Фольговый резистор
FOIL RESISTOR

Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности к технологии изготовления прецизионных фольговых резисторов, и может быть использовано при изготовлении резисторов широкого применения.
В конструкции фольгового резистора наряду с теплопроводностью подложки важнейшую роль играет такой параметр как коэффициент теплового расширения керамического материала.
.
-6
о
.
-6
о
.
-6
о
.
-6
о
.
-6
о
В соответствии с теорией фольговых резисторов имеют место два физических процесса. При увеличении температуры сопротивление фольги, находящейся в свободном состоянии, растет вследствие её теплового расширения за счет так называемого тензорезистивного эффекта. Если фольгу жестко соединить с подложкой и если коэффициент термического расширения фольги больше, чем у подложки то при увеличении температуры на фольгу действует сила сжатия. За счет этого эффекта можно уменьшить рост сопротивления фольги с ростом температуры, или уменьшить ТКС. Этот эффект был открыт основателем компании «VISHAY» Феликсом Зайдманом. Подбирая соотношение ТКР фольги и подложки можно получить ТКС близкий к нулю. В резисторах компании «VISHAY» применяется соотношение 13:6. Величина отношения - 2,167. ТКР фольги – 1310/С, ТКР керамики – 610/С. В отечественных фольговых резисторах используются фольги с ТКР - 1210/С и ситалловые подложки. Например, в отечественном фольговом резисторе Р2-67 используется ситалл СТ-50-1 (ТКР – 5,210/С) и фольга из никелевого сплава НМ23ХЮ (ТКР - 1210/С). Величина отношения - 2,308.
При тепловом расширении или сжатии, когда пластмасса корпуса приклеена к резистивной фольге происходит разрушение последней. Это связано с тем что твердые   полимеры имеют большой ТКР.
Фольговые резисторы фирмы«VISHAY» внешне имеют классическую структуру (см., например: https://www.compel.ru/lib/ne/2011/6/3-desyat-prichin-vyibrat-folgovyie-rezistoryi-vishay-dlya-vashego-proekta), на фиг. 1 показан внешний вид резистора типа SMR1D, однако данных о внутреннем устройстве такого резистора, отличном от классического,  не найдено.
В качестве прототипа выбран резистор компании «Wilbreht electronics», изображенный на фиг. 2. Данный резистор включает:
1. Покрытие (корпус) из эпоксидной смолы.
2. Буферный слой влагозащиты.
3. Защитное покрытие.
4.  NiCr-фольга (травленный резистивный элемент).
5. Связывающий слой (клей).
6. Подложка из окиси аллюминия.
7. Сварной узел, усиленный эпоксидной смолой.
8. Вторичный вывод (для облегчения механического напряжения).
9. Припой.
10. Вывод.
Известный резистор содержит охватывающий гидрозащитный слой, но отсутствует оценка или указание на функцию такого слоя как термокмпенсационной прокладки.
Задачей изобретения являлось повышение надежности резистора. Технический результат – повышение стабильности сопротивления при длительной эксплуатации и термоциклах.
Указанная задача решается фольговым резистором, включающим в себя диэлектрическую подложку, приклеенную на нее резистивную фольгу, электрические выводы, пластмассовый корпус и буферный слой между фольгой и внутренней поверхностью корпуса, в котором, согласно предложению, в качестве материала подложки используется высокотеплопроводная керамика, а буферный слой выполнен в виде воздушного зазора, либо в виде слоя эластичного герметика. Здесь и далее под высокотеплопроводной керамикой подразумевается керамика с теплопроводностью 6 Вт/(м·K) и выше.
ном
При монтаже чип резистора на плату отвод тепла от резистивного слоя происходит преимущественно за счет теплопроводности, так как проводники печатной платы являются хорошим теплоотводом. Теплопроводность подложки определяет интегральную температуру резистивной пленки и определяет перегрев (тепловое сопротивление) резистивного слоя относительно проводника печатной платы. На фиг. 3 приведена расчетная зависимость температуры перегрева резистивной пленки чипа с мощностью Р = 0,125 Вт от теплопроводности керамических материалов подложки.
о
о
В конструкции современного миниатюрного чип резистора применение ситаллов невозможно из-за их низкой теплопроводности (1,5 Вт/(м·K)). При температуре окружающей среды 70С температура резистивного слоя будет более 160С (см. фиг. 3), что отрицательно повлияет на ресурс резистора.
2
3
.
-6
о
.
-6
о
о
Исходя из выше изложенного наиболее оптимальным вариантом, можно считать использование в фольговом чип резисторе керамики типа Поликор (99,9% AlO, коэффициент теплопроводности 28-30 Вт/(м·K), ТКР – 5,710/С). Применялась фольга с ТКР – (12-14)10/С. Величина отношения 2,107 – 2,456. Температура резистивного слоя в рабочем режиме не превысит 90С.
На фиг. 4 показано схематическое изображение фольгового чип резистора в пластмассовом корпусе. Резистор представляет собой керамическую подложку 11, соединенную с резистивной фольгой 12 клеевым слоем 13, присоединенными ленточными охватывающими выводами 14 и помещенную в пластмассовый корпус 15. При этом между верхней частью корпуса 15 и фольгой 12 сформирован буферный слой 16, который либо заполняется эластичным резиноподобным герметиком (наприимер, силиконовым), либо не заполняется ничем (остается воздушная прослойка). Данный слой 16 делается с целью механической развязки фольгового резистивного слоя 12 и пластмассового корпуса 15. При тепловом расширении или сжатии, когда пластмасса корпуса 15 приклеена к резистивной фольге 12 происходит разрушение последней. Это связано с тем что твердые полимеры имеют большой ТКР. Пластичный слой 16 гасит действие сил сжатия или растяжения. Воздушный слой 16 почти полностью исключает воздействие на фольговый слой 12.
На фиг. 5 приведены результаты испытаний на воздействие циклической смены температур трех вариантов исполнения, изображенных на фиг. 6 («А» – нет слоя 16 (пластмассовый корпус 15 соприкасается с резистивной фольгой 12); «Б» – слой 16 – эластичный герметик (например, силиконовый); «В» – слой 16 – воздушный зазор). Режимы испытаний: – 60°C to + 175°C; 30 минут; 5 циклов.
Наилучшие результаты показывают резисторы с воздушным зазором (вариант «В» на фиг. 6). Варианты «Б» и «В» выдержали испытания. Вариант «А» со сплошной заливкой без буферного слоя (наиболее простой, с точки зрения изготовления, испытания не выдержал).