Las aplicaciones críticas relacionadas con la instrumentación, la detección de magnitudes físicas, las telecomunicaciones, los equipos médicos y el control requieren resistores de alta precisión. Para los proyectistas de dichos equipos, es fundamental conocer las tecnologías que se utilizan actualmente para fabricar estos componentes. Una de ellas es la "thin film" o película fina, empleada en la fabricación de resistores de precisión por varias empresas, entre ellas Vishay Intertechnology Inc. En este artículo, analizaremos esta tecnología a partir de la documentación proporcionada por Vishay.
Nota: Artículo publicado en la revista Saber Electrónica 443 de diciembre de 2009. ART5612
Elegir un resistor de precisión para una aplicación implica más que solo considerar su tolerancia. El equipo en el que funcionará está sujeto a variaciones en las condiciones físicas, como la temperatura y la humedad, que pueden afectar significativamente su valor.
Así pues, las tecnologías modernas empleadas en la fabricación de resistores de precisión también abarcan la introducción de características que no solo significan «precisión», sino «precisión en una amplia banda de condiciones de funcionamiento», e incluso la posibilidad de que dichos resistores funcionen conjuntamente, como ocurre en los divisores de tensión. Una de las tecnologías utilizadas para la fabricación de estos resistores es la denominada de Thin Film o Película Fina, que analizaremos a continuación en detalle.
Las películas
Las películas utilizadas en la fabricación de resistores tienen un espesor aproximado de 500 micras. Mediante la utilización de máscaras que permiten modificar el ancho y la separación de las películas, se consigue una amplia banda de valores óhmicos se pueden obtener. Los estándares de resistividad pueden variar entre 50 y 2000 ohms por cuadrado. Como regla general, cuanto menor sea la resistividad de la lámina, mejor será su rendimiento eléctrico. Los principales materiales utilizados son:
•Nicromo (NiCr): Este es el material más popular y presenta las mejores especificaciones en cuanto a coeficiente de temperatura de resistencia (TCR), ruido y estabilidad a largo plazo. Sus resistividades típicas son de 50, 100 y 200 ohms por cuadrado.
•Tamelox: Se trata de una aleación Vishay que combina las ventajas del Nicromo y el Nitreto de Tántalo.
•Nitrato de Tántalo (TaN2): Cuando se procesa y deposita correctamente, esta sustancia da como resultado una aleación resistente a las impurezas ambientales. Su rendimiento eléctrico no es tan bueno como el del nicromo. Se prefiere para aplicaciones de baja potencia y aquellas donde no hay autocalentamiento, así como para ambientes con alta humedad relativa.
•Cromato de Silicio (SiCr): Este material tiene una resistividad su valor es muy alto (2000 — 3000) y se utiliza para obtener resistencias elevadas en áreas pequeñas. Las especificaciones eléctricas, como el TCR, la estabilidad a largo plazo y los coeficientes de tensión, son superiores a las de la tecnología de película gruesa.
Construcción de Películas Finas Integradas
El término integrado es industria prestada de semiconductores y se utilizan de forma similar. Un circuito integrado consiste en un conjunto de elementos formados e interconectados sobre un sustrato común para formar una red funcional. Los resistores integrados siguen el mismo concepto: un grupo de elementos resistivos se fabrica en un solo proceso y se interconecta sobre un sustrato común.
Los resistores también se fabrican mediante un proceso de litografía óptica, seguido de la eliminación selectiva de materiales no deseados. Una característica importante de este proceso es la uniformidad. Dado que todos los resistores se fabrican simultáneamente y se someten a los mismos procesos, con diferentes wafers al procesarse simultáneamente, se obtienen miles de componentes con características prácticamente idénticas.
Banda de Resistencias
El proceso utilizado por la litografía permite al fabricante obtener componentes en una amplia banda de valores de resistencias. La resistencia del componente depende fundamentalmente de las características de la película y del patrón de deposición. Sin embargo, deben tenerse en cuenta ciertas limitaciones de espacio, así como la necesidad de añadir terminales. Al utilizar películas en la banda de entre 50 y 2000 ohms/cuadrado, la banda de resistencia de los componentes resultantes puede variar desde unos pocos ohms hasta varios megaohms. Sin embargo, los valores más comunes se encuentran entre 250 ohms y 100 kohms.
Resistencias Muy Bajas
Un problema que surge es que, al fabricar resistores con valores muy bajos, debe tenerse en cuenta la resistencia de los terminales.
Con un proyecto adecuado, los efectos de los terminales pueden minimizarse, pero no eliminarse por completo, como se ilustra en la figura 1.
En un resistor de 10 ohms, el efecto de la resistencia terminal puede alcanzar el 1%, mientras que este valor es solo del 0,01% en un resistor de 1k ohms.
Tolerancia a la Resistencia
La utilización de modernos sistemas LÁSER permite configurar los valores de resistores de tal manera que se obtengan tolerancias muy bajas, con valores absolutos y relativos que alcanzan el 0,01% y el 0,005% respectivamente.
Cuanto menor sea la tolerancia, más preciso deberá ser proyectado el resistor para obtener una distribución de valores dentro de los límites de tolerancia, con el consiguiente aumento del coste y el tiempo de fabricación. Una forma de lograrlo es mediante la utilización de geometrías especiales para configuraciones (vea la figura 2).
Estas geometrías reducen la sensibilidad del resistor a la cantidad de material que debe eliminarse en el proceso de configuración para lograr la precisión deseada.
TCR - Coeficiente de Temperatura de la Resistencia
El Temperature Coefficient of Resistance o TCR mide la variación de la resistencia en función de la temperatura ambiente. Se define como la variación de la resistencia por unidad de variación de la temperatura y se expresa comúnmente en partes por millón por grado Celsius o ppm/°C.
Los resistores comunes, similares a las resistencias discretas fabricadas con películas metálicas, se clasifican por lotes según su TCR. Sin embargo, las tecnologías modernas, como las que utilizan películas finas, han dado lugar a los denominados productos de película fina de "tercera generación", que tienen TCR inferiores a 10 ppm/°C absolutos.
El TCR se determina generalmente de forma experimental midiendo la resistencia a diferentes temperaturas y calculando su variación en una banda dado, normalmente entre 25°C y 125°C. Si la resistencia varía linealmente con la temperatura, el TCR será constante dentro del intervalo considerado. Sin embargo, si la variación no es lineal, como ocurre con las aleaciones de níquel-cromo, el TCR se expresa mediante una curva, como se muestra en la figura 3.
Según el método especificado en la norma MIL-STD-202 (Método 304), la curva de resistencia a la temperatura (TCR) debe medirse en intervalos de 25°C a 55°C y de 25°C a 125°C. El valor máximo registrado debe indicarse como TCR. Para comprender los efectos de la composición de la aleación y mediante un control de procesamiento preciso (es posible modelar la curva de resistencia frente a la temperatura) de un producto de diversas maneras, consulte la figura 4.
Podemos obtener curvas que sean: negativas en todo el banda, positivas en todo el banda, o incluso negativas en un extremo y positivas en el otro, de la banda de temperatura.
Tracking
Existen aplicaciones donde la precisión de resistores utilizados debe estar perfectamente sincronizada, es decir, las variaciones de una (en función de la temperatura) deben seguir las variaciones de otra en una red utilizada en el mismo circuito. Las redes de película fina presentan excelentes características de tracking. Sin embargo, existen varios aspectos de este comportamiento que deben comprenderse y diferenciarse.
Tracking de TCR
El tracking del TCR se define como la diferencia entre TCR de un par de resistores en un intervalo de temperatura determinado. Para resistores discretos comunes, es difícil obtener una distribución absoluta de TCRs muy precisa; vea el ejemplo de la figura 5. Por otra parte, a través del proceso integrado, dadas las condiciones de deposición similares (uniformidad, etc.), es posible lograr una distribución más cercana al tracking de TCR, como se ilustra en la figura 6.
Las pequeñas diferencias que existen se deben a variables del proceso como defectos del sustrato, deposición no uniforme, diferentes gradientes térmicos durante la producción, tensión no uniforme, etc.
Tracking de la Resistencia en la Conmutación
Muchos circuitos funcionan de manera que la corriente que pasa a través de un resistor se enciende y se apaga, mientras que en otro (del mismo circuito) funciona con una corriente constante. En este caso, aunque los resistores tengan el mismo TCR y el sustrato se mantenga a una temperatura uniforme, las resistencias pueden variar debido al autocalentamiento. En estas situaciones, los resistores deben tener un TCR absoluto lo más bajo posible dentro de la banda de temperatura de funcionamiento, y deben montarse lo más cerca posible entre sí para minimizar las diferencias de temperatura. La figura 7 muestra qué ocurre con resistores en este caso.
Relaciones de Tensión
Los resistores se utilizan frecuentemente como divisores de tensión. En estos casos, si se requiere alta precisión, es más importante considerar las relaciones de tensión que las resistencias. Existen tres aspectos importantes de las relaciones de tensión que deben comprenderse en comparación con las relaciones de resistencia: la relación de tensión en sí, la tolerancia de la relación de tensión y el tracking de la relación de tensión. La tensión de un divisor, como se muestra en la figura 8, se calcula idealmente mediante la fórmula:
V = Ve x [ R1 / (R1+R2) ]
Cuando los valores de resistencia no son iguales, la relación entre los tensiones diferirá del valor calculado en una cantidad que dependerá de la resistencia del terminal común. Cuando se utilizan resistores de bajo valor, la diferencia puede ser significativa. Por ejemplo, para un resistor de 10k ohms en serie con una de 1 kohms, con un terminal común de 100 ohms de resistor, las diferencias entre las relaciones pueden variar en 75 ppm, como demuestran los cálculos siguientes:
X = relación de tensión calculada de la resistencia aparente
X = [ 1000.1 / ( 1000.1 + 10 000.1) ] = 0,909165
Y = relación de tensión medida directamente
Y = [ 1000 / ( 1000 + 10 000) ] = 0,909090
Para un resistor de 1k ohms en serie con un resistor de 100 ohms, la resistencia de 100 ohms de la salida provoca una diferencia de tensión de más de 800 ppm.
Tolerancia de la relación de tensiones
La tolerancia para una relación de tensión dada difiere de la tolerancia para la misma relación de resistencia. La mayor diferencia, en este caso, viene dada por el primer término de la ecuación siguiente, que también se ve afectado por la resistencia del terminal común.
Estabilidad
Los efectos descritos anteriormente son reversibles: las variaciones no son permanentes y desaparecen cuando la temperatura vuelve a su valor inicial. Sin embargo, también existen efectos irreversibles. La mayoría de las redes de resistores se utilizan en divisores de tensión. No obstante, debe tenerse en cuenta que, a lo largo de la vida útil del componente, sus características cambian, incluida su tolerancia, la cual debe preservarse en la mayor medida posible. Esto exige estabilidad de la película.
Los materiales empleados han experimentado avances en el proceso de fabricación, lo que ha dado como resultado componentes con mayor estabilidad. Se ha observado que, en el caso de las aleaciones de níquel-cromo, la estabilidad a lo largo del tiempo depende de la temperatura del sustrato. Esto significa que el comportamiento del componente puede predecirse a partir de una sola variable.
La figura 9 muestra una gráfica que ilustra cómo la temperatura influye en la estabilidad del componente a lo largo del tiempo. Debe considerarse el problema del tracking del TCR; será menos pronunciado cuanto menor sea la variación en la resistencia absoluta de cada resistor del par.
Disipación
Los resistores de película fina de precisión no se utilizan en aplicaciones de alta potencia. Esto significa que los métodos para estabilizar la potencia disipada en estos componentes no son críticos. Sin embargo, es necesario establecer límites, lo cual se logra fijando la temperatura máxima de funcionamiento. La temperatura de potencia cero (también llamada temperatura máxima de funcionamiento) es la temperatura máxima a la que el componente puede funcionar durante un período de tiempo determinado sin cambios excesivos en sus características.
El tiempo especificado suele ser de 1000 horas, y el cambio en las características generalmente se expresa en relación con la tolerancia inicial.
Los resistores de película fina deben mantener una tolerancia del 0,1%, y la temperatura a potencia cero suele ser de 150°C. A esta temperatura, un resistor debería presentar una variación del orden de 500 ppm en valor absoluto o de 100 ppm en relación con otras de la misma red.
Si la tolerancia es del 0,01 %, una temperatura más apropiada para obtener potencia cero sería de 125°C. La figura 10 muestra una gráfica que presenta la curva de degradación de potencia de un resistor en función de la temperatura. Cabe destacar que la potencia disipada solo es válida para temperaturas de hasta 70°C. A partir de esa temperatura, se produce degradación, que varía según si los resistores están sellados herméticamente o no.
Al trabajar con resistores de montaje superficial, es fundamental prestar especial atención a la disipación de potencia individual. Esto se debe a que, dentro de la misma red, distintos resistores pueden operar con diferentes potencias nominales. El proyecto debe tener en cuenta estas diferencias.
Coeficiente de Tensión y Ruido de Corriente
Existen dos características que pueden causar serios problemas en proyectos que involucran resistores de precisión y que deben tenerse en cuenta cuando resistores están hechos de materiales compuestos, pero que se ignoran en los resistores de película fina porque son insignificantes. El coeficiente de tensión de resistencia es el cambio en la resistencia debido a un cambio en la tensión, expresado en ppm/volt.
Expresa la característica no óhmica de resistores de película fina, y sus niveles se manifiestan con mayor intensidad solo en resistores de alto valor, de la banda de los megaohms. Los valores típicos se encuentran en la banda de 0,1 ppm/V.
El ruido de corriente se caracteriza por y tiene un valor típico inferior a — 35 dB.
Efectos Termoeléctricos
En los terminales de resistores se pueden generar tensiones termoeléctricas a diferentes temperaturas. Con resistores discretos, estas tensiones pueden resultar problemáticas cuando se producen gradientes de temperatura, debido a las grandes dimensiones de los componentes. Sin embargo, con redes de resistores de película fina, el tamaño reducido y la distribución de calor más uniforme prácticamente eliminan estos efectos.
Las tensiones generadas termoeléctricas en resistores de película fina son típicamente inferiores a 0,1 µV/°C.
