什么样的电阻才是精密电阻?

精密电阻往往和高精度电阻关联到一起,精度代表电阻阻值的准确性,事实上这种准确性受很多因素的影响。这些影响阻值准确性的因素统称为“应力”。应力来自很多方面,比如环境温度的变化,电阻自身通电后产生的自热,来自PCB的压力或拉力,外部环境的湿气,甚至是腐蚀性的气体,还有比如焊接、脉冲、过载、静电、辐射等等。所有上面提到的“应力”都会使电阻的阻值产生变化,就是说影响电阻的阻值精度,那么什么样的电阻才是精密电阻?答案是稳定性和精确性并存的电阻。

为什么稳定性比精确性更为重要?

电阻的阻值会受到各种“应力”影响而发生改变,离开稳定性的高精度是没有意义的。举个例子,电阻出厂时的精度是±0.01%,为这个精度我们支付了昂贵的费用,但在几个月的存储或者几百小时的负载后阻值可能变化超过±300ppm甚至更多。另一种最常见的情况是电阻在来料检验的时候在标称的精度范围以内,焊接到PCB后就超出了标称的精度范围。还有比如潮湿,静电等都会导致电阻的阻值产生不可逆的变化。

我们要强调的是,稳定性应该放在首位来考虑,而不是片面的追求高精度。

深入理解精密电阻的主要参数

1) 精度:精度是来料检验的重要指标,是否所有的精密电阻生产厂家在出厂前都做了100%的精度测试?答案是否定的。虽然精密电阻有很多不同的工艺和材料的区分,但几乎所有的精密电阻都需要进行调阻才能做到“高精密”。比如精密薄膜电阻在表面进行激光调阻,而精密箔电阻通过切断调阻带来调阻等。调阻的过程事实上是测量的过程,但调阻后的产品并非成品,还要经过封装等一些后续工艺,这一过程可能会对电阻的阻值造成影响。另外测量仪器的准确性和正确的测量方法也相当重要,尤其对于超过万分之一精度的电阻,以及毫欧电阻,高阻值的精密电阻。

2) 温漂:在电阻的规格书里,我们往往只看到一个温漂指标,比如±5ppm/°C。实际的情况是很可能这个温漂指标并没有覆盖产品需求的工作温度范围,就是说在不同的温度区间内,同一电阻的温漂是有区别的。应该说大多数的精密电阻厂家的规格书里并没有明确定义不同温度区间的温漂指标,有些厂家只在整个工作温度范围内挑选其中最好的一段曲线作为规格书中的温漂指标,这是一个普遍的现象。

还有一个事实是温漂的指标在出厂前很难被100%测量,测量需要昂贵的费用,另外要进行精确的测量可能对产品本身是破坏性的,比如贴片电阻的温漂测量一般都建议焊接在PCB板上进行,另外温漂的测量过程带来的应力会使阻值产生变化。温漂的控制主要基于电阻材料本身以及制造工艺。比如精密箔电阻通过使用特殊的低温漂合金以及应力补偿的方式达到接近零温漂的性能。

3) 负载寿命:负载寿命和三方面的因素相关,即功率、温度和时间。降额使用有助于减缓阻值的变化。

电阻阻值变化的活跃期往往在使用的前几百个小时,随着使用时间越长越是趋于稳定。这是由于随着时间的推移,电阻元素本身趋于稳定,或者电阻元素和基体之间的应力逐渐释放。负载寿命的指标只能通过抽样测试的形式进行监测,因为这种测试至少需要1千小时,航天的应用则可能需要高达1万小时的测试,且这种测试是破坏性的实验。对精密电阻在使用前进行功率训练可以有效的加速电阻老化,使电阻趋于稳定,但会使电阻的阻值产生变化。

4) 货架寿命:货架寿命用来考察电阻在标准或者指定存储条件下的阻值稳定性。和负载寿命一样,电阻存放的时间越长,其阻值的变化也会趋于稳定。这就是为什么有些精密仪器制造厂家采购精密电阻并不立即使用,而是存储几个月甚至几年再去使用的原因。当然存储会导致电阻阻值的改变,但这种变化的趋势是越来越小。所以对于老批号的电阻,只要精度在标称值以内,且焊脚没有氧化,其稳定性要优于新批号的电阻。电阻的存储尤其要注意湿度控制,湿度对于任何电阻的阻值都会产生很大的影响。例如各种膜式电阻,一旦湿气进入就会在电阻层形成电解液,严重影响电阻的阻值。除了湿气还有空气中的各种腐蚀性物质,如硫,盐雾等。作为计量应用的标准电阻会被注油后全密封,从而隔绝外部环境应力对于阻值的影响,减少该电阻的年变化率。

主流的精密电阻技术及其优缺点

1) 精密厚膜电阻

通过对厚膜电阻浆料的持续改进,最精密的厚膜电阻技术已经可以做到±5ppm/°C的温漂,甚至通过使用多个可以互相补偿的厚膜电阻芯片最终达到±2ppm/°C的温漂。其最高精度也可以达到±0.01%。在高压高阻值高精密的应用中精密厚膜电阻是主流的技术。厚膜电阻的缺点是在低阻值的部分很难做到高精密低温漂,噪声指标也不好,长期稳定性一般都是比其他精密电阻差。

2) 精密薄膜电阻

精密薄膜电阻的技术发展代表了可以被大量商用的精密电阻技术,也是目前最流行的精密电阻技术。通过长时间多层的膜层沉积,高精密的调阻和后期的筛选,最优的精密薄膜电阻可以达到±2ppm/°C的温漂和±0.01%的精度,以及很好的长期稳定性。其缺点是功率做不大,低阻值部分指标不好,不抗静电,功率系数差,很难满足小批量的供货,且不同批次的一致性不好。

3) 精密金属膜电阻

精密金属膜电阻的各项指标和精密薄膜电阻类似,晶圆精密金属膜电阻有被贴片精密薄膜电阻替代的趋势,但插脚的精密金属膜电阻仍然是主流的低成本的精密电阻技术。和精密薄膜电阻一样,由于调阻会造成热点效应,影响电阻的稳定性和可靠性。

4) 精密线绕电阻

作为最早的精密电阻技术,高精密的线绕电阻温漂可以做到±1ppm/°C, 且精度可以做到±0.001%,这是薄膜和厚膜电阻没有办法做到的。最好的精密线绕电阻其阻值可以做到接近50M,适合超精密高阻值的应用。由于其他电阻技术的发展,精密线绕电阻趋于被淘汰的边缘,因为其价格昂贵,有电感等缺点。

5) 精密箔电阻

虽然精密箔电阻早在1962年发明,截至目前他仍然是最精密的电阻技术,通过把镍铬合金黏贴在陶瓷基板上进行应力平衡,得到接近于零的温漂,通过激光刻蚀电阻图形以及调阻,可以得到高达±0.001%的精度。最好的箔电阻存储6年阻值仅漂移±2ppm,抗静电,无感无容,无热点设计,低噪声,低电压系数。箔电阻的缺点是阻值做不了很高,最大尺寸的贴片电阻最高只能做到150K,最大尺寸的插脚电阻阻值最高只能做到2M。

应该选择何种技术的精密电阻?

1) 阻值从1毫欧到1欧姆之间的精密取样电阻需求,一般只能使用精密箔电阻。因为只有合金材料的电阻才能在低阻值大电流的情况下保持稳定,温漂可以低至±5ppm/°C,精度可以到±0.1%甚至更高。温漂的大小是决定这类电阻价格的主要因素。由于其主要应用是电流检测,所以四脚的结构有利于精密采样。使用更大尺寸或预留更多的功率空间,并且增加辅助散热器有利于降低电阻表面的温度,改良取样电阻的稳定性。精密的电流取样电阻可以替代霍尔电流传感器,并且具有成本优势。

2) 阻值从1欧姆到10欧姆之间对于任何电阻技术都是一个挑战。因为这个阻值段属于低阻值范围,只有厚的电阻材料和短的电流路径才能做到低阻值。厚的电阻材料不利于和基板的结合来平衡温漂,而短的电流路径也不利于精密调阻。精密薄膜电阻和精密金属膜电阻很难在这个阻值范围内提供出色的温漂,最好只能到±20ppm/°C,在有限的温度范围以内可能会好一些。精密线绕电阻的温漂则完全基于电阻合金丝本身,可以做到±10ppm/°C左右,但线绕电阻一般只有插脚的产品而且有电感。精密箔电阻在这个阻值范围内温漂可以控制在±5ppm/°C以内,精度可以做到±0.1%或者更好,贴片和插脚都可以提供。

3) 10欧姆到150K欧姆是常规阻值段,在这个阻值范围内基于不同的精密需求可以选择的产品很多。低于±2ppm/°C的要求,或者对长期稳定性有很高要求的应用场合只能使用精密箔电阻,贴片的插脚的都可以选择。温漂要求在±5ppm/°C左右,长期稳定性要求不那么高的场合可以同时考虑薄膜电阻或者金属膜电阻。箔电阻的最高精度可以做到±0.001%,薄膜电阻和金属膜电阻可以做到±0.01%。需要指出的是使用贴片的箔电阻需要注意不同尺寸所提供的阻值范围不同,比如0805尺寸的贴片箔电阻能提供的最大阻值为10K。另外精密贴片薄膜电阻的供应厂家很多,参数的标注都大同小异,但实际的性能差距很大,温漂及精度超标的情况很多,长期稳定性和噪声等指标不同品牌之间的差距巨大。

4) 超过150K到1M的阻值范围属于中间阻值段。在这段区间内如果需要贴片的精密电阻,只能使用精密薄膜电阻。低于±2ppm/°C的温漂要求一般只能使用插脚精密箔电阻,但阻值越高这种电阻的价格也会越高,因为需要使用多个电阻芯片来达到需要的阻值。有一些插脚薄膜电阻可以提供低至±5ppm/°C的温漂,但长期稳定性差于精密箔电阻。插脚的精密线绕电阻也可以满足高精度和低至±2ppm/°C的温漂,但价格没有优势。

5) 1M到50M之间对于精密电阻来说是高阻段。精密薄膜电阻可以支持的最高阻值一般到10M,最好温漂为±5ppm/°C,最高精度±0.01%。精密厚膜电阻可以提供的精度和温漂类似于薄膜电阻,但可以支持整个区间的阻值。单个精密箔电阻目前能支持的最大阻值是2M,而且价格非常昂贵。另外一种昂贵的精密电阻技术是线绕电阻,单个电阻可以提供高达50M的阻值,低至±2ppm/°C的温漂和高达±0.001%的精度,尤其是在长期稳定性发面要大大优于薄膜和厚膜电阻技术。

6) 1M-10T高压精密电阻的需求只能选择精密厚膜高压电阻,因为只有厚膜技术才能在高压下工作并提供高的阻值。这类高压应用的电阻的重要技术指标有电压系数,电压安定性,长期稳定性,噪声,温漂,精度。尤其是电压系数和电压安定性的指标非常重要,厚膜电阻在高压环境下阻值大多会发生向小飘移的趋势,因为部分绝缘介质被激活而形成了并联的电阻,电阻浆料的质量和厚膜工艺决定电压系数的好坏。另外一些应用场合需要低噪声的高压电阻,噪声存在于电阻膜层的缺陷部位,缺陷可能是本来存在的也可能是调阻后新增的,这种缺陷越多噪声就会越大,特殊的厚膜工艺有助于改良噪声指标。

上面通过分段的阻值简单介绍了下精密电阻的选择,实际的情况要复杂的多。参考实际的应用选择恰当的精密电阻相当重要,但所有的应用重点考虑的电气参数不外乎长期稳定性,温度系数,绝对精度,功率系数,电压系数,噪声。

为什么插脚的精密电阻要优于贴片的精密电阻?

1) PCB应力:贴片的精密电阻焊接到PCB上后会受到PCB热胀冷缩的挤压或者拉伸,从而传递应力到电阻层,影响到电阻的阻值和长期稳定性。在一些温度变化非常剧烈的场合甚至会出现断裂的问题。而插脚的电阻通过细长的焊脚释放了PCB传递的应力,所以不会存在贴片电阻的问题。

2) 环境应力:潮湿,硫,盐雾等都会对电阻的阻值产生影响。贴片的精密电阻一般保护层要明显弱于插脚电阻,所以隔绝外部环境应力的能力不如插脚电阻。一般的插脚精密电阻都采用环氧或者塑封,有一些全密封的插脚电阻内部注油,完全隔绝了外部环境因素对于电阻阻值的影响,这种电阻可以作为二级计量标准使用。

3) 焊接应力:在焊接热的冲击后,插脚电阻的阻值变化要明显小于贴片电阻。精密贴片电阻的焊锡高度一般我们都建议低于电阻焊脚高度30%以上,精密插脚电阻的安装我们也建议和PCB之间至少保留1mm的空间,从而避免PCB热胀冷缩造成的拉力影响。

很多场合不得不使用贴片的精密电阻,有些是为了成本考虑,有些是因为安装空间或自动化生产需求,一种柔性焊脚的贴片精密箔电阻可以兼顾贴片电阻和插脚电阻的优点,能有效应对各种应力的影响。

基于精密电阻技术的标准电阻

电压单位和电阻单位是电学计量中的基本单位,电阻的单位起初是以保存在国际计量局的一组线圈的平均值作为1欧姆的实物基准,各国定期依据和国际计量局的实物基准比对结果修正自己的实物基准。但实物基准本身也会由于不可控的环境应力发生退化。为此,国际计量局在1990年后推荐各国使用量子化霍尔电阻标准替代实物电阻标准,量子霍尔电阻从根本上解决了实物基准随时间退化的问题。量子霍尔电阻把阻值传递给各级标准电阻,各级标准电阻再把阻值传递给精密电桥和测量仪器。

用多个全密封注油的精密箔电阻经过匹配,可以制造出性能优异的计量级别的标准电阻,这种标准电阻无需存放在控温油槽,年稳定性可以达到±1ppm/年。2015年一项基于合金箔片的无应力标准电阻正式量产,这种标准电阻的年稳定性可以达到±0.2ppm/年,温漂±0.05ppm/°C,精度为±1ppm。目前基于合金箔片的标准电阻是全世界最精密最稳定的标准电阻技术,也是未来标准电阻的发展方向。

总结

精密的测量和控制是电子工业发展的方向,要进行精密的测量和控制就需要使用精密电阻。电阻是一种材料科学,今天我们大批量在使用的精密电阻技术都发明于60年前,60年来我们在电阻材料方面的研究取得了一些进展,所制造的精密电阻满足了大多数精密应用需求。同时我们也面临一些挑战,尤其是在低阻值和高阻值段的精密电阻水平有待进一步的提高。

开步电子和精密电阻

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《电子技术设计》2016年9月刊版权所有,谢绝转载。

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