EN
Betydningen af konstruktionen af tyndfilms-thermistorer for forbrugerelktronik
Tyndfilms-NTC- og PTC-thermistorer: struktur, sammensætning og anvendelse
Tynne film-NTC'er og PTC'er har helt modsatte temperaturrespons, men er bygget op af helt forskellige materiale-systemer. NTC'er (Negative Temperature Coefficient) er termistorer, der primært består af metaloxider af mangan, nikkel og kobalt, og hvis modstand falder, når temperaturen falder. Denne egenskab gør dem særlig velegnede til højtemperaturstyring i batteristyringssystemer. PTC'er (Positive Temperature Coefficient), der fremstilles ved doping af bariumtitanat, oplever en stigning i modstand over en bestemt tærskeltemperatur, hvilket gør dem til selvregulerende varmeelementer. PTC'er yder også beskyttelse mod overstrøm. Deres tynde keramiske arkitektur, som typisk fremstilles med en tykkelse på 50–250 Å ved en teknik kendt som sputtering, har en meget præcis modstandstolerance (±10 %) sammenlignet med massiv keramik. Denne egenskab gør det muligt at anvende dem som PTC'er til beskyttelse af opladningsstier og stier for Controlled Power Distribution Protocol, mens NTC'er omfattende anvendes til avanceret termisk måling i smartphones og bærbare enheder.
Muliggør miniaturisering, stabilitet og overflade-monteret design med tyndfilms-teknologi
Konstruktionen baseret på tyndfilms-teknologi har gjort følgende muligt i moderne forbrugerelektronik: integration af et miniaturiseret, stabilt og overflade-monteret design.
Miniaturisering: Lag af film fremstillet ved vakuumaflejring har høje modstande op til 100 kΩ på meget små arealer (under én millimeter). Dette gør det muligt at implementere designs i applikationer med mål under én millimeter (f.eks. TWS-ørepropper)
Stabilitet: Lag af film fremstillet ved vakuumaflejring har høje modstande op til 100 kΩ på meget små arealer (under én millimeter). Dette gør det muligt at implementere designs i applikationer med mål under én millimeter (TWS-ørepropper)
Termisk tolerancen for SMD: Tyndfilms-strukturer med optimal fleksibel adhæsion kan klare de termiske spændinger, der opstår ved SMD-design. Med andre ord kan tyndfilms-design klare de typiske termiske spændinger (toppå 260 °C) i overflade-monterede designs uden delaminering eller revner.
I kombination med andre funktioner gør disse det muligt at regulere batteriets temperatur i realtid for højtdensitets bærbare enheder, hvilket integrerer printede kredsløb (PCB’er) med termiske responstider under et halvt sekund.
Vigtige udvælgelseskriterier for forbrugsprodukter til stor seriefremstilling
Kompromiser mellem størrelse, omkostninger og langtidsstabilitet ved masseproduktion
Når det gælder højvolumen-forbrugerelektronik, for under-0402-størrelser, tiårig pålidelighed og hård omkostningskontrol, har vi miniaturisering – selvom målsætningerne for størrelse er aggressive, er de stadig aggressive målsætninger tyndfilms-thermistorvalg. Gentagne gange er en feltbaseret keramisk NTC en omkostningsdrevet kompromisløsning i forbindelse med feltbaseret, risikoorienteret tværgående termisk cyklus. Økonometriske instrumenter til beregning af (mikrominiature) (termiske) tynde procedurale NTC’er samt lagvis taktil opløsning og (eller) kollaps-NCT’er. (Omkostningerne) i dette eksempel er sjældne konfigurationsmæssige ligevægtsomkostningskontrol med fravær af omkostningsbaserede kompromiser vedrørende feltbaseret risiko i et lagdelt feltbaseret (lineær NTC) under-0402 økonometrisk instrument. Justerings-gældsfeltbaserede risikoorienterede lagdelte NTC’er er tyndfilms-thermistorvalg.
Selvopvarmningseffekter og linearitetskrav i batteridrevne design
I batteridrevne enheder er termistors selvopvarmning ikke kun en fejlmåling, men også en hindring for effektiviteten. Dette skyldes ikke en ubetydelig batteripåvirkning, da undersøgelser har vist, at 1 mW selvopvarmning kan medføre en 17 % reduktion af batterilevetiden for en bærbar enhed (kapacitetsreduktion), ud over tabet af nøjagtighed (Power Efficiency Journal, 2024). Tyndfilms-termistorer har fordelene ved en lille termisk masse, hvilket betyder, at de absorberer mindre varme, og deres evne til at fjerne varme mere effektivt ved ledende spredning af varmen til deres underlag (typisk en printplade). Dette resulterer i meget lille selvopvarmning og konstant nøjagtighed. Selvopvarmning, nøjagtighed og temperatur, der mere eller mindre kontinuerligt spredes lineært med trykket, er ligeledes vigtige.
Den stærkt ikke-lineære PTC-opførsel tvang ikke kun batteristyrings-IC'erne til at udføre stadig mere komplicerede beregninger, men krævede også, at mikrocontrolleren udførte 15–20 % flere beregninger i forhold til den mikrocontroller-belastning, der ellers ville være nødvendig uden PTC-opførslen. Dette (den belastning, der pålægges mikrocontrolleren), var en direkte konsekvens af den øgede beregningskompleksitet (herunder supplerende kompenserende beregninger), der er nødvendig for at styre batteriet. Dette er et termisk sikkerhedssystem (dvs. en sikkerhedsramme) til smartphones. Den validerede ydelsesgrænse for smartphones termiske sikkerhedssystem (TSS) ligger mellem –20 °C og +85 °C. Tyndfilms-NTC'er med β-værdier på 3000–4000 K leveres til OEM'er.
Ydelsesmål, der afgør egnethed af tyndfilms-thermistorer
Ydelsesmål, der afgør egnethed af tyndfilms-thermistorer under reelle PCB-termiske belastninger
Der findes tre indbyrdes afhængige ydelsesmål, som repræsenterer egnethed under reelle forhold: temperaturkoefficient, modstand ved 25 grader Celsius og modstandstolerance. En høj temperaturkoefficient betyder følsomhed over for mindre temperatursvingninger. Kompakte og følsomme kredsløb er påkrævet for at registrere små temperatursvingninger, og termistorer med en temperaturkoefficient i området 3000 K til 4500 K samt modstandsværdier mellem 1 kΩ og 10 kΩ anses for at være tilstrækkelige. Modstandsværdier inden for dette område anses for at opretholde en god balance, der bruges til at minimere støj og forenkle konstruktionen. En statisk tolerance på ±1 % eller bedre er afgørende for at opretholde systemniveauets nøjagtighed. I batterisikkerhedsapplikationer kan kredsløbsfejl som følge af termisk løberi eller uønsket nedlukning som følge af et såkaldt "fredeligt løberi" forårsages af lokale PCB-temperaturgradienter, og en stram tolerance for denne parameter kan medføre kredsløbsfejl. Kombinationen af disse ydelsesmål er valideret til at levere konsekvent og gentagelig ydeevne over 100.000 cyklusser i praksis.
Responsdynamik, termisk tidskonstant og emballagegeometri
Materialers egenskaber er ikke de eneste faktorer, der skal overvejes, når det gælder responshastigheden; det er også emballagegeometrien og grænsefladens ledningsevne. Tyndfilmspakninger kan opnå termiske tidskonstanter på under 5 sekunder, når de integrerer et substrat på under 0,2 mm sammen med en termisk styringsdesign. Emballagegeometrier i formaterne 0402 og de nye 0201-formater opnår en hurtigere termisk tidskonstant. I systemer med hurtig respons og høje transiente belastninger genererer emballagen mindre intern opvarmning, og ydeevneområdet forbliver højt, hvilket sikrer vedvarende temperaturunøjagtigheder på ±0,5 grad Celsius under systemets drift.
Fælles spørgsmål
Hvad adskiller NTC fra PTC tyndfilms-thermistore?
NTC-thermistorer har en modstand, der falder med stigende temperatur, mens PTC-thermistorer har en modstand, der stiger efter en bestemt temperatur. Derfor kan NTC-thermistorer anvendes i scenarier, hvor der kræves nøjagtig overvågning af temperaturen, og PTC-thermistorer kan anvendes til selvregulerende opvarmning og strømbeskyttelse.
Hvilke fordele har tyndfilmsthermistorer, der anvendes i forbrugerelktronik?
Tyndfilmsthermistorer kan miniaturiseres, har forbedret stabilitet og kan monteres direkte på kredsløbskort, hvilket gør dem yderst nyttige til integration af thermistorer i kompakte enheder.
Opstår der selvopvarmningsvirkninger, hvis tyndfilmsmetoder anvendes?
Da tyndfilmsthermistorer har en mindre termisk masse, er indflydelsen af temperaturstigningen på batterierne og præcisionen af thermistoren minimal.
Hvad er udfordringerne ved at anvende thermistorer i forbrugerelktronik?
Afvejning af afvejen mellem stabilitet og omkostninger ved at bruge lasertrimmede termistorarrayer og avancerede samt kostbare afsætningsteknikker reducerer omkostningerne og giver mindre termistorer.
