Jak elektronické produkty stále více vyžadují miniaturizaci, vysokou integraci a přísnou kontrolu nákladů, tradiční keramické substráty jsou nahrazovány tištěnými spoji (PCB) kvůli jejich vysokým nákladům. V tomto přechodu se technologie vestavěných rezistorů, která integruje rezistivní prvky do PCB, stává klíčovou.
Jako profesionální výrobce PCB se tým AUSPI snaží prozkoumat rezistory s uhlíkovým inkoustem jako nízkonákladovou, snadno implementovatelnou alternativu pro vestavěné rezistory PCB.
Provedeme důkladné srovnání s tradičními technologiemi vestavěných tenkých/silných filmových rezistorů (např. OhmegaPly), pokrývající technické principy, vlastnosti materiálů, výhody a nevýhody a průmyslové aplikace, abychom poskytli referenci pro inženýry při výběru vhodného řešení vestavěného rezistoru v aplikacích citlivých na náklady.
Technické principy a proces
Technologie vestavěných rezistorů má za cíl přesunout rezistivní prvky z vrstvy technologie povrchové montáže (SMT) na vnitřní vrstvy nebo povrch PCB, čímž se šetří místo, zkracují signálové cesty a zlepšuje vysokofrekvenční výkon. Klíčové technologie vestavěných rezistorů zahrnují tenkovrstvou technologii založenou na rezistivní fólii a silnovrstvou technologii založenou na vodivé pastě.
1.1 Rezistor s uhlíkovým inkoustem
Rezistory s uhlíkovým inkoustem využívají proces síťotisku k přesnému tisku vodivého uhlíkového inkoustu, složeného z uhlíkového prášku, pryskyřice a rozpouštědla, na měděnou fólii nebo izolační vrstvu substrátu PCB (obvykle FR4). Po vytvrzení při vysoké teplotě inkoust vytváří uhlíkový film s konkrétní hodnotou odporu. Hodnota odporu je primárně určována kontrolou složení inkoustu, tloušťkou tisku a délkou a šířkou rezistivního tělesa. Tento proces je podobný tisku legend v výrobě PCB, nabízí extrémně vysokou nákladovou efektivitu a kompatibilitu procesu.
1.2 Tradiční technologie vestavěných rezistorů
Tradiční technologie vestavěných rezistorů, jako OhmegaPly (rezistivní fólie) a TCR (silnovrstvý rezistor), obvykle využívají přesnější procesy:
- Rezistivní fólie (např. OhmegaPly):
Rezistivní materiál, jako je slitina niklu a fosforu (NiP), je předem pokoven na standardní měděnou fólii. Během výroby PCB je tvar a velikost tělesa rezistoru přesně definována pomocí fotolitografie a procesů leptání, podobně jako při vytváření standardních měděných stop.
- Silnovrstvá pasta (např. TCR):
Speciální vodivé pasty (často obsahující oxidy drahých kovů) jsou aplikovány na vnitřní vrstvy pomocí tisku nebo naprašování, a poté laserově ořezány k dosažení vyšší přesnosti.
Obrázek 1 ilustruje strukturální rozdíl mezi rezistory s uhlíkovým inkoustem a tradičními vestavěnými rezistory v průřezu PCB.
Vlastnosti materiálů a porovnání výkonu
Přechod uživatelů od drahých keramických substrátů k PCB je primárně řízen snížením nákladů. Rezistory s uhlíkovým inkoustem nabízejí významnou nákladovou výhodu, ale vykazují jasný rozdíl v kritických elektrických parametrech výkonu ve srovnání s tradičními vestavěnými rezistory a vysoce přesnými SMT rezistory.
2.1 Porovnání klíčových parametrů
Tabulka níže porovnává rozdíly v klíčových ukazatelích výkonu mezi rezistory s uhlíkovým inkoustem a tradičními technologiemi vestavěných rezistorů [1] [2] [3].
| Charakteristika | Rezistor s uhlíkovým inkoustem | Tradiční vestavěný rezistor – např. OhmegaPly | SMT rezistor |
| Náklady na proces | Mnohem nižší | Vyšší | Nízké |
| Tolerance | Nízká, ±10% ~ ±30% | Vysoká, standardní ±15%, pokročilá až ±3% | Vyšší, až ±0.1% |
| TCR | Vysoká, > ±200 ppm/°C | Nízká, typicky < ±100 ppm/°C | Nižší, až ±5 ppm/°C |
| Listová rezistivita | 50 ~ 200 Ω/□ | 10 ~ 100 Ω/□ | N/A |
| Stabilita | Dobrá, ale velmi závislá na procesu tisku a vytvrzení | Vynikající, vysoká spolehlivost | Vynikající |
| Výhoda | Náklady a jednoduchost procesu | Přesnost a stabilita | Přesnost a flexibilita |
2.2 Analýza výkonu
Náklady a proces:
Největší výhodou rezistorů s uhlíkovým inkoustem jsou náklady. Využívají stávající zařízení pro síťotisk PCB, čímž eliminují potřebu drahých speciálních laminátů nebo složitých procesů leptání, což je nejúspornější způsob, jak implementovat vestavěné rezistory na PCB.
Tolerance a TCR:
Přesnost a teplotní stabilita rezistorů s uhlíkovým inkoustem jsou jejich hlavními omezeními. Tolerance ±10% až ±30% znamená, že mohou být použity pouze v aplikacích s nízkou přesností, jako jsou děliče napětí, proudové omezovače nebo pull-up/pull-down obvody. Naopak tradiční vestavěné rezistory (např. OhmegaPly) dosahují vyšší přesnosti a nižší TCR pomocí fotolitografie a leptání, což je činí vhodnými pro obvody citlivé na teplotní drift.
Úvahy o nahrazení keramického substrátu:
Keramické substráty se často používají v aplikacích s vysokým výkonem, vysokou frekvencí nebo vyžadujících extrémní tepelnou stabilitu. Pokud jsou rezistory na původním keramickém substrátu vysoce přesné nebo vysoce výkonné, rezistor s uhlíkovým inkoustem nemusí být přímou náhradou, protože jeho přesnost a schopnosti rozptylu tepla jsou horší než u silnovrstvých rezistorů na keramických substrátech nebo tradičních vestavěných rezistorů. Uživatel musí pečlivě vyhodnotit požadavky aplikace na přesnost rezistoru.
Výhody, nevýhody a aplikační scénáře
3.1 Výhody a nevýhody rezistorů s uhlíkovým inkoustem
| Výhody | Nevýhody |
| Extrémně nízké náklady: Nejnižší náklady na materiál a proces. | Nízká přesnost: Volná tolerance, vysoký TCR, nevhodné pro přesné obvody. |
| Zjednodušení procesu: Kompatibilní se standardním procesem síťotisku PCB. | Omezení rozsahu odporu: Odpor omezen složením inkoustu a rozměry tisku. |
| Úspora místa: Integruje funkci rezistoru do PCB, šetří místo SMT. | Výzvy spolehlivosti: Odpor silně ovlivněn tloušťkou tisku, teplotou vytvrzení atd. |
| Univerzálnost: Lze použít pro kontakty klávesnice, propojovací vodiče, rezistory s nízkou přesností. | Kapacita chladiče: Horší rozptyl tepla ve srovnání s keramickými substráty nebo vysoce výkonnými SMT rezistory. |
3.2 Průmyslové aplikace
| Technologie | Průmyslové aplikace | Vhodnost pro nahrazení keramického substrátu |
| Rezistor s uhlíkovým inkoustem | Spotřební elektronika: Vodivé kontakty pro klávesnice, jako jsou dálkové ovladače, klávesnice nebo herní ovladače; Nákladově efektivní řízení napětí nebo omezení proudu, LED ovladač. | Vhodné pro nízkonákladové, vysoce objemové aplikace s nízkými požadavky na přesnost a TCR. |
| Tradiční vestavěný rezistor | Vysokorychlostní komunikace: Impedanční přizpůsobení, zakončovací rezistory; Vojenské/medicínské: Vysoce spolehlivé zpracování výkonu a signálu; RF/mikrovlnné: Obvody citlivé na parazitní jevy. | Vhodné pro aplikace vyžadující vysokou přesnost, vysokou stabilitu a zlepšený vysokofrekvenční (HF) výkon. |
Doporučení AUSPI pro designéry
Rozhodnutí uživatele přejít z keramických substrátů na PCB a zvážit rezistory s uhlíkovým inkoustem je rozumnou volbou řízenou náklady. Rezistory s uhlíkovým inkoustem nabízejí nejúspornější způsob integrace rezistivních funkcí na standardní FR4 PCB, zvláště vhodné pro nahrazení rezistivních prvků s nízkou přesností na keramických substrátech.
Vyhodnoťte požadavky na přesnost:
Pečlivě zkontrolujte požadavky na toleranci a TCR rezistorů v původním designu keramického substrátu. Pokud je požadavek vyšší než ±10% nebo TCR nižší než ±200 ppm/°C, rezistory s uhlíkovým inkoustem nemusí být vhodné a měly by být zváženy tradiční technologie vestavěných tenkovrstvých rezistorů nebo vysoce přesné SMT rezistory.
Optimalizujte design:
Přesnost odporu rezistorů s uhlíkovým inkoustem je silně korelována s rozměry tisku a stabilitou procesu. Design by měl používat velké, vysoké poměry stran rezistivních prvků ke zlepšení přesnosti a je nutná úzká spolupráce s výrobcem PCB, aby byla zajištěna konzistence odporu prostřednictvím řízení procesu a testování v reálném čase.
Vyhněte se kritickým obvodům:
Vyhněte se použití rezistorů s uhlíkovým inkoustem v kritických obvodech, jako jsou referenční napětí, přesné vzorkování nebo vysokofrekvenční zakončení. Omezte jejich použití na funkce jako kontakty klávesnice, nahoru a dolů pro nízkorychlostní signály nebo jednoduchou ochranu proti omezení proudu.
