Bei sehr hohen Belastungen mit Schwefeldioxid oder Schwefelwasserstoff besteht die Gefahr, dass diese durch eine chemische Reaktion den Widerstand hochohmig werden lassen. Dies kann zum Ausfall des Bauelements führen, lässt sich aber durch zwei Maßnahmen vermeiden. (Bild: Aufmacher AdobeStock 448592441, Negro Elkha)
Egal ob im Bereich Automotive, in der Industrieelektronik, der IT und der Telekommunikation: Dickschicht-Chip-Widerstände sind allgegenwärtig. Sie sind die am häufigsten verwendeten Widerstände Besonders in Umgebungen mit hohem Schwefelgehalt ist die Zuverlässigkeit eines Dickschicht-Chip-Widerstands entscheidend. Für den Aufbau von Chip-Widerständen sind eine Vielzahl von Materialien und Fertigungsschritten notwendig.
Als Basis dient ein Aluminiumoxid-Substrat, ein sehr hartes und robustes Keramikmaterial. In einzelnen Fertigungsschritten werden die verschiedenen Schichten im Inneren des Widerstands im Siebdruckverfahren aufgebracht und anschließend bei 850 °C eingebrannt. Eine Schicht aus Rutheniumdioxid (RuO2), das eigentliche Widerstandselement, verbindet die beiden oberen Silberelektroden, während ein Teil jedes Silberkontakts frei bleibt. An diesen freien Stellen entstehen später die Lötanschlüsse, die aus einer galvanisch aufgebrachten Nickel- und Zinnschicht bestehen (Bild 1). Der finale Ohmwert wird, unter Berücksichtigung der vorgegebenen Widerstandstoleranz, durch einen Laser-Cut auf den gewünschten Nominalwert getrimmt.
Zum Schutz vor negativen Einflüssen, wie aggressiven Gasen, werden die Widerstände nun mit einer Epoxid-Schicht versiegelt, bevor sie mit dem Ohmwert beschriftet werden. Im Anschluss wird das Substrat in die Einzelwiderstände gebrochen. Je nach Größe der hergestellten SMD-Bauform entstehen so mehrere tausend Einzelwiderstände. Jeder davon wird bezüglich seines Ohmwerts geprüft. Widerstände mit Werten außerhalb der Toleranz werden automatisch aussortiert, die anderen gelangen auf die Rolle, bekommen ein Label und sind bereit für den Versand.
Reaktion mit Schwefel: Ausfallgefahr durch hochohmige Widerstände
Die aufgebrachte Epoxid-Schicht schützt die Dickschicht-SMD-Widerstände bis zu einem gewissen Grad vor Schadgasen unter normalen Umweltkontaminationsbedingungen. Die zunehmende Luftschadstoffkonzentration insbesondere durch Schwefel, stellt für die Widerstände jedoch ein ernsthaftes Problem dar.
Schwefel entsteht beispielsweise bei der Emission von Fahrzeugen, in der industriellen Fertigung von Gummi, Papier und Öl sowie bei der Verwendung von Schmierstoffen, Ölen oder fossilen Brennstoffen. Neben luftverschmutzten Industriegebieten sind auch Gebiete mit biologischen oder vulkanischen Gasen von einer erhöhten Schwefelkonzentration betroffen.
Ist die Konzentration von zum Beispiel Schwefeldioxid (SO2) oder Schwefelwasserstoff (H2S) zu hoch, können diese Gase zwischen der Epoxid-Schutzschicht und der Außenelektrode zur Innenelektrode wandern und dort mit den Silberelektroden reagieren. Dabei entsteht der Isolator Silbersulfid (Ag2S). Die Folge: Der Widerstand wird mehr und mehr hochohmig. Hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und die anliegende Spannung erhöhen diesen Reaktionsprozess, was letztendlich zum Ausfall des Widerstands führt (Bild 2).
Die Lösung: Schwefelbeständige Dickschicht-Widerstände
Bei Standard-Widerständen ist der Bereich zwischen der Terminierung und der Epoxid-Schicht anfällig für das Eindringen von schwefelhaltigen Gasen. Da die Konzentration an Schadgasen in der Luft zunimmt, gewinnt der Einsatz von schwefelbeständigen Dickschicht-Widerständen mehr und mehr an Bedeutung.
Mit zwei Maßnahmen lässt sich die Zuverlässigkeit der Dickschicht-Widerstände jedoch verbessern:
- Eine weit überlappende Schutzschicht erschwert das Eindringen von Schadgasen.
- Eine innere Elektrode mit einer Legierung aus Silber-Palladium (AgPd) reagiert im Gegensatz zu einer reinen Silberelektrode nicht mit schwefelhaltigen Gasen.
So lassen sich kostspielige Systemausfälle der Elektronik vermeiden und es wird ein langjähriger, störungsfreier Betrieb der elektronischen Schaltungen möglich.
Unterstützung vom Distributor
Als Broadline-Distributor führt Rutronik eine Reihe von schwefelresistenten Dickschicht-Widerständen von unterschiedlichen Herstellern, wie z. B. die Serien RK73B, RK73H und RK73Z-RT von KOA, die AF- und AA-Serien von Yageo sowie Vishays RCA-e3-Widerstände und die ERJS- bzw. ERJU-Serien von Panasonic. Jede dieser Serien ist für den Einsatz im Automotive-Umfeld geeignet und entsprechend AEC-Q200-konform und arbeitet auch bei hohen Temperaturen zuverlässlich. Bei der Evaluierung, welche Serie das „Best Fit“ für eine geplante Anwendung ist, stehen die FAEs und Product Manager von Rutronik dem Anwender beratend zur Seite. (na)
