電阻選型指南: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,貼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,片式電阻器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。

 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。

 

電阻選型指南:常用電阻特性優缺點比較
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 = 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。

 

薄膜電阻

 

薄膜電阻由陶瓷基片上厚度為 50 Å 至 250 Å 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,薄膜電阻更為經濟并節省空間。

 

它們具有*佳溫度敏感沉積層厚度,但*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*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*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,其噪聲較高。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。


貼片電阻的具體選型中,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。

原作者 Yuval Hernik, 畢業于 Technion (以色列理工學院) 電子工程系。自2008年以來,一直擔任 Vishay Precision Group 大金屬箔電阻應用工程部總監。
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