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                  分析貼片超精密電阻的性能和應用
                  - 2019-05-21-

                         深圳君凱世紀科技有限公司,主要銷售的電阻類產品有貼片薄/厚膜晶片電阻器、貼片高功率厚膜晶片電阻器、貼片精密型厚膜晶片電阻器、貼片超精密電阻等相關電阻的電子元器件,下面給大家簡單分析下貼片超精密電阻的性能和應用。

                         在新技術的研發和促使下讓電阻的體積急劇減小,為了滿足新的市場需求,推動電子元件廠商去開發更理想性能和穩定性更好的產品。隨著各類精密電阻的使用越來越廣泛,精密電阻的性能也變得更加重要。精密電阻的主要參數溫飄包括溫度系數(TCR) ,功率系數(PCR), 長期穩定性,抗靜電能力 (ESD),熱電勢 (EMF), 噪聲等。

                         系統整體性能的改進,是通過每一個電子元件或者子系統來實現的,整體性能是由電路系統中薄弱的環節決定的。每一個元件都給整體電路系統帶來一些性能上的限制。特別是短時過載,長期穩定性,頻率響應,噪聲。在分立電阻工業中,現有四種流行的電阻技術,線繞電阻,厚膜電阻,薄膜電阻,和箔電阻,為客戶提供不同性能需求不同預算的方案。

                    表1簡短地總結介紹了各種電阻科技的優點和缺點,熱效應,機械應力,電氣特性。

                         

                         應力,不管是機械應力還是熱應力,引起電阻電氣性能的改變。 如果由于受到應力影響,引起電阻形狀,長度,構造,或者分子結構的改變,電阻的電氣性能也會發生改變。

                         當電流通過電阻元素時,產生自熱,溫度的改變會引起材料產生機械擴張或收縮。 理想的電阻元素具有自動平衡這些現象的能力,穩定性增強系統可以通過制造工藝保持電阻元素完整的物理特性,并且可以消除電阻使用過程中自熱和應力所需的補償。

                         我們將比較不同電阻科技的特點, 討論各類電阻在精密電路中的使用情況。

                        箔電阻

                         可控制的特殊的箔電阻合金(鎳/鉻和附加劑) 被粘合在特殊的陶瓷基質上, 可以平衡由于熱和機械產生的應力。 電阻路徑圖案通過激光蝕刻在箔電阻合金上. 這個工藝獨特地整合了低溫飄,長期穩定性,無感,對靜電不敏感,低電容,快速熱穩定性,和低噪音等重要特性在一個單一的電阻科技中。

                         這些特點給電路系統帶來高穩定性和可靠性,不用再考慮電阻精度,穩定性和響應速度之間的折中方案,為獲得精密的阻值, Bulk Metal Foil金屬箔片被平衡地且有選擇性地消除內部的短路帶。在應對高阻需求時,在已知的阻值增額的情況下去有選擇性地切割區域,逐步小幅增加阻值。         標準溫度系數± 1 ppm/°C 0 °C to + 60 °C (0.05 ppm/°C Z-Foil), 采集自箔電阻合金和與其結合的熱應力和機械應力平衡的基質 (1)。

                         金屬箔平面中,平行的電阻路徑設計減小了電感,電感值高達  0.08 μH. 電容高達0.5 pF。一個  1-kΩ電阻的響應時間小于1 ns 直到 100 MHz。上升時間由阻值決定,但是更高或者更低的阻值只會比中間阻值慢一點, 無振鈴在高速轉換的電路中是特別重要的,例如:信號轉換器。

                         1-kΩ Bulk Metal Foil金屬箔直流電阻 與它 100 MHz時的交流電阻比較可以用以下的公式表達:

                  交流電阻/直流電阻 = 1.001

                         箔電阻科技生產以前的技術做不到的和人們期待的特殊規格的電阻。這些包括溫飄 0.2 ppm/°C , 精度低至 ±  0.001 % , 1000小時負載壽命穩定性 ± 0.005 % (50 ppm),抗靜電至少25 kV。

                         好的產品到底需要多好的性能?

                         當然,不是每一個工程師設計的電路都需要整體的高性能。在很多應用中,低性能的電阻已經可以滿足要求,所以答案分為四類。

                         1. 金屬箔電阻可以提升設備的整體性能。

                         2. 一個或者幾個金屬箔電阻可以使得設備的某一項性能達到良好。

                         3. 金屬箔電阻可以提高電路技術的發展水平,改進了精密電阻的很多有利性能。

                         4. 明確計劃使用精密電阻的長遠考慮(例如:金屬箔電阻比額外增加昂貴的裝置去少量提升電路性能以保持電路精度更加節省成本)。

                         在第二類中,例如, 單一參數必須權衡整體設計是否經濟。使用比較高性能的電阻可以節省成本,因為可以減少補償電路(并且節省了相關元件及其安裝成本)。通過提高電阻精密度比改進裝置更節省成本,因為改進裝置提高部分性能比起精密電阻花費更多。

                         精密線繞電阻

                         線繞電阻一般分為功率線繞電阻和精密線繞電阻。功率線繞電阻在使用期間會有很大改變,不能用于對電阻要求精密性能的應用。因此,我們不討論功率線繞電阻。

                         在線繞電阻的制造工藝過程中,電阻絲的內表面 (接近絕緣骨架的那一邊) 受到擠壓, 同時它的外表面受到拉力作用。產生長期變形。

                         相對于彈性形變或者可逆形變,這種工序引起的形變并且在后續的電阻絲退火工序中產生的形變是人為的。不可預測的長期性機械形變,引起電阻絲電氣特性和阻值的隨機改變。結果是電阻絲有各種各樣的性能參數。

                         線繞電阻器是用電阻絲繞在絕緣骨架上構成的。不同直徑,不同長度的電阻絲提供預期阻值和特性。精密線繞電阻比薄膜電阻和厚膜電阻有更好的抗靜電能力和更低的噪聲。線繞電阻也有更低的溫飄和更好的穩定性能。

                         線繞電阻的初始精度可以做到低達± 0.005 %。 溫飄可以做到小達 3 ppm/°C 典型值; 但是對于低阻值線繞電阻一般在15 ppm/°C 到 25 ppm/°C。熱噪音低, 跟蹤溫飄超出工作溫度范圍也可能達到 ± 2 ppm/°C。要明確的是線繞電阻沒有貼片封裝的產品,(貼片不是模壓,部分模壓的表面貼線繞電阻不屬于貼片電阻),因此線繞電阻不能用在對電阻重量和體積有要求的場合。

                         不過因為線繞電阻的繞線結構,線繞電阻是有感的,并且相近的繞線產生電容。特殊的繞線科技可能被用于降低電感,以提高電阻使用期間的響應時間。由于固有的有感有容設計,線繞電阻沒有很好的高頻特性。特別是在50KHz以上的應用中。由于電感和價格因素,目前精密線繞電阻趨于被淘汰的邊緣。

                  薄膜電阻

                         薄膜電阻器是用類蒸發的方法將一定電阻率50到250埃厚的膜材料蒸鍍于陶瓷基板制成[1埃(A) = 10納米]。薄膜電阻比線繞電阻和箔電阻在給定區域可以做出更高阻值也更便宜。這使得薄膜電阻在中級精度的高阻值電阻并且考慮空間效率的應用中是比較經濟的選擇。

                  薄膜電阻對溫度敏感,可以選擇恰當厚度的膜以做出各種阻值,但是特定的膜只能做出一定阻值范圍的電阻。因此各種厚度的膜被用于制作各種阻值范圍的電阻。

                         薄膜的穩定性受到溫度升高的影響。薄膜的老化穩定性的變化過程取決于實現規定阻值的膜的厚度,因此阻值范圍在不斷變化?;瘜W/機械的老化也包括溫度升高引起電阻合金的氧化。

                          合適厚度的膜的溫飄也會對阻值產生不利影響。高阻值薄膜電阻有更大的惡化率。因為膜越薄,越容易受到氧化。由于薄膜電阻很薄,很容易受靜電的影響。

                         此外因為金屬元素部分很小,薄膜電阻也很容易受潮濕引起的腐蝕。當水蒸汽通過電阻封裝時,帶來雜質,發展為化學腐蝕,引起電阻薄膜在加直流低壓負載幾個小時內損壞。

                         通過長時間多層的膜層沉積,高精密的調阻和后期的篩選,優良的精密薄膜電阻也可以達到±2ppm/°C的溫飄和±0.01%的精度,以及很好的長期穩定性。但功率做不大,低阻值部分指標不好,不抗靜電,功率系數差,很難滿足小批量的供貨,且不同批次的一致性不好等問題目前仍無法解決。

                        厚膜電阻

                        在前面的討論中,我們說明線繞電阻因為尺寸,封裝和重量的因素,不能用于貼片形式的場合。在比線繞電阻不那么精密的應用中,厚膜電阻則更常用,因為厚膜電阻阻值更密集, (高阻值/小尺寸) 并且更便宜。

                         厚膜電阻有更快的頻率響應,類似于薄膜電阻和箔電阻,但是在各種電阻科技中,厚膜電阻是噪音較大的。當被用于不那么精密的場合,厚膜電阻會被討論并被廣泛使用于各種類型的電路,包括高精密電路中要求不那么精密的部分。

                         厚膜依賴于玻璃基質上微粒對微粒的接觸形成電阻路徑。這些接觸點形成整個阻值 。但是這些微粒在電阻使用過程中會被熱應力阻斷。由于它們有很多平行的路徑,電阻路徑不會斷路。但是隨著時間的推移和溫度的升高,阻值會增加。因此,厚膜電阻沒有其他電阻技術穩定。

                         顆粒構造也說明厚膜電阻的噪音系數高,由于電阻電子的聚合和釋放運動通過這種結構產生比較大的噪音. 給定尺寸的電阻,阻值越高,金屬成分越低,噪音越大并且越不穩定。厚膜電阻的玻璃結構形成一個玻璃狀的保護外套以在加工電阻過程中保護電阻,這也使得厚膜電阻比薄膜電阻具有更好的抗潮濕性能。

                         通過對厚膜電阻漿料的持續改進,精密的厚膜電阻技術已經可以做到±5ppm/°C的溫飄,甚至通過使用多個可以互相補償的厚膜電阻芯片,達到±2ppm/°C的溫飄。其精度也可以高達到±0.01%。在高壓高阻值高精密的應用中精密厚膜電阻是主流的技術。厚膜電阻的缺點是在低阻值的部分很難做到高精密低溫飄,噪聲指標也不好,長期穩定性一般都是比其他精密電阻差。

                         此外,采用高性能的電阻提升設備的整體性能可以提高設備的市場認可度,相信這也是毋庸置疑的。無論在任何時候產品的品質,客戶的認可都是很好宣傳。

                         

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