Tecnologias de resistores de precisão (ART649)

Nas aplicações críticas, como as que envolvem instrumentação, sensoriamento de grandezas físicas, telecomunicações, equipamentos médicos e controle, são exigidos resistores de alta precisão. Para os projetistas de tais equipamentos é de extrema importância conhecer as tecnologias atualmente utilizadas para a fabricação de tais componentes. Uma das tecnologias é a "thin film" ou "filme fino", empregada na fabricação de resistores de precisão por diversas empresas, dentre elas a Vishay Intertechnology Inc. Neste artigo analisamos essa tecnologia justamente baseados em documentação fornecida pela Vishay. Na atualização de 2012 constatamos que novas séries de resistores foram lançados. Verifique antes de usar algum destes componentes.

A escolha de um resistor de precisão para uma aplicação não envolve apenas a observação de sua tolerância. Os equipamentos em que eles vão operar estão sujeitos à variações de condições físicas, como temperatura, umidade, etc., que podem ter efeitos sensíveis sobre o seu valor.

Assim, as tecnologias modernas usadas na fabricação dos resistores de precisão também envolvem a introdução de características que signifiquem não apenas "precisão", mas sim "precisão dentro de uma faixa muito ampla de variações das condições de operação" e mesmo a possibilidade de tais resistores trabalharem em conjunto, como ocorre em divisores de tensão.

Uma das tecnologias usadas para a fabricação de tais resistores é a denominada Thin Film ou Filme Fino que passamos a analisar em pormenores.

Os filmes

Os filmes utilizados na fabricação dos resistores têm uma espessura de aproximadamente 500 microns. Com a utilização de máscaras que permitem alterar as larguras e espaçamentos dos filmes uma ampla gama de valores ôhmicos pode ser obtida.

Os padrões de resistividade podem variar entre 50 e 2000 ? por quadrado (Veja nota) . Como regra geral, tanto mais baixa a resistividade da folha, melhor será a performance elétrica.

(*) A unidade de resistividade superficial é ohm/sq ou ohm/quadrado Conforme mostra a figura A a resistividade de superfície de um material refere-se a corrente elétrica fluindo por toda área superfície (unidade de área). Essa resistividade superficial depende da espessura do material e normalmente é usada para caracterizar materiais de folhas ou fitas.

Figura A

Os principais materiais usados são:

a) Nicromo (NiCr)

Trata-se do material mais popular e que tem as melhores especificações em termos de TCR (Coeficiente de Temperatura de Resistência), ruído e estabilidade a longo termo. Suas resistividades típicas são de 50, 100 e 200 ? por quadrado.

b) Tamelox

Trata-se de uma liga da Vishay que reúne as vantagens do Nicromo e no Nitreto de Tântalo

c) Nitreto de Tântalo (TaN2)

Quando processada e depositada corretamente essa substância resulta numa liga resistente às impurezas ambientes. A performance elétrica não é tão boa como a do nicromo. É preferida para as aplicações de baixa potência e em que não existe auto-aquecimento alem de umidade relativa elevada.

d) Crometo de Silício (SiCr)

Esse material tem uma resistividade muito alta (2000 - 3000) e é usado para se obter resistências elevadas em pequenas áreas. As especificações elétricas tais como a TCR, estabilidade a longo termo e coeficientes de tensão são superiores a das encontradas na tecnologia de filme espesso.

Construção de Filmes Finos Integrados

O termo integrado é emprestado a indústria de semicondutores e é usado de forma semelhante. Um circuito integrado consiste no agrupamento de elementos que são formados e interconectados num substrato comum de modo a formar uma rede funcional.

Os resistores integrados seguem o mesmo conceito: um grupo de elementos resistivos é fabricado num processo único e interconectado num substrato comum.

Os resistores também são fabricados por um processo de litografia óptica, seguida de uma remoção seletiva dos materiais indesejáveis.

Uma característica importante desse processo é a uniformidade. Como todos os resistores são fabricados ao mesmo tempo e submetido aos mesmos processos, com diversos wafers sendo tratados ao mesmo tempo, milhares de componentes com praticamente as mesmas características são obtidos.

Faixa de Resistências

O processo usado por litografia permite ao fabricante obter componentes numa ampla faixa de valores de resistências.

A resistência do componente depende basicamente das características do filme e do padrão em que é feita sua deposição. No entanto, deve-se levar em conta certas limitações de espaço, além da própria necessidade de se acrescentar os terminais.

Com o uso de filmes na faixa de 50 a 2000 ?/quadrado a faixa de resistência dos componentes obtidos pode variar entre poucos ? a vários meg?. No entanto, os valores mais comuns ficam entre 250 ? e 100 k ?.

Resistências Muito Baixas

Um problema que ocorre é que, quando são fabricados resistores de valores muito baixos, a resistência dos terminais deve ser considerada.

Com um projeto apropriado, os efeitos dos terminais podem ser minimizados mas não completamente eliminados, conforme mostra a figura 1.

Influência da resistência dos terminais.

Num resistor de 10 ? o efeito da resistência dos terminais pode chegar a 1% enquanto que esse valor é de apenas 0,01% num resistor de 1 k?.

Tolerância da Resistência

O uso de sistemas modernos de LASER permite ajustar os valores dos resistores de tal forma a se obter tolerâncias muito baixas, com valores absolutos e relativos que chegam aos 0,01% e

Quando menor a tolerância, mais cuidadosamente o resistor deve ser projetado para se obter uma distribuição de valores dentro dos limites de tolerância, com um custo e tempo de fabricação compensadores.

Uma forma de se chegar a isso é com o uso de geometrias especiais para ajustes, conforme mostra a figura 2.

Geometrias especiais para ajustes das tolerâncias.

Essas geometrias reduzem a sensibilidade do resistor à quantidade de material que deve ser removido no processo de ajuste para se obter a precisão desejada.

TCR - Coeficiente de Temperatura da Resistência

O Temperature Coefficient of Resistance ou TCR mede a variação da resistência em função da temperatura ambiente.

Ele é definido como a variação da resistência por unidade de varia''cão de temperatura e é comumente expresso em partes por milhão por grau centígrado ou ppm/oC.

Os resistores comuns, como os discretos fabricados com filmes metálicos são classificados por lotes de acordo com o seu TCR.

No entanto, as tecnologias modernas, como as que fazem uso de filmes fino, resultaram no que se denomina produtos de filme fino de "terceira geração" que possuem TCRs menores do que 10 ppm/oC absolutos.

O TCR é normalmente determinado experimentalmente através da medida da resistência em diversas temperaturas e calculando-se a taxa de variação numa determinada faixa, normalmente entre 25 oC e 125 oC. Se a resistência varia linearmente com a temperatura então o TCR é constante no intervalo considerado.

No entanto, se a variação não é linear, como ocorre com ligas de níquel/cromo, então o TCR é expresso por uma curva, conforme mostra a figura 3.

Variação não linear das ligas de Ni/Cr.

Pelo método especificado na norma MIL-STD-202 - Methodo 304, a TCR deve ser medida em intervalos entre 25 oC e 55 oC e também entre 25 oC e 125oC. O maior valor registrado deve ser o indicado como TCR.

Entendendo os efeitos da composição da liga e através de um controle cuidadoso no processamento é possível modelar a curva resistência x temperatura de um produto de diversas formas, como mostra a figura 4.

Diversas curvas de resistências x temperaturas.

Podemos ter curvas negativa em toda a faixa, positiva em toda a faixa ou ainda negativa num extremo e positiva no outro, da faixa de temperaturas.

"Tracking"

Existem aplicações em que a precisão dos resistores empregados precisam estar "pareadas", ou seja, as variações de um, em função da temperatura, devem acompanhar as variações de outro numa rede usada no mesmo circuito.

As redes de filme fino possuem características excelentes de "tracking". No entanto, existem diversos aspectos nesse comportamento que precisam ser entendidos e diferenciados.

a) Tracking de TCR

O tracking de TCR é definido como a diferença entre a TCR de um par de resistores num determinado intervalo de temperatura.

Para os resistores comuns discretos é difícil obter uma a distribuição absoluta muito próxima dos TCRs, conforme mostra a figura 5.

Distribuição afastada do tracking de TCR.

Por outro lado, pelo processo integrado, dadas as condições semelhantes de deposição (uniformidade, etc.) pode-se obter uma distribuição mais próxima do tracking de TCR, conforme mostra a figura 6.

Distribuição próxima do tracking de TCR.

As pequenas diferenças que existem ocorrem devido a variáveis de processo como por exemplo, defeitos de substrato, deposição não informe, gradientes térmicos diferentes durante a produção, stress não uniforme, etc.

b) Tracking de Resistência na Comutação

Muitos circuitos operam de um modo em que a corrente através de um resistor é ligada e desligada enquanto que em outro do mesmo circuito opera com uma corrente constante.

Neste caso, mesmo que os resistores tenham o mesmo TCR e o substrato seja mantido numa temperatura uniforme, as resistência podem se alterar devido ao auto-aquecimento.

Nesses casos, os resistores devem ter um TCR absoluto que seja a mais baixo quanto seja possível na faixa de temperaturas de operação e devem ser montados o mais próximo um do outro quanto seja possível de modo a minimizar as diferenças de temperaturas entre elas.

A figura 7 mostra o que ocorre com resistores não casos num caso como esse.

Resistores com os valores alterados devido ao autoaquecimento.

Relações de Tensão

Muitas vezes os resistores são usados como divisores de tensão. Nesses casos, se alta precisão for necessária, é mais importante pensar em termos de relação de tensão do que em relação de resistências.

Existem três aspectos importantes das relações de tensão que devem ser entendidos em comparação com as relações de resistências. Esses aspectos são: relação de tensão propriamente dita, tolerância da relação de tensão e tracking da relação de tensão.

A tensão de um divisor, conforme mostra a figura 8, é idealmente calculada pela fórmula:

Circuito típico de um divisor de tensão.

V = Ve x [R1/(R1+R2)]

Quando os valores das resistências não são iguais, a relação entre as tensões vai diferir do valor calculado de uma quantidade, que depende da resistência do terminal comum.

Quando são usados resistores de baixo valor, a diferença pode ser significativa. Por exemplo, para um resistor de 10 k? em série com um resistor de 1 k?, tendo uma terminal comum com 100 m? de resistência, as diferenças entre as relações podem diferir de 75 ppm como mostram os cálculos abaixo:

Para um resistor de 1 k? em série com um resistor de 100 ?, a resistência da tomada de 100 m? faz com que seja produzida uma diferença na relação de tensão de mais de 800 ppm.

Tolerância da Relação de Tensão

A tolerância para uma determinada relação de tensões também difere da tolerância para a mesma relação de resistências. A maior diferença, nesse caso, é dada pelo primeiro termo da equação abaixo e também é afetada pela resistência do terminal comum.

Estabilidade

Os efeitos descritos anteriormente são reversíveis: as variações não são permanentes e desaparecem quando a temperatura volta ao ponto de partida. No entanto, existem efeitos irreversíveis.

A maioria das redes de resistores é usada em divisores de tensão.

No entanto, deve-se considerar que ao longo da vida útil do componente, suas características se modificam incluindo a tolerância, que deve ser preservada ao máximo. Isso exige uma estabilidade do filme.

Os materiais usados tem passado por progressos no proicesso de fabricação obtendo-se assim componentes com maior estabilidade.

Verifica-se que para as ligas de Níquel/Cromo a estabilidade ao longo do tempo depende da temperatura do substrato. Isso significa que pode-se prever o comportamento do componente em função de apenas uma variável.

Na figura 9 temos um gráfico que nos mostra como a temperatura influi na estabilidade do componente ao longo do tempo.

Estabilidade do componente ao longo do tempo.

Deve-se considerar o problema do tracking de TCR que será tanto menor quando menor for a variação da resistência absoluta de cada um dos resistores do par.

Dissipação

Os resistores de precisão de filme fino não são utilizados em aplicações de alta potência. Isso significa que os modos de se estabilizar as potências dissipadas nesses componentes não são críticos. No entanto, limites precisam ser estabelecidos e isso é feito através da fixação da temperatura máxima de operação.

A temperatura em potência zero ou "zero power" (também denominada temperatura máxima de operação) é a temperatura máxima em que o componente pode operar por um determinado intervalo de tempo, sem mudança excessiva de características.

O tempo especificado normalmente é 1000 horas e a mudança de características normalmente é estressa em relação à tolerância inicial.

Os resistores de filme fino que precisam manter uma tolerância de 0,1%, e a temperatura em potência zero pode ser 150 oC tipicamente. Nessa temperatura um resistor deve ter uma mudança da ordem de 500 ppm absolutos ou 100 ppm relativos em relação aos outros da mesma rede.

Se a tolerância for de 0,01% uma temperatura mais apropriada para potência zero seria 125 oC. Na figura 10 temos um gráfico que mostra a curva de degradação da potência que um resistor pode dissipar em função da temperatura.

Degradação de potência do resistor devido à temperatura.

Veja que a potência dissipada vale apenas para temperaturas até 70 oC. Depois disso temos a degradação e ela varia se os resistores forem do tipo hermético e não hermético.

Quando se trabalha com resistores para a montagem em superfície deve-se prestar especial atenção às dissipações individuais. Isso ocorre porque, dentro de uma mesma rede, os diversos resistores podem trabalhar com potências diferentes. O projeto deve levar em consideração essas diferenças.

Coeficiente de Tensão e Ruído de Corrente

Existem duas características que podem trazer sérios problemas para projetos que envolvem resistores de precisão e que precisam ser considerados quando os resistores são feitos de materiais compostos, mas que são ignoradas nos resistores de filme fino, por serem pouco significativas.

O coeficiente de tensão da resistência é a mudança da resistência por variação da tensão, expressa em ppm/volt.

Ela expressa a característica não ôhmica dos resistores de filme fino, e seus níveis se manifesta de forma mais intensa apenas nos resistores de maior valor, na faixa de meg?. Valores típicos estão n a faixa de 0,1 ppm/V.

O ruído de corrente é caracterizado e tem um valor típico menor do que - 35 dB.

Efeitos Termoelétricos

Tensões termoelétricas podem ser geradas nas terminações dos resistores em diferentes temperaturas. Com resistores discretos, essas tensões podem ser problemáticas quando gradientes de temperatura se manifestam dadas as dimensões elevadas dos componentes.

Com redes de resistores de filme fino, os tamanhos reduzidos e a distribuição do calor de maneira mais uniforme, esses efeitos praticamente não existem.

As tensões geradas termoeletricamente nos resistores de filme fino são tipicamente menores do que 0,1 uV/oC.