Wenn eine Anwendung einen möglichst hohen Widerstand benötigt, der dennoch einen exakt definierten Wert aufweist und möglichst kleine Maße hat, dann bieten sich Flächenwiderstände mit quadratischer Bauform an. Um gute Eigenschaften trotz kleiner Fläche zu erreichen, hat sich die Dickschichttechnik als am besten geeignet erwiesen. Diese Technologie verwendet als Widerstandsmaterial pastöse Mixturen aus Metall-Metalloxid-Partikeln mit so genannten Glasfritten und organischen Bindern, die im Siebdruckverfahren auf strukturierte Substrate aus Aluminiumoxid-Keramik aufgebracht und im Bereich von 850 °C eingebrannt werden. Bei diesem Brennprozess bildet sich in dieser glasartigen Mixtur eine elektrische Leitfähigkeit aus, deren Eigenschaften primär von den enthaltenen Metall-/Metalloxid-Partikeln und deren Verbindungen untereinander abhängen.
Bild 1: Die leitfähige Struktur in einem Hochohmwiderstand teilt sich in einen metallischen Anteil innerhalb der leitfähigen Partikel und einen halbleitenden Anteil an der Grenzschicht der Partikel.SRT
Der Leitungsmechanismus in solchen Widerständen ist eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Anteilen. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung der leitfähigen Struktur, wobei der metallische Anteil innerhalb der leitfähigen Partikel und der halbleitende Anteil an den Korngrenzen der Partikel vorliegt. Um einen stabilen Widerstand zu erreichen, ist es allerdings notwendig, dass eine möglichst große Anzahl solcher Leitungspfade vorhanden ist, damit Unterbrechungen einzelner Pfade zum Beispiel durch Temperaturänderungen sich nur unwesentlich auf die gesamte Leitfähigkeit auswirken.
Temperatur- und Spannungskoeffizienten
Um sehr hochohmige Widerstandsschichten zu erzeugen ist es naheliegend, die Konzentration der metallisch leitenden Partikel so weit wie möglich zu verringern. Dadurch erhöht sich der halbleitende Anteil der Leitfähigkeit, wodurch sowohl die Temperaturabhängigkeit (TCR) als auch Spannungsabhängigkeit (VCR) zunehmende negative Koeffizienten aufweisen. Da diese beiden Eigenschaften die Einsatzmöglichkeiten von hochohmigen Widerständen entscheidend bestimmen, sind diese die wesentlichen Kriterien für derartige Widerstandspasten.
Auf einen Blick
Im Grenzbereich: Wer hohe Widerstandswerte mit möglichst exakten Werten braucht, setzt idealerweise auf eine lange und schmale Widerstandsgeometrie. Doch die hat nicht immer Platz. Bei Chipwiderständen erreicht eine mäanderartige Struktur ähnliche Längen/Breitenverhältnisse. Die Herausforderungen liegen beim präzisen Abgleich, da die Messtechnik hier an ihre Grenzen stößt, und an der Auswahl einer geeigneten Widerstandspaste.
Bei den wenigen auf dem Markt verfügbaren Hochohmpasten ist diese Leitfähigkeit und damit der Flächenwiderstand wesentlich stärker von den Brennbedingungen abhängig als bei Widerstandspasten im Standardbereich. Aus diesem Grund haben die meisten Hersteller von Dickschicht-Chipwiderständen nur Werte bis in den Bereich von 100 MOhm im Programm. Bei Werten im Gigaohmbereich kommt erschwerend hinzu, dass auch die Messverfahren aus dem Normalbereich nicht mehr anwendbar sind.
Bauformen von Hochohmwiderständen
Widerstände mit Werten über 100 MOhm gibt es sowohl als sehr kleine Chipwiderstände wie den 0402 mit 1,0 x 0,5 mm² als auch in wesentlich größeren Bauformen mit Anschlussdrähten mit mehr als 100 mm Widerstandslänge. Da die Widerstandseigenschaften (Stabilität, TCR, VCR) mit höherem Flächenwiderstand generell schlechter werden, ist es sinnvoll, eine möglichst lange und schmale Widerstandsgeometrie einzusetzen. Bei den großen bedrahteten Ausführungen ist es sowohl bei flachen als auch bei runden Trägerkörpern möglich, einen Geometriefaktor (Längen/Breitenverhältnis) von weit über 1000 und damit sehr hohe Widerstandswerte mit niedrigem Flächenwiderstand zu erreichen.
Bild 2: Der recht große Chipwiderstand 4020 (10,2 x 5,1 mm²) ist vollflächig (rechts) als Leistungswiderstand ausgeführt. Durch die mäanderartig strukturierte Ausführung (links) entsteht ein Hochohmwiderstand. Der mittlere Bereich dient zur Justierung.SRT
Dagegen ist bei kleinen Chipwiderständen die geometrische Gestaltungsmöglichkeit der Widerstandsbahn nur sehr begrenzt möglich. Erst ab der Bauform 1206 (3,2 x 1,6 mm²) ist es wegen der minimalen Linienbreite von etwa 0,2 mm möglich, durch eine Mäanderstruktur einen Geometriefaktor deutlich über 10 zu erreichen. Bild 2 zeigt einen relativ großen Chipwiderstand der Bauform 4020 (10,2 x 5,1 mm²) in einer vollflächigen Ausführung als Leistungswiderstand und einer strukturierten Ausführung als Hochohmwiderstand. Mit einem Geometriefaktor von ungefähr 150 sind in dieser Baugröße auch mit relativ niedrigem Flächenwiderstand sehr hohe Widerstandswerte herstellbar, die dadurch wesentlich besseren Eigenschaften als die kleinen Bauformen aufweisen.
Abgleich und Messtechnik
Die Widerstandsgeometrie der Bauform 4020 für Hochohmwiderstände weist in der Mitte einen breiteren Bereich aus, der für einen Abgleich auf engere Toleranzen vorgesehen ist. Der bei Standardwiderständen übliche Laserabgleich, bei dem ein Laserstrahl durch einen Schnitt in das Widerstandsmaterial die effektive Widerstandslänge erhöht, ist bei Hochohmwiderständen jedoch nur bis zu einem Flächenwiderstand von ungefähr 100 MOhm möglich. Bei höheren Flächenwiderständen erzeugt nämlich die Energie des Laserstrahls im Nahbereich des Schnitts Veränderungen der Widerstandsstruktur, die instabile Widerstände oder sogar Widerstandsverringerungen durch den Laserschnitt ergeben. Eine Lösung dieses Problems ist durch den Einsatz von Sandstrahlabgleich möglich, der jedoch wesentlich längere Bearbeitungszeiten und damit höhere Kosten als ein Laserabgleich erfordert.
Als das beste auf dem Markt verfügbare Messgerät hat sich das Elektrometer K6157 von Keithley Instruments erwiesen. Die im praktischen Einsatz zu beachtende Messgenauigkeit im Gigaohmbereich liegt bei etwa 0,5 % bei einer Messspannung im Bereich ab 10 V. Dabei ist es allerdings notwendig, die vorhandenen Geräte laufend mit bestimmten Widerständen und einem geeichten Referenzgerät zu vergleichen, um Abweichungen durch die Drift einzelner Messgeräte frühzeitig festzustellen. Wesentlich für die Messgenauigkeit ist der Einsatz eines gut abgeschirmten Adapters für die Kontaktierung der Widerstände, um Störungen des Messvorgangs durch elektrostatische und elektromagnetische Einflüsse zu unterdrücken. Wiederholte Messungen der gleichen Widerstände in zeitlichen Abständen von Stunden oder Tagen unter gleichen Bedingungen lassen erkennen, dass die kurzzeitigen Schwankungen der Messwerte größer sind als die der Widerstände.
Die relativ langen Messzeiten dieser softwaregesteuerten Messgeräte eignen sich jedoch nicht für einen Einsatz beim Laserabgleich und in Sortierautomaten. Aus diesem Grund wurden für diese speziellen Anwendungen eigene Messsysteme entwickelt, die extern programmierbar sind, zur Eichung aber ein Referenzgerät benötigen. Mit diesen Messeinrichtungen ist es möglich, bei kleinen Chipbaugrößen im Bereich bis 100 MOhm Toleranzen von ±0,5 % und im Bereich bis 1 GOhm von ±1 % zu erreichen. Engere Toleranzen wie ±0,1 % bietet SRT in diesen Wertebereichen sowohl wegen der beschränkten Messgenauigkeit als auch wegen der natürlichen Instabilität von Dickschichtwiderständen nicht an, obwohl einige Wettbewerber in ihren Datenblättern solche Toleranzen aufweisen.
Temperaturkoeffizient und Spannungabhängigkeit
Während die Stabilität von Hochohmwiderständen über die Brennbedingungen auch im Bereich über 1 GOhm Flächenwiderstand relativ gut zu beherrschen ist, stellen der Temperaturkoeffizient TCR [ppm/K] und der Spannungskoeffizient VCR [ppm/V] ein wesentliches Auswahlkriterium dar, sowohl für das Pastenmaterial beim Hersteller der Widerstände als auch für die Produkte beim Anwender. Als erschwerend kommt hinzu, dass beide Kenngrößen über die Temperatur beziehungsweise Spannung nicht linear sind, in den meisten Datenblättern aber die Angabe des Temperatur- und Spannungsbereichs fehlt.
Tabelle 1: Der Temperaturkoeffizient TCR und der Spannungskoeffizient VCR der Widerstandspasten unterschiedlicher Hersteller. SRT
Die Hersteller von Hochohmpasten machen zu diesen Eigenschaften nur sehr sparsame oder gar keine Angaben. Der Anwender dieser Pasten muss die Daten bei jeder Lieferung also selbst ermitteln und mit früheren Daten vergleichen. Um höhere Flächenwiderstände als 1 GOhm zu erreichen, kann man durch geeignete Variation der Herstellungsbedingungen bei den meisten Pasten auch höhere Werte als nominal angegeben erreichen. Allerdings ist das immer mit einem Anstieg der TCR- und VCR-Werte verbunden. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der ermittelten typischen TCR- und VCR-Daten einiger Hersteller für die Flächenwiderstände 1 und 10 GOhm. Von Hersteller C stammen zwei verschiedene Pasten, die er nach SRT-Anforderungen in China produziert. Beim Hersteller D handelt es sich um die Paste eines US-amerikanischen Produzenten, die sich durch die Herstellungsbedingungen auf verschiedene Werte einstellen lässt.
Zur Anwendung passen
Die sehr unterschiedlichen Eigenschaften bei den untersuchten Materialien machen es in manchen Fällen notwendig, die Auswahl des Widerstandsmaterials an den Anwendungsfall anzupassen. Falls der Einsatz in einem großen Temperaturbereich erfolgt, ist das Material des Herstellers D mit einem relativ geringen Temperaturkoeffizienten vorzuziehen, während bei einem großen Spannungsbereich das Material des Herstellers C mit dem geringsten Spannungskoeffizienten vorzuziehen ist. Daraus ergibt sich, dass für die Anwendung von extrem hohen Widerstandswerten in kleinen Bauformen ein enger Kontakt zwischen Widerstandshersteller und Anwender sinnvoll ist, weil kein Datenblatt diese alternativen Möglichkeiten im Datenblatt in vollem Umfang berücksichtigen kann.
Werner Kühnl
(lei)
