6.金属箔电阻如何实现“高精度”
电阻的阻值会受到各种“应力”影响而发生改变,离开稳定性的高精度是没有意义的。
例如,电阻出厂时的精度时±0.01%,为了实现精度付出了高昂的费用,但在几个月的存储或几百个小时的负载后阻值的变化可能超过±300ppm,甚至更多。
另一种情况是,电阻来料检验时满足精度要求,但焊接到PCB后就超出了精度范围。另外,当电阻处于潮湿、静电等环境中时,其阻值会产生不可逆的变化。强调的时,稳定性要放在首位来考虑,而不是一味的追求精度。
金属箔电阻通过真空熔炼形成镍铬合金,然后通过滚碾的方式制作成金属箔,再将金属箔黏合在氧化铝陶瓷基底上,再通过光刻工艺来控制金属箔的形状,从而控制电阻。金属箔电阻是精度和稳定性最好的电阻。
因采用特殊金属箔材料,生产过程中又严格把控。它的性能远远高于其他电阻。
一个好的精密电阻,必须具备 老化小,温漂小,偏差小的特点,同时最好具备可靠性高,功率余量大,温升小,噪声小,并联电感分布电容小,电压系数小,焊接、振动及拉伸不容易变化等特点。金属箔电阻几乎具备以上所有优点。但缺点就是价格贵。
环境温度变化TCR
外加功率变化PCR Power Coefficient Resistance 电阻功率系数
6.1.精准的电阻值
首先,将具有已知和可控性的特种金属箔片覆再特殊陶瓷基片上,形成热机平衡力,这对于电阻成型是十分重要的;其次,采用超精密工艺光刻电阻电路。这种工艺将低TCR、长期稳定性、无感抗,无ESD(Electro-Static Discharge,静电释放)感应、低电容、快速热稳定性和低噪声等重要特性结合在一种电阻技术中。
这些功能有助于提高系统的稳定性和可靠性,精度、稳定性和速度之间不必相互拖鞋。为获得精确电阻值,大金属箔晶片电阻可通过有选择地消除内在“短板”进行修整。当需要按已知增量加大电阻时,可以切割标记的区域,逐步少量提高电阻。
6.2.电阻温度系数
为何需要用非常低温度系数的电阻?这是在评估电路系性能和成本时可能会问的一个问题。例如,运算放大器中,电阻的阻值很重要。
金属箔电阻实现几乎接近于0的温度系数
其原理是金属箔电阻用两个随着温度变化会产生相反的电阻趋势的物理现象相抵消,并且这两个物理现象可以设计和预计的。电阻内部合金的合成结构和它的基质材料本身的温度特性是金属箔获得低温度系数的关键因素。
当温度升高时,金属的电导率下降,引起电阻内部电阻值增大;同时,由于热涨冷缩,电阻的结构压缩引起的电阻内部电阻值减小。电阻值的增大量与减小量相互抵消,从而实现金属箔电阻低温度系数特性。
合金特性及其与基片之间的热机平衡力形成标准温度系数,在0~60℃范围内为±1ppm/℃(Z箔为0.05ppm/摄氏度),其温度特性非常好,
如图:
由于金属箔电阻的特殊设计,金属箔电阻通过热平衡力形成的而标准温度系数就会自动实现,不需要通过对生产出来的电阻进行筛选就能达到期望电阻参数。
6.3.负载寿命稳定性
负载寿命可以典型地说明电阻的长期可靠性。军用测试标准对10000h内的阻值漂移和电阻失效率有严格要求。金属箔电阻自身有最严格的测试要求。无论是否经过军用测试标准,金属箔电阻的负载寿命稳定性是其他电阻无可比拟的,能够确保长期正常使用。
金属箔电阻具有如此稳定性能得益于他本身的材料结构
与基准相关的十分重要的参数,首先是老化,其次是温度系数。至于电阻上标的是1%,0.1%,还是0.01%,这只是偏差而已,而不直接代表精密程度,只有在不同温度条件下,并在很长的使用时间之后,仍具备高稳定性,才代表真正的精密。
老化就是电阻的性能随着时间的退役而发生的性能的改变,即在常温常压下,放在货架上,经过比较长的时间(如1年)后电阻的变化。老化常用ppm/year来表示。老化是一个不可逆的过程。就像人衰老一样,再也恢复不到原来的状态。
6.4.电阻功率系数
电阻温度系数通常会给出一个温度范围,该温度范围是通过测量阻值在两种不同环境温度(室内温度和冷却空间温度或高温空间温度)情况下获得的。阻值改变的比例和不同温度会产生一条斜率曲线△R/R=f(T)。
该斜率通常表达为百万分之一每摄氏度(ppm/℃)。这种表达方式统一了测量阻值的温度标准。
实际情况下,无论如何,电阻的温度上升无法避免,通过焦耳定律,电流通过电阻时会产生相关的热量。
对于精密电阻,独立的电阻温度系数不能表示实际的阻值改变量,因此另外一种参数被用于描述电阻阻值随自身功率变化的特性——电阻功率系数。
电阻功率系数通常定义为:电阻功率每改变1W,阻值的相对变化量,单位为ppm/W;或者额定功率下,阻值的总的相对变化量。金属箔功率电阻的额定功率下的功率是5ppm/W典型值或4ppm/W典型值。
例如,在金属箔功率电阻的电阻温度系数为0.2ppm/℃,电阻的功率系数为4ppm/W,温度改变量为50℃(从25℃到75℃),功率改变量为0.5W时,相应的电阻改变量△R/R=500.2+0.54=12ppm
6.5.热稳定性
电阻通电后,产生自热。金属箔电阻的低温漂和低功率因素使得自热对电阻影响最小。但是,为了达到高精密的效果,电阻对环境条件改变或其他其他刺激因素的快速影响也很必要。当功率改变时,人们希望电阻值可以快速调整到稳定值。快速的热稳定性在一些应用中很重要。电阻必须根据内外因素的变化迅速达到稳定的标称值,并且偏差在几百万分之一的数量级内。
其他类型的带你组可能花几分钟时间才可以达到它的热稳定状态,但金属箔电阻可以在1s以内达到热稳定状态,阻值偏差在几百万分之一的数量级内。
电阻加功率后产生自热,电阻元件产生机械应力,结果导致逆温现象。
6.6.高频特性
电阻在高频应用中可以被看成RC电路、滤波器、或电感,具体呈现哪种特性,取决于电阻的几何形状。由前面的内容可以知道,绕线电阻的电抗由线圈和绕线形成的螺旋空隙产生。说明持续增加绕线圈数以增大阻值,会引起电容和电感的增加。
而金属箔电阻路径图案设计成平行的几何直线,临近直线上的反向电流减小了电感,也减小了电容,可以有效抵消电抗。
6.7.噪声
碳膜电阻和厚膜电阻的电流传导发生在基质材料和电阻材料之间的接触点,这些接触点对电流传导产生很大的阻碍作用,是噪声的来源这些位置对任何因不匹配产生的形变、潮湿产生的形变、机械应力和电压输入大小的变化都很敏感。
金属合金制成的电阻,如金属箔电阻,产生的噪声最小。电流通过金属合金的内部微粒边界导通电路。金属箔电阻的蚀刻和制造技术使箔电阻具有比其他结构更统一的电流路径,金属箔电阻的噪声几乎为0。微粒之间的电流路径可能是多个,不会只依赖某两个微粒之间的连接关系,“多路径”大大减小了噪声产生的概率。
6.8.热电势
两个不同的金属连接,加热会产生电压。这种由温度引起的电压力称为热电势,通常以uV为单位。
在电阻中,热电势被认为是电阻的一个寄生参数,影响电阻的特性,特别对于低阻值的直流电阻。热电势通常由电阻结构中不同材料产生,在电阻和引脚的连接点上最明显。
金属箔电阻的其中一个特点是低热电势设计。设计电阻的引脚充分连接电阻箔片,改善电阻散热,减少温度差,由此热传导最大化,温度变动最小,引脚材料与电阻材料协调,通过这些措施制造出极低热电势的电阻。
6.9.ESD特性
ESD定义为不同电势的物体之间快速地转移电荷,无论是直接接触,还是电弧或电磁感应,趋向于达到电势平衡。人体感应的EDS是3000V,任何超过该电压的ESD都可以被人体感觉到 。因为持续的高压伏特数小于1/10^6s,而人体的体积较大,所以这种能量在人体很快传播时会变得很小。对于人体来说,这一量级的ESD是无害的。但是,当ESD通过很小的电子元器件时,行对的能量比较密集,3000V甚至500V的ESD足以破坏很多电子元器件。
电阻对静电的敏感和它的体积有关,体积越小的电阻,分散静电脉冲能量的空间越小。区域的电阻材料上的这种能量集中会产生热量上升,导致不可逆转的破坏。日益增长的小型化的趋势,使得电子元器件更容易受到静电的损害。
金属精密箔电阻比薄膜电阻在抗静电方面更有优势,这主要是由于金属箔电阻的电阻材料更厚(金属箔电阻比薄膜电阻厚100倍),因此金属箔电阻比薄膜电阻的耐热能力更强。薄膜电阻材料有微粒构成(通过蒸发或喷溅工艺);
金属箔合金类似于晶体结构,通过热和冷的揉压工艺制作。一般来说,贴片金属箔电阻能够抗静电25000V,而薄膜和厚膜贴片电阻只能抗3000V静电。如果设备要求使用抗巨大静电脉冲电压的电阻,则金属箔电阻是一个最好的选择。(我个人不赞成,用普通电阻加ESD器件不香吗,一个金属箔电阻贵得很)
6.10.电压系数
电阻阻值可能由于加载电压而改变。电压系数描述阻值随着电压变化而变化的情况。不同结构的电阻有不同的电压系数。
举一个比较极端的例子,电压系数的作用在碳膜电阻中很显著,阻值会随着加载电压变化而发生明显改变。金属箔电阻材料对电压波动不敏感,设计人员可以依靠箔电阻在各种电压水平的电路中取得相同的阻值。金属箔电阻合金固有的性能提供技术不能测量的电压系数。