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使用精密箔电阻的10个技术理由

作者:开步电子 发表日期:2016-12-29 18:43:04 浏览量:1103


从1962年物理学家 Felix Zandman博士发明第一颗箔电阻起,时间已经过去快六十年,Bulk Metal®  Foil箔电阻科技在要求高精度,高稳定性,和高可靠性的应用方面仍然远远超越其他电阻科技,威士精密测量集团提供多种规格和包装的精密箔电阻产品,以满足各种应用需求。


2000年,威士精密测量集团实现了一项突破性的技术被称为Bulk Metal®  Z-Foil箔电阻科技。基于这种革命性技术做出的箔电阻,在-55℃~+125℃温度范围内、+25℃参考温度下,Z箔电阻具有±0.2 ppm/°C 典型TCR,并且在0℃~60℃温度范围内、+25℃参考温度下,Z箔电阻具有±0.05 ppm/°C  典型TCR,Z-Foil箔电阻科技比以前的箔电阻科技提供更高数量级的性能。温度系数越低,电阻越好。温度系数低的电阻,即使在环境温度的波动和它通电时候产生的自热影响下,仍能保持它原来的阻值。


凭借威士箔电阻全面的稳定性和可靠性优势,设计人员可以明显地减少电路的出错情况并且可以极大地提高电路的整体性能。


金属箔电阻科技允许威士箔电阻工厂生产以客户为导向而设计的产品,以满足设计人员具有挑战性的设计要求。


我们的应用工程部门可以提供专业的技术咨询和建议,如果您有特殊的定制要求,欢迎随时和我们取得联络。


主要特点


●   温度系数(TCR)


±0.05 ppm/ºC 典型(0 ºC to +60 ºC, +25 ºC ref.)


±0.2 ppm/ºC 典型(-55 ºC to +125 ºC, +25 ºC ref.)


●   功率系数


“∆R 基于自身热量”: ±5 ppm 额定功率


●   负载寿命稳定性: to ±0.005 % (50ppm) at +70 ºC, 10,000 小时,额定功率


●   精度: to ±0.001 % (10 ppm)


●   阻值范围: 0.5 mΩ to 3.3 MΩ


●   静电放电负荷 (ESD) 至少25, 000 V


●   无感无容设计


●   上升时间: 1 ns 无振铃


●   热稳定时间< 1 sec (常规阻值的稳态值在10ppm以内)


●   电流噪声: 0.010 μV (RMS)/Volt 加载电压(< - 40 dB)


●   热EMF: 0.05 µV/ºC


●   电压系数: < 0.1 ppm/V


调阻操作每一步都精确地从细微的位置增加阻值,所以蚀刻区域保持其可靠性和无噪音, (如图4 和图 5)


●   无铅环保引脚,铅锡合金引脚或金引脚


箔电阻产品范围


●●   表面贴装电阻, 模压电阻和网络电阻


●●   功率电阻和电流检测电阻


●●   符合军标可靠性认证 ( QPL, DSCC, EEE-INST-002, ESA, CECC)


●●   插件电阻


●●   密封电阻


●●   微调电位器


●●   分压电阻和网络电阻


●●   混合贴片电阻(可引线结合贴片电阻)


●●   高温电阻 (>220°C)


理由 1:


温度系数(TCR)


“为何需要用非常低温度系数的电阻?” 这是在评估电路系统性能和成本的时候可能会问的一个问题。 答案是由于多个电路系统组合。以下页面讨论对精密模拟电路非常重要的金属箔电阻的10个不同的独立技术性能。当每一个性能被独立清晰地讨论时,很多电路要求这些性能的特定组合,通常,所有的性能会被要求在同一个电阻装置中测试。比如说,某个性能的测试要求使用一个运算放大器。


在运算放大器中,增益是由反馈电阻对输入电阻的比例确定的。不同放大器的共模抑制比是基于四个电阻的比例确定。在两种情况下,这些电阻比例的任何改变都会直接影响电路的性能。这些比例可能由于电阻不同的温度系数,在经历不同的加热影响而改变(无论是内部还是外部)。不同的环境温度变化跟踪,对不同的相位输入或者高频信号的响应时间,由于不同功率水平产生的微分焦耳加热, 超出设计寿命后阻值改变量的不同等等。所以我们很容易看到很多电路都依靠很多相关应用的稳定性能是很平常的情况。 — 所有都在同一时间,同一装置上。Bulk Metal®  Foil 金属箔电阻科技是唯一一种在同一电阻装置中提供所有这些严密特性的电阻科技。低噪音是箔电阻科技固有的,可以适合低噪音要求的特殊应用场合。所有这些特性都是箔电阻科技固有的。并且所有箔电阻产品都自动地具有这些特性。


解决这些问题的方案就是使用低温度系数的电阻以保持使温度变化的影响降到最低。


初始温度系数


两个可预计的和相对的物理现象,电阻内部合金的合成结构和它的基质是Bulk Metal®  Foil金属箔电阻获得低温度系数的关键因素。


金属箔电阻的温度系数通过匹配两种相反的作用效果来实现。- 由于温度的增加引起内部阻抗的增加 vs. 压缩- 阻抗的减小与同一温度增加相关。两种作用同时发生引起一个通常低的,可以预计的,可重复的,可控的温度系数结果。


由于威士精密集团的Bulk Metal®  Foil 金属箔电阻设计,这种温度系数 TCR会自动实现,不用筛选,不用注意阻值或者制造日期 — 甚至是很多年以后!


改进的金属箔电阻Bulk Metal® Z-Foil 温度系数可以做到 ±0.2 ppm/°C


箔电阻科技每过几年就会进步,温度系数会有重大改进。


图 1 显示威士箔电阻工厂用于生产金属箔电阻的各种合金的典型温度系数特性。


初始的C合金展示的是在冷端部分是一条对温度负响应的的正斜率的弦,热端部分是一条对温度的正斜率的弦。


接下来是K合金,在冷端部分是一条对温度的负的弦的斜率,热端部分是一条对温度的正的弦的斜率。事实上,它提供了一条温度系数曲线近似C合金的一半。


最新的发展是Z合金和Z1合金箔电阻科技,突破了类似于K合金的箔技术,提供的温度系数曲线比C合金好很多倍,比K合金好五倍。


利用这种技术,可以做出非常低温飘的电阻,并且这种电阻对温度的反馈接近于零。


这种技术的发展的结果是,相对于以前的技术,以及其他电阻技术,这种技术极大地提高了电阻温飘性能。


典型温度系数TCR


箔电阻典型温飘被定义为阻值改变的相关曲线 vs 温度曲线(RT) curve, 单位为ppm/°C (百万分之一每摄氏度)。斜率定义在0 °C to + 25 °C 和 + 25 °C to + 60 °C (仪器温度范围);  - 55°C to + 25 °C 和 + 25 °C to+ 125 °C (军标范围)。


这些规定的温度和定义的典型温飘弦的斜率适用于所有阻值电阻包括低阻值电阻。注意,尽管如此 , 除了四脚的开尔文连接低阻值电阻,引脚阻值和关联温飘可能必须考虑。所有类型引脚阻值和温飘的测量是以引脚的1/2” 为参考点进行的。低阻值电阻的温飘预期增加值请和我们的应用工程部门联系。


跟踪温飘


“跟踪温飘” 是两个或者更多电阻的稳定性的比较。当超过一个电阻在同一个基质上时, (如图2),假设是两个分立电阻,温飘跟踪比温飘更好描述同一批的不同科技制作的电阻阻值随温度的增加或者减少,阻值跟踪比率受外部热量的影响。 (如环境温度的上升或者临近的温度更高的元件) 也包括内部热量(由于功率损耗产生的自热)。在同一温度下,电阻可能经过筛选,具有好的温飘。但是变化是由于不同的内部温度不同(比如:功率损失不同) 或者不同的位置温度不同(比如,来自周围元件的不同热量) 会逐层地跟踪,并产生额外的温度-关联错误。因此在精密应用领域,低的绝对温飘是非常重要的。


最好的模拟设计将被用于低绝对TCR电阻的基础,因为它可以使得环境温度和自热温度对电阻的影响最小化。


这对于高温飘的电阻> 5 ppm/°C是不可能的。即使电阻具有很好的内部跟踪温飘小于2 ppm/°C。




理由 2:


电阻功率系数 (PCR)


电阻温飘TCR 通常会给出一个温度范围,这个温度范围是通过测量阻值在两种不同环境温度情况下获得: 室内温度和冷却空间温度或者是高温空间温度。阻值改变的比率和不同温度会产生一条斜率曲线∆R/R = f (T) 。 这个斜率通常表达为百万分之一每摄氏度T (ppm/°C)。在这种情况下,统一了测量阻值的温度标准.实际情况中,无论如何,电阻温度的上升也是一部分,由于电阻加载功率部分功率会浪费在产生自热 。根据焦耳效应,当电流通过电阻时,电阻会产生相关的热量,因此,对于精密电阻,独立的温飘TCR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包含这种固有的电阻特性–阻值功率系数(PCR)。 功率系数(PCR )是表示每一百万分之一每瓦或者额定功率下的一百万分之一。Z-foil 金属箔功率电阻,额定功率下的功率系数PCR是5ppm典型值,或者4ppm每瓦典型值。例如:金属箔功率电阻,温飘 TCR 是 0.2 ppm/ºC 功率系数PCR 是4 ppm/W, 温度改变量50 ºC (从 + 25 ºC 到 + 75 ºC)  0.5 W 产生的∆R/R 是50 x 0.2 + 0.5 x 4 = 12 ppm 改变量。


理由 3:


热稳定性


电阻通电压后,产生自热。箔电阻低温飘和功率因素使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者其他刺激因素的快速响应也很必要 。当功率改变,人们希望电阻的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。


多数的电阻科技可能花几分钟时间才可以达到它的热稳定状态,箔电阻可以立即达到稳定状态,并且在一秒钟以内,阻值偏差在几百万分之一的数量级内。电阻根据环境温度和功率的改变准确响应。电阻加功率后产生自热,引起电阻元素上产生机械应力结果导致逆温现象。不管怎样,箔电阻的性能都远远超过其他电阻科技。 (如图 3)




理由 4:


阻值精度


为何人们要选用非常精密的电阻?一个电路系统或者一个装置或者一个特殊的电路必须运行预定的一段时间。并且在服务期限的末期,它还可以正常工作。在这个服务寿命期间,它可能已经受到不利条件的影响,因此电阻可能不再保持原来的精度。一个原因是给电阻指定一个比预期到电阻寿命末期精度更严格并且可跟踪的精度,以允许电阻服务期间精度漂移在可以接受的范围内。另外一个原因是对将电阻精度的要求比对其他电阻原件的要求更加严格。




Bulk Metal Foil 金属箔电阻通过在光刻电阻箔片上选择性的刻出各种不同的调节点,精度可以做到0.001% , (如表 4)。它们提供可预测的逐步的增加阻值达到期望的精度水平。调阻图案在这些调节点上进行,改变电流通过更长的路径,因此阻值是按特殊的百分比增加。调阻工艺在不同的位置精密的增加阻值。所以蚀刻格子内部分区域保持其可靠性和无噪音。在完好的调阻区域,调阻通过细微的变化来达到最终的阻值,精度可以达到0.001%,最终精度0.0005%(5ppm),这是调阻分辨率(如图5)。




理由 5:


负载寿命稳定性


为何设计人员关注加负载后的稳定性?负载寿命稳定性可以典型的说明电阻的长期可靠性能。 军标测试要求10,000 小时内有限数量的飘移和有限数量的失效率。 精密箔电阻有最严格的测试要求。无论是否经过军标测试,箔电阻的负载寿命稳定性无可比拟的,并且确保长期正常使用。


箔电阻具有如此稳定性能是由于它本身的材料结构。Bulk Metal®  Foil 金属箔和高纯度的氧化铝基质。 例如, S102C 和 Z201 电阻 的功率为  0.3 W,125 °C时,2000小时负载寿命测试,阻值最大改变量150 ppm 并且10,000小时负载寿命测试,阻值最大改变量500 ppm (看表 6 和表 7 ) 相反,功率减小使得阻值改变量减小,降低了箔电阻内部电阻元素的温度升高。表6 表明箔电阻由于负载寿命测试产生的飘移。


图 7 说明由于功率降低的负载寿命测试产生的漂移。降低环境温度对负载寿命测试结果会产生影响,图8说明在额定功率下,不同环境温度的负载寿命测试产生的漂移。图9说明在低功率,低温条件下S102C箔电阻的负载寿命测试结果。


我们的工程人员确保金属箔电阻的稳定性经过几种试验和测试。图10 显示金属箔电阻在29年中的稳定性测试结果。50 个S102C 10 kΩ电阻样品在70 °C温度环境, 0.1 W 功率全部持续测试。平均阻值改变量只有60ppm。

图11是客户提供的VHP101系列箔电阻超过8年的货架寿命测试结果。平均阻值改变量不超过1ppm。


为评估负载寿命稳定性,必须提到有两个参数,功率和温度,对于给定的电阻可以合并一个参数。如果电阻在稳定状态确定温度上升, 这个上升温度可以加进环境温度内,它们表现为组合温度,(负载引进温度+环境温度)。例如, S102C系列威士箔电阻加功率时每 0.1 W升温9 °C。这会导致以下的计算结果:


如果T = 75 °C, P = 0.2 W,  t = 2000 小时


自热= 9 °C x 2 = 18 °C


18 °C上升温度 + 75 °C环境温度= 93 °C ∆R


R max = 80 ppm,如图12的曲线。


图12 说明,对于给定的持续负载寿命测试,因组合温度的增加产生的电阻漂移情况。正如以上解释的,组合温度包括因功率加载引起的温度上升和环境温度。 曲线表示最大漂移。



理由 6:


快速响应时间


电阻等效电路,如图 13,组合了电阻电感和电容,电阻可以被看作R/C电路,滤波器或者电感,取决于它们的几何形状。线绕电阻,电抗由线圈和绕线形成的螺旋空隙产生。图14说明由于持续增加绕线圈数以增加阻值,引起电容和电感的增加 。这种组装科技试图减小线绕电阻的电感,但是效果有限。另一方面,在平面形的电阻中,比如Bulk Metal®  Foil金属箔电阻,电阻路径图案有意设计成为平行的几何直线以抵消电抗。


图15说明一种典型的蛇形的平面电阻阻值路径图 。临近的反方向电流较小了相互的电感,也减小了电容。



电感和电容对工作频率产生成比例的电抗,它改变了电阻的效果和电流与电压在电路中的相位。


电感和电容产生的电抗会干扰输入信号,尤其在脉冲设备里. 图16 电流对电压脉冲响应的比较。金属箔电阻的响应很快,线绕电阻响应慢。


这里脉冲宽度是十亿分之一秒,图上已显示线绕电阻会使信号严重失真,金属箔电阻分段完全再现了信号。


在频率设备中, 这种扭曲反应会引起明显的阻值改变(阻抗)并引起频率改变。图17 说明金属箔电阻的在不同频率下交流阻抗对直流阻抗的曲线。金属箔电阻 在100Ω范围内,频率100M,具有很好的响应。1M频率内所有阻值金属箔电阻都具有很好的响应。其他科技电阻的性能曲线比金属箔电阻的曲线会更偏移。 (特别是线绕电阻)。



理由 7:


噪音: “听出不一样”


由于声音再现的需求越来越多,电路元件的选择变得更为严格,信号线路中的电阻选择更关键。基于低水平输入信号和高增益放大器的测量仪器在测量微伏特范围的信号时,不能接受微伏特水平的背景噪音。尽管音频电路,信号的纯正最重要,很明显的要使用无噪音的电子元件。其他工业和科技也同样关注这个特性。


电阻由于它自身的结构,可以是噪音来源。这种无意的信号增加是可以测量的并且独立于已经存在的基本信号。图19和图20电阻噪音对基本信号的作用。由可导性的材料黏合在绝缘基质材料中制造的电阻最容易产生噪音。碳膜电阻和厚膜电阻, 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,是噪音的来源。这些位置对任何因不匹配产生的形变,潮湿产生的变形,机械应力,和电压输入水平都很敏感。在电流通过基质时,对这些外部影响的响应是不需要的信号。图20说明电流路径。




金属合金制成的电阻, 比如金属箔电阻, 产生的噪音最小。电流通过金属合金的内部微粒边界导通电路。微粒间的电流路径经过一个或者更多的金属晶体包括多层,更长的路径穿过分界线,减少了噪音产生的几率。图22说明电流路径。



另外,金属箔电阻的光刻和制造科技使箔电阻具有比其他电阻结构更一致的电流路径。螺旋形结构的电阻,会有更大的几何形变,产生更多的噪音信号。金属箔电阻比其他科技的电阻有最低的噪音。金属箔电阻的噪音水平几乎无法测出。通过选择电阻,前置放大器可以获得纯正的信号。威士金属箔电阻为低噪音音频产品提供最佳的性能。


理由  8:


热电势  EMF


两个不同的金属连接,加热会产生电压,因为金属的感应水平不同。这种由温度引起的电测压力,称为热电势,通常以微伏特表示。热电势的一个有利作用是用热电偶和微伏特记测量温度。


在电阻中, 热电势被认为是对纯电阻的寄生干扰。(特别是对低阻值直流电阻)。经常是由于电阻结构中的不同材料产生,特别是在电阻材料和引脚材料的连接点上。电阻的热电势性能可以通过两个连接点之间的内部温度。电阻材料上不对称的功率分布, 金属材料分子复杂的活动差异降低。


威士金属箔电阻的其中一个特点是低热电势设计。扁平的桨状引脚(直插设计)紧密的连接电阻箔片,由此热传导最大化,温度变动最小,金属箔电阻设计成消除功率而不产生热点效应,引脚材料跟电阻材料协调.这些设计做出低热电势的电阻。



图23 和图 24 各种特殊设计使金属箔电阻具有极低的热电势。


理由 9:


静电放电负荷 (ESD)


静电放电负荷(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,电弧或者电磁感应–趋向于达到电势平衡。人体感应的静电放电负荷 ESD 是 3000 V, 所以任何超过这个电压的静电放电负荷都可被人体感觉到。因为持续的高压伏特数小于一百万分之一秒,人体的体积较大,这种能量在人体很快传播,变得很小。对人体来说,静电放电负荷是无害的。但是这种静电放电负荷通过很小的电子元件时,相对的能量比较密集,3000V甚至500V的静电放电符合足以破坏很多电子元件。


静电放电负荷的危害一般分为3种:


●● 参数失效–静电放电负荷 ESD事件可能改变电子元件的阻值,引起电阻阻值精度漂移。.这种危害不会直接影响电阻功能,因此参数失效可能存在于正常工作的电阻。


●● 灾难性的破坏–静电放电负荷 ESD事件引起电子元件立即停止工作, 这个可能发生在几个静电放电负荷脉冲之后,可能是有很多原因造成,比如人体静电放电负荷或者仅仅是原来存在的静电。


●● 潜在的损坏–静电放电负荷 ESD事件电子元件未被察觉的中度的损坏,电子元件还能正常工作.尽管如此,电子元件的负载寿命已经极大的减少,因为后续工作期间的应力可能引起电子元件更多的损害,使电子元件在寿命期间失效,这种潜在的损坏是最需要关注的,因为这种损坏不能被察觉或者测量出来。


电阻对静电的敏感跟它的体积有关,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,电子元件,包括电阻, 使得它们更容易受到静电损害。


因此,Bulk Metal®  foil金属精密箔电阻的比薄膜电阻在抗静电方面更有优势,主要由于金属箔电阻的电阻材料更厚,(金属箔比薄膜厚100倍)因此金属箔比薄膜的耐热能力更高。


薄膜电阻材料是由微粒构成。(通过蒸发或者喷溅工艺), 金属箔合金类似于晶体结构,通过热和冷的揉压工艺制作。


测试证明,贴片金属箔电阻能够抗静电至少25,000 V (有资料证明),  薄膜和厚膜贴片电阻只能抗3000 V 静电(实际的数据可能更低)。如果设备要求使用抗巨大静电脉冲电压的电阻,金属箔电阻是最好的选择。


理由 10:


测不到的电压系数


正如我们在电阻噪音部分提到的,电阻阻值可能由于加载电压而改变。电压系数描述阻值对电压的变化而改变的情况。不同结构的电阻有不同的电压系数。举个比较极端的例子,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。Bulk Metal®  Foil 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。


总结


一个电阻集中所有特性


10个技术理由详细介绍了箔电阻内在的特殊设计,而非制作工艺或筛选方式。这种特殊性能的组合是其他电阻科技不具备的。威士箔电阻提供独一无二的,内在的特性决定它无可比拟的性能,它的高可靠性可以满足当今市场需求。


特殊订制


考虑客户对箔电阻低温飘等参数的特殊要求。可以特殊订制低温飘,低阻值的电阻和严格温飘跟踪的分立电阻或网络电阻组合。我们的应用工程部门可以提供专业的技术咨询和建议,如果你有特殊的订制要求,欢迎随时和我们取得联络。


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