Elektronische Komponenten, wie zum Beispiel Widerstände, müssen oft unter rauen und schwierigen Umgebungsbedingungen funktionieren. Angesichts der wechselnden Klimabedingungen rund um die Welt ist es nicht überraschend, dass von den Komponenten verlangt wird, bei hoher Luftfeuchtigkeit, extremer Trockenheit und in überaus feuchten Umgebungen ihre Aufgabe zu erfüllen. Feuchtigkeit stellt freilich für alle Arten von kohlenstoffbasierten Widerständen eine Gefahr dar, da sich Wasser und Kohlenstoff leicht zu Kohlenstoffdioxid verbinden, wodurch die Komponenten fortwährend angegriffen werden, was letztlich zu einem offenen Stromkreis führt. Andererseits hat Hitze die Tendenz, den Widerstand herabzusetzen. Es mag vielleicht überraschen, dass Dickfilm-SMDs, die in den Designs von heute am häufigsten verwendete Widerstandsart, sogar ziemlich strapazierfähig sind, was diese weitverbreitete Bedrohung angeht. Was viele Entwickler überrascht, ist vielmehr deren Empfindlichkeit gegen Schwefel.
Schwefel ist eine Gefahr
Schwefel kommt in vielen häufig verwendeten Schmiermitteln vor und ist auch in Komponenten aus Gummi wie Dichtungen und Gummidichtungsringen vorhanden. Insbesondere bei Dickfilm-Chip-Widerständen wird in den inneren Steckverbindern eine Kombination aus Silber und Palladium verwendet, wobei der Silberanteil aufgrund der niedrigeren Kosten immer weiter ansteigt. Schwefel und Silber reagieren miteinander und bilden Silbersulfid. Das Eindringen des Schwefels in den Widerstand erfolgt in der Regel in dem winzigen Spalt am Übergang zwischen der äußeren Elektrode, d. h. der elektrischen Leitung zwischen dem Gerät und der Leiterplatte, und der Schutzschicht, die die restliche Fläche der Komponente schützt. Sobald sich der Schwefel im Inneren befindet, kann er ohne Weiteres mit dem Silber der inneren Elektrode reagieren, das infolgedessen durch Silbersulfid ersetzt wird.
Im Laufe der Lebensdauer eines elektronischen Produkts ruft diese Schwefelreaktion erheblichen Abbau hervor. Sie stellt eine Quelle für zusätzlichen Widerstand dar, der über die nominelle Toleranz des Widerstands hinausgeht. Ein weiterer Faktor, den es zu berücksichtigen gilt, ist, dass das bei diesem Prozess entstandene Silbersulfid physisch mehr Raum einnimmt, als das Silber, an dessen Stelle es tritt. Das Ergebnis sind Risse, die eine Öffnung hinterlassen, durch die weiterer Schwefel eindringen kann. Eine mögliche Konsequenz ist, dass das gesamte Silber im Kontakt eingeschlossen ist, wodurch der Widerstand vollständig vom Stromkreis abgekoppelt wird und es zu einem offenen Stromkreis kommt.
Lösungen für dieses Problem sind nicht billig. Es ist dafür notwendig, einen Schritt zurück zu gehen, mehr Palladium und weniger Silber zu verwenden und sogar eine sehr dünne Goldschicht aufzutragen, da Gold nicht mit Schwefel reagiert. Dies ist die bei ERJ-U030R00V Dickfilm-SMDs von Panasonic umgesetzte Lösung.
Abbildung 1: Panasonic ERJ-U030R00V.
Die Innenelektrode des ERJ-U030R00V von Panasonic weist eine Goldschicht auf, die für Schutz in einer schwefelhaltigen Umgebung sorgt. Das Datenblatt zeigt, dass diese Komponente mit einer Reihe verschiedener Widerstandswerttoleranzen und Versorgungswerte verfügbar ist.
In den letzten Jahren wurde ein größerer Anteil der weltweit produzierten elektronischen Geräte aller Art an Unternehmen und Verbraucher in Asien verkauft. In diesem Teil der Welt stellt die Verschmutzung durch Schwefel auf den Straßen von Städten sowie in Fertigungsumgebungen ein erhebliches Problem dar, eines, das sich aller Wahrscheinlichkeit nach so bald nicht bessern wird. Aus diesem Grund müssen nicht nur Spezialgeräte vor Schwefeleinwirkung geschützt werden, sondern auch Verbrauchergeräte.
Glücklicherweise werden die Herstellungskosten für Dünnfilmwiderstände, die gegen Probleme im Zusammenhang mit Schwefel weitgehend immun sind, zunehmend geringer. Die beiden Haupttypen weisen Widerstandselemente auf, die aus Tantalnitrid und Nickelchrom bestehen, wobei ersterem auch Feuchtigkeit nichts ausmacht. Ihre Beständigkeit bei Problemen mit Schwefel basiert auf ihrer Innenelektrode, die großteils aus Nickelchrom anstelle von Silber besteht. Dünnfilmwiderstände bieten noch weitere Vorteile gegenüber der Dickfilm-Variante. Sie weisen eine niedrigere Streuinduktion und -kapazität und bessere Temperaturkoeffizienten auf und können wirksamer miniaturisiert werden.
(Luft)-Feuchtigkeit
Es hat sich gezeigt, das Nickelchrom schwefel-, jedoch nicht feuchtigkeitsbeständig ist, zumal in Kombination mit häufigen Verunreinigungen wie Fluor, Chlor, Natrium und Kalzium. Das Ergebnis ist, dass sich das Widerstandselement mit dem Sauerstoff in der Feuchtigkeit einer feuchten Umgebung verbindet, wodurch Metalloxide entstehen, die keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was den Wert des Widerstands grundlegend verändert.
Bei radialen Widerständen hat sich eine zusätzliche Schicht zur Isolation gegen die Außenumgebung als wirksame Barriere gegen Feuchtigkeit erwiesen. Kombiniert mit einem besonderen Maß an Vorsicht während des Fertigungsprozesses, um Verunreinigungen fernzuhalten, hat sich dieses Verfahren als wirksam und kostengünstig erwiesen. Bei der zusätzlichen Beschichtungsoption wurden ebenfalls SMDs verwendet. Der Fertigungsprozess beinhaltet jedoch noch mehr. Oft liegt die Zusatzschicht in Form einer Beschichtung der kompletten Platine vor. Dadurch entstehen zusätzliche Kosten und es können Probleme entstehen, wenn die Platine repariert oder Aktualisierungen durchgeführt werden müssen.
Als Widerstandselement für Dünnfilmwiderstände kommen Nickelchrom oder Tantalnitrid in Frage. Letztere werden oft als TaNFilm®-Widerstände bezeichnet und haben die interessante Eigenschaft, dass sie als Reaktion auf ein elektrisches Feld eine Oxidschicht und somit eine Schutzschicht bilden, die recht effektiv gegen Feuchtigkeit wirken kann.
TT Electronics produziert einen TaNFilm®-Widerstand in Form eines Spannungsteilers. Dieses Modell heißt PFC-D1206-03-1503-3091-BB und kann in mehreren verschiedenen Konfigurationen spezifiziert werden. Wie auf dem Datenblatt angegeben wurde dieses Gerät anhand von Elementen des MIL-STD 202, eines Militärstandards für elektronische Komponenten, getestet und erfüllt die Anforderungen an die Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Hohe Temperaturen, Druck und Stoß
Die Ölindustrie ist der größte Verbraucher elektronischer Geräte, die für hohe Temperaturen ausgelegt sind. Je tiefer bei der Ölförderung gebohrt wird, desto heißer wird die Ausrüstung, und Temperaturen von 150 °C können verheerende Auswirkungen auf alle Arten von Filmwiderständen haben. Drahtwiderstände sind hingegen selbst bei Temperaturen von 300 °C und darüber hinaus stabil. Wie man vermuten könnte, besitzen Widerstände, die hohen Temperaturen standhalten, ausgezeichnete Temperaturkoeffizienten. Auf Drahtwiderstände trifft dies in der Regel immer zu. Sie weisen Temperaturkoeffizienten von 3 ppm/°C auf.
Metallfolienwiderstände sind überaus stoßfest, was bei Anwendungen der Luftfahrtelektronik ein wesentliches Merkmal ist. Diese Art des Widerstands wird häufig mit Metallfilmwiderständen verwechselt. Da jedoch das Widerstandselement bei Metallfolienwiderständen weitaus dicker ist, sind diese grundsätzlich robuster.
Dieses Merkmal wird durch eine spezielle Konstruktionstechnik verstärkt, bei der ein flexibler Draht, dessen einziger Zweck darin besteht Stöße abzufangen, zwischen das Widerstandselement und den Anschlussdraht, über den der externe Stromanschluss erfolgt, eingesetzt wird. Die NASA gibt dieses Verfahren in ihrer Spezifikation S-311-P-813 für Metallfolienwiderstände vor. Die NASA verlangt, dass alle Metallfolienwiderstände in der Lage sein müssen, einen Stoß mit einer Stärke von 100 G abzufangen und einer Spitzenschwingung von 20 G standzuhalten. Auch aufgrund ihrer ausgezeichneten Temperaturkoeffizienten sind Metallfolienwiderstände eine erstklassige Wahl für Umgebungen, in denen hohe Temperaturen herrschen.
Widerstände, die oft als die einfachsten unter den passiven Komponenten betrachtet werden, weisen in unterschiedlichen Gefahrenumgebungen unterschiedliche Stärken und Schwächen auf. Hersteller, die diese wichtigen Faktoren ignorieren, tun dies auf eigenes Risiko.