精密電阻技術(shù)概述

1、精密電阻技術(shù)概述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(guān)聯(lián)到一起, 精度代表電阻阻值的準(zhǔn)確性, 事實(shí) 上這種準(zhǔn)確性受很多因素的影響。這些影響阻值準(zhǔn)確性的因素統(tǒng)稱為“應(yīng)力” 。 應(yīng)力來自很多方面,比如環(huán)境溫度的變化,電阻自身通電后產(chǎn)生的自熱,來自 PCB 的壓力或拉力,外部環(huán)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(yīng)力”都會使電阻的阻值產(chǎn)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(wěn) 定性和精確性并存的電阻。為什么穩(wěn)定性比精確性更為重要 ?電阻的阻值會受到各種 “應(yīng)力” 影響而發(fā)生改變, 離開穩(wěn)定性的高

2、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(fèi)用,但在幾個月的存儲或者幾百小時的負(fù)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(yàn)的時候在標(biāo)稱的精 度范圍以內(nèi),焊接到 PCB 后就超出了標(biāo)稱的精度范圍。還有比如潮濕,靜電等 都會導(dǎo)致電阻的阻值產(chǎn)生不可逆的變化。我們要強(qiáng)調(diào)的是,穩(wěn)定性應(yīng)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(shù)1 精度:精度是來料檢驗(yàn)的重要指標(biāo),是否所有的精密電阻生產(chǎn)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

3、材料的區(qū)分, 但幾乎所有的精密電阻都需要進(jìn)行調(diào)阻才能做到 “高精密” 。 比如精密薄膜電阻在表面進(jìn)行激光調(diào)阻, 而精密箔電阻通過切斷調(diào)阻帶來調(diào)阻等。 調(diào)阻的過程事實(shí)上是測量的過程, 但調(diào)阻后的產(chǎn)品并非成品, 還要經(jīng)過封裝等一 些后續(xù)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(zhǔn)確性和 正確的測量方法也相當(dāng)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 溫漂:在電阻的規(guī)格書里,我們往往只看到一個溫漂指標(biāo),比如±5ppm/°C 。實(shí)際的情況是很可能這個溫漂指標(biāo)并沒有覆蓋產(chǎn)品需求的工作溫度 范圍, 就是說在不同的溫度區(qū)間內(nèi), 同一電

4、阻的溫漂是有區(qū)別的。 應(yīng)該說大多數(shù) 的精密電阻廠家的規(guī)格書里并沒有明確定義不同溫度區(qū)間的溫漂指標(biāo), 有些廠家 只在整個工作溫度范圍內(nèi)挑選其中最好的一段曲線作為規(guī)格書中的溫漂指標(biāo), 這是一個普遍的現(xiàn)象。還有一個事實(shí)是溫漂的指標(biāo)在出廠前很難被 100%測量, 測量需要昂貴的費(fèi) 用, 另外要進(jìn)行精確的測量可能對產(chǎn)品本身是破壞性的, 比如貼片電阻的溫漂測 量一般都建議焊接在 PCB 板上進(jìn)行,另外溫漂的測量過程帶來的應(yīng)力會使阻值 產(chǎn)生變化。 溫漂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 過使用特殊的低溫漂合金以及應(yīng)力補(bǔ)償?shù)姆绞竭_(dá)到接近零溫漂的性能。3 負(fù)載壽命:負(fù)載壽命和三方面的因素

5、相關(guān),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, 隨著使用時間越長越是 趨于穩(wěn)定。 這是由于隨著時間的推移, 電阻元素本身趨于穩(wěn)定, 或者電阻元素和 基體之間的應(yīng)力逐漸釋放。負(fù)載壽命的指標(biāo)只能通過抽樣測試的形式進(jìn)行監(jiān)測, 因?yàn)檫@種測試至少需要 1千小時, 航天的應(yīng)用則可能需要高達(dá) 1萬小時的測試, 且這種測試是破壞性的實(shí)驗(yàn)。 對精密電阻在使用前進(jìn)行功率訓(xùn)練可以有效的加速 電阻老化,使電阻趨于穩(wěn)定,但會使電阻的阻值產(chǎn)生變化。4 貨架壽命:貨架壽命用來考察電阻在標(biāo)準(zhǔn)或者指定存儲條件下的阻 值穩(wěn)定性。 和負(fù)載壽命一樣, 電阻存放的時間越長, 其

6、阻值的變化也會趨于穩(wěn)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(dāng)然存儲會導(dǎo)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(biāo)稱值以內(nèi), 且焊腳沒有氧 化, 其穩(wěn)定性要優(yōu)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(chǎn)生很大的影響。 例如各種膜式電阻, 一旦濕氣進(jìn)入就會在 電阻層形成電解液, 嚴(yán)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(zhì),如硫,鹽霧等。作為計(jì)量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電阻會被注油后全密封,從而隔絕外部 環(huán)境應(yīng)力對于阻值的影響,減少該電阻的年變化率

7、。主流的精密電阻技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)1 精密厚膜電阻通過對厚膜電阻漿料的持續(xù)改進(jìn),最精密的厚膜電阻技術(shù)已經(jīng)可以做到±5ppm/°C 的溫漂,甚至通過使用多個可以互相補(bǔ)償?shù)暮衲る娮栊酒罱K達(dá)到±2ppm/°C 的溫漂。其最高精度也可以達(dá)到±0.01%。在高壓高阻值高精密的應(yīng) 用中精密厚膜電阻是主流的技術(shù)。 厚膜電阻的缺點(diǎn)是在低阻值的部分很難做到高 精密低溫漂,噪聲指標(biāo)也不好,長期穩(wěn)定性一般都是比其他精密電阻差。2 精密薄膜電阻精密薄膜電阻的技術(shù)發(fā)展代表了可以被大量商用的精密電阻技術(shù), 也是目前 最流行的精密電阻技術(shù)。 通過長時間多層的膜層沉積, 高精密

8、的調(diào)阻和后期的篩 選, 最優(yōu)的精密薄膜電阻可以達(dá)到±2ppm/°C 的溫漂和±0.01%的精度, 以及很 好的長期穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是功率做不大,低阻值部分指標(biāo)不好,不抗靜電,功率 系數(shù)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(xiàng)指標(biāo)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(shù)。 和精密薄膜電阻一樣, 由于調(diào)阻會造成熱點(diǎn)效應(yīng), 影響電阻的穩(wěn) 定性和可靠性。4 精密線繞電阻作為最早的精密電阻技術(shù), 高精密的線繞電阻溫漂可以做到±1

9、ppm/°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(yīng)用。由于其他電阻技 術(shù)的發(fā)展,精密線繞電阻趨于被淘汰的邊緣,因?yàn)槠鋬r格昂貴,有電感等缺點(diǎn)。 5 精密箔電阻雖然精密箔電阻早在 1962年發(fā)明,截至目前他仍然是最精密的電阻技術(shù), 通過把鎳鉻合金黏貼在陶瓷基板上進(jìn)行應(yīng)力平衡, 得到接近于零的溫漂, 通過激 光刻蝕電阻圖形以及調(diào)阻, 可以得到高達(dá)±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(diǎn)設(shè)計(jì), 低噪聲,

10、 低電壓系數(shù)。 箔電阻的缺點(diǎn)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(yīng)該選擇何種技術(shù)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?yàn)橹挥泻辖鸩牧系碾娮璨拍茉诘妥柚荡箅娏鞯那闆r下保持穩(wěn)定, 溫漂可 以低至±5ppm/°C , 精度可以到±0.1%甚至更高。 溫漂的大小是決定這類電阻價 格的主要因素。由于其主要應(yīng)用是電流檢測,所以四腳的結(jié)構(gòu)有利于精密采樣。 使用更大尺寸或預(yù)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

11、穩(wěn)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(yōu)勢。2 阻值從 1歐姆到 10歐姆之間對于任何電阻技術(shù)都是一個挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@ 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(jié)合來平衡溫漂, 而短的電流路徑也不利于精密調(diào) 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(nèi)提供出色的溫漂, 最 好只能到±20ppm/°C ,在有限的溫度范圍以內(nèi)可能會好一些。精密線繞電阻的 溫漂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(chǎn)品而且有電感。精密

12、箔電阻在這個阻值范圍內(nèi)溫漂可以控制在±5ppm/°C 以內(nèi),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(guī)阻值段, 在這個阻值范圍內(nèi)基于不同的精密 需求可以選擇的產(chǎn)品很多。低于±2ppm/°C 的要求,或者對長期穩(wěn)定性有很高 要求的應(yīng)用場合只能使用精密箔電阻,貼片的插腳的都可以選擇。溫漂要求在±5ppm/°C 左右,長期穩(wěn)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

13、%。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(yīng)廠家很多,參數(shù)的標(biāo)注都大同小異,但實(shí)際的性能差距很大, 溫漂及精度超標(biāo)的情況很多, 長期穩(wěn)定性和噪聲等指標(biāo)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(qū)間內(nèi)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 的溫漂要求一般只 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?yàn)樾枰褂枚?個電阻芯片來達(dá)到需要的阻值。有一些插腳薄膜電阻可以提

14、供低至±5ppm/°C 的溫漂, 但長期穩(wěn)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 的溫漂,但價格沒有優(yōu)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 , 最好溫漂為±5ppm/°C , 最高精度±0.01%。 精密厚膜電 阻可以提供的精度和溫漂類似于薄膜電阻, 但可以支持整個區(qū)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(shù)是線繞電阻,單個電阻可以提供高達(dá) 50M 的阻

15、值,低至±2ppm/°C 的溫漂和高達(dá)±0.001%的精度,尤其是在長期穩(wěn)定性發(fā)面要大大優(yōu)于薄膜和厚 膜電阻技術(shù)。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?yàn)橹挥泻衲ぜ?術(shù)才能在高壓下工作并提供高的阻值。 這類高壓應(yīng)用的電阻的重要技術(shù)指標(biāo)有電 壓系數(shù),電壓安定性,長期穩(wěn)定性,噪聲,溫漂,精度。尤其是電壓系數(shù)和電壓 安定性的指標(biāo)非常重要, 厚膜電阻在高壓環(huán)境下阻值大多會發(fā)生向小飄移的趨勢, 因?yàn)椴糠纸^緣介質(zhì)被激活而形成了并聯(lián)的電阻, 電阻漿料的質(zhì)量和厚膜工藝決定 電壓系數(shù)的好壞。 另外一些應(yīng)用場合需要低噪聲的高壓電阻, 噪聲存在于電阻膜 層的

16、缺陷部位, 缺陷可能是本來存在的也可能是調(diào)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(biāo)。上面通過分段的阻值簡單介紹了下精密電阻的選擇, 實(shí)際的情況要復(fù)雜的多。 參考實(shí)際的應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)木茈娮柘喈?dāng)重要, 但所有的應(yīng)用重點(diǎn)考慮的電氣參 數(shù)不外乎長期穩(wěn)定性,溫度系數(shù),絕對精度,功率系數(shù),電壓系數(shù),噪聲。 為什么插腳的精密電阻要優(yōu)于貼片的精密電阻?1 PCB 應(yīng)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(yīng)力到電阻層, 影響到電阻的阻值和長期穩(wěn)定性。 在 一些溫度變化非常劇烈的場合甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂的問題。 而插腳的電阻通過細(xì)長

17、的 焊腳釋放了 PCB 傳遞的應(yīng)力,所以不會存在貼片電阻的問題。2 環(huán)境應(yīng)力:潮濕,硫,鹽霧等都會對電阻的阻值產(chǎn)生影響。貼片的 精密電阻一般保護(hù)層要明顯弱于插腳電阻, 所以隔絕外部環(huán)境應(yīng)力的能力不如插 腳電阻。 一般的插腳精密電阻都采用環(huán)氧或者塑封, 有一些全密封的插腳電阻內(nèi) 部注油, 完全隔絕了外部環(huán)境因素對于電阻阻值的影響, 這種電阻可以作為二級 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用。3 焊接應(yīng)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

18、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?yàn)榘?裝空間或自動化生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn),能有效應(yīng)對各種應(yīng)力的影響?；诰茈娮杓夹g(shù)的標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓單位和電阻單位是電學(xué)計(jì)量中的基本單位, 電阻的單位起初是以保存在 國際計(jì)量局的一組線圈的平均值作為 1歐姆的實(shí)物基準(zhǔn), 各國定期依據(jù)和國際計(jì)量局的實(shí)物基準(zhǔn)比對結(jié)果修正自己的實(shí)物基準(zhǔn)。 但實(shí)物基準(zhǔn)本身也會由于不可控 的環(huán)境應(yīng)力發(fā)生退化。為此，國際計(jì)量局在 1990 年后推薦各國使用量子化霍爾 電阻標(biāo)準(zhǔn)替代實(shí)物電阻標(biāo)準(zhǔn)， 量子霍爾電阻從根本上解決了實(shí)物基準(zhǔn)隨時間退化 的問題。 量子霍爾電阻把阻值傳遞給各級標(biāo)準(zhǔn)電阻，各級標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)過匹配， 可以制造出性能優(yōu)異的計(jì)量級別 的標(biāo)準(zhǔn)電阻，這種標(biāo)準(zhǔn)電阻無需存放在控溫油槽，年穩(wěn)定性可以達(dá)到±1ppm/ 年。2015 年一項(xiàng)基于合金箔片的無應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)電阻正式量產(chǎn)，這