Keramische Dickschichtwiderstände sind seit langem die Hauptkraft in elektronischen Anwendungen, sie sind jedoch auf spröde Substrate angewiesen, die anfällig für Risse oder Delaminierung sind. Vor diesem Hintergrund bietet Burns, Inc. eine stahlbasierte Alternative für Anwendungen, die hohe Leistung, thermische Effizienz und mechanische Robustheit erfordern.
Keramische Dickschichtwiderstände sind zuverlässig, bevor es zu Rissen oder Delaminationen kommt, aber das Risiko von Rissen oder Delaminationen steigt deutlich mit reduzierter Ausrüstung und erhöhter Leistungsdichte. Durchbiegung, Vibration oder thermische Wechselwirkungen von Leiterplatten können deren Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen und zu potenziellen Ausfällen im Feld führen.
Herkömmliche keramische Dickschichtwiderstände sind kostengünstig und weit verbreitet, ihre Substrate sind jedoch spröde und weisen in rauen Umgebungen eine geringe Zuverlässigkeit auf. Edelstahl bietet ein starres, aber leicht nachgiebiges Substrat, das mechanische Belastungen absorbiert, die durch Biegen, Vibrationen und Handhabung der Leiterplatte während der Montage entstehen, und so das Risiko von Rissen oder Delaminationen verringert.
Stahlbasierte Dickschichtwiderstände (TFOS) bieten eine mechanisch robuste und thermisch effiziente Alternative zu anspruchsvollen Designs mit hoher Beanspruchung, bei denen bereits geringe Biegungen, Vibrationen oder Temperaturschwankungen der Leiterplatte zu einer Verschlechterung der Keramikwiderstände führen können.
Bourns stellte Mitte 2025 den ersten TFOS-Widerstand TFOS30-1-150T vor (Abbildung 1). Mit TFOS hergestellte Elemente verfügen über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Leistungsdichte und eine starke mechanische Haltbarkeit, wodurch sie für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind. Bei vielen Leistungs- oder Hochenergieschaltkreisen ist die Fähigkeit des Elements, Energieimpulse zu absorbieren, abzuleiten und zu widerstehen, begrenzt, um Risse, Drift oder vorzeitigen Ausfall zu vermeiden.
Abbildung 1: Der TFOS30-1-150T von Bourns verwendet ein Edelstahlsubstrat, das zuverlässiger ist als Dickschicht-Keramikwiderstände. Bild mit freundlicher Genehmigung von Bourns)
Stahlsubstrate bieten eine hervorragende Wärmeableitung für eine verbesserte Verlustleistung und eine höhere Leistungsdichte in kleineren Gehäusen. Tragen Sie eine dielektrische Schicht mit hoher Integrität auf das gereinigte Edelstahlsubstrat auf, um die Leitung elektrischer Energie durch den Stahl zu verhindern.
Durch die Übertragung von Belastbarkeit und Robustheit auf Widerstände können Entwickler den Kühlerverbrauch reduzieren, die Anzahl der Teile reduzieren und die Zuverlässigkeit im Feld verbessern. Kurz gesagt, laut Bourns können Designer ohne zusätzliche Kühlhardware eine höhere Leistung auf kleinerem Raum erzielen.
Bei der Herstellung von TFOS-Komponenten werden im Siebdruckverfahren Dickschicht-Leiter- und Widerstandsmuster auf die dielektrische Schicht gezeichnet. Nach jedem Durchlauf wird das Material in einem Hochtemperaturofen gebrannt und verfestigt, um die Haftung und einen robusten Leiter- und Widerstandspfad sicherzustellen. Abschließend werden die Leiter und Widerstände mit einer Schutzglasur überzogen, um mechanischen Schutz, Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und elektrische Isolierung vom Substrat zu gewährleisten.
Allgemeine Designüberlegungen
TFOS-Widerstände bieten hohe Leistungs- und Impulsverarbeitungsfähigkeiten in kompakter Form, um Leistungsvorteile unter anspruchsvollen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Dadurch können Ingenieure strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit und Wärmemanagement erfüllen, ohne Kompromisse bei den Gesamtabmessungen einzugehen.
TFOS30-1-150T entspricht dem AEC-Q200-Standard und eignet sich für Automobilanwendungen wie Batteriespeichersysteme, Motorantriebe, Wechselrichter, Sensortafeln für Brennstoffzellenfahrzeuge und andere Anwendungen, bei denen hohe Leistung, Wärmemanagement und mechanische Robustheit von entscheidender Bedeutung sind.
Bourns weist in einem Anwendungshinweis [1] zur Verwendung dieses Elements in Brennstoffzellen-Stack-Sensorplatinen darauf hin, dass TFOS für diese Anwendung gut geeignet ist, da es hohe Leistungsdichten bewältigen kann. Es kann an den Vorlade- und Entladekreislauf von Brennstoffzellenfahrzeugen angepasst werden und gewährleistet ein effizientes Energiemanagement auch im Betrieb mit variabler Frequenz. Seine niedrige Induktivität und enge Toleranzen gewährleisten eine genaue Messung von Spannung, Strom und Temperatur im Brennstoffzellenstapel.
TFOS30-1-150T ist in den Maßen 4.000 "L x 2.756" B (101,60 mm x 70,00 mm) mit kundenspezifischen Anschlussoptionen erhältlich, einschließlich Pads, Steckverbindern, Aufhängekabeln und Abschlusskabeln. Bourns weist darauf hin, dass diese flache, solide Stahlgrundplatte in verschiedenen Formen und Größen (bis zu 406 mm x 406 mm) hergestellt werden kann, um zu einer Vielzahl individueller Layouts zu passen, oder direkt auf einer strahlenden Oberfläche montiert werden kann. Entwickler können außerdem zusätzliche Ohmwerte, Widerstandstoleranzen und die Integration mehrerer Widerstände festlegen.
Es hat einen Widerstand von 150 Ohm und eine Toleranz von ± 10 % und ist auf Genauigkeit optimiert. Die Nennleistung beträgt 260 W bei Montage auf einem Kühler und bis zu 900 W bei Kühlung durch einen Lüfter, was ihn ideal für Anwendungen macht, die eine erhebliche Wärmeableitung erfordern. Der TFOS30-1-150T verfügt über einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +125 °C und hält laut Bourns extrem hohen Elementtemperaturen von bis zu 350 °C stand.