שימוש בנגדים מדויקים בטמפרטורות גבוהות, הפרעות תדר (עיוות הרמוני) ותנאי סביבה מאתגרים

יובל הרניק, Foil Resistors
() Vishay Precision Group

במהלך השנים האחרונות, חל גידול ניכר בביקוש למערכות מדויקות, יציבות ואמינות המסוגלות לפעול בסביבה תובענית ובטמפרטורות גבוהות מעל או מתחת לפני השטח.
מעגלים אנלוגיים רבים לתעשייה, לשימושים צבאים, לתעופה וחלל, לקידוחי נפט, למכשור רפואי, וליישומי רכב נזקקים למגוון רכיבים פסיביים כגון נגדים על מנת להבטיח שינוי מינימאלי מהערכים הראשוניים שלהם במצב של פעולה מעל +125 מעלות צלזיוס ובתנאי לחות.
טכנולוגיית נגדי היריעה (Bulk Metal® Foil) שמיוצרת בישראל מאז שנות ה-70 כוללת סוגים רבים של נגדים קבועים ומשתנים עם מגוון רחב של תצורות סטנדרטיות המאפשרות לעמוד בתנאים סביבתיים לא שיגרתיים הדורשים עמידות לטמפרטורות גבוהות, חשיפה לגופרית, רטט
(Vibration) ופריקה אלקטרוסטטית (ESD).
יכולות הביצוע הגבוהות של נגדי יריעה (Foil Resistors) מתאפשרות בשל שילוב של סגסוגת היריעה ומצע קרמי המניב נגד עם מאפיינים ייחודיים ששונה באופן ניכר מטכנולוגית נגדי שכבה דקה ונגדי שכבה עבה. בהשוואה למבנה של נגדי יריעה, אלמנטים של נגדי שכבה דקה (thin film) הם לא חומר המאפשר שליטה מלאה לקבלת תכונות יציבות לטווח ארוך. פרמטרים כגון חום או לחצים מכאניים על השכבה הדקה יגרמו לחלקיקים להתגבש ולשכבה להתרחב וישנו את ההתנגדות. עם זאת, לאחר שהלחצים הללו פוחתים, החלקיקים במטריצת השכבה הדקה לא חוזרים לאותה הצורה המקורית מאחר ונגדי שכבה דקה אינם נענים לחוק הוק (Hookean Body). מגוון תצורות של נגדי יריעה החל מגודל 0603 ואילך משמשים כדי לספק מגוון של דירוגי הספק, גדלים, ערכי התנגדות, ומפרטי הפעלה אחרים לצרכי יציבות ואמינות ביישומים קיצוניים. נגדי היריעה שעוברים רידוד קר (cold roll) בשלב הראשוני, מצליחים לשמור על מבנה מולקולרי הזהה לסגסוגת הגולמית.
זהו הבסיס של נגד היריעה (Foil), מאחר ששכבת היריעה שומרת על מקשה אחיד ושלם עם גורם קבוע וליניארי ידוע של התפשטות על פני כל טווח הטמפרטורות שבהן יכול הנגד להימצא במהלך כל חיי הפעולה שלו.

יציבות נגד והשפעות טמפרטורה
יציבותו של נגד מדויק תלויה בעיקר בטמפרטורה שלו, וניתן לחלק את השפעת הטמפרטורה לשניים:
1. שינויים בטמפרטורת הסביבה וחום הנפלט מרכיבים סמוכים (כמוגדר על ידי מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות [TCR]).
2. חימום עצמי כתוצאה מעומס (מוגדר על ידי מקדם ההספק של ההתנגדות, או PCR, שהוא ΔR עקב חימום פנימי
self-heating, Joule effect).
להשפעות תרמיות על היציבות של נגדי דיוק יש השלכות שונות מידיות, לטווח הקצר ולטווח הארוך. ניתן לראות את ההשפעה המידית ביותר באפקט החימום הפנימי או מקדם הטמפרטורה של ההספק
(power TCR) הנרשם כשינוי בהתנגדות ככול שהנגד מתחמם או מתקרר עקב פיזור רוחבי או אופקי של החום. ההשפעה השנייה היא שינוי ההתנגדות בשל שינויי טמפרטורה סביבתית. שני שינויים אלה הם פונקציות של TCR הגלום בנגד המגיבות לטמפרטורת גופו של הנגד, ושניהם באופן עצמאי והדרגתי הפיכים. עם זאת, טמפרטורה גבוהה יכולה גם היא לגרום לשינוי קבוע בהתנגדות ולהביא לכישלון מלא של הנגד.
לאמינות גבוהה ויציבות, נגדי יריעה מתאימים מספקים טמפרטורות פעולה גבוהות מעל 175 מעלות צלזיוס, TCR נמוך עד 2ppm/°C וטווח ארוך יוצא דופן של יציבות עומס חיים (load-life stability) עד 0.005% למשך של 2000 שעות.

נגד ה-Bulk Metal Foil
מקדם ה-TCR של נגד Bulk Metal Foil מושג באמצעות יריעה עבה באופן משמעותי מנגד שכבה דקה. הכנת נגד היריעה מתבצעת בתהליך ייחודי אשר שומר על המבנה המולקולרי של הסגסוגת שממנו הוא נוצר. מאפיין זה מאפשר ליריעה לפעול כמבנה מונוליטי עם מקדם קבוע וידוע של התפשטות תרמית על פני טווח כל הטמפרטורות שהנגד עשוי לחוות במהלך חייו. החומרים של הרכיב הונדסו לקבלת איזון מדויק של מקדמים ליניאריים של התפשטות תרמית של היריעה והמצע הקרמי במטרה להשיג את ה-TCR הנמוך ביותר בתעשייה או במילים אחרות לקבל יציבות לטווח פעולה ארוך בתנאים קיצוניים.
הדבק שמחבר את סגסוגת היריעה למצע הקרמי השטוח עמיד בטמפרטורות
גבוהות ותופעות אחרות כגון פעימות
הספק (pulsing power), חדירת לחות (moisture incursions), זעזועים, תנודות, ופריקה אלקטרוסטטית במתח גבוה
(high-voltage ESD). מבנהו המישורי והשטוח של נגד היריעה – עם אלמנט ההתנגדות במשטח מאפשר תהליך ייחודי לכוונון או כיול הנגדים לערך מדויק עד
ppm (אפיצות) תוך מניעת הופעת נקודות חמות (hot-spots) וצפיפות זרם גבוהה
(high current density) בנקודות בהן כיוון הזרם משתנה. המבנה השטוח והמישורי של נגדי היריעה, עם החלק ההתנגדותי על פני השטח, מאפשר שימוש בתהליך ייחודי לכיול הנגדים לכל ערך רצוי עד 6 ספרות. כמו כן ניתן ליצור אפיצויות עד כדי 0.001%. עם מאפיינים אלה, הטכנולוגיה הבסיסית של נגדי היריעה משלבת את פיצוי המאמצים החיוני שמאפיין את טכנולוגיית היריעה
(foil technology).
בנגדי דיוק גבוה, יש לקחת בחשבון את ההבדל בין שתי התופעות כדי להשיג יציבות גבוהה עם שינויים בעומס (Joule Effect) ושינוי בטמפרטורת הסביבה. נגד היריעה מאזן את מקדם ההתפשטות התרמית (coefficient of thermal expansión) של סגסוגת ה-Bulk Metal ואת המצע, וכתוצאה מספק יציבות לטווח ארוך ו-TCR נמוך עם וריאציות משמעותיות בטמפרטורות. טכנולוגיות מסוג Z ו-Z מספקות הפחתה משמעותית ברגישות של אלמנט היריעה לשינויי טמפרטורה – חיצונית ופנימית.
דור חדש של נגדי Bulk Metal Foil מסוג השמה משטחית (Surface-mount) יכולים לעמוד בטמפרטורות פעולה של 200 מעלות צלזיוס במשך מאות שעות, עם טווח שינויי טמפרטורות גבוהות בהרבה. בסביבות טמפרטורה גבוהה, אפילו עם שימוש בהלחמה בטמפרטורה גבוהה, ההלחמה של המוליך החיצוני של הנגד יכולה להתמוסס. העיצוב הייחודי של תצורת המוליך של נגדי היריעה מסוג Leaded מונע נזק לחלק הנגרם עקב התכה חוזרת בהלחמה. החיבור הפנימי של המוביל לאלמנט הנגד מצוי בקצה הנגד המרוחק מכניסת המוליכים למארז. בנוסף, חיבור המוביל לנגד הוא חיבור מרותך, ולכן אין שימוש בהלחמה.

נגדים ופריקה אלקטרוסטטית (ESD)
נזק של פריקה אלקטרוסטטית למכשירים אלקטרוניים יכול להתרחש בכל נקודה במחזור החיים של המכשיר, משלב הייצור ועד שלב השירות השוטף בשטח. נגד שנחשף לאירוע פריקה אלקטרוסטטית עלול להיכשל באופן מיידי, או שהוא עלול לחוות פגם סמוי. במקרה זה, כישלון מוקדם יכול להתרחש לאחר שהנגד כבר מתפקד במוצר המוגמר במשך תקופה. נגדי יריעה מסוגלים לעמוד בפריקות אלקטרוסטטיות מעל 25000 וולט ללא פגע.
שלבים חשובים בייצור של נגדים מדויקים:
טכנולוגית היריעה מאפשרת לייצר נגדים רגילים (COTS – (commercial off-the-shelf ונגדים מכווני יישום שנועדו לספק דרישות טכניות ייחודיות וספציפיות. הייצור הסטנדרטי כולל מספר בדיקות על כל נגד ונגד (100%) כגון:
• שוק תרמי (Thermal shock): הרכיב נחשף במהלך הייצור לשינויי טמפרטורה בטווח רחב עם קצב שינוי טמפרטורה ספציפי. המבחן מיושם כדי לסנן פגמים מחיבורים פנימיים וברשת (יריעה). כמו כן ניתן לכוון את פרופיל השוק בהתאם לתנאי הסביבה של היישום אליו מיועד הנגד.
• בדיקת לינאריות (Component Linearity Test-CLT): מבחן יעיל לאיתור וסינון כשלים פוטנציאלים בשלב הראשוני. שיטה זו מאוד שימושית בזיהוי התנהגויות חריגות של נגדים כתוצאה מפגמים.
• עומס יתר בזמן קצר (Short-Time Overload): הספק מוגבר לתקופה קצרה של זמן עד חמש שניות – זוהי בעצם סימולציית יציבות לעמידות של הנגד בעומס לאחר אלפי שעות עבודה, באופן זה ניתן בעצם לחזות את התנהגותו האמיתית של הנגד בשטח. התוצאות של סימולציה זו מושפעות מטמפרטורה, זמן והספק.
(Power, Time, Temperature). ראה תרשים 2.
המטרות של הבדיקות לעיל הן לדמות מאמצים בלתי צפויים היכולים לחול בעת הפעלה. יחד הם מבטיחים אמינות גבוהה ויציבות לטווח ארוך שהיא ייחודית לנגדי Bulk Metal® Foil. בנוסף לבדיקות אלה, קיימות פעילויות מיוחדות שלאחר ייצור (post-manufacturing operations) מיוחדת עבור יישומים רגישים המחייבים דרגה גבוהה במיוחד של אמינות ויציבות.

רעש
עוד גורם משמעותי שחשוב לקחת בחשבון בבחירת נגדים מדויקים הוא רעש. לנגדי שכבה-דקה (Thin-Film) יש מבנה הרבה יותר הומוגני, ולפיכך הם פחות רועשים. נגדי שכבה-דקה מבוססים על נידוף
או ריסוס בוואקום (vacuum evaporation or sputtering process) של חומר התנגדות (לדוגמה, טנטלום ניטריד TaN, סיליקון כרום SiCr וניקל כרום NiCr) על-גבי מצע קרמי. עובי שכבת ההולכה משתנה בתהליך הייצור בהתאם לערך ההתנגדות מעובי של 50 עד 250 אנגסטרום ויותר
(1Å=0.1nm=10-10m). הרעשים בשכבה דקה נובעים בעיקר ממכשולים בשכבת ההולכה כגון מקטעים חסומים לאורך מעבר הזרם, מפגמים בפני השטח ומחוסר אחידות של השכבה. רעשים אלו נעשים קריטיים יותר כאשר הערך הדרוש גבוה ובהתאם לכך שכבת ההתנגדות דקה יותר. זאת הסיבה, שככל ששכבת ההתנגדות עבה יותר, כך ערך ההתנגדות נמוך יותר, ולפיכך רמת הרעש נמוכה יותר. רמת הרעש הנמוכה ביותר נצפית בנגדים העשויים מגוש מתכתי כגון יריעה או חוט, למשל נגדי יריעה (Foil) ונגדים מלופפים (Wirewound). חוט ויריעה עשויים מסגסוגות מתכות דומות, אך בנגדים מלופפים קיים רעש נוסף, אשר נוצר מהחיבור של החוט הדק מאוד של מרכיב ההתנגדות לטרמינלים. בנגדי יריעה, לעומת זאת, נקודות החיבור (Terminals) ומרכיב ההתנגדות הם חלקים של אותה פיסה של יריעת מתכת, ולכן הבעיה לא מתעוררת. בנגדי יריעה Foil, בעיות אלה לא קיימות, משום שהם בנויים תוך שימוש באיכול כימי סלקטיבי באמצעות הדפסת הגנה על ידי שכבה רגישה לאור (תהליך פוטוליתוגרפי) של יריעת מתכת שטוחה, כך שהזרם בנתיבים סמוכים עובר בכיוונים ההפוכים, ובכך מתבטלת השראות פרזיטית של נתיבים אלה. הסריג מתוכנן עם זרמים בכיוונים מנוגדים בנתיבים סמוכים, על מנת להקטין למינימום גם את ההשראות והן את הקיבוליות לקבלת ביצועים למהירויות גבוהות כמו כן, הקבלים מנתיב לנתיב מתחברים בטור, דבר הגורם למזעור הקיבוליות הפרזיטית של הנגד. נגדים אלה בעלי השראות/קיבוליות נמוכה מאופיינים בעיוותי אות מנקודת שיא לנקודת שיא בלתי מדידים.

Thermal EMF
הכח אלקטרו-מניע (ThEMF) הינו תופעה שכיחה בשימוש הנגדים עם ערכים נמוכים ובזרם ישר DC. תופעה זו גורמת להופעת מתחי שגיאה בכל מקום שבו קיימים הפרשי טמפרטורה בין שני צמתים של שני חומרי מתכת שונים, כמו למשל במקום שבו המרכיבים ההתנגדותיים הפנימיים מתחברים אל החיבורים החיצוניים של נגד. הפרשי טמפרטורה מתפתחים על פני נגד כתוצאה מפיזור חום לא אחיד, מחיבורים שמתחממים על ידי רכיבים שמקרינים חום, ומנתיבים של פיזור חום העוברים לאורך המעגל המודפס, הן בנתיבי המוליכים והן בחומר הבסיס של המעגל המודפס עצמו. לנגד יריעה שמתוכנן עם מקדמי התפשטות נמוכים יש כח אלקטרו מניע יחסית מאוד נמוך ביותר של 0.05 מיקרו-וולט למעלת צלזיוס, בלבד.

חשיפה לגופרית
(FOS-Flower Of Sulfur) ושבבי נגדי יריעה מסוג השמה משטחית (Surface-Mount)
ASTM B80, הינו תקן לבדיקת נזקים מחשיפה לגופרית זהו מבחן מוכר כדי לקבוע את הנקבוביות של הציפוי באמצעות אדי גופרית לחים. אדים אלו מסוגלים לחדור ציפוי קונפורמי ולגרום נזק לרכיב כאשר הוא מגיב עם שכבות פנימיות של כסף (Silver). שבבי נגדי יריעה מסוג השמה משטחית מונעים בעיה זו בעזרת ציפוי מיוחד אמין באופן מוכח בסביבות קיצוניות ואפילו נגד גופרית. יתר על כן, שבבי נגדי יריעה מסוג השמה משטחית אינם מכילים כסף (או נחושת), ולכן הסיכון לתגובה עם גופרית מסולק. מבחן הגופרית הוא רלוונטי במיוחד עבור מתכנני מעגלים ביישומי אנרגיה חלופית בהם זיהום סביבתי הוא דאגה מתמדת. לכן חל ביקוש גובר של יצרני ציוד קצה לתכונות אנטי-גופרתיות בחמש השנים האחרונות. מעגלים אנלוגיים ביישומים אלה כמעט תמיד פועלים בתנאים סביבתיים, תרמיים ומכאניים קיצוניים, ועל-כן חייבים הם לעמוד בשירות ממושך ותדיר על ידי אנשי מקצוע ומתלמדים כאחד. התמונה מסתבכת עוד יותר על ידי מגבלות רגולטוריות קשות וציפיות צרכנים גבוהות. חטיבת נגדי היריעה (Vishay Foil Resistors – VFR) של חברת Vishay Precision Group קיבלה זרם קבוע של פניות לקוחות, שהביאו להתמקדות מוגברת במחקר ופיתוח של נגדים אנטי-גופרתיים. כתוצאה מכך הסמכנו את שבבי נגדי היריעה מסוג השמה משטחית ל-“נגדים אנטי-גופרתיים”. אלה נועדו בעיקר לשימוש בסביבות עם רמות גבוהות של זיהום. מעבר לאנרגיה חלופית, יישומים נוספים כוללים מערכות בקרה תעשייתיות, חיישנים, מכשור חשמלי, ותחנות בסיס לתקשורת. נגדים אלה בין השאר מתאימים למכשירים אלקטרוניים המשמשים בריכוזים גבוהים של גופרית.
נגדי Bulk Metal Foil מסוג השמה משטחית בטווח גדלים מ-0603 ל-2512 מציעים רמה גבוהה של יכולות אנטי-גופרתיות. לפי ASTM B809, נגדי Bulk Metal Foil עומדים בסטנדרטים המחמירים ביותר בבדיקת עם מאפיינים אנטי-גופרתיים מצוינים. נגדים אנטי-גופרתיים ברמת דיוק גבוה תופסים כיום רק חלק קטן מהשוק הכולל של הנגדים. עם זאת, על מנת לספק את ביקוש הלקוחות בהווה ובעתיד, VFR תמשיך להשקיע זמן ומאמץ במחקר ופיתוח של טכנולוגיה אנטי-גופרתית.

הפרעות תדר
(Harmonic Distortion)
הפרעות תדר מהוות שיקול חשוב בבחירה של נגדים מדויקים עבור יישומים רגישים. אות מתח משמעותי על פני הנגד עשוי לשנות את ערך ההתנגדות התלויה בבנייה, חומר, וגודל. בתנאים אלה נגדי Bulk Metal Foil מתנהגים באופן ליניארי יותר מסוגי נגדים אחרים.

תודות לדויד גזית על הסיוע בהכנת המאמר