Многослойное решение: чип-варисторы MULTILAYER

13 мая 2014

Многослойные миниатюрные варисторы от компании YAGEO позволяют обеспечить защиту сигнальных линий постоянного тока с широким диапазоном рабочих напряжений от 5.5 до 30 В. Благодаря отличным характеристикам они находят применение в телекоммуникационном оборудовании, портативной, бытовой и потребительской электронике.

Компания YAGEO специализируется на производстве пассивных компонентов электроники. Одним из предлагаемых компанией продуктов являются многослойные чип-варисторы. Целью данной статьи является обзор номенклатуры варисторов YAGEO: описание технологии производства, рассмотрение электрических параметров и указание их особенностей.

Эта компания известна как производитель высококачественных пассивных компонентов:

  • чип-резисторов (толстопленочных общего назначения, тонкопленочных прецизионных, шунтов, резисторов для автомобильной промышленности, высокостабильных резисторных сборок, варисторов);
  • выводных резисторов (углеродных пленочных, металлопленочных, резисторов с низкоомными выводами, метало-оксидных пленочных, резисторов для импульсных цепей, перемычек);
  • многослойных керамических конденсаторов (MLCC) (общего назначения, миниатюрных, конденсаторов с гибкой структурой, конденсаторных сборок, высоковольтных низкоиндуктивных, конденсаторов для ВЧ-цепей, защитных конденсаторов X2Y);
  • компонентов для беспроводных решений (антенн, фильтров);
  • электролитических конденсаторов (миниатюрных, с защелками и др.);
  • индуктивностей (чип-инду­ктивностей, многослойных чип-индуктивностей, мощных индуктивностей и др.).

Пассивные компоненты YAGEO применяются в самых различных областях электроники: силовой, промышленной, автомобильной, бытовой, медицинской. Кроме того, компоненты используются в освещении и в альтернативной энергетике (использование солнечной энергии, энергии ветра и т.д.).

Одним из продуктов YAGEO являются многослойные чип-варисторы (MLCV, Multi Layer Chip Varystor), применяющиеся для защиты цепей от перенапряжения.

Компания YAGEO выпускает варисторы различных типоразмеров с различными характеристиками. Для того, чтобы разобраться со значением основных параметров варисторов, необходимо рассмотреть их принцип действия, конструкцию и технологию производства.

Конструкция и принцип действия варисторов

Варисторы – это полупроводниковые резисторы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, основное свойство которых заключается в способности значительно изменять свое электрическое сопротивление при изменении прикладываемого к нему напряжения.

Варисторы не являются идеальными ограничителями. Идеальный ограничитель при превышении напряжения ограничения скачком уменьшает свое сопротивление до нуля. Реальные варисторы не могут похвастаться таким качеством, хотя их сопротивление в зоне ограничения меняется достаточно быстро.

Существует несколько различных материалов, обладающих требуемыми свойствами, например, карбид кремния (SiC) и оксид цинка (ZnO). Для каждого из них степень наклона ВАХ различна.

ZnO обладает лучшими параметрами и является наиболее распространенным материалом для создания варисторов. При низких напряжениях оксид цинка фактически является диэлектриком с токами утечки в единицы микроампер. При увеличении напряжения выше некоторого предела (напряжения пробоя) происходит локальный разогрев ZnO, что приводит к обратимому пробою. При пробое сопротивление резко уменьшается, а протекающие токи возрастают.

Увеличение токов приводит к увеличению выделяемой мощности и разогреву структуры варистора. Значительное увеличение рассеиваемой мощности может привести к необратимому тепловому пробою. При этом структура варистора разрушается.

Максимальная мощность варистора зависит от площади активной области ZnO. Чем больше площадь активной области ZnO, тем лучше отвод тепла, и тем большие токи он способен пропустить. Одним из способов увеличения активной площади варистора является применение многослойной структуры.

Конструкция многослойных чип-варисторов напоминает конструкцию многослойных керамических конденсаторов. Технология изготовления и производства состоит из ряда стадий.

  • Подготовка материалов. Исходные материалы проверяются на чистоту химического состава, измельчаются и перемешиваются в течение нескольких часов до получения однородной смеси.
  • Получение листов ZnO. Полученная ранее смесь раскатывается в листы и высушивается. На данном этапе важно обеспечить равномерность толщины листов ZnO.
  • Нанесение фольги Ag/Pd. На листы ZnO наносится паста Ag/Pd, обладающая высокой адгезией. Из металлизированных слоев собирают стопку.
  • Запрессовка. Многослойная конструкция подвергается опрессовыванию под давлением порядка 150 т.
  • Нарезка. Созданную структуру нарезают на отдельные части в соответствии с требуемым типоразмером компонента. Проверяется совмещение слоев металлизации.
  • Обжиг. Суть операции обжига состоит в устранении механических напряжений и создании необходимых p-n-переходов, обеспечивающих ВАХ варистора. Температура обжига составляет более 1000°C.
  • Нанесение защитного покрытия. Для защиты от влаги варистор покрывается слоем стекла.
  • Нанесение внешних электродов. На торцы элементов наносится паста Ag/Pd, обладающая высокой адгезией, на ней в дальнейшем формируют внешние электроды Ni/Sn.
  • Тестирование и контроль. Тестирование состоит не только из проверки электрических параметров: дополнительно проверяется способность к пайке и ряд других свойств.

Описанная технология производства имеет очевидные достоинства.

Во-первых, многослойная структура позволяет увеличить эффективную площадь активного слоя ZnO – значение рассеиваемой мощности варистора возрастает при неизменных габаритах.

Во-вторых, изменяя толщину ZnO, можно получить различное напряжение пробоя: чем толще слои ZnO, тем выше его значение.

В-третьих, предложенная структура является симметричной, то есть полярность прикладываемого напряжения не имеет значения. Это приводит и к симметричности ВАХ варистора.

ВАХ варистора и его основные электрические параметры

ВАХ варистора симметрична и имеет несколько ярко выраженных областей (рисунок 1).

Рис. 1. Типовая ВАХ варистора

Рис. 1. Типовая ВАХ варистора

  • Область токов утечки – это область низких напряжений, в которой ток, протекающий через варистор, мал, она определяется токами утечки и составляет единицы микроампер.
  • Область ограничения – область, в которой начинается пробой, и ток резко возрастает.
  • Область максимального импульсного тока характеризуется максимальным током, который варистор может выдержать один раз за время службы.

ВАХ может быть описана выражением:

U = B × Iβ

Здесь U – напряжение, B – напряжение варистора при токе 1 А, I – ток, β – коэффициент нелинейности, который характеризует степень нелинейности ВАХ варистора и определяется как отношение статического и динамического сопротивления.

К сожалению, пользоваться данной формулой получается не всегда из-за неполноты данных, приводимых в документации на компонент. Поэтому при выборе варистора следует ориентироваться на отдельные параметры.

  • Классификационное напряжение (Uк, В) (Varistor Voltage или Breakdown Voltage) – напряжение на варисторе при токе 1 мА. Эта точка является фактически граничной между проводящим и диэлектрическим состоянием ZnO. Величина классификационного напряжения может лежать в широких пределах от единиц вольт до десятков киловольт.
  • Максимальное рабочее напряжение (Uраб макс, В) (Maximum Working Voltage или Operating Voltage) – напряжение на варисторе, при котором ток через него не будет превышать величину заданного тока утечки. Значение рабочего напряжения лежит в диапазоне от единиц вольт до десятков киловольт. Напряжение на варисторе должно превышать рабочее напряжение только в случае ограничения помехи.
  • Точность рабочего напряжения (%) (Working Voltage Tolerance) – определяет допустимый разброс рабочих напряжений варистора. Значения обычно нормируются ±10%, ±15%, ±20%.
  • Ток утечки (Iу макс, мкА) (Leaka­ge Current) – максимальный ток, протекающий через варистор, при напряжениях ниже максимального рабочего напряжения. Величина этого тока зависит не только от приложенного напряжения, но и от температуры.
  • Максимальный импульсный ток (Iимп. макс, А) (Maximum Peak Current) – максимальный ток варистора, который он может пропустить единственный раз за срок службы. Важно понимать, что это импульсный параметр, и огромное значение имеет форма и мощность импульса. Как правило, производители указывают тип воздействующего импульса, при котором измерялся максимальный импульсный ток. Значения этого параметра, обычно, составляют от единиц до сотен ампер.
  • Максимальное импульсное напряжение (Uимп. макс, В) (Maximum Clamping Voltage) – максимальное напряжение, которое может выдержать варистор. Данный параметр приводится для конкретного протекающего тока и конкретной формы приложенного импульса. Варистор может выдерживать неоднократное воздействие максимального импульсного напряжения.
  • Номинальная мощность рассеяния (Вт или Дж) (Dissipated Power) – наибольшая мощность, которую варистор может рассеивать в заданных условиях в течение срока службы при сохранении параметров в установленных пределах. Очень часто данный параметр не приводят в документации, вместо этого ограничиваются определением максимальных токов и напряжений при заданной форме импульса.
  • TKR варистора имеет отрицательное значение и обычно не превышает 0.1%.

Кроме электрических параметров, важными являются параметры быстродействия:

  • Время срабатывания (Response Time), (нс) – время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в проводящее. Минимальные значения этого параметра начинаются от десятых долей наносекунд.
  • Номинальная емкость (Capaci­tance), (пФ) определяет частотные характеристики варистора. Как показывают исследования, емкость варистора зависит от частоты приложенных импульсов. С увеличением частоты емкость уменьшается. Величина емкости на частоте 1 кГц начинается от единиц пикофарад.
  • Точность номинальной емкости (Capacitance Tolerance), (%) – значение емкости для нормальных условий, имеет нормированный разброс. Как правило, точность емкости составляет ±10%, ±15%, ±20%, ±30%.

При выборе варистора следует обратить внимание на его соответствие стандартам по устойчивости к электростатическим разрядам. Существует множество стандартов, но для российского и европейского рынка необходимо соответствие МЭК 61000-4-2 «Устойчивость к электростатическим разрядам» (ГОСТ Р 51317.4.2-99). В документации должен быть указан тип проведения испытаний (контактный или бесконтактный) и напряжение испытания (2, 4, 6, 8 кВ).

Чип-варисторы YAGEO

Компания VAGEO предлагает многослойные чип-варисторы двух основных типоразмеров: 0402 и 0603 (рисунок 2). Благодаря использованию многослойной структуры удалось добиться широкого диапазона рабочих напряжений при малых и, что очень важно, неизменных габаритах (таблица 1).

Рис. 2. Указание габаритных размеров чип-варисторов

Рис. 2. Указание габаритных размеров чип-варисторов

Таблица 1. Габаритные размеры чип-варисторов YAGEO

Типоразмер
дюймовый
Длина (L1), мм Ширина (W), мм Высота (T), мм L2/L3, мм L4, мм
мин, макс,
0402 1.0 ± 0.10 0.5 ± 0.10 0.5 ± 0.10 0.15 0.3 0.4
0603 1.6 ± 0.15 0.8 ± 0.15 0.8 ± 0.10 0.2 0.6 0.4

 

Рабочее напряжение варисторов YAGEO составляет 5.5…30 В. При этом значения максимального импульсного тока составляют единицы и даже десятки ампер (таблицы 2, 3).

 

Таблица 2. Чип-варисторы YAGEO типоразмера 0402

Наименование Классификационное напряжение, В Uраб.
макс., В
Uимп. макс. для I=1 А, В Iимп.
макс., А
Ток утечки
при 15…35°C
Емкость, пФ
ток 1 мА 8/20 мкс
импульс
8/20 мкс импульс Uраб, В Ток утечки, мкА 1 кГц 1 МГц
VRS0402SR55R220N 10…14 5.5 22 2 5.5 10 22 12
VRS0402SR55R330N 10…14 5.5 22 4 5.5 10 33 20
VRS0402SR55R500N 10…14 5.5 22 6 5.5 10 50 30
VRS0402SR55R101N 10…14 5.5 22 10 5.5 10 100 60
VRS0402MR55R101N 7.2…10.8 5.5 18 10 5.5 10 100 60
VRS0402MR55R201N 7.2…10.8 5.5 18 15 5.5 10 200 130
VRS0402MR55R301N 7.2…10.8 5.5 18 15 5.5 10 300
VRS0402MR55R361N 7.2…10.8 5.5 18 20 5.5 10 360 220
VRS0402MR55R481N 7.2…10.8 5.5 18 20 5.5 10 480 290
VRS0402MR55R651N 7.2…10.8 5.5 18 30 5.5 10 650 390
VRS0402KR090500N 10.8…13.2 9 22 6 9 20 50 30
VRS0402LR090500N 10.2…13.8 9 22 6 9 20 50 30
VRS0402LR090201N 10.2…13.8 9 22 15 9 20 200 120
VRS0402SR140500N 18…24 14 38 7 14 20 50 30
VRS0402SR140101N 18…24 14 38 15 14 20 100 60
VRS0402SR140121N 18…24 14 38 15 14 20 120 72
VRS0402MR140161N 14.4…21.6 14 35 20 14 20 160 96
VRS0402KR140161N 16.2…19.8 14 33 20 14 20 160 96
VRS0402SR180010N 90…135 18 250 1 18 10 1
VRS0402SR180030N 50…80 18 130 1 18 10 3 2
VRS0402SR180050N 50…80 18 130 2 18 10 5 3
VRS0402SR180100N 24…34 18 66 3 18 10 10 5.5
VRS0402SR180150N 24…34 18 66 3 18 10 15 9
VRS0402SR180220N 24…34 18 66 3 18 10 22 13
VRS0402SR180270N 24…34 18 66 4 18 10 27 15
VRS0402SR180400N 24…34 18 66 4 18 10 40 22
VRS0402SR180500N 24…34 18 66 4 18 10 50 30
VRS0402KR180820N 21.6…26.4 18 56 10 18 35 82 50
VRS0402SR180121N 24…34 18 66 15 18 10 120 72
VRS0402SR190500N 27…38 19 60 15 19 4 50
VRS0402SR300030N 50…80 30 130 1 18 10 3

 

Таблица 3. Чип-варисторы YAGEO типоразмера 0603

Наименование Классификационное напряжение, В Uраб.
макс, В
Uимп. макс. для I=1 А, В Iимп. макс., А Ток утечки
при 15…35°C
Емкость, пФ
ток 1 мА 8/20 мкс импульс 8/20 мкс импульс Uраб, В Ток утечки, мкА 1 кГц 1 МГц
VRS0603SR55R181N 10…14 5.5 20 12 5.5 10 180 100
VRS0603MR55R301N 7.2…10.8 5.5 18 15 5.5 10 300 180
VRS0603MR55R361N 7.2…10.8 5.5 18 20 5.5 10 360 180
VRS0603SR55R471N 10…14 5.5 20 30 5.5 10 470 280
VRS0603MR55R681N 7.2…10.8 5.5 18 30 5.5 10 680 410
VRS0603MR55R801N 7.2…10.8 5.5 18 30 5.5 10 800 480
VRS0603MR55R901N 7.2…10.8 5.5 18 30 5.5 10 900 540
VRS0603SR090090N 18…24 9 36 3 9 20 9 5.5
VRS0603KR140351N 16.2…19.8 14 33 30 14 20 350
VRS0603SR180030N 50…80 18 130 1 18 10 3 2
VRS0603SR180050N 50…80 18 130 2 18 10 5 3
VRS0603SR180100N 24…32 18 66 5 18 10 10 6
VRS0603SR180150N 24…32 18 66 3 18 10 15 10
VRS0603SR180121N 24…32 18 66 20 18 10 120 72
VRS0603KR300121N 35.1…42.9 30 86 20 30 35 120 72
VRS0603KR310161N 35.1…42.9 31 86 20 31 35 160 96

 

Из табличных данных видно, например, для VRS0402SR55R220N, что при напряжении до 5.5 В ток через варистор не превышает 10 мкА, а при напряжении 22 В ток составляет 1 А. Таким образом, при увеличении напряжения менее чем в 4 раза, значение тока возрастает в 100000 раз!

Важным преимуществом варисторов YAGEO является малое время срабатывания, не превышающее 1 нс. Кроме того, величина емкости составляет единицы-сотни пФ, что обеспечивает быстродействие на высоких частотах.

Варисторы YAGEO соответствуют требованиям МЭК 61000-4-2 (ГОСТ Р 51317.4.2-99). Причем компоненты подвергаются испытанию на воздействие наиболее жесткого типа разряда – контактного с испытательным напряжением 8 кВ (рисунок 3). Это позволяет использовать варисторы как для защиты от мощных помех, распространяемых по линиям питания, так и для защиты сигнальных линий от помех и электростатических разрядов.

Рис. 3. Схема проведения и испытательный импульс по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Рис. 3. Схема проведения и испытательный импульс по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Примерами защиты сигнальных линий от статических разрядов при помощи варисторов являются:

  • защита дифференциальных линий шины USB;
  • защита дифференциальных линий шины IEEE1394 (FireWire);
  • защита принимающих входов линий радиоприемников;
  • защита сигнальных линий RS-232;
  • защита микросхем по входу сброса RESET (например, при использовании кнопок сброса) и др.

Заказ варисторов YAGEO производится при помощи фирменной системы обозначений, которая содержит наименование прибора VRS и шесть параметрических полей: код типоразмера, точность классификационного напряжения, классификационное напряжение, емкость, код процесса, который определяет разброс номинала емкости (таблица 4).

Таблица 4. Система обозначений чип-варисторов YAGEO

VRS xxxx x R xxx xxx x
Типоразмер Точность Классификационное напряжение Емкость Точность емкости
0402 K = ± 10% 55R = 5.5 В 121 = 120 пФ N = ± 30%
0603 L = ± 15% 380 = 38 В K = ± 10%
M = ± 20% L = ± 15%
S = Normal Range M = ± 20%

Особенности применения варисторов

Типовая схема включения варисторов имеет ряд особенностей.

Выбор варистора. Как было сказано выше, варистор выбирается исходя из значения рабочего и классификационного напряжений. Однако нужно помнить, что варистор не является идеальным ограничителем. Это означает, что чем больше мощность помехи, тем больше будет ток и напряжение на варисторе. Помеха, наводимая на защищенный участок цепи, будет обрезана не полностью, а лишь частично.

В результате в течение некоторого времени к нагрузке может быть приложено значительное перенапряжение, и нагрузка должна его выдерживать.

На рисунке 4 показан случай мощной помехи. При отсутствии варистора, микросхема стабилизатора LM2937-3.3, имеющая максимальное входное напряжение 30 В, могла быть повреждена. Варистор VRS0603SR090090N на рабочее напряжение 9 В обрезал напряжение помехи до 20 В. Это перенапряжение оказалось приложенным к LM2937. Так как результирующая помеха оказалось меньше 30 В, то стабилизатор оказался защищен.

Рис. 4. Схема включения варисторов

Рис. 4. Схема включения варисторов

Выбор защитного предохранителя. Варистор, являясь защитным элементом, сам требует защиты. При превышении величины допустимой рассеиваемой мощности варистор разрушается. Очень часто при разрушении варистор рассыпается на части. Это может привести к порче окружающих элементов, печатных дорожек и самого текстолита. Чтобы этого не допустить, применяется входной предохранитель FU1 (рисунок 4), который не даст току превысить максимальное значение.

Нужно понимать, что ток предохранителя выбирается меньше, чем максимальный импульсный ток варистора. Время срабатывания варистора мало, а срабатывания предохранителя – достаточно велико, поэтому предохранитель должен успеть прогреться и сработать до того, как выгорит варистор.

С другой стороны, снизу значение тока предохранителя ограничено величиной тока нагрузки. Чтобы обойти это ограничение, в дополнение к предохранителю FU1 включают предохранитель FU2 с меньшим значением тока.

Требования ко времени срабатывания. В ряде случаев нагрузка имеет защиту от входных помех и статических разрядов и способна выдерживать импульсы напряжения определенной длительности. При выборе варистора стоит уделить внимание времени срабатывания. Если варистор не успеет погасить помеху, пока работает собственная защита нагрузки, то нагрузка может быть повреждена. Время срабатывания варисторов YAGEO не превышает 1 нс.

Особенности последовательного включения варисторов. Такое включение применяют в случаях, когда необходимо увеличить суммарное рабочее напряжение варисторов.

При последовательном включении однотипных варисторов поглощаемая ими мощность будет делиться между ними практически поровну, несмотря на неполное совпадение ВАХ. Действительно, ток, протекающий через варисторы, одинаков. Напряжение, как было сказано выше, будет отличаться в соответствии с точностью рабочего напряжения не более чем на ±20%, поэтому и мощность будет отличаться не более чем на 40%.

Особенности параллельного включения варисторов. Такое включение применяют достаточно редко.

При параллельном включении к варисторам будет приложено одинаковое напряжение, но токи будут отличаться.

Разницу в протекающих токах можно оценить приближенно. Отличие в рабочих напряжениях, как показано выше, составляет 40%. Ранее было рассчитано, что для VRS0402SR55R220N при изменении напряжения в 4 раза ток менялся в 100000 раз. Соответственно, при изменении напряжения даже в 0.4 раза ток может измениться в сотни раз, а величина рассеиваемой мощности параллельно включенных варисторов – в десятки.

При таких различиях в мощности параллельное подключение не имеет практически никакого смысла.

Иногда используют параллельное включение варисторных столбов (цепочек варисторов), но в этом случае берутся варисторы одной партии и выбираются по соответствию ВАХ.

 

Заключение

Варисторы YAGEO выпускаются в миниатюрных корпусах (0402, 0603) и имеют многослойную конструкцию. Это позволяет получать широкий диапазон классификационных напряжений и высокие значения максимальных токов.

Варисторы YAGEO, благодаря компактности и отличным характеристикам, могут применяться в различных электронных устройствах: в портативной электронике (например, ноутбуки), телекоммуникационном оборудовании, бытовой и потребительской электронике.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Yageo

YAGEO - международная корпорация, специализирующаяся на производстве пассивных компонентов. Продукция корпорации сегодня - это всевозможные резисторы, конденсаторы, индуктивности, ферриты. Компания Yageo образовалась в 1977 году и первоначально была ориентирована на производство прецизионных резисторов, которые широко применялись на быстрорастущем рынке компьютерной техники. В 1994 году в компанию влился сингапурский производитель резисторов ASJ. В 1996-97 годах в результате слияний компаний ...читать далее