Технология встраивания пассивных компонентов Часть 3
Сергей Шихов, технический директор А-КОНТРАКТ:
«Наша компания имела опыт производства электронных блоков, в состав которых входили печатные платы со встроенными конденсаторами. Данная технология позволяет избавиться от множества «блокировочных» конденсаторов. При этом характеристики готового изделия не только не хуже, чем при использовании традиционных SMD-элементов, но даже лучше за счет отсутствия лишних цепей, соединенных с чип-конденсаторами. Технология встроенных резисторов, на мой взгляд, более экзотична, но может быть применена в некоторых изделиях»
Способность работы при заданной мощности
Способность работы при заданной мощности тонкопленочного встроенного резистора — это вопрос управления тепловым режимом, где наблюдается зависимость от размера и формы резистора и конструкции печатной платы. Относительно низкая температура разложения органики определяет важность управления тепловым режимом.
Стабильная передача тепла по плате определяется формулой (3). А стабильная конвекция тепла с платы формулой (4):
Для того чтобы избежать нарушений резистора, Tr < Tmp материала резистора (например, NiCr ~ +1400 °C); Tr < Tg окружающей органики (например, FR4 ~ +170 °C), где Tmp — температура точки плавления; Tg — температура стеклования.
Чтобы понять влияние размера резистора на рассеивание мощности [6], были проведены эксперименты с тонкопленочными резисторами для измерения критической мощности и изменения сопротивления тонкопленочных резисторов при различных нагрузках. Результаты эксперимента выражены формулой:
<object id="ieooui" classid="clsid:38481807-CA0E-42D2-BF39-B33AF135CC4D"></object>
Взаимозависимость критического тока и размера резистора показана на рис. 12. На графике видно, что способность тонкопленочного резистора рассеивать тепло зависит от его длины и ширины, а также от размера резистора. Чем меньше ширина и длина, тем выше плотность критической мощности, потому что путь прохождения тепла до окружающей среды короче. При увеличении размера резистора плотность критической мощности снижается, хотя общая мощность увеличивается из-за большего физического размера резистора, это указывает на то, что отношение между общим рассеиванием мощности и размером тонкопленочного резистора нелинейно. Было определено, что резистор должен работать на уровне мощности не более 30–40% от критической мощности, чтобы удерживать низкую температуру резистора без значительных изменений в сопротивлении.
Изменение сопротивления тонкопленочного резистора при различных нагрузках показывает следующее: при увеличении подачи мощности температура тонкопленочного резистора повышается, что в свою очередь приводит к изменению сопротивления. При различных плотностях мощности изменение сопротивления, рассчитанное из нагрузки и размера резистора, показано на рис. 13, 14. Были оценены оба материала резистора — NiCr и никель-хром-алюминий-силикат (NiCrAlSi). На рис. 13 изменение сопротивления происходит из-за силовой нагрузки и последующего изменения температуры и зависит от теплового коэффициента сопротивления материала (TCR). Это изменение сопротивления реверсивно при охлаждении резистора.
Расчет площади резистора
Значение резистора с использованием встроенного тонкопленочного сопротивления рассчитывается как сопротивление слоя в Ом/кВ, умноженное на отношение длины к ширине пленки — «количество квадратов»:
Далее приводится пример расчета с помощью калькулятора резистора Ticer для определения размера резистора на основе следующих параметров:
· необходимое значение резистора: 100 Ом,
· необходимая мощность: 200 мВт,
· использумая тонкопленочная фольга: 25 Ом/кВ.
Для того чтобы получить значение 100 Ом, нужно четыре квадрата в 25 Ом.
Формула мощности для 25 Ом/кВ определяется как (формулы 7 и 8). Расчет ширины и длины резистора проводится по формуле (9)
Калькулятор Ticer создан для того, чтобы предоставить проектировщикам инструкцию, с помощью которой можно определять размер резистора на основе таких переменных, как значение резистора, рассеивание мощности, допуск и допуски по травлению. Калькулятор также помогает определить форму резистора, чтобы оптимизировать схему резистора на базе сопротивления слоя. Этот калькулятор доступен на сайте АМЕ.
Выводы и заключения
Технологическая группа Advanced Manufacturing Engineering (AME) занималась оценкой технологии встраивания пассивных компонентов как части технологии кардинальных изменений правил игры.
Технология встраивания пассивных компонентов — это жизнеспособная технология, которая надежно использовалась в оборонной и авиационной отраслях в последние 20 лет. Ценность технологии ЕРТ — в освобождении пространства на переполненной печатной плате, где необходимы более активные компоненты. Встроенные резисторы и конденсаторы могут увеличить функциональность платы без увеличения ее размера. Это также обеспечивает лучшую производительность сигнала, снижает перекрестные и паразитные помехи. ЕРТ может увеличить надежность за счет сокращения поверхностно монтируемых компонентов и дефектов, связанных с процессами монтажа, такими как размещение и пайка.
Многие производители печатных плат в США уже имеют опыт использования технологии встраивания пассивных компонентов. Помощь для проектировщиков, включая калькулятор резистора Ticer, можно найти на сайте АМЕ.
Литература
1. Integrated passive Component technology. R. Ulrich and L. Schaper editors. Wiley-IEEE Press, 2003.
2. Marcanti L., Dougherty J. Embedded passives: promissing improved performance. Circuits Assembly, July 2001.
3. Ticer technologies, next generation Integrated thin Film Resitor.
4. TCR resistor calculator — ATP Applied thin-Film Products
5. Laser resistor trimming design rules.
6. Wang J., Davis M., Hilburn R., Clouser S. Power Dissipation of embedded resistors. IPC, 2003.
7. Davis M., Wang J. Heat dissipation of laser trimmed resistors. Gould Electronics, March 2002.
<link fileadmin pdf_articles _blank download>Скачать полный текст статьи «Технология встраиваемых пассивных компонентов» в формате pdf
