии L низкоомных резисторов того же Vishay используется нихромовая плёнка (NiCr) и защитное покрытие из пентаоксида тантала (Ta₂O₅). Как видим, технологические приёмы могут комбинироваться. Всё зависит от стоимости производства и требуемых характеристик готового изделия.

Серостойкие резисторы (Sulfur resistant resistors)

В последнее время можно услышать о так называемых серостойких резисторах – Sulfur resistant resistors или Anti-Sulfur resistors. Например, в своих промо-материалах компания Gigabyte заявляет о том, что в их материнских платах применяются такие чип-резисторы.

Долгосрочная надёжность чип-резисторов во многом зависит от той окружающей среды, в которой они эксплуатируются. Наличие в окружающей среде газов с содержанием серы приводит к тому, что они проникают сквозь микропоры и трещины в защитном эпоксидном или стеклянном покрытии SMD-резистора. Как правило, самым незащищённым участком является граница защитного покрытия и внешних контактов.

На фото поперечного среза толстоплёночного резистора показана область, подвергшаяся воздействию серосодержащих газов и образованию сульфида серебра. К серосодержащим газам относят, например, сероводород (H₂S, Hydrogen Sulfide), сернистый газ (он же сернистый ангидрид или двуокись серы, SO₂, Sulfur Dioxide) и карбонилсульфид (COS, Carbonyl Sulfide). Сернистый газ содержится в вулканических газах, поэтому его концентрация велика в местности с наличием вулканической активности. Механизм повреждения чип-резистора такими газами следующий.

Серосодержащий газ вступает в реакцию со внутренним электродом, который выполнен из серебра (Ag) или палладий-серебра (Ag/Pd). В результате образуется сульфид серебра Ag₂S, удельное сопротивление (ρ_Ag2S = 0,1…10 Ом*м) которого намного больше, чем удельное сопротивление серебра (ρ_Ag = 1,59*10^-8 Ом*м).

Наличие сульфида серебра в структуре чип-резистора с течением времени приводит к росту его номинального сопротивления вплоть до электрического «обрыва».

Чтобы предотвратить образование сульфида серебра производители используют разные методы. Компромиссным вариантом считается легирование серебра драгоценными металлами. В чип-резисторах, от которых требуется долговременная надёжность вместо серебра и вовсе применяется палладий или платина. Кроме этого участок, наиболее подверженный воздействию газов дополнительно покрывают защитными покрытиями или сплавами.

Anti-Sulfur резисторы применяются в оборудовании, которое задействовано на промышленных производствах, в нефтяной промышленности, телекоммуникационных и IT-системах, автомобильной электронике.

Лазерный тримминг резисторов.

Чтобы привести сопротивление резистивного слоя к заданному номиналу используется лазерная подгонка или на зарубежный манер, тримминг (trimming – «обрезка»). Суть её заключается в удалении части топологического рисунка из плёнки за счёт лазерного излучения. На фото показан пример обрезки (L-Cut), сделанный с помощью лазерного тримминга (слева резистор на 33 Ома (330), справа на 1 МОм (105)).

Чтобы подобрать требуемую величину сопротивления резистора на поверхности резистивного слоя делают лазерный «надрез». В зависимости от требуемых характеристик форма надреза может быть весьма оригинальной. Вот основные из них:

Поперечный i-рез («Plunge Cut»). Самый «быстрый» и наименее точный подгоночный рез.
L-рез («L Cut»). Из его достоинств можно отметить малое среднеквадратичное отклонение R_s и высокую точность. Более медленный тип реза, по сравнению с поперечным i-резом.
На фото показан L-рез на поверхности SMD-резистора типоразмера 2512 на 100 кОм (рядом для масштаба положена миллиметровая линейка). Скорее всего, это толстоплёночный резистор. Защитный слой мне удалось снять острым лезвием перочинного ножа.

Кроме реза типа L, может применяться так называемый Opposing «L», когда делается два L-реза по обоим сторонам плёнки.
«Серпантин» или «Змейка» («Serpentine»). Можно встретить название «Меандр» («Meandering»). Это «медленный» рез, но за счёт него обеспечивается самый большой прирост сопротивления.

Такой рез используется при изготовлении чип-резисторов мегаомных и гигаомных номиналов.
«Двойной поперечный рез» («Double Plunge Cut»). Высокая точность и малое среднеквадратичное отклонение R_s.
«Vernier». Очень похожий на предыдущий рез. Судя по всему, назван так из-за сходства со штангенциркулем (vernier caliper).
«U-рез» («U-Cut»). Применяется для изготовления высоковольтных резисторов с высокой долговременной стабильностью.
«П-рез» («Plunge Cut: Top Hat Resistor»). Продольный «быстрый» рез, используемый для нормировки Top-Hat резисторов.
«Скан-рез» или Scrub. Также можно встретить название «Shave-рез». Применяется для изготовления высоковольтных резисторов. Самый медленный, но наиболее точный и стабильный рез. Боковая часть плёнки удаляется лазером.
Также применяется симметричный скраб («Symetrical Scrub»), когда часть резистивной плёнки удаляется с обеих сторон.
«Multiplunge». Такой тип реза обеспечивает практически линейное изменение сопротивления. Используя «i-рез» создаются последовательные секции многосекционного резистора (резисторной SMD-сборки).
Для подгонки многосекционного резистора «лестничного» типа может использоваться перерезка шунтирующих перемычек.
На следующей картинке показан резистор «лестничного типа» (Ladder resistor), а также пример использования данной топологии в структуре резистивной плёнки.

Если хорошенько присмотреться, то на поверхности толстоплёночных чип-резисторов иногда можно разглядеть разрезы, сделанные лазером. Они слегка проступают под внешним защитным покрытием. Как видим, несмотря на кажущуюся простоту, для изготовления SMD-резисторов требуется высокоточное оборудование и строгое соблюдение технологии производства.

Прочие резисторы для монтажа на поверхность

Естественно, кроме рядовых SMD-резисторов существуют и другие. Например, чип-резисторы серии UBR (Ultra-Broadband resistors) способны работать в частотном диапазоне вплоть до 20 Гигагерц (20 GHz).
Номинальная мощность их невелика, всего 125 mW и выпускаются они в корпусе типоразмера 0402. Конструкция их также отличается от той, что привычна для рядовых чип-резисторов и называется «Glass wafer sandwich», что можно перевести, как «сэндвич из стеклянных пластин». В качестве подложки и верхней оболочки используется стекло. Применяются такие резисторы в высокочастотной аппаратуре (спутниковой, оптоволоконной). Также существуют так называемые Power Metal Strip^® резисторы (Vishay). Их резистивным слоем является монолитный резистивный элемент из сплава никель-хром или марганец-медь.
Подложка в таких резисторах отсутствует, так как резистивный элемент является самонесущей конструкцией. Толщина резистивного элемента составляет 0,0089″ (226,06 мкм). Наличие массивного резистивного элемента позволяет быстро поглощать тепловую энергию. Обычным чип-резисторам на основе плёнок требуется время на отвод тепла в подложку, а затем и в печатную плату. К резисторам Power Metal Strip^® относятся такие серии, как WSL, WSK, WSLP, WSR. Как правило, это очень низкоомные резисторы (вплоть до миллиОм). Используются такие резисторы в устройствах, где имеют место высокоэнергетические, кратковременные импульсные переходные процессы, которые сопровождаются быстрым и обильным выделением тепла. К SMD-резисторам также относятся и MELF-резисторы, так как они также предназначены для монтажа на поверхность. Их подложка выполнена в виде цилиндрического стрежня из керамики, а резистивный слой имеет спиралевидную лазерную нарезку. Резистивным материалом может быть, как плёнка из углерода, так и металла.
За счёт цилиндрической формы подложки эффективная площадь охлаждения таких резисторов больше, чем SMD-резисторов с аналогичной площадью монтажа. Благодаря этому они более устойчивы к импульсной нагрузке, чем стандартные SMD-резисторы, а также способны выдерживать более высокое рабочее напряжение. SMT-технология не обошла стороной и фольговые резисторы (Bulk Metal^® Foil, BMF), которые также адаптировали под этот вид монтажа. Как известно, фольговые резисторы обладают самой высокой температурной стабильностью (имеют самый низкий ТКС).
Например, чип-резисторы серии VSMP (Vishay) имеют ТКС 0,2 ppm/°C (-55°C…+125°C, относительно +25°C). А для температурного диапазона 0°C…+60°C ТКС составляет вообще 0,05 ppm/°C! Не составляет особого труда встретить на печатных платах и всевозможные SMD-перемычки (zero ohm jumpers, SMD Jumpers). Примером может служит серия тонкоплёночных SMD-перемычек PZHT (Vishay).

В зависимости от типоразмера, который начинается с 02016, эти SMD-перемычки способны выдержать ток от 0,28А (PZHT02016) до 2А (PZHT2512) при рабочей температуре 215°C. Проводящим слоем в них является плёнка золота (Au) или сплава олова и серебра (SnAg). В приведённом материале были затронуты вопросы, в основном, касающиеся конструкции, материалов и технологии изготовления SMD-резисторов. Но, несмотря на это, многие вопросы, например, относящиеся к типоразмеру, маркировке и мощности чип-резисторов затронуты не были. Рассказ и без того получился более чем содержательным для формата интернет-статьи. Если есть что добавить, пишите в комментариях!