近二十年來(lái)，電子工業(yè)以驚人的速度發(fā)展。新技術(shù)的進(jìn)步在減小設備尺寸的同時(shí)，也加大了分立元件制造商開(kāi)發(fā)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(yōu)于分立式封裝電阻，減少了組裝前期準備的工作量。隨著(zhù)應用的普及，晶片電阻具有越來(lái)越重要的作用。主要參數包括 ESD 保護、熱電動(dòng)勢 (EMF)、電阻熱系數 (TCR)、自熱性、長(cháng)期穩定性、功率系數和噪聲等。
以下技術(shù)對比中將討論線(xiàn)繞電阻在精密電路中的應用。不過(guò)請注意，線(xiàn)繞電阻沒(méi)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(gè)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(gè)組件都具有關(guān)系到整體性能的內在優(yōu)缺點(diǎn)，特別是短期和長(cháng)期穩定性、頻響和噪聲等問(wèn)題。分立式電阻行業(yè)在線(xiàn)繞電阻、厚膜電阻、薄膜電阻和金屬箔電阻技術(shù)方面取得了進(jìn)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。
Yuval Hernik
各種電阻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)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(lèi)型電阻的特性。
應力（無(wú)論機械應力還是熱應力）會(huì )造成電阻電氣參數改變。當形狀、長(cháng)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(fā)生變化時(shí)，電氣參數也會(huì )發(fā)生變化，這種變化可用基本方程式來(lái)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(cháng)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(guò)電阻元件時(shí)產(chǎn)生熱量，熱反應會(huì )使器件的每種材料發(fā)生膨脹或收縮機械變化。環(huán)境溫度條件也會(huì )產(chǎn)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(jìn)行自我平衡，在電阻加工過(guò)程中保持物理一致性，使用過(guò)程中不必進(jìn)行熱效應或應力效應補償，從而提高系統穩定性。
精密線(xiàn)繞電阻
線(xiàn)繞電阻一般分為“功率線(xiàn)繞電阻”和“精密線(xiàn)繞電阻”。功率線(xiàn)繞電阻使用過(guò)程中會(huì )發(fā)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(xiàn)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(xiàn)軸上。不同線(xiàn)徑、長(cháng)度和合金材料可以達到所需電阻和初始特性。精密線(xiàn)繞電阻 ESD 穩定性更高，噪聲低于薄膜或厚膜電阻。線(xiàn)繞電阻還具有 TCR 低、穩定性高的特點(diǎn)。
線(xiàn)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 3 ppm/°C典型值。不過(guò)，降低電阻值，線(xiàn)繞電阻一般在15 ppm/°C 到 25 ppm/°C。熱噪聲降低，TCR 在限定溫度范圍內可以達到 ± 2 ppm/°C 。
線(xiàn)繞電阻加工過(guò)程中，電阻絲內表面 (靠近線(xiàn)軸一側) 收縮，而外表面拉伸。這道工藝產(chǎn)生永久變形 — 相對于彈性變形或可逆變形，必須對電阻絲進(jìn)行退火。永久性機械變化 (不可預測) 會(huì )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(xiàn)圈結構，線(xiàn)繞電阻成為電感器，圈數附近會(huì )產(chǎn)生線(xiàn)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(guò)，這會(huì )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(xiàn)繞電阻高頻特性差，特別是 50 kHz 以上頻率。
兩個(gè)額定電阻值相同的線(xiàn)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(shí)更為困難 (例如，滿(mǎn)足不同的功率要求)。這種難度會(huì )隨著(zhù)電阻值差異的增加進(jìn)一步加劇。以1-kΩ 電阻相對于100-kΩ電阻為例，這種不一致性是由于直徑、長(cháng)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(huì )發(fā)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(xiàn)繞電阻加工方法不能消除纏繞、封裝、插入和引線(xiàn)成型工藝中產(chǎn)生的各種應力。固定過(guò)程中，軸向引線(xiàn)往往采用拉緊工藝，通過(guò)機械力加壓封裝。這兩種方法會(huì )改變電阻，無(wú)論加電或不加電。從長(cháng)期角度看，由于電阻絲調整為新的形狀，線(xiàn)繞元件會(huì )發(fā)生物理變化。
薄膜電阻
薄膜電阻由陶瓷基片上厚度為 50 A 至 250 A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(xiàn)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(shí)，薄膜電阻更為經(jīng)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(chǎn)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(shí)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(guò)程因實(shí)現不同電阻值所需的薄膜厚度而不同，因此在整個(gè)電阻范圍內是可變的。這種化學(xué)/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(huì )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(guò)程中，水蒸汽會(huì )帶入雜質(zhì)，產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕會(huì )在低壓直流應用幾小時(shí)內造成薄膜電阻開(kāi)路。改變最佳薄膜厚度會(huì )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(xiàn)繞電阻不可能采用晶片型。盡管精度低于線(xiàn)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(shù)中，其噪聲最高。雖然精度低于其他技術(shù)，但我們之所以在此討論厚膜電阻技術(shù)，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(diǎn)構成完整電阻，但工作中的熱應變會(huì )中斷接觸。由于大部分情況下并聯(lián)，厚膜電阻不會(huì )開(kāi)路，但阻值會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和溫度持續增加。因此，與其他電阻技術(shù)相比，厚膜電阻穩定性差 (時(shí)間、溫度和功率)。
由于結構中成串的電荷運動(dòng)，粒狀結構還會(huì )使厚膜電阻產(chǎn)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(guò)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(cháng)期穩定性、無(wú)感抗、無(wú) 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(shù)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(xié)。為獲得精確電阻值，大金屬箔晶片電阻可通過(guò)有選擇地消除內在“短板”進(jìn)行修整。當需要按已知增量加大電阻時(shí)，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 ± 1 ppm/°C (Z 箔為0.05 ppm/°C) (圖3)。
圖3
采用平箔時(shí)，并聯(lián)電路設計可降低阻抗，電阻最大總阻抗為 0.08 uH。最大電容為 0.05 pF。1-kΩ 電阻設置時(shí)間在 100 MHZ以下小于 1 ns。上升時(shí)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(méi)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。
100 MHZ 頻率下，1-kΩ 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(shù)全面組合了高度理想的、過(guò)去達不到的電阻特性，包括低溫度系數(0 °C 至 + 60 °C 為 0.05 ppm/°C)，誤差達到 ± 0.005 % (采用密封時(shí)低至 ± 0.001 %)，負載壽命穩定性在 70 °C，額定加電2000小時(shí)的情況下達到 ± 0.005 % (50 ppm)，電阻間一致性在 0 °C 至 + 60 °C 時(shí)為 0.1 ppm/°C，抗 ESD 高達 25 kV。
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(shù)規格相當差的電阻同樣可以用于大量應用中，這方面的問(wèn)題分為四類(lèi)：
(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(gè)或多個(gè)，但并非全部“行業(yè)最佳”性能參數。
(3) 先進(jìn)的電路只有利用精密電阻改進(jìn)的技術(shù)規格才能開(kāi)發(fā)。
(4) 有目的地提前計劃使用精密電阻滿(mǎn)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(zhù)增加成本)。
例如，在第二 (2) 類(lèi)情況下，一個(gè)參數必須根據所有參數的經(jīng)濟性加以權衡。與采用全面優(yōu)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(guān)組件的成本)。主要通過(guò)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(diǎn)性能所需的成本要比電阻高的多。另一個(gè)問(wèn)題是：“利用高性能電阻提高設備性能是否可以提高市場(chǎng)的市場(chǎng)占有率?” |
