|
近二十年來，電子工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。新技術(shù)的進步在減小設(shè)備尺寸的同時，也加大了分立元件制造商開發(fā)理想性能器件的壓力。 在這些器件中，晶片電阻當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，減少了組裝前期準備的工作量。隨著應(yīng)用的普及，晶片電阻具有越來越重要的作用。主要參數(shù)包括 ESD 保護、熱電動勢 （EMF）、電阻熱系數(shù) （TCR）、自熱性、長期穩(wěn)定性、功率系數(shù)和噪聲等。 以下技術(shù)對比中將討論線繞電阻在精密電路中的應(yīng)用。不過請注意，線繞電阻沒有晶片型，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。 盡管升級每個組件或子系統(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)中的每個組件都具有關(guān)系到整體性能的內(nèi)在優(yōu)缺點，特別是短期和長期穩(wěn)定性、頻響和噪聲等問題。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。 
Yuval Hernik 各種電阻技術(shù)的優(yōu)缺點如表1所示，表中給出了熱應(yīng)力和機械應(yīng)力對電阻電氣特性的影響。
表1： 不同類型電阻的特性。 應(yīng)力（無論機械應(yīng)力還是熱應(yīng)力）會造成電阻電氣參數(shù)改變。當形狀、長度、幾何結(jié)構(gòu)、配置或模塊化結(jié)構(gòu)受機械或其他方面因素影響發(fā)生變化時，電氣參數(shù)也會發(fā)生變化，這種變化可用基本方程式來表示：R = ρ L/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。 電流通過電阻元件時產(chǎn)生熱量，熱反應(yīng)會使器件的每種材料發(fā)生膨脹或收縮機械變化。環(huán)境溫度條件也會產(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)象進行自我平衡，在電阻加工過程中保持物理一致性，使用過程中不必進行熱效應(yīng)或應(yīng)力效應(yīng)補償，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程中會發(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、長度和合金材料可以達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。 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） 可以達到 3 ppm/°C典型值。不過，降低電阻值，線繞電阻一般在15 ppm/°C 到 25 ppm/°C。熱噪聲降低，TCR 在限定溫度范圍內(nèi)可以達到 ± 2 ppm/°C 。 線繞電阻加工過程中，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 — 相對于彈性變形或可逆變形，必須對電阻絲進行退火。永久性機械變化 （不可預(yù)測） 會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，這會增加成本，而且降低電感的效果有限。由于設(shè)計中存在的電感和電容，線繞電阻高頻特性差，特別是 50 kHz 以上頻率。 兩個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，或尺寸不同時更為困難 （例如，滿足不同的功率要求）。這種難度會隨著電阻值差異的增加進一步加劇。以1-kΩ 電阻相對于100-kΩ電阻為例，這種不一致性是由于直徑、長度，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—機械特性對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特性，因此它們的工作穩(wěn)定性不一樣，設(shè)計的電阻比在設(shè)備生命周期中會發(fā)生很大變化。TCR 特性和比率對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。固定過程中，軸向引線往往采用拉緊工藝，通過機械力加壓封裝。這兩種方法會改變電阻，無論加電或不加電。從長期角度看，由于電阻絲調(diào)整為新的形狀，線繞元件會發(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 （采用真空或濺射工藝）。薄膜電阻單位面積阻值高于線繞電阻或 Bulk Metal？ 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，薄膜電阻更為經(jīng)濟并節(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，因此在整個電阻范圍內(nèi)是可變的。這種化學(xué)/機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嚴重影響 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。浸入封裝過程中，水蒸汽會帶入雜質(zhì)，產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕會在低壓直流應(yīng)用幾小時內(nèi)造成薄膜電阻開路。改變最佳薄膜厚度會嚴重影響 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。這些觸點構(gòu)成完整電阻，但工作中的熱應(yīng)變會中斷接觸。由于大部分情況下并聯(lián)，厚膜電阻不會開路，但阻值會隨著時間和溫度持續(xù)增加。因此，與其他電阻技術(shù)相比，厚膜電阻穩(wěn)定性差 （時間、溫度和功率）。 由于結(jié)構(gòu)中成串的電荷運動，粒狀結(jié)構(gòu)還會使厚膜電阻產(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程中形成玻璃相保護層，因此厚膜電阻的抗?jié)裥愿哂诒∧る娮琛?/font> 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，形成熱機平衡力對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、長期穩(wěn)定性、無感抗、無 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有選擇地消除內(nèi)在“短板”進行修整。當需要按已知增量加大電阻時，可以切割標記的區(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平衡力形成的標準溫度系數(shù)，在0 °C 至 + 60 °C 范圍內(nèi)為 ± 1 ppm/°C （Z 箔為0.05 ppm/°C） （圖3）。
圖3 采用平箔時，并聯(lián)電路設(shè)計可降低阻抗，電阻最大總阻抗為 0.08 uH。最大電容為 0.05 pF。1-kΩ 電阻設(shè)置時間在 100 MHZ以下小于 1 ns。上升時間取決于電阻值，但較高和較低電阻值相對于中間值僅略有下降。沒有振鈴噪聲對于高速切換電路是十分重要的，例如信號轉(zhuǎn)換。100 MHZ 頻率下，1-kΩ 大金屬箔電阻直流電阻與其交流電阻的對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、過去達不到的電阻特性，包括低溫度系數(shù)（0 °C 至 + 60 °C 為 0.05 ppm/°C），誤差達到 ± 0.005 % （采用密封時低至 ± 0.001 %），負載壽命穩(wěn)定性在 70 °C，額定加電2000小時的情況下達到 ± 0.005 % （50 ppm），電阻間一致性在 0 °C 至 + 60 °C 時為 0.1 ppm/°C，抗 ESD 高達 25 kV。性能要求 當然并非每位設(shè)計師的電路都需要全部高性能參數(shù)。技術(shù)規(guī)格相當差的電阻同樣可以用于大量應(yīng)用中，這方面的問題分為四類： （1） 現(xiàn)有應(yīng)用可以利用大金屬箔電阻的全部性能升級。 （2） 現(xiàn)有應(yīng)用需要一個或多個，但并非全部“行業(yè)最佳”性能參數(shù)。 （3） 先進的電路只有利用精密電阻改進的技術(shù)規(guī)格才能開發(fā)。 （4） 有目的地提前計劃使用精密電阻滿足今后升級要求 （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，一個參數(shù)必須根據(jù)所有參數(shù)的經(jīng)濟性加以權(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，因為不需要調(diào)整電路 （及組裝相關(guān)組件的成本）。主要通過電阻而不是有源器件提高精度也可以節(jié)省成本，因為有源器件略微提高一點性能所需的成本要比電阻高的多。另一個問題是：“利用高性能電阻提高設(shè)備性能是否可以提高市場的市場占有率？” 作者：Yuval Hernik 應(yīng)用工程部總監(jiān) Yuval Hernik 畢業(yè)于 Technion （以色列理工學(xué)院） 電子工程系。自2008年以來，一直擔(dān)任 Vishay Precision Group 大金屬箔電阻應(yīng)用工程部總監(jiān)。 |
