【導(dǎo)讀】精密的測量和控制是電子工業(yè)發(fā)展的方向，要進(jìn)行精密的測量和控制就需要使用精密電阻。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。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。
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(huì)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(huì)受到各種“應(yīng)力”影響而發(fā)生改變，離開穩(wěn)定性的高精度是沒有意義的。舉個(gè)例子，電阻出廠時(shí)的精度是±0.01%，為這個(gè)精度我們支付了昂貴的費(fèi)用，但在幾個(gè)月的存儲(chǔ)或者幾百小時(shí)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(shí)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(gè)溫漂指標(biāo)，比如±5ppm/°C。實(shí)際的情況是很可能這個(gè)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(gè)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(gè)普遍的現(xiàn)象。
還有一個(gè)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(duì)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(huì)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相關(guān)，即功率、溫度和時(shí)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(gè)小時(shí)，隨著使用時(shí)間越長越是趨于穩(wěn)定。這是由于隨著時(shí)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(shí)，航天的應(yīng)用則可能需要高達(dá)1萬小時(shí)的測試，且這種測試是破壞性的實(shí)驗(yàn)。對(duì)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(huì)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(chǔ)條件下的阻值穩(wěn)定性。和負(fù)載壽命一樣，電阻存放的時(shí)間越長，其阻值的變化也會(huì)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(chǔ)幾個(gè)月甚至幾年再去使用的原因。當(dāng)然存儲(chǔ)會(huì)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(duì)于老批號(hào)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(hào)的電阻。電阻的存儲(chǔ)尤其要注意濕度控制，濕度對(duì)于任何電阻的阻值都會(huì)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(huì)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(huì)被注油后全密封，從而隔絕外部環(huán)境應(yīng)力對(duì)于阻值的影響，減少該電阻的年變化率。
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(duì)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(gè)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(shí)間多層的膜層沉積，高精密的調(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(huì)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±1ppm/°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(jià)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(chǔ)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，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(jià)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(duì)于任何電阻技術(shù)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@個(gè)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(gè)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(huì)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。精密箔電阻在這個(gè)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(gè)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(duì)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(shí)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%。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(jià)格也會(huì)越高，因?yàn)樾枰褂枚鄠€(gè)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(jià)格沒有優(yōu)勢。
5） 1M到50M之間對(duì)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(gè)區(qū)間的阻值。單個(gè)精密箔電阻目前能支持的最大阻值是2M，而且價(jià)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(gè)電阻可以提供高達(dá)50M的阻值，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)橹挥泻衲ぜ夹g(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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)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)長的焊腳釋放了PCB傳遞的應(yīng)力，所以不會(huì)存在貼片電阻的問題。
2） 環(huán)境應(yīng)力：潮濕，硫，鹽霧等都會(huì)對(duì)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(duì)于電阻阻值的影響，這種電阻可以作為二級(jí)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)榘惭b空間或自動(dòng)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(duì)各種應(yīng)力的影響。
基于精密電阻技術(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(duì)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(huì)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(shí)間退化的問題。量子霍爾電阻把阻值傳遞給各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻，各級(jí)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(gè)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(jí)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)，這種標(biāo)準(zhǔn)電阻的年穩(wěn)定性可以達(dá)到±0.2ppm/年，溫漂±0.05ppm/°C，精度為±1ppm。目前基于合金箔片的標(biāo)準(zhǔn)電阻是全世界最精密最穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電阻技術(shù)，也是未來標(biāo)準(zhǔn)電阻的發(fā)展方向。
總結(jié)
精密的測量和控制是電子工業(yè)發(fā)展的方向，要進(jìn)行精密的測量和控制就需要使用精密電阻。電阻是一種材料科學(xué)，今天我們大批量在使用的精密電阻技術(shù)都發(fā)明于60年前，60年來我們在電阻材料方面的研究取得了一些進(jìn)展，所制造的精密電阻滿足了大多數(shù)精密應(yīng)用需求。同時(shí)我們也面臨一些挑戰(zhàn)，尤其是在低阻值和高阻值段的精密電阻水平有待進(jìn)一步的提高。
來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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