精密電阻技術簡介

   日期:2018-12-08     瀏覽:271    

什么樣的電阻才是精密電阻?

       精密電阻往往和高精度電阻關聯到一起,精度代表電阻阻值的準確性,事實上這種準確性受很多因素的影響。這些影響阻值準確性的因素我們統稱為“應力”。應力來自很多方面,比如環境溫度的變化,電阻自身通電后產生的自熱,來自PCB的壓力或拉力,外部環境的濕氣,甚至是腐蝕性的氣體,還有比如焊接,脈沖,過載,靜電,輻射等等。所有上面提到的“應力”都會使電阻的阻值產生變化,就是說影響電阻的阻值精度,那么什么樣的電阻才是精密電阻?答案是穩定性和精確性并存的電阻。

為什么穩定性比精確性更為重要?

       電阻的阻值會受到各種“應力”影響而發生改變,離開穩定性的高精度是沒有意義的。舉個例子,電阻出廠時的精度是±0.01%,為這個精度我們支付了昂貴的費用,但在幾個月的存儲或者幾百小時的負載后阻值可能變化超過±300ppm甚至更多。另一種最常見的情況是電阻在來料檢驗的時候在標稱的精度范圍以內,焊接到PCB后就超出了標稱的精度范圍。還有比如潮濕,靜電等都會導致電阻的阻值產生不可逆的變化。我們要強調的是,穩定性應該放在首位來考慮,而不是片面的追求高精度。

 

深入理解精密電阻的主要參數

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       1、精度:精度是來料檢驗的重要指標,是否所有的精密電阻生產廠家在出廠前都做了100%的精度測試?答案是否定的。雖然精密電阻有很多不同的工藝和材料的區分,但幾乎所有的精密電阻都需要進行調阻才能做到“高精密”。比如精密薄膜電阻在表面進行激光調阻,而精密箔電阻通過切斷調阻帶來調阻等。調阻的過程事實上是測量的過程,但調阻后的產品并非成品,還要經過封裝等一些后續工藝,這一過程可能會對電阻的阻值造成影響。另外測量儀器的準確性和正確的測量方法也相當重要,尤其對于超過萬分之一精度的電阻,以及毫歐電阻,高阻值的精密電阻。

       2、溫飄:在電阻的規格書里,我們往往只看到一個溫飄指標,比如±5ppm/°C。實際的情況是很可能這個溫飄指標并沒有覆蓋產品需求的工作溫度范圍,就是說在不同的溫度區間內,同一電阻的溫飄是有區別的。應該說大多數的精密電阻廠家的規格書里并沒有明確定義不同溫度區間的溫飄指標,有些廠家只在整個工作溫度范圍內挑選其中最好的一段曲線作為規格書中的溫飄指標,這是一個普遍的現象。還有一個事實是溫飄指標在出廠前很難被100%測量,測量需要昂貴的費用。另外要進行精確的測量可能對產品本身產生破壞性的影響,比如貼片電阻的溫飄測量一般都建議焊接在PCB板上進行,溫飄的測量過程帶來的應力會使阻值產生變化。溫飄的控制主要基于電阻材料本身以及制造工藝。比如精密箔電阻通過使用特殊的低溫飄合金以及應力補償的方式達到接近零溫飄的性能。

       3、負載壽命:負載壽命和三方面的因素相關,即功率,溫度和時間。降額使用有助于減緩阻值的變化。

       電阻阻值變化的活躍期往往在使用的前幾百個小時,使用時間越長越趨于穩定。這是由于隨著時間的推移,電阻元素本身趨于穩定,或者電阻元素和基體之間的應力逐漸釋放。負載壽命的指標只能通過抽樣測試的形式進行檢測,因為這種測試至少需要1千小時,航天的應用則可能需要高達1萬小時的測試,且這種測試是破壞性的實驗。對精密電阻在使用前進行功率訓練可以有效的加速電阻老化,使電阻趨于穩定,但會使電阻的阻值產生變化。

       4、貨架壽命:貨架壽命用來考察電阻在標準或者指定存儲條件下的阻值穩定性。和負載壽命一樣,電阻存放的時間越長,其阻值的變化也會趨于穩定。這就是為什么有些精密儀器制造廠家采購精密電阻并不立即使用,而是存儲幾個月甚至幾年再去使用的原因。當然存儲會導致電阻阻值的改變,但這種變化的趨勢是越來越小。所以對于老批號的電阻,只要精度在標稱值以內,且焊腳沒有氧化,其穩定性要優于新批號的電阻。電阻的存儲尤其要注意濕度控制,濕度對于任何電阻的阻值都會產生很大的影響。例如各種膜式電阻,一旦濕氣進入就會在電阻層形成電解液,嚴重影響電阻的阻值。除了濕氣還有空氣中的各種腐蝕性物質,如硫,鹽霧等。作為計量應用的標準電阻會被注油后全密封,從而隔絕外部環境應力對阻值的影響,減少該電阻的年變化率。

 

主流的精密電阻技術及其優缺點

       1、精密厚膜電阻

       通過對厚膜電阻漿料的持續改進,最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最終達到±2ppm/°C的溫飄。其最高精度也可以達到±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,長期穩定性一般比其他精密電阻差。

       2、精密薄膜電阻

       精密薄膜電阻的技術發展代表了可以被大量商用的精密電阻技術,也是目前最流行的精密電阻技術。通過長時間多層的膜層沉積,高精密的調阻和后期的篩選,最優的精密薄膜電阻可以達到±2ppm/°C的溫飄和±0.01%的精度,以及很好的長期穩定性。其缺點是功率做不大,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。

       3、精密金屬膜電阻

       精密金屬膜電阻的各項指標和精密薄膜電阻類似,晶圓精密金屬膜電阻有被貼片精密薄膜電阻替代的趨勢,但插腳的精密金屬膜電阻仍然是主流的低成本的精密電阻技術。和精密薄膜電阻一樣,調阻會造成熱點效應,影響電阻的穩定性和可靠性。

       4、精密線繞電阻

       作為最早的精密電阻技術,高精密的線繞電阻溫飄可以做到±1ppm/°C, 且精度可以做到±0.001%,這是薄膜和厚膜電阻沒有辦法做到的。最好的精密線繞電阻其阻值可以做到接近50M,適合超精密高阻值的應用。由于其他電阻技術的發展,精密線繞電阻趨于被淘汰的邊緣,因為其價格昂貴,有電感等缺點。

       5、精密箔電阻

       雖然精密箔電阻早在1962年發明,截至目前它仍然是最精密的電阻技術,通過把鎳鉻合金黏貼在陶瓷基板上進行應力平衡,得到接近于零的溫飄,通過激光刻蝕電阻圖形以及調阻,可以得到高達±0.001%的精度。最好的箔電阻存儲6年阻值僅漂移±2ppm,抗靜電,無感無容,無熱點設計,低噪聲,低電壓系數。箔電阻的缺點是阻值做不了很高,最大尺寸的貼片電阻最高只能做到150K,最大尺寸的插腳電阻阻值最高只能做到2M。

 

應該選擇何種技術的精密電阻?

       1、阻值從1毫歐到1歐姆之間的精密取樣電阻需求,一般只能使用精密箔電阻。因為只有合金材料的電阻才能在低阻值大電流的情況下保持穩定,溫飄可以低至±5ppm/°C,精度可以到±0.1%甚至更高。溫飄的大小是決定這類電阻價格的主要因素。由于其主要應用是電流檢測,所以四腳的結構有利于精密采樣。使用更大尺寸或預留更多的功率空間,并且增加輔助散熱器有利于降低電阻表面的溫度,改良取樣電阻的穩定性。精密的電流取樣電阻可以替代霍爾電流傳感器,并且具有成本優勢。

       2、阻值從1歐姆到10歐姆之間對于任何電阻技術都是一個挑戰。因為這個阻值段屬于低阻值范圍,只有厚的電阻材料和短的電流路徑才能做到低阻值。厚的電阻材料不利于和基板的結合來平衡溫飄,而短的電流路徑也不利于精密調阻。精密薄膜電阻和精密金屬膜電阻很難在這個阻值范圍內提供出色的溫飄,最好只能到±20ppm/°C,在有限的溫度范圍以內可能會好一些。精密線繞電阻的溫飄則完全基于電阻合金絲本身,可以做到±10ppm/°C左右,但線繞電阻一般只有插腳的產品而且有電感。精密箔電阻在這個阻值范圍內溫飄可以控制在±5ppm/°C以內,精度可以做到±0.1%或者更好,貼片和插腳都可以提供。

       3、10歐姆到150K歐姆是常規阻值段,在這個阻值范圍內基于不同的精密需求可以選擇的產品很多。低于±2ppm/°C的要求,或者對長期穩定性有很高要求的應用場合只能使用精密箔電阻,貼片和插腳的都可以選擇。溫飄要求在±5ppm/°C左右,長期穩定性要求不那么高的場合可以同時考慮薄膜電阻或者金屬膜電阻。箔電阻的最高精度可以做到±0.001%,薄膜電阻和金屬膜電阻可以做到±0.01%。需要指出的是使用貼片的箔電阻需要注意不同尺寸所提供的阻值范圍不同,比如0805尺寸的貼片箔電阻能提供的最大阻值為10K。另外精密貼片薄膜電阻的供應廠家很多,參數的標注都大同小異,但實際的性能差距很大,溫飄及精度超標的情況很多,長期穩定性和噪聲等指標不同品牌之間的差距巨大。

       4、超過150K到1M的阻值范圍屬于中間阻值段。在這段區間內如果需要貼片的精密電阻,只能使用精密薄膜電阻。低于±2ppm/°C的溫飄要求一般只能使用插腳精密箔電阻,但阻值越高這種電阻的價格也會越高,因為需要使用多個電阻芯片來達到需要的阻值。有一些插腳薄膜電阻可以提供低至±5ppm/°C的溫飄,但長期穩定性差于精密箔電阻。插腳的精密線繞電阻也可以滿足高精度和低至±2ppm/°C的溫飄,但價格沒有優勢。

       5、1M到50M之間對于精密電阻來說是高阻段。精密薄膜電阻可以支持的最高阻值一般到10M,最好溫飄為±5ppm/°C,最高精度±0.01%。精密厚膜電阻可以提供的精度和溫飄類似于薄膜電阻,但可以支持整個區間的阻值。單個精密箔電阻目前能支持的最大阻值是2M,而且價格非常昂貴。另外一種昂貴的精密電阻技術是線繞電阻,單個電阻可以提供高達50M的阻值,低至±2ppm/°C的溫飄和高達±0.001%的精度,尤其是在長期穩定性方面要大大優于薄膜和厚膜電阻技術。

       6、1M-10T高壓精密電阻的需求只能選擇精密厚膜高壓電阻,因為只有厚膜技術才能在高壓下工作并提供高的阻值。這類高壓應用的電阻的重要技術指標有電壓系數,電壓安定性,長期穩定性,噪聲,溫飄,精度。尤其是電壓系數和電壓安定性的指標非常重要,厚膜電阻在高壓環境下阻值大多會發生向小飄移的趨勢,因為部分絕緣介質被激活而形成了并聯的電阻,電阻漿料的質量和厚膜工藝決定電壓系數的好壞。另外一些應用場合需要低噪聲的高壓電阻,噪聲存在于電阻膜層的缺陷部位,缺陷可能是本來存在的也可能是調阻后新增的,這種缺陷越多噪聲就會越大,特殊的厚膜工藝有助于改良噪聲指標。

       上面通過分段的阻值簡單介紹了精密電阻的選擇,實際的情況要復雜的多。參考實際的應用選擇恰當的精密電阻相當重要,但所有的應用重點考慮的電氣參數不外乎長期穩定性,溫度系數,絕對精度,功率系數,電壓系數,噪聲。

 

為什么插腳的精密電阻要優于貼片的精密電阻?

       1、PCB應力:貼片的精密電阻焊接到PCB上后會受到PCB熱脹冷縮的擠壓或者拉伸,從而傳遞應力到電阻層,影響到電阻的阻值和長期穩定性。在一些溫度變化非常劇烈的場合甚至會出現斷裂的問題。而插腳的電阻通過細長的焊腳釋放了PCB傳遞的應力,所以不會存在貼片電阻的問題。

       2、環境應力:潮濕,硫,鹽霧等都會對電阻的阻值產生影響。貼片的精密電阻一般保護層要明顯弱于插腳電阻,所以隔絕外部環境應力的能力不如插腳電阻。一般的插腳精密電阻都采用環氧或者塑封,有一些全密封的插腳電阻內部注油,完全隔絕了外部環境因素對于電阻阻值的影響,這種電阻可以作為二級計量標準使用。 

       3、焊接應力:在焊接熱的沖擊后,插腳電阻的阻值變化要明顯小于貼片電阻。精密貼片電阻的焊錫高度一般我們都建議低于電阻焊腳高度30%以上,精密插腳電阻的安裝我們也建議和PCB之間至少保留1mm的空間,從而避免PCB熱脹冷縮造成的拉力影響。

很多場合不得不使用貼片的精密電阻,有些是為了成本考慮,有些是因為安裝空間或自動化生產需求,一種柔性焊腳的貼片精密箔電阻可以兼顧貼片電阻和插腳電阻的優點,能有效應對各種應力的影響。 

基于精密電阻技術的標準電阻

       電壓單位和電阻單位是電學計量中的基本單位,電阻的單位起初是以保存在國際計量局的一組線圈的平均值作為1歐姆的實物基準,各國定期依據和國際計量局的實物基準比對結果修正自己的實物基準。但實物基準本身也會由于不可控的環境應力發生退化。為此,國際計量局在1990年后推薦各國使用量子化霍爾電阻標準替代實物電阻標準,量子霍爾電阻從根本上解決了實物基準隨時間退化的問題。量子霍爾電阻把阻值傳遞給各級標準電阻,各級標準電阻再把阻值傳遞給精密電橋和測量儀器。

       用多個全密封注油的精密箔電阻經過匹配,可以制造出性能優異的計量級別的標準電阻,這種標準電阻無需存放在控溫油槽,年穩定性可以達到±1ppm/年。2015年一項基于合金箔片的無應力標準電阻正式量產,這種標準電阻的年穩定性可以達到±0.2ppm/年,溫飄±0.05ppm/°C,精度為±1ppm。目前基于合金箔片的標準電阻是全世界最精密最穩定的標準電阻技術,也是未來標準電阻的發展方向。

 

總結

       精密的測量和控制是電子工業發展的方向,要進行精密的測量和控制就需要使用精密電阻。電阻是一種材料科學,今天我們大批量在使用的精密電阻技術發明于60年前,60年來我們在電阻材料方面的研究取得了一些進展,所制造的精密電阻滿足了大多數精密應用需求。同時我們也面臨一些挑戰,尤其是在低阻值和高阻值段的精密電阻水平有待進一步的提高。



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