EN
Значението на конструкцията на тънкопленъчните термистори за потребителската електроника
Тънкопленъчни NTC и PTC термистори: структура, състав и приложение
Тънкопленъчните NTC и PTC имат напълно противоположни отговори спрямо температурата, но се изготвят от напълно различни материали. Термисторите NTC (с отрицателен температурен коефициент) се изготвят предимно от оксиди на манган, никел и кобалт и характеризират се с намаляване на съпротивлението при намаляване на температурата. Тази характеристика ги прави най-подходящи за управление при високи температури в системите за управление на батерии. PTC (с положителен температурен коефициент), изготвени чрез допиране на бариев титанат, показват увеличение на съпротивлението над праговата температура, което позволява да функционират като саморегулиращи се нагревателни елементи. PTC осигуряват и защита срещу прекомерен ток. Тяхната тънка керамична структура, която обикновено се произвежда с дебелина от 50 до 250 Å чрез метода, известен като разпрашаване (sputtering), има строга толерантност на съпротивлението (±10 %) в сравнение с обемните пасивни керамични компоненти. Тази особеност позволява използването им като PTC за защита на зарядните вериги и веригите на протокола за контролирано разпределение на мощността (Controlled Power Distribution Protocol), докато NTC се използват широко за високоточни термични сензори в смартфони и носими устройства.
Възможност за миниатюризация, стабилност и повърхностно монтиране чрез технологията с тънки филми
Конструкцията, базирана на технологията с тънки филми, направи възможно следното в съвременната потребителска електроника: интеграция на миниатюрна, стабилна и повърхностно монтирана конструкция.
Миниатюризация: Слоевете филми, произведени чрез вакуумно напръскване, имат високо съпротивление до 100 kΩ в много малки пространства (по-малки от милиметър). Това позволява реализирането на конструкции за приложения с размери под милиметър (например TWS слушалки)
Стабилност: Слоевете филми, произведени чрез вакуумно напръскване, имат високо съпротивление до 100 kΩ в много малки пространства (по-малки от милиметър). Това позволява реализирането на конструкции за приложения с размери под милиметър (TWS слушалки)
Топлоустойчивост за SMD: Тънкопленъчните структури с оптимално еластично адхезивно свързване могат да издържат термичните напрежения, характерни за SMD конструкции. Просто казано, тънкопленъчните конструкции могат да издържат термични напрежения (връхна температура 260 °C), типични за повърхностно монтираните конструкции, без разслояване или пукнатини.
В комбинация с други функции те позволяват термично регулиране на батерията в реално време за високоплътни преносими устройства, като интегрират печатни платки (PCB) с термичен отклик под половин секунда.
Основни критерии за избор за потребителска електроника с голям обем производство
Компромиси между размер, разходи и дългосрочна стабилност при масово производство
Когато става дума за потребителска електроника с висок обем на производство, за компоненти по-малки от 0402, десетилетна надеждност и строг контрол върху разходите, ние прилагаме миниатюризация – макар и с агресивни цели за намаляване на размерите, все още агресивните цели за размери определят избора на тънкопленъчни термистори. Отново и отново керамичните NTC компоненти, базирани на полеви приложения, представляват компромис, диктуван от разходите, в контекста на рисково ориентирано термично циклиране през зърната в полеви условия. Економетрични инструменти за изчисляване на (микроминиатюрни) (термични) тънки процедурни NTC и на слоестото тактилно разрешение и (или) колапсиращите NTC. В този пример „разходите“ са дефицитни конфигурационно равновесни разходи за контрол, при липса на компромис, основан на разходите, относно рисковете в полеви условия, в рамките на слоеста, базирана на полеви приложения (линейна NTC) под-0402 економетрична система. Настройваните спрямо дълговете, рисково ориентирани, слоести NTC са тънкопленъчни термистори.
Ефектите от самоизгряване и изискванията за линейност в проекти с батерийно захранване
При устройствата с батерийно захранване самоогряването на термисторите не е просто източник на грешка, а също така представлява препятствие за енергийната ефективност. Това не е без значително влияние върху батерията, тъй като проучванията показват, че самоогряването от 1 mW може да доведе до загуба от 17 % в продължителността на живота на батерията на носимо устройство (загуба на капацитет), плюс загуба на точност („Journal of Power Efficiency“, 2024 г.). Тънкопленъчните термистори имат предимството да притежават малка топлинна маса, което означава, че те абсорбират по-малко топлина, и способността им да отвеждат топлината по-ефективно чрез топлопроводност – като разпространяват топлината по своята подложка (обикновено печатна платка – PCB). Това води до изключително малко самоогряване и постоянна точност. Самоогряването, точността и температурата, която се променя по-малко или повече линейно в зависимост от наложеното налягане, също са важни фактори.
Изключително нелинейното поведение на PTC не само принуждава ИС за управление на батерията да извършват все по-сложни изчисления, но също така изисква микроконтролерът да извършва с 15–20 % повече изчисления в сравнение с натоварването на микроконтролера, което би било необходимо при липса на PTC-поведение. Това (допълнителното натоварване върху микроконтролера) е пряк резултат от увеличената сложност на изчисленията (с добавени компенсиращи изчисления), необходими за управление на батерията. Това е термична система за безопасност (т.е. рамка за безопасност) за смартфони. Валидираната работна област на TSS за смартфони е между –20 °C и +85 °C. Тънкопленъчни NTC-термистори с β-стойности от 3000–4000 K се доставят на производители на оригинално оборудване (OEM).
Експлоатационни показатели, определящи пригодността на тънкопленъчните термистори
Експлоатационни показатели, определящи пригодността на тънкопленъчните термистори при реални термични натоварвания върху печатни платки (PCB)
Има три взаимозависими метрики за производителност, които характеризират пригодността в реални условия: температурен коефициент, съпротива при 25 °C и допуск на съпротивата. Висок температурен коефициент означава по-голяма чувствителност към по-малки промени в температурата. За откриване на малки промени в температурата са необходими компактни и чувствителни вериги, а термисторите с температурен коефициент в диапазона от 3000 K до 4500 K и стойности на съпротивата между 1 kΩ и 10 kΩ се считат за подходящи. Стойностите на съпротивата в този диапазон се считат за осигуряващи добро равновесие, което позволява минимизиране на шума и опростяване на проекта. Статичният допуск от ±1 % или по-добър е критичен за поддържане на точността на системата като цяло. При приложения за безопасност на батерии неуспех на веригата поради термичен разгон или нежелано изключване поради „мирно разгонване“ може да бъде предизвикан от локализирани термични градиенти в печатната платка (PCB), а тесният допуск по този параметър може да доведе до неуспех на веригата. Комбинацията от тези метрики за производителност е проверена и потвърдена като осигуряваща последователна и възпроизводима производителност в продължение на 100 000 цикъла в реални условия.
Динамика на отговора, топлинна времева константа и геометрия на опаковката
Свойствата на материалите не са единствените фактори, които трябва да се имат предвид при оценката на скоростта на отговора; също така имат значение геометрията на опаковката и топлопроводността на интерфейса. Тънкопленъчните опаковки могат да постигнат топлинна времева константа под 5 секунди, когато се използва субстрат с дебелина под 0,2 мм и е приложено подходящо решение за термичен мениджмънт. Опаковки с геометрия 0402 и новите формати 0201 осигуряват по-бърза топлинна времева константа. В системите с бърз отговор и висока преходна честота опаковката генерира по-малко вътрешно топлинно натоварване и работният диапазон на производителността се запазва висок, като температурните отклонения остават ограничени в рамките на ±0,5 °C по време на експлоатацията на системата.
Често задавани въпроси
Какво отличава NTC от PTC тънкопленъчни термистори?
NTC термисторите имат съпротивление, което намалява с повишаване на температурата, докато PTC термисторите имат съпротивление, което се увеличава след определена температура. Следователно NTC термисторите могат да се използват в сценарии, изискващи по-точен мониторинг на температурата, а PTC термисторите – за саморегулиращо се отопление и защита от ток.
Какви предимства имат тънкопленъчните термистори, използвани в потребителската електроника?
Тънкопленъчните термистори могат да бъдат миниатюризирани, имат подобрена стабилност и могат да се монтират директно върху печатни платки, което ги прави изключително полезни за интегриране в компактни устройства.
Възникват ли ефекти на самоогряване при използване на тънкопленъчни технологии?
Тъй като тънкопленъчните термистори имат по-малка топлинна маса, влиянието на повишаването на температурата върху батериите и точността на термистора е минимално.
Какви са предизвикателствата при използването на термистори в потребителската електроника?
Балансиране на компромиса за стабилност чрез използване на термисторни масиви с лазерно подрязване, напреднали и скъпи методи за нанасяне намалява разходите и осигурява по-малки термистори.
