Les résistances en acier surpassent les résistances en céramique

Les résistances en céramique à couche épaisse, longtemps utilisées dans les applications électroniques, reposent sur un substrat fragile qui est vulnérable à la fissuration ou à la délamination. Bourns, Inc. propose une alternative à base d'acier pour les applications qui requièrent une puissance, une efficacité thermique et une robustesse mécanique élevées.

Les résistances en céramique à couche épaisse sont fiables jusqu'à ce qu'elles se fissurent ou se délaminent, notamment avec la miniaturisation des composants et l'augmentation de la densité de puissance. La flexion des cartes, les vibrations ou les cycles thermiques peuvent nuire à leurs performances et à leur fiabilité, ce qui peut entraîner des défaillances latentes sur le terrain.

Les résistances en céramique à couche épaisse traditionnelles sont économiques et facilement disponibles, mais la fragilité de leurs substrats compromet leur fiabilité dans les environnements exigeants. L'acier inoxydable fournit un substrat rigide mais néanmoins légèrement souple, capable d'absorber les contraintes mécaniques dues à la flexion de carte, aux vibrations et à la manipulation pendant l'assemblage, réduisant ainsi le risque de fissures ou de délamination.

Les résistances à couche épaisse sur acier (TFOS) offrent une alternative mécaniquement robuste et thermiquement efficace pour les conceptions exigeantes soumises à de fortes contraintes où même de faibles flexions, vibrations ou cycles thermiques peuvent dégrader les résistances en céramique.

Bourns a lancé la première résistance TFOS — TFOS30-1-150T — (Figure 1), mi-2025. La technologie TFOS permet d'obtenir des composants présentant un transfert thermique exceptionnel, de hautes densités de puissance et une grande durabilité mécanique, ce qui les rend adaptés aux applications exigeantes. De nombreux circuits de puissance ou à haute énergie sont limités par la capacité d'un composant à absorber, dissiper et supporter les impulsions d'énergie sans se fissurer, faire l'objet d'une dérive ou présenter une défaillance prématurée.

Figure 1 : Avec son substrat en acier inoxydable, la résistance TFOS30-1-150T de Bourns est plus fiable que les résistances à couche épaisse en céramique. (Source de l'image : Bourns, Inc.)

Les substrats en acier assurent une meilleure répartition de la chaleur, ce qui améliore la dissipation de puissance et permet d'atteindre une densité de puissance plus élevée dans un format plus compact. Une couche diélectrique haute intégrité est appliquée sur le substrat en acier inoxydable propre pour empêcher la conduction électrique à travers l'acier.

En transférant la tenue en puissance et la robustesse dans la résistance, les concepteurs peuvent réduire la dissipation thermique et le nombre de composants, et améliorer la fiabilité sur le terrain. Selon Bourns, les concepteurs peuvent ainsi optimiser les performances dans un espace plus restreint sans avoir recours à du matériel thermique supplémentaire.

Lors de la fabrication de composants TFOS, des motifs de conducteurs et de résistances à couche épaisse sont appliqués sur la couche diélectrique à l'aide d'un procédé de sérigraphie. Après chaque application, les matériaux sont solidifiés par cuisson dans un four à haute température afin de garantir l'adhérence et la robustesse des chemins conducteurs et résistifs. Enfin, un revêtement protecteur est appliqué sur le conducteur et la résistance pour la protection mécanique, la résistance environnementale et l'isolation électrique des couches sous-jacentes.

Considérations de conception importantes

Les résistances TFOS offrent une haute tenue en puissance et aux impulsions dans un facteur de forme compact et extra-plat pour maintenir les marges de performances en conditions difficiles. Les ingénieurs peuvent ainsi répondre aux exigences strictes en matière de fiabilité et de gestion thermique sans compromettre le facteur de forme.

Le TFOS30-1-150T est conforme à la norme AEC-Q200 pour les applications automobiles telles que les systèmes de stockage d'énergie sur batteries, les entraînements de moteur, les onduleurs, les cartes de capteurs de véhicules à pile à combustible et d'autres applications où la puissance élevée, la gestion thermique et la robustesse mécanique sont essentielles.

Dans une note d'application sur l'utilisation du composant dans une carte de capteur d'assemblage de piles à combustible^[1], Bourns souligne l'adéquation de la technologie TFOS à de telles applications en raison de sa capacité à supporter de hautes densités de puissance. Elle peut s'adapter aux circuits de précharge et de décharge des véhicules à pile à combustible et garantir une gestion efficace de l'énergie, même en cas de fonctionnement à fréquence variable. Sa faible inductance et sa tolérance étroite garantissent une mesure précise de la tension, du courant et de la température dans l'assemblage de piles à combustible.

Disponible dans un facteur de forme de 101,60 mm de longueur x 70,00 mm de largeur, le TFOS30-1-150T offre des options de terminaison personnalisables, notamment des pastilles de soudure, des connecteurs enfichables, des fils volants et des câbles de terminaison. Bourns indique que le substrat en acier plat et robuste peut être fabriqué dans diverses formes et dimensions jusqu'à 406 mm x 406 mm pour s'adapter à des configurations personnalisées, ou être monté directement sur des surfaces de répartition de la chaleur. Les concepteurs peuvent également spécifier d'autres valeurs ohmiques et tolérances de résistance, et l'intégration de plusieurs résistances.

Avec une valeur de résistance de 150 ohms et une tolérance de ±10 %, le composant est optimisé pour la précision. Il affiche une puissance nominale de 260 W lorsqu'il est monté sur un dissipateur thermique, et jusqu'à 900 W avec un dissipateur thermique à refroidissement par ventilateur, ce qui le rend adapté aux applications exigeant une dissipation d'énergie importante. Le TFOS30-1-150T fonctionne sur une plage de températures étendue de -55°C à +125°C, et selon Bourns, la technologie TFOS peut supporter des températures d'éléments extrêmement élevées jusqu'à 350°C.

Conclusion

La technologie TFOS ne constitue pas un substitut universel aux résistances en céramique, mais elle offre une voie de mise à niveau stratégique dans les cas où les marges thermiques sont étroites, où la fiabilité est primordiale et où la fragilité du substrat représente un risque. En repensant le substrat, Bourns a transformé un composant passif fondamental en un élément fonctionnel plus durable, plus performant sur le plan thermique et plus adaptable pour l'électronique moderne.

Ressources

1. Note d'application : Solution efficace de surveillance, de protection et de transfert d'énergie pour les véhicules à pile à combustible