자주 사용되는 후막 칩에서 박막, 전류 검출용, 포텐셔미터까지
칩 저항 (Ⅰ)

 

칩 저항의 기초 

칩 저항이란 

 표면실장형 칩 저항이 등장한지 30년 정도 됐다. 그 사이에 기기가 소형화됨에 따라 전자부품의 표면실장화가 진행됐고, 지금은 저항기도 표면실장이 주류를 이루고 있다. 일본 경제 산업성의 생산동향 통계에 따르면 2009년에 생산된 고정저항 기의 90.4%가 칩 저항이었다. 그 외관을 사진 1에 나타낸다.

 저항은 목적과 용도에 따라 다양한 타입이 개발되고 있 다. 그 성능을 충분히 활용하기 위해서는 저항기 각각의 특징 을 이해한 후 사용하는 것이 중요하다.

분류 

 표 1은 칩 저항을 분류한 것이다. 칩 저항은 형상이나 저항 체 타입(재질), 외장(봉지) 등으로 분류된다. 여기서는 특별히 언급하지 않는 한 저항이라고 하면 고정저항을 가리킨다.

1. 형상에 의한 분류 : 1608 각형 칩이 많이 사용된다 

 통칭 각칩이라고 불리는 각형 칩 저항과 멜프(MELF)라고 불리는 원통형 칩 저항으로 나뉜다. 각형 칩 저항의 사이즈로 는 0402(0.4mm×0.2mm), 0603, 1005, 1608, 2012, 3216, 3225, 5025, 6432 등이 규격화되어 있다. 1005 사이즈는 가 전기기에, 1608 사이즈는 가전기기부터 산업기기, 차량 탑재 기기 등에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 0402, 0603 사이 즈는 특히 소형 휴대기기를 중심으로 사용되고 있다.

 원통형 칩 저항은 리드가 장착된 저항기의 리드선을 제거한 형태로, 금속 캡이 전극으로 되어 있다. 고밀도 실장 면에서 각 형 칩 저항보다 떨어지므로 최근에는 별로 사용되지 않는다.

2. 저항체 타입 및 재질에 의한 분류 

 저항체는 피막, 박, 판, 솔리드 타입으로 나뉘며 피막은 메 탈 글레이즈와 금속, 탄소, 산화금속으로 나뉜다. 박과 판은 금속을, 솔리드는 산화금속 세라믹스를 저항체로 사용했다.

 저항체의 재질에 따라 특성이 달라진다. 금속막은 메탈 글 레이즈막보다 저항값 허용차, 저항온도계수를 작게 할 수 있 다. 금속박, 금속판은 낮은 저항용에, 산화금속은 높은 전력용 에 사용된다.

3. 네트워크 저항은 버스의 종단에 편리하다 

 실장 밀도를 높이고 아울러 실장 비용을 줄이는 것으로 네 트워크 저항이 있다. 칩 저항을 많이 사용하는 디지털 선로에 편리하게 사용할 수 있는 부품이다.

 에 들어가는 종단저항, 10∼200Ω정도의 댐핑 저항 등이 사용 된다. 또 패키지 형상을 BGA(Ball Grid Array)나 SOP(Small Outline Package)로 하여 실장밀도를 높인 타입도 있다.

4. 네트워크 저항 분류 : 병렬인가 직렬인가 

 표 2는 네트워크 저항기를 분류한 것이다. 외관상으로는 사 진 2와 같이 세라믹 기판형과 수지 몰드인 SOP형으로 나뉜 다. 또 세라믹 기판형은 오목 전극과 볼록 전극, 플랫 전극, BGA로 나뉜다.

 내부의 회로 구성을 그림 1에 나타낸다. 단품의 각형 칩 저 항을 병렬로 여러 개 늘어놓은 것은 저항체 수에 따라 2연(또 는 2소자), 4연, 8연이라고 부른다. 때문에 네트워크 저항기 외에 다연 칩 저항기나 저항 어레이라고 하는 경우도 있다.

 내부 회로가 직렬 병렬로 접속된 것은 전극 수에 의해 4단 자, 8단자, 16단자라고도 한다. 사이즈는 최소 4단자 0806부 터 내부 회로의 조합에 의해 다양한 사이즈가 존재한다.

 오목 전극은 납땜 시 이웃한 전극과 브리지되기 어렵다는 이점을, 볼록 전극은 땜납 필렛 형성을 확인하기 쉽다는 이점 을 갖고 있다. BGA는 저항기 아래쪽 면이 접속점이므로 고밀 도 실장에 더 적합하다. 단, 접속 상태를 확인하기 어려우며 반복되는 온도 변화에 약하므로 열 팽창계수가 큰 기판에 실 장할 경우에는 주의가 필요하다.

실장 시 주의해야 할 점 

 칩 저항기를 프린트 기판에 실장할 경우에는 다음과 같은 점에 주의해야 한다.

1. 대형 칩 저항은 열 스트레스에 의한 크랙에 주의한다 

 세라믹을 기본으로 한 칩 저항기는 열 스트레스를 반복적으 로 부여할 경우, 실장하는 프린트 기판과 열 팽창계수가 다르 므로 접합부의 땜납(필렛부)에 사진 3과 같은 크랙이 발생할 수 있다. 크랙 발생은 실장되는 랜드의 크기나 땜납의 양, 실장 기판의 방열량, 열 스트레스의 크기 및 횟수 등에 좌우된다. 사 이즈가 큰 칩 저항은 프린트 기판과의 열 팽창 수축 차이가 크 므로 특히 주의해야 한다

2. 기판이 휘는 데 따른 스트레스를 피해서 배치한다 

 프린트 배선판의 분할 홈 근처에 부품을 배치할 경우, 분할 시 휨이 발생하여 부품 및 전극이 깨질 가능성이 있다. 가급적 분할 홈에서 멀리 또는 분할 홈과 평행하게 실장한다.

3. 좌우의 랜드 치수와 땜납의 양을 같게 한다 

 좌우의 랜드 크기가 다르거나 좌우의 땜납량이 다르면, 땜 납이 굳어질 때의 수축력 차이에 의해 칩 상승(툼스톤이나 맨 해튼이라고 불리는 현상)이 발생한다. 솔더 레지스트 등으로 랜드의 크기를 좌우 균등하게 하고 땜납량도 같게 한다.

4. 나란히 실장하면 중심부의 온도가 상승한다 

 저항기는 주어진 전기 에너지를 줄열로 변환하여 방출한다. 저항기에 가해진 전력이 클수록 저항기의 발열도 커진다. 저항 기의 온도 상승은 실장하는 기판과 랜드 치수, 땜납량, 주위 온 도 등의 방열 요인 및 저항기 자체 발열량의 평형 관계에 의해 성립한다. 따라서 같은 저항기라고 해도 그림 2와 같이 기판의 종류와 실장 상태에 따라 상승하는 온도가 다르다. 특히 여러 개 나열된 경우, 주변 저항기의 발열에 의해 중심부에 있는 저 항기 온도가 크게 높아지므로 주의해야 한다.

5. 온도 조건에 따라 딜레이팅을 고려한다 

 저항기가 이상하게 발열한다면, 땜납의 종류에 따라 용융하 여 저항기가 잡히거나 단선된 경우일 수 있다. 기타, 저항기의 저항체가 소손되어 저항값이 크게 변하거나 저항기의 수지 도 장이 열화되어 절연성이 떨어지는 경우도 있다.

 때문에 그림 3과 같이 저항기의 주변 온도가 어떤 정격 주위 온도 이상으로 될 경우에는 저항기에 가해지는 전력을 경감시 켜 사용한다. 정격 주위 온도는 저항기의 종류에 따라 다르므 로 사용하는 저항기마다 확인해야 한다.

후막 칩 저항 

후막 칩 저항이란 

 각형 칩 저항 중, 저항체 재질에 메탈 글레이즈막을 사용한 것은 그 두께가 수㎛이므로 후막이라고 불린다. 금속막을 사용 한 것은 두께가 nm 단위이므로 박막이라고 불린다. 일반적으 로 칩 저항기라고 하면‘후막 칩 저항’을 가리킨다. 후막 칩 저 항은 많이 사용되는 저항기이며 용도나 목적에 따라 사용할 수 있는 종류가 다양하다.

특징 

1. 구조 : 세라믹 기판 위에 저항체의 막을 형성한다 

 후막 칩 저항기는 그림 4와 같이 세라믹 기판 위에 전극과 저항체를 형성한다. 저항체 위를 보호막으로 덮은 심플한 구조 로 되어 있다. 전극에는 은이나 은계 합금이 사용되며 저항체 는 금속산화물과 유리의 혼합물이다. 보호막은 수지 또는 유리 이며 단자(전극)에는 주석 도금이 실시됐다.

2. 종류 

 칩 저항기는 용도와 목적에 따라 다양한 타입이 있다. 상세 한 내용을 표 3에 나타낸다.

 ① 범용 타입 : 가장 일반적으로 널리 사용된다

 ② 고정밀도 타입 : 저항값 허용차가 좋으며 E96 계열

 ③ 내 펄스/ 내 서지 타입 : 기기의 입출력 회로 등에 사용할 수있다

 ④ 고내압 타입 : 그림 5와같이최고사용전압이높다

 ⑤ 긴 변 전극 타입 : 사진 4와 같이 납땜되는 면적이 늘어 방열성이 좋아지므로 대전력에서 사용할 수 있다

 ⑥ 내황화 타입 : 석유계 가스 등으로 단선되기 어렵다

 ⑦ 음질용 타입 : 오디오 기기를 고음질로할수있다

 ⑦ 음질용 타입 : 오디오 기기를 고음질로할수있다

3. 전기 특성 : 정격 전력과 정격 전압이 높은 타입이 있다 

 3. 전기 특성 : 정격 전력과 정격 전압이 높은 타입이 있다

 후막 칩 저항의 전기적 특성을 표 4에 나타낸다. 내 서지 타 입과 긴 변 전극 타입은 범용형에 비해 정격전력이 높게 설정 되어 있다. 고내압 타입은 마찬가지로 최고 사용 전압이 높게 되어 있다. 그러나 이렇게 특화된 타입의 경우 모든 사이즈를 갖추고 있는 것은 아니다

사용 방법의 포인트 : 펄스가 발생하는 회로에 이용하는 저항기 

1. 원펄스 한계 전력에서 사이즈를 선택한다 

 게이트 드라이브 회로에서는 게이트 저항에 펄스 전류가 흐 른다. 그림 6과 같이 계산되는 펄스 파형의 평균 전력이 저항 기의 정격 전력 이하였다고 해도, 저항기의 펄스 한계 전력을 순간적으로 넘으면 저항기가 파괴돼 버리는 경우가 있기 때문 에 주의해야 한다.

 이와 같은 경우, 그림 7에서 구한 펄스의 전력과 그림 8의 원펄스 한계 전력을 비교하여 사용할 수 있는 저항기 사이즈 를 선택한다. 펄스 내성은 같은 저항체일 경우 저항체의 체적 이 큰 쪽이 유리하다. 그림 9에서 알 수 있듯이, 사이즈가 클 수록 원펄스 한계 전력도 커진다.

사용상 주의해야 할 점 

1. 후막 칩 저항기는 황화된다! 

 후막 칩 저항의 경우, 내부 전극의 은 유황을 포함한 가스나 오일, 고무 등에 닿으면 황화를 일으킨다. 칩 저항기의 미세한 틈에서 유황이 서서히 침입하여 사진 5와 같은 절연성 황화은 을 형성한다. 특히, 대기오염이 심한 지역에서 사용되는 기기 나 절삭유를 사용하는 산업 기기에서 후막 칩 저항기를 사용 할 경우에는 주의해야 한다. 이것을 방지하기 위해서는 실장 기판을 방습 코트로 덮거나(내황화에도 효과적) 칩 저항기를 내황화 타입으로 바꾼다.

 내황화 타입에는 유황의 침입을 지연시키는 구조로 된 것 (황화 지연 타입)과 전극의 은을 유황과 반응하지 않는 재료로 바꾼 것(완전 내황화 타입)의 두 종류가 있다. 전극 재료를 바 꾼 것은 유황과 반응하지 않으므로 완전한 대책이라고 할 수 있다.

후막 칩 저항의 응용 후막 저항은 도전물질과 비도전물질을 적당한 비율로 혼합 한 것을 인쇄, 소결하여 만든다. 혼합 비율과 두께를 조정함으 로써 다양한 저항값을 실현할 수 있으며 그 범위는 저저항 타

입에서 10mΩ∼10Ω, 범용 타입에서 1Ω∼10MΩ정도이다. 사 이즈 변화도 많으며 1W 정도의 전력용까지 충실하게 갖춰져 있다. 가격도 적절하므로 폭넓게 사용되고 있다.

표면실장형 저항에서 고려해야 할 점 

 칩 저항의 종류에 상관없이 적용되는 부분이며, 표면실장에 서 소형화가 진행되고 있다는 점 때문에 고려해야 할 부분이 늘어났다. 최고 사용 전압이나 전류 잡음과 같이 리드 부품보 다 엄격해진 성능 등을 예로 들 수 있다. 전압이 높은 회로나 낮은 잡음이 요구되는 회로에서는 특히 주의하기 바란다.

1. 정격 전력 : 주위의 온도 상승도 고려하여 결정한다 

 저항에 전류 I가 흐르면 I2R의 열이 발생한다. 그 상한값을 정격 전력으로 규정했다. 저항은 정격 전력 내에서 사용해야 한다. 그러나 고밀도 실장에 의해 부품 간격이 좁을 경우, 저항 의 주위 온도가 올라간다. 이와 같이 국소적인 주위 온도 상승 에서도 그림 10과 같이 전력을 딜레이팅한 설계가 필요하다.

 또 0402 타입과 같이 초소형 부품인 경우, 최고 사용 온도의 차이에 의해 전력 경감 커브가 다를 수 있다.

2. 저항값 허용차 : 최소한의 허용차로 가격을 낮춘다 

 설계자 입장에서 보면 값이 가급적 정확하게 결정될수록 좋 을 것이다. 그러나 고정밀도 부품은 다른 성능을 희생하거나 비용과 트레이드오프 관계에 있는 경우도 있다. 필요에 따라 허용차를 선택하는 것이 재료비를 낮추는 데 효과적이다.

 또 부품의 종류가 늘어나면 관리 및 제조 비용에도 영향을 미치므로 가급적 종류가 많아지지 않도록 주의해야 한다. E12 계열로 설계할 수 있는데도 일부러 E24 계열의 상수를 사용하거나, 불필요하게 풀업 저항의 상수를 다르게 하는 설계는 피 하도록 한다.