RU2706721C1 - Foil resistor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical and radio engineering, particularly to manufacturing of precision foil resistors, and can be used in production of wide-range resistors. Foil resistor includes a dielectric substrate, a resistive foil attached thereto, electrical terminals, a plastic housing and a buffer layer between the foil and the inner surface of the housing, wherein substrate material used is high-heat conducting ceramics, and buffer layer is made in form of air gap, or in form of layer of elastic sealant.

EFFECT: high stability of resistance during prolonged operation in thermal cycles.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности к технологии изготовления прецизионных фольговых резисторов, и может быть использовано при изготовлении резисторов широкого применения.The invention relates to electrical engineering, in particular to the technology of manufacturing precision foil resistors, and can be used in the manufacture of resistors for widespread use.

В конструкции фольгового резистора наряду с теплопроводностью подложки важнейшую роль играет такой параметр как коэффициент теплового расширения керамического материала. In the design of the foil resistor, along with the thermal conductivity of the substrate, such a parameter as the coefficient of thermal expansion of the ceramic material plays an important role.

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 – 13^.10^-6/^оС, ТКР керамики – 6^.10^-6/^оС. В отечественных фольговых резисторах используются фольги с ТКР - 12^.10^-6/^оС и ситалловые подложки. Например, в отечественном фольговом резисторе Р2-67 используется ситалл СТ-50-1 (ТКР – 5,2^.10^-6/^оС) и фольга из никелевого сплава НМ23ХЮ (ТКР - 12^.10^-6/^оС). Величина отношения - 2,308.In accordance with the theory of foil resistors, two physical processes take place. With increasing temperature, the resistance of the foil, which is in a free state, increases due to its thermal expansion due to the so-called tensoresistive effect. If the foil is rigidly connected to the substrate and if the coefficient of thermal expansion of the foil is greater than that of the substrate, then with increasing temperature the compressive force acts on the foil. Due to this effect, it is possible to reduce the growth of the foil resistance with increasing temperature, or to reduce the TCS. This effect was discovered by the founder of VISHAY Felix Zaydman. By choosing the ratio of the TCR of the foil and the substrate, it is possible to obtain a TCS close to zero. VISHAY's resistors use a 13: 6 ratio. The ratio is 2.167. TCR foil - 13 ^. 10 ^-6 / ^о С, TCR of ceramics - 6 ^. 10 ^-6 / ^о С. Domestic foil resistors use foils with TKR - 12 ^. 10 ^-6 / ^о С and glass substrates. For example, in domestic use a foil resistor R2-67 pyroceram ST-50-1 (TCR ^-. 5.2 10 ^-6 / ° ^C) and foils of nickel alloy NM23HYU (TCR ^-. October 12 ^-6 / ° ^C). The ratio is 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. During thermal expansion or contraction, when the plastic of the body is glued to the resistive foil, the latter is destroyed. This is due to the fact that solid polymers have a large TCR.

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.VISHAY's foil resistors externally have a classical structure (see, for example: https://www.compel.ru/lib/ne/2011/6/3-desyat-prichin-vyibrat-folgovyie-rezistoryi-vishay-dlya- vashego-proekta), in FIG. Figure 1 shows the appearance of a SMR1D resistor, but no data was found on the internal structure of such a resistor other than the classic one.

В качестве прототипа выбран резистор компании «Wilbreht electronics», изображенный на фиг. 2. Данный резистор включает:As a prototype, a Wilbreht electronics resistor depicted in FIG. 2. This resistor includes:

1. Покрытие (корпус) из эпоксидной смолы.1. Epoxy coating (body).

2. Буферный слой влагозащиты.2. The buffer layer of moisture protection.

3. Защитное покрытие.3. Sheeting.

4. NiCr-фольга (травленный резистивный элемент).4. NiCr foil (etched resistive element).

5. Связывающий слой (клей).5. The bonding layer (glue).

6. Подложка из окиси аллюминия.6. The substrate of aluminum oxide.

7. Сварной узел, усиленный эпоксидной смолой.7. Welded knot reinforced with epoxy resin.

8. Вторичный вывод (для облегчения механического напряжения).8. Secondary output (to facilitate mechanical stress).

9. Припой.9. Solder.

10. Вывод. 10. Conclusion.

Известный резистор содержит охватывающий гидрозащитный слой, но отсутствует оценка или указание на функцию такого слоя как термокмпенсационной прокладки.The known resistor contains a covering hydroprotective layer, but there is no evaluation or indication of the function of such a layer as a thermal compensation gasket.

Задачей изобретения являлось повышение надежности резистора. Технический результат – повышение стабильности сопротивления при длительной эксплуатации и термоциклах.The objective of the invention was to increase the reliability of the resistor. EFFECT: increased stability of resistance during long-term operation and thermal cycles.

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.This problem is solved by a foil resistor, which includes a dielectric substrate, a resistive foil glued onto it, electrical leads, a plastic case and a buffer layer between the foil and the inner surface of the case, in which, according to the proposal, high-conductivity ceramics are used as the substrate material, and the buffer layer made in the form of an air gap, or in the form of a layer of elastic sealant. Hereinafter, high-conductivity ceramics means ceramics with a thermal conductivity of 6 W / (m · K) and higher.

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_ном = 0,125 Вт от теплопроводности керамических материалов подложки. When mounting a resistor chip on a board, heat removal from the resistive layer occurs mainly due to thermal conductivity, since the conductors of the printed circuit board are a good heat sink. The thermal conductivity of the substrate determines the integral temperature of the resistive film and determines the overheating (thermal resistance) of the resistive layer relative to the conductor of the printed circuit board. In FIG. Figure 3 shows the calculated dependence of the temperature of the superheat of the resistive film of the chip with a power of P _nom = 0.125 W on the thermal conductivity of the ceramic substrate materials.

В конструкции современного миниатюрного чип резистора применение ситаллов невозможно из-за их низкой теплопроводности (1,5 Вт/(м·K)). При температуре окружающей среды 70^оС температура резистивного слоя будет более 160^оС (см. фиг. 3), что отрицательно повлияет на ресурс резистора. In the design of a modern miniature chip resistor, the use of ceramic is impossible due to their low thermal conductivity (1.5 W / (m · K)). At ambient temperature, 70 ° ^C temperature of the resistive layer is more than 160 ^{° C} (see. FIG. 3), which adversely affect the life of the resistor.

Исходя из выше изложенного наиболее оптимальным вариантом, можно считать использование в фольговом чип резисторе керамики типа Поликор (99,9% Al₂O₃, коэффициент теплопроводности 28-30 Вт/(м·K), ТКР – 5,7^.10^-6/^оС). Применялась фольга с ТКР – (12-14)^.10^-6/^оС. Величина отношения 2,107 – 2,456. Температура резистивного слоя в рабочем режиме не превысит 90^оС.Based on the foregoing, the most optimal option can be considered the use of a Polikor type ceramic resistor in a foil chip (99.9% Al ₂ O ₃ , thermal conductivity 28-30 W / (m · K), TCR - 5.7 ^. 10 ^-6 / ^o C). Used foil with TCR - (12-14) ^. 10 ^-6 / ^о С. The value of the ratio is 2.107 - 2.456. The temperature of the resistive layer in operating mode will not exceed 90 ^° C.

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.In FIG. 4 shows a schematic representation of a foil chip resistor in a plastic case. The resistor is a ceramic substrate 11 connected to the resistive foil 12 by an adhesive layer 13, attached by tape covering terminals 14 and placed in a plastic case 15. In this case, a buffer layer 16 is formed between the upper part of the case 15 and the foil 12, which is either filled with an elastic rubber-like sealant ( for example, silicone), or is not filled with anything (there remains an air gap). This layer 16 is made for the purpose of mechanically decoupling the foil resistive layer 12 and the plastic housing 15. During thermal expansion or compression, when the plastic of the housing 15 is glued to the resistive foil 12, the latter is destroyed. This is due to the fact that solid polymers have a large TCR. The plastic layer 16 dampens the action of compressive or tensile forces. The air layer 16 almost completely eliminates the effect on the foil layer 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. In FIG. 5 shows the results of tests on the effects of cyclic temperature changes of the three embodiments depicted in FIG. 6 (“A” - no layer 16 (the plastic case 15 is in contact with the resistive foil 12); “B” - layer 16 — elastic sealant (for example, silicone); “C” - layer 16 — air gap). Test Modes: - 60 ° C to + 175 ° C; 30 minutes; 5 cycles.

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).The best results are shown by air gap resistors (option “B” in FIG. 6). Options “B” and “C” passed the test. Option "A" with continuous filling without a buffer layer (the simplest, from the point of view of manufacturing, could not pass the test).

Claims (1)

Фольговый резистор, включающий в себя диэлектрическую подложку, приклеенную на нее резистивную фольгу, электрические выводы, пластмассовый корпус и буферный слой между фольгой и внутренней поверхностью корпуса, отличающийся тем, что в качестве материала подложки используется высокотеплопроводная керамика, а буферный слой выполнен в виде воздушного зазора либо в виде слоя эластичного герметика.A foil resistor including a dielectric substrate, a resistive foil glued onto it, electrical terminals, a plastic case and a buffer layer between the foil and the inner surface of the case, characterized in that the substrate material is highly heat-conducting ceramic, and the buffer layer is made in the form of an air gap or as a layer of elastic sealant.

Images