工程師基礎知識充電：常用電阻特性優缺點比較
近二十年來，電子工業以驚人的速度發展。新技術的進步在減小設備尺寸的同時，也加大了分立元件制造商開發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構件。它們的空間利用率優于分立式封裝電阻，減少了組裝前期準備的工作量。隨著應用的普及，晶片電阻具有越來越重要的作用。主要參數包括ESD保護、熱電動勢(EMF)、電阻熱系數(TCR)、自熱性、長期穩定性、功率系數和噪聲等。
以下技術對比中將討論線繞電阻在精密電路中的應用。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用不使用這種電阻。
盡管升級每個組件或子系統可以提高整體性能，但整體性能仍是由組件鏈中的短板決定的。系統中的每個組件都具有關系到整體性能的內在優缺點，特別是短期和長期穩定性、頻響和噪聲等問題。分立式電阻行業在線繞電阻、厚膜電阻、薄膜電阻和金屬箔電阻技術方面取得了進步，而從單位性能成本考慮，每種電阻都有許多需要加以權衡的因素。
各種電阻技術的優缺點如表1所示，表中給出了熱應力和機械應力對電阻電氣特性的影響。
表1：不同類型電阻的特性
應力(無論機械應力還是熱應力)會造成電阻電氣參數改變。當形狀、長度、幾何結構、配置或模塊化結構受機械或其他方面因素影響發生變化時，電氣參數也會發生變化，這種變化可用基本方程式來表示：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生熱量，熱反應會使器件的每種材料發生膨脹或收縮機械變化。環境溫度條件也會產生同樣的結果。因此，理想的電阻元件應能夠根據這些自然現象進行自我平衡，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或應力效應補償，從而提高系統穩定性。
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3ppm/°C典型值。不過，降低電阻值，線繞電阻一般在15ppm/°C到25ppm/°C。熱噪聲降低，TCR在限定溫度范圍內可以達到±2ppm/°C。
線繞電阻加工過程中，電阻絲內表面(靠近線軸一側)收縮，而外表面拉伸。這道工藝產生永久變形—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(不可預測)會造成電阻絲和電阻電氣參數任意變化。因此，電阻元件電性能參數存在很大的不確定性。
由于線圈結構，線繞電阻成為電感器，圈數附近會產生線圈間電容。為提高使用中的響應速度，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。由于設計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-k?電阻相對于100-k?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，因此它們的工作穩定性不一樣，設計的電阻比在設備生命周期中會發生很大變化。TCR特性和比率對于高精度電路極為重要。
傳統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生的各種應力。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，由于電阻絲調整為新的形狀，線繞元件會發生物理變化。
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，薄膜電阻更為經濟并節省空間。
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不同的電阻值范圍。薄膜電阻的穩定性受溫度上升的影響。薄膜電阻穩定性的老化過程因實現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是可變的。這種化學/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，產生的化學腐蝕會在低壓直流應用幾小時內造成薄膜電阻開路。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中，其噪聲最高。雖然精度低于其他技術，但我們之所以在此討論厚膜電阻技術，是由于其廣泛應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。這些觸點構成完整電阻，但工作中的熱應變會中斷接觸。由于大部分情況下并聯，厚膜電阻不會開路，但阻值會隨著時間和溫度持續增加。因此，與其他電阻技術相比，厚膜電阻穩定性差(時間、溫度和功率)。
由于結構中成串的電荷運動，粒狀結構還會使厚膜電阻產生很高的噪聲。給定尺寸下，電阻值越高，金屬成份越少，噪聲越高，穩定性越差。厚膜電阻結構中的玻璃成分在電阻加工過程中形成玻璃相保護層，因此厚膜電阻的抗濕性高于薄膜電阻。
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、長期穩定性、無感抗、無ESD感應、低電容、快速熱穩定性和低噪聲等重要特性結合在一種電阻技術中。
這些功能有助于提高系統穩定性和可靠性，精度、穩定性和速度之間不必相互妥協。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，在0°C至+60°C范圍內為±1ppm/°C(Z箔為0.05ppm/°C)(圖3)。
圖3
采用平箔時，并聯電路設計可降低阻抗，電阻最大總阻抗為0.08uH。最大電容為0.05pF。1-k?電阻設置時間在100MHZ以下小于1ns。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：大金屬箔電阻結構
金屬箔技術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(0°C至+60°C為0.05ppm/°C)，誤差達到±0.005%(采用密封時低至±0.001%)，負載壽命穩定性在70°C，額定加電2000小時的情況下達到±0.005%(50ppm)，電阻間一致性在0°C至+60°C時為0.1ppm/°C，抗ESD高達25kV。
性能要求
當然并非每位設計師的電路都需要全部高性能參數。技術規格相當差的電阻同樣可以用于大量應用中，這方面的問題分為四類：
(1)現有應用可以利用大金屬箔電阻的全部性能升級。
(2)現有應用需要一個或多個，但并非全部“行業最佳”性能參數。
(3)先進的電路只有利用精密電阻改進的技術規格才能開發。
(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，一個參數必須根據所有參數的經濟性加以權衡。與采用全面優異性能的電阻相比，這樣可以節省成本，因為不需要調整電路(及組裝相關組件的成本)。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備性能是否可以提高市場的市場占有率?”
編輯：admin 最后修改時間：2018-01-05
