EN
Betydelsen av konstruktionen av tunnfilms-thermistorer för konsumentelektronik
Tunnfilms-NTC- och PTC-thermistorer: Struktur, sammansättning och användning
Tunnfilms-NTC- och PTC-komponenter har helt motsatta temperatursvar, men är uppbyggda av helt olika materialsystem. NTC-termostatresistorer (Negative Temperature Coefficient) är främst tillverkade av mangan-, nickel- och koboltoxid och visar en minskning av resistansen vid sänkt temperatur. Denna egenskap gör dem lämpliga för högtemperaturstyrning i batterihanteringssystem. PTC-termostatresistorer (Positive Temperature Coefficient), som är tillverkade genom dopning av bariumtitanat, visar en ökning av resistansen över en viss tröskeltemperatur, vilket gör att de kan fungera som självreglerande uppvärmningskomponenter. PTC-komponenter ger även skydd mot överström. Deras tunna keramiska struktur, som vanligtvis tillverkas med en tjocklek på 50–250 Å med en teknik som kallas sputtring, har en strikt resistansgenomförbarhet (±10 %) jämfört med massiva passiva keramiska komponenter. Denna egenskap gör att de kan användas som PTC för skydd av laddningsvägar och vägar för Controlled Power Distribution Protocol, medan NTC-komponenter omfattande används för högpresterande termisk mätning i smartphones och bärbara enheter.
Möjliggör miniatyrisering, stabilitet och ytmontagekonstruktion med tunnfilms-teknik
Konstruktionen med tunnfilms-teknik gjorde följande möjligt i moderna konsumentelektronikprodukter: integration av en miniatyr, stabil och ytmontagekonstruktion.
Miniatyrisering: Lager av filmer som tillverkats genom vakuumavlagring har höga motstånd upp till 100 kΩ på mycket små ytor (under en millimeter). Detta gör det möjligt att implementera konstruktioner i applikationer med mått under en millimeter (t.ex. TWS-öronsnäckor)
Stabilitet: Lager av filmer som tillverkats genom vakuumavlagring har höga motstånd upp till 100 kΩ på mycket små ytor (under en millimeter). Detta gör det möjligt att implementera konstruktioner i applikationer med mått under en millimeter (TWS-öronsnäckor)
Termisk tolerans för SMD: Tunna filmsstrukturer med optimal elastisk adhesion kan tåla de termiska spänningarna i SMD-konstruktioner. Med andra ord kan tunnfilmskonstruktioner tåla termiska spänningar (topptemperatur 260 °C), vilka är typiska för ytmontagekonstruktioner, utan avskalning eller sprickor.
Tillsammans med andra funktioner möjliggör dessa realtidsreglering av batteriets temperatur för högdensitetsbärbara enheter, med integrerade kretskort (PCB) som ger termiska svar på under en halv sekund.
Viktiga urvalskriterier för konsumentelektronik i stora volymer
Kompromisser mellan storlek, kostnad och långsiktig stabilitet vid massproduktion
När det gäller konsumentelektronik i stora volymer, för komponenter mindre än 0402, decenniumslång pålitlighet och hård kostnadskontroll har vi miniatyrisering, även om de aggressiva storleksmålen är stränga – och ännu strängare storleksmål gäller för tunnfilms-NTC:er. Återkommande utgör en fältbaserad keramisk NTC en kostnadsdriven kompromiss i samband med fältbaserad, riskorienterad tvärgående termisk cykling. Ekonomiska instrument för att beräkna (mikrominiatyra) (termiska) tunna procedur-NTC:er samt lagerade taktila upplösningar och (eller) kollapsande NTC:er. (Kostnad) i detta exempel är en knapp konfigurationell jämviktskontroll av kostnader, där det saknas kostnadsbaserade kompromisser gentemot fältbaserad risk i ett lagerat fältbaserat (linjärt NTC) sub-0402-ekonomiskt instrument. Justerings-skuldbelastade, fältbaserade, riskorienterade, lagerade NTC:er är tunnfilms-thermistorval.
Effekter av självuppvärmning och krav på linjäritet i batteridrivna konstruktioner
I batteridrivna enheter är termistorns självuppvärmning inte bara ett felmått, utan också ett hinder för effektiviteten. Detta saknar inte en betydande anledning kopplad till batteriet, eftersom studier har visat att 1 mW självuppvärmning kan leda till en 17 % minskning av batteriets livslängd i en bärbar enhet (kapacitetsförlust), förstärkt av förlusten av noggrannhet (Power Efficiency Journal, 2024). Tunnfilmstermistorer har fördelen med liten termisk massa, vilket innebär att de absorberar mindre värme, och deras förmåga att avlägsna värme mer effektivt genom att leda värmen till sitt underlag (vanligtvis en kretskortsplatta, PCB). Detta resulterar i mycket liten självuppvärmning och konstant noggrannhet. Självuppvärmning, noggrannhet och temperatur som sprids mer eller mindre kontinuerligt linjärt med trycket är också viktiga.
Den starkt icke-linjära PTC-beteendet tvingade inte bara batterihanterings-IC:erna att utföra alltmer komplicerade beräkningar, utan krävde även att mikrokontrollern utförde 15–20 % fler beräkningar jämfört med den mikrokontrollerbelastning som krävdes utan PTC-beteendet. Denna (den belastning som lades på mikrokontrollern) var en direkt följd av den ökade komplexiteten i beräkningarna (med tillagda kompenserande beräkningar) som krävdes för att hantera batteriet. Detta är ett termiskt säkerhetssystem (dvs. en säkerhetsram) för smarttelefoner. Den validerade prestandagränsen för smartphones termiska säkerhetssystem (TSS) ligger mellan –20 °C och +85 °C. Tunna film-NTC:er med β-värden på 3000–4000 K levereras till OEM:er.
Prestandamått som avgör lämplighet för tunnfilmstermistorer
Prestandamått som avgör lämplighet för tunnfilmstermistorer under verkliga termiska laster på kretskort
Det finns tre ömsesidigt beroende prestandamått som representerar lämplighet under verkliga förhållanden: temperaturkoefficient, resistans vid 25 grader Celsius och resistanstolerans. En hög temperaturkoefficient innebär känslighet för mindre temperaturförändringar. Kompakta och känslomätande kretsar krävs för att identifiera små temperaturförändringar, och termistorer med en temperaturkoefficient i intervallet 3000 K–4500 K samt resistansvärden mellan 1 kΩ och 10 kΩ anses tillräckliga. Resistansvärden inom detta intervall anses upprätthålla en bra balans som minimerar brus och förenklar konstruktionen. En statisk tolerans på ±1 % eller bättre är avgörande för att bibehålla systemnivåns noggrannhet. I batterisäkerhetsapplikationer kan kretsfel orsakade av termisk genomlöpning eller oönskad avstängning på grund av en så kallad "fredlig genomlöpning" uppstå på grund av lokala termiska gradienter på kretskortet, och en strikt tolerans för denna parameter kan leda till kretsfel. Kombinationen av dessa prestandamått har validerats för att ge konsekvent och återkommande prestanda över 100 000 cykler i fält.
Svarsdynamik, termisk tidskonstant och förpackningsgeometri
Materialens egenskaper är inte de enda faktorerna som ska beaktas när det gäller svarsfarten; det är också förpackningsgeometrin och gränssnittets värmeledningsförmåga. Tunnfilmsförpackningar kan uppnå termiska tidskonstanter på under 5 sekunder genom att integrera ett substrat med tjocklek under 0,2 mm tillsammans med en konstruerad värmehantering. Förpackningsgeometrier i formaten 0402 och de nyare 0201-formaten ger en snabbare termisk tidskonstant. I system med snabbt svar och hög transientspänning genererar förpackningen mindre inre värme, och prestandaintervall hålls högt, med upprätthållna temperaturfel på ±0,5 grader Celsius under systemets drift.
Frågor som ofta ställs
Vad skiljer NTC från PTC-tunnfilms-thermistorer?
NTC-thermistorer har en resistans som minskar med stigande temperatur, medan PTC-thermistorer har en resistans som ökar efter en viss temperatur. Därför kan NTC-thermistorer användas i scenarier där noggrann temperaturövervakning krävs, medan PTC-thermistorer kan användas för självreglerande uppvärmning och strömskydd.
Vilka fördelar har tunnfilms-thermistorer som används i konsumentelektronik?
Tunnfilms-thermistorer kan miniatyriseras, har förbättrad stabilitet och kan monteras direkt på kretskort, vilket gör dem extremt användbara för att integrera thermistorer i kompakta enheter.
Finns det självuppvärmningseffekter om tunnfilmsmetoder används?
Eftersom tunnfilms-thermistorer har en mindre termisk massa är påverkan av temperaturhöjningen på batterier och noggrannheten hos thermistorn minimal.
Vilka utmaningar finns det vid användning av thermistorer i konsumentelektronik?
Balanserar avvägningen för stabilitet genom att använda lasertrimmade termistorarrayer och avancerade samt kostsamma avsättningsmetoder, vilket minskar kostnaden och ger mindre termistorer.
