工程師基礎(chǔ)知識(shí)充電：常用電阻特性優(yōu)缺點(diǎn)比較
近二十年來(lái)，電子工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。新技術(shù)的進(jìn)步在減小設(shè)備尺寸的同時(shí)，也加大了分立元件制造商開(kāi)發(fā)理想性能器件的壓力。
在這些器件中，晶片電阻當(dāng)前始終保持很高的需求，并且是許多電路的基礎(chǔ)構(gòu)件。它們的空間利用率優(yōu)于分立式封裝電阻，減少了組裝前期準(zhǔn)備的工作量。隨著應(yīng)用的普及，晶片電阻具有越來(lái)越重要的作用。主要參數(shù)包括ESD保護(hù)、熱電動(dòng)勢(shì)(EMF)、電阻熱系數(shù)(TCR)、自熱性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、功率系數(shù)和噪聲等。
以下技術(shù)對(duì)比中將討論線繞電阻在精密電路中的應(yīng)用。不過(guò)請(qǐng)注意，線繞電阻沒(méi)有晶片型，因此，受重量和尺寸限制需要采用精密晶片電阻的應(yīng)用不使用這種電阻。
盡管升級(jí)每個(gè)組件或子系統(tǒng)可以提高整體性能，但整體性能仍是由組件鏈中的短板決定的。系統(tǒng)中的每個(gè)組件都具有關(guān)系到整體性能的內(nèi)在優(yōu)缺點(diǎn)，特別是短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性、頻響和噪聲等問(wèn)題。分立式電阻行業(yè)在線繞電阻、厚膜電阻、薄膜電阻和金屬箔電阻技術(shù)方面取得了進(jìn)步，而從單位性能成本考慮，每種電阻都有許多需要加以權(quán)衡的因素。
各種電阻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，表中給出了熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對(duì)電阻電氣特性的影響。
表1：不同類型電阻的特性
應(yīng)力(無(wú)論機(jī)械應(yīng)力還是熱應(yīng)力)會(huì)造成電阻電氣參數(shù)改變。當(dāng)形狀、長(zhǎng)度、幾何結(jié)構(gòu)、配置或模塊化結(jié)構(gòu)受機(jī)械或其他方面因素影響發(fā)生變化時(shí)，電氣參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，這種變化可用基本方程式來(lái)表示：R=ρL/A，式中
R=電阻值，以歐姆為單位，
ρ=材料電阻率，以歐姆米為單位，
L=電阻元件長(zhǎng)度，以米為單位，
A=電阻元件截面積，以平方米為單位。
電流通過(guò)電阻元件時(shí)產(chǎn)生熱量，熱反應(yīng)會(huì)使器件的每種材料發(fā)生膨脹或收縮機(jī)械變化。環(huán)境溫度條件也會(huì)產(chǎn)生同樣的結(jié)果。因此，理想的電阻元件應(yīng)能夠根據(jù)這些自然現(xiàn)象進(jìn)行自我平衡，在電阻加工過(guò)程中保持物理一致性，使用過(guò)程中不必進(jìn)行熱效應(yīng)或應(yīng)力效應(yīng)補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
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”。功率線繞電阻使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生很大變化，不適于精密度要求很高的情況下使用。因此，本討論不考慮這種電阻。
線繞電阻的制作方法一般是將絕緣電阻絲纏繞在特定直徑的線軸上。不同線徑、長(zhǎng)度和合金材料可以達(dá)到所需電阻和初始特性。精密線繞電阻ESD穩(wěn)定性更高，噪聲低于薄膜或厚膜電阻。線繞電阻還具有TCR低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
線繞電阻初始誤差可以低至±0.005%。TCR(溫度每變化一攝氏度，電阻的變化量)可以達(dá)到3ppm/°C典型值。不過(guò)，降低電阻值，線繞電阻一般在15ppm/°C到25ppm/°C。熱噪聲降低，TCR在限定溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到±2ppm/°C。
線繞電阻加工過(guò)程中，電阻絲內(nèi)表面(靠近線軸一側(cè))收縮，而外表面拉伸。這道工藝產(chǎn)生永久變形—相對(duì)于彈性變形或可逆變形，必須對(duì)電阻絲進(jìn)行退火。永久性機(jī)械變化(不可預(yù)測(cè))會(huì)造成電阻絲和電阻電氣參數(shù)任意變化。因此，電阻元件電性能參數(shù)存在很大的不確定性。
由于線圈結(jié)構(gòu)，線繞電阻成為電感器，圈數(shù)附近會(huì)產(chǎn)生線圈間電容。為提高使用中的響應(yīng)速度，可以采用特殊工藝降低電感。不過(guò)，這會(huì)增加成本，而且降低電感的效果有限。由于設(shè)計(jì)中存在的電感和電容，線繞電阻高頻特性差，特別是50kHz以上頻率。
兩個(gè)額定電阻值相同的線繞電阻，彼此之間很難保證特定溫度范圍內(nèi)精確的一致性，電阻值不同，或尺寸不同時(shí)更為困難(例如，滿足不同的功率要求)。這種難度會(huì)隨著電阻值差異的增加進(jìn)一步加劇。以1-k?電阻相對(duì)于100-k?電阻為例，這種不一致性是由于直徑、長(zhǎng)度，并有可能由于電阻絲使用的合金不同造成的。而且，電阻芯以及每英寸圈數(shù)也不同—機(jī)械特性對(duì)電氣特性的影響也不一樣。由于不同的電阻值具有不同的熱機(jī)特性，因此它們的工作穩(wěn)定性不一樣，設(shè)計(jì)的電阻比在設(shè)備生命周期中會(huì)發(fā)生很大變化。TCR特性和比率對(duì)于高精度電路極為重要。
傳統(tǒng)線繞電阻加工方法不能消除纏繞、封裝、插入和引線成型工藝中產(chǎn)生的各種應(yīng)力。固定過(guò)程中，軸向引線往往采用拉緊工藝，通過(guò)機(jī)械力加壓封裝。這兩種方法會(huì)改變電阻，無(wú)論加電或不加電。從長(zhǎng)期角度看，由于電阻絲調(diào)整為新的形狀，線繞元件會(huì)發(fā)生物理變化。
薄膜電阻
薄膜電阻由陶瓷基片上厚度為50?至250?的金屬沉積層組成(采用真空或?yàn)R射工藝)。薄膜電阻單位面積阻值高于線繞電阻或BulkMetal?金屬箔電阻，而且更為便宜。在需要高阻值而精度要求為中等水平時(shí)，薄膜電阻更為經(jīng)濟(jì)并節(jié)省空間。
它們具有最佳溫度敏感沉積層厚度，但最佳薄膜厚度產(chǎn)生的電阻值嚴(yán)重限制了可能的電阻值范圍。因此，采用各種沉積層厚度可以實(shí)現(xiàn)不同的電阻值范圍。薄膜電阻的穩(wěn)定性受溫度上升的影響。薄膜電阻穩(wěn)定性的老化過(guò)程因?qū)崿F(xiàn)不同電阻值所需的薄膜厚度而不同，因此在整個(gè)電阻范圍內(nèi)是可變的。這種化學(xué)/機(jī)械老化還包括電阻合金的高溫氧化。此外，改變最佳薄膜厚度還會(huì)嚴(yán)重影響TCR。由于較薄的沉積層更容易氧化，因此高阻值薄膜電阻退化率非常高。
由于金屬量少，薄膜電阻在潮濕的條件下極易自蝕。浸入封裝過(guò)程中，水蒸汽會(huì)帶入雜質(zhì)，產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕會(huì)在低壓直流應(yīng)用幾小時(shí)內(nèi)造成薄膜電阻開(kāi)路。改變最佳薄膜厚度會(huì)嚴(yán)重影響TCR。由于較薄的沉積層更容易氧化，因此高阻值薄膜電阻退化率非常高。
厚膜電阻
如前所述，受尺寸、體積和重量的影響，線繞電阻不可能采用晶片型。盡管精度低于線繞電阻，但由于具有更高的電阻密度(高阻值/小尺寸)且成本更低，厚膜電阻得到廣泛使用。與薄膜電阻和金屬箔電阻一樣，厚膜電阻頻響速度快，但在目前使用的電阻技術(shù)中，其噪聲最高。雖然精度低于其他技術(shù)，但我們之所以在此討論厚膜電阻技術(shù)，是由于其廣泛應(yīng)用于幾乎每一種電路，包括高精密電路中精度要求不高的部分。
厚膜電阻依靠玻璃基體中粒子間的接觸形成電阻。這些觸點(diǎn)構(gòu)成完整電阻，但工作中的熱應(yīng)變會(huì)中斷接觸。由于大部分情況下并聯(lián)，厚膜電阻不會(huì)開(kāi)路，但阻值會(huì)隨著時(shí)間和溫度持續(xù)增加。因此，與其他電阻技術(shù)相比，厚膜電阻穩(wěn)定性差(時(shí)間、溫度和功率)。
由于結(jié)構(gòu)中成串的電荷運(yùn)動(dòng)，粒狀結(jié)構(gòu)還會(huì)使厚膜電阻產(chǎn)生很高的噪聲。給定尺寸下，電阻值越高，金屬成份越少，噪聲越高，穩(wěn)定性越差。厚膜電阻結(jié)構(gòu)中的玻璃成分在電阻加工過(guò)程中形成玻璃相保護(hù)層，因此厚膜電阻的抗?jié)裥愿哂诒∧る娮琛?
金屬箔電阻
將具有已知和可控特性的特種金屬箔片敷在特殊陶瓷基片上，形成熱機(jī)平衡力對(duì)于電阻成型是十分重要的。然后，采用超精密工藝光刻電阻電路。這種工藝將低TCR、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、無(wú)感抗、無(wú)ESD感應(yīng)、低電容、快速熱穩(wěn)定性和低噪聲等重要特性結(jié)合在一種電阻技術(shù)中。
這些功能有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，精度、穩(wěn)定性和速度之間不必相互妥協(xié)。為獲得精確電阻值，大金屬箔晶片電阻可通過(guò)有選擇地消除內(nèi)在“短板”進(jìn)行修整。當(dāng)需要按已知增量加大電阻時(shí)，可以切割標(biāo)記的區(qū)域(圖2)，逐步少量提高電阻。
圖2
合金特性及其與基片之間的熱機(jī)平衡力形成的標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)，在0°C至+60°C范圍內(nèi)為±1ppm/°C(Z箔為0.05ppm/°C)(圖3)。
圖3
采用平箔時(shí)，并聯(lián)電路設(shè)計(jì)可降低阻抗，電阻最大總阻抗為0.08uH。最大電容為0.05pF。1-k?電阻設(shè)置時(shí)間在100MHZ以下小于1ns。上升時(shí)間取決于電阻值，但較高和較低電阻值相對(duì)于中間值僅略有下降。沒(méi)有振鈴噪聲對(duì)于高速切換電路是十分重要的，例如信號(hào)轉(zhuǎn)換。
100MHZ頻率下，1-k?大金屬箔電阻直流電阻與其交流電阻的對(duì)比可用以下公式表示：
交流電阻/直流電阻=1.001
圖4：大金屬箔電阻結(jié)構(gòu)
金屬箔技術(shù)全面組合了高度理想的、過(guò)去達(dá)不到的電阻特性，包括低溫度系數(shù)(0°C至+60°C為0.05ppm/°C)，誤差達(dá)到±0.005%(采用密封時(shí)低至±0.001%)，負(fù)載壽命穩(wěn)定性在70°C，額定加電2000小時(shí)的情況下達(dá)到±0.005%(50ppm)，電阻間一致性在0°C至+60°C時(shí)為0.1ppm/°C，抗ESD高達(dá)25kV。
性能要求
當(dāng)然并非每位設(shè)計(jì)師的電路都需要全部高性能參數(shù)。技術(shù)規(guī)格相當(dāng)差的電阻同樣可以用于大量應(yīng)用中，這方面的問(wèn)題分為四類：
(1)現(xiàn)有應(yīng)用可以利用大金屬箔電阻的全部性能升級(jí)。
(2)現(xiàn)有應(yīng)用需要一個(gè)或多個(gè)，但并非全部“行業(yè)最佳”性能參數(shù)。
(3)先進(jìn)的電路只有利用精密電阻改進(jìn)的技術(shù)規(guī)格才能開(kāi)發(fā)。
(4)有目的地提前計(jì)劃使用精密電阻滿足今后升級(jí)要求(例如，利用電阻而不是有源器件保持電路精度，從而節(jié)省成本，否則僅僅為了略微提高性能則要顯著增加成本)。
例如，在第二(2)類情況下，一個(gè)參數(shù)必須根據(jù)所有參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性加以權(quán)衡。與采用全面優(yōu)異性能的電阻相比，這樣可以節(jié)省成本，因?yàn)椴恍枰{(diào)整電路(及組裝相關(guān)組件的成本)。主要通過(guò)電阻而不是有源器件提高精度也可以節(jié)省成本，因?yàn)橛性雌骷晕⑻岣咭稽c(diǎn)性能所需的成本要比電阻高的多。另一個(gè)問(wèn)題是：“利用高性能電阻提高設(shè)備性能是否可以提高市場(chǎng)的市場(chǎng)占有率?”
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
