【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】直到近，高溫電子設(shè)備中的限制因素一直是所用有源元件的半導(dǎo)體性能下降。但是，隨著高溫半導(dǎo)體和碳化硅基材料的新發(fā)展，無源元件(例如電阻器)已成為限制因素。結(jié)果，正確選擇電阻器已成為高溫電子設(shè)計中確保正確操作和可靠性的關(guān)鍵因素。
 

　　傳統(tǒng)上，電阻器是通過各種方法和技術(shù)制造的，包括金屬和金屬氧化物膜，金屬箔，碳，線繞和厚膜方法。每個都有其特定的特性，使它們或多或少地適合于高溫應(yīng)用。高溫下的電阻退化可能會隨著時間的變化而變化，從小的電阻變化到突變的電阻(通過開路或在某些情況下會短路)表現(xiàn)出來。
 

　　線繞電阻器
 

　　盡管被認為是一項成熟的技術(shù)，但許多繞線電阻器實際上在高達200至250°C或更高的環(huán)境溫度的高溫應(yīng)用中也能很好地工作。線繞電阻器的結(jié)構(gòu)相對簡單，是通過將電阻絲(例如具有很高的高溫特性并且經(jīng)常用于加熱元件的鎳鉻合金)纏繞到氧化鋁或滑石陶瓷芯上并焊接到金屬端蓋上而制成的壓入每個末端。
 

　　通常，電阻器是通過使用玻璃搪瓷(玻璃)，硅樹脂，水泥或環(huán)氧化合物封裝的單元來絕緣并使其防風(fēng)雨的。封裝材料通常是“薄弱的環(huán)節(jié)”，并且可能是高溫下的故障根源。這可能是由于熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致涂層破裂并允許濕氣或濕氣進入，在下面的導(dǎo)線上產(chǎn)生應(yīng)力或由于高溫下絕緣性能的分解或退化所致。因此，環(huán)氧樹脂通常不是適合長期高溫應(yīng)用，但硅樹脂和玻璃搪瓷材料的性能很好。
 

　　搪瓷玻璃電阻器形成接近密封的封裝，并在危險環(huán)境下提供額外的保護，這些環(huán)境有時可能會伴隨著較高的工作溫度，尤其是在石油和天然氣工業(yè)中。但是，需要注意的是，搪瓷涂層材料的體電阻率在高溫下往往會顯著下降，，隨著溫度的升高絕緣性能會顯著降低，這會影響總安裝電阻。
 

　　搪瓷玻璃繞線電阻器的高溫穩(wěn)定性非常好，在200°C下暴露1000小時后，電阻變化約為1-2%，其他繞線電阻類型的變化通常較大。線繞電阻器的一個缺點是其有限的上限電阻范圍，固有的相關(guān)電感(盡管可以通過一種非電感性的“ Ayrton Perry”繞組來大大減小，該繞組實質(zhì)上將兩根線繞著磁芯以相反的方向纏繞以消除電感)，及其相對較大的尺寸。結(jié)果，其他類型的電阻器有望在高溫下工作。
 

　　厚膜電阻
 

　　近年來，對于高溫應(yīng)用，厚膜電阻器已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。這些電阻器是通過將金屬和顆粒的混合物沉積到陶瓷基板上，然后在高溫(通常在空氣中約為850°C)下燒結(jié)而制成的，從而形成導(dǎo)電金屬陶瓷基體。用于高溫的厚膜導(dǎo)體配方通常是金，鈀銀或鉑銀(圖1)。激光修整后，通常會在其頂部應(yīng)用一層玻璃絕緣體以保護環(huán)境。厚膜電阻器可以做得很小，通常表面安裝尺寸可以減小到0201或更小。
 

　　由于厚膜電阻器的初始處理溫度很高，因此該技術(shù)對高溫應(yīng)用的未來發(fā)展具有希望。由TT Electronics制造的特殊高溫厚膜電阻器的測試表明，在300°C下經(jīng)過1000小時(無負載)后，平均電阻變化小于0.25%(圖2)。
 

　　為了在高溫下運行，傳統(tǒng)焊錫不是可選的(典型的無鉛焊錫的液相線溫度約為221°C)，因此其他連接方法包括引線鍵合，高鉛含量的HMP焊錫(通常為Sn05Pb93.5Ag1) .5-296°C)，或使用導(dǎo)電膠。結(jié)果，必須選擇與連接方法兼容的端接材料。這通常需要用于引線鍵合或?qū)щ娬澈蟿┑慕鸲俗?，用于?dǎo)電粘合劑的聚合物銀，Pd-Ag或Pt-Ag以及用于HMP焊料的帶有鎳底層的電鍍材料。
 

　　對于厚膜電阻器，在正常溫度范圍內(nèi)，典型的電阻溫度系數(shù)(TCR)約為±100 ppm /°C，但隨著溫度偏離正常范圍，它可能通常是非線性的(圖3)。但是，即使我們假設(shè)TCR為100 ppm /°C，在高于環(huán)境溫度200°C的條件下運行，也可能僅由于溫度偏移而導(dǎo)致可感知的電阻變化高達2%，并且可能取決于實際情況。高溫下的TCR特性。結(jié)果，更精確的應(yīng)用可能需要薄膜網(wǎng)絡(luò)或線繞電阻器。
 

　　薄膜電阻
 

　　與以附加高溫制造工藝為特征的厚膜電阻器不同，薄膜電阻器通常使用減法濺射沉積工藝來制造。隨后的制造操作用于調(diào)節(jié)電阻器膜，以優(yōu)化高溫性能。薄膜電阻器通常具有TCR低，精度高的特點，并且經(jīng)常在具有多個電阻器的網(wǎng)絡(luò)或封裝中使用。
 

　　選擇的薄膜電阻器材料通常是鎳鉻合金或氮化鉭。這兩種材料均具有較高的熔點，這往往導(dǎo)致高溫下微觀晶粒的生長減少，并且具有很高的抗氧化性-這是在較高工作溫度下電阻變化顯著的兩個潛在來源。
 

　　兩種電阻器膜在正常工作溫度下均具有良好的電阻穩(wěn)定性和出色的低TCR，在高溫工作時仍可保持一定程度。此外，它們都在較寬的溫度范圍內(nèi)具有相對線性的TCR曲線(圖4)。盡管所示數(shù)據(jù)是針對鎳鉻合金金屬膜電阻器的，但氮化鉭材料具有類似的特性。該曲線圖中還顯示了另一個好處，它展示了公用網(wǎng)絡(luò)(在這種情況下為7電阻網(wǎng)絡(luò))中的電阻之間緊密的TCR跟蹤或匹配。
 

　　薄膜電阻器的一個吸引人的方面是，在運行的前100到200個小時內(nèi)，總電阻的變化很大(圖5)。各種機制，例如氧化，金屬層遷移或金屬擴散，都可能導(dǎo)致此電阻變化。
 

　　高溫下薄膜電阻隨時間的變化表明，在運行的初100到200小時內(nèi)，總電阻發(fā)生了相當(dāng)大的變化。
 

　　但是，電阻的變化率會隨著時間的推移而顯著降低，這可以通過使電阻器經(jīng)受或超過電阻器使用溫度的高溫烘烤來顯著降低電阻在使用壽命中的變化。  電阻變化的減小在圖6中進行了說明，該圖顯示了與圖5類似的電阻器網(wǎng)絡(luò)，但添加了200°C的148小時烘烤。在這種情況下，電阻變化在暴露1000小時后已減少到不到一半，從而大大提高了整體電阻器的穩(wěn)定性。
 

　　幾乎總是可以降低成本，即一個電阻網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有兩個或多個電阻(具有不同的值)，它們可以很好地相互跟蹤，而不是使用將提供類似跟蹤和匹配性能的單個電阻。圖7說明了高溫電阻器網(wǎng)絡(luò)的典型比率公差性能-壽命期間比率性能的差異在0.005%(50 ppm)之內(nèi)。
 

　　其他電阻類型
 

　　設(shè)計工程師可以使用多種其他電阻器類型。這些包括箔，金屬氧化物等。除箔技術(shù)外，其他類型的電阻器在高溫應(yīng)用中通常會降低性能，并且適用性有限。箔電阻通常表現(xiàn)出非常好的性能，但是成本卻很高。通過使用金屬條或金屬成形電阻器，可在高溫應(yīng)用中促進極低電阻值的電阻器(例如用于分流器或電流感測應(yīng)用)。
 

　　結(jié)論
 

　　正確選擇用于高溫應(yīng)用的電阻器對于優(yōu)化性能和經(jīng)濟性至關(guān)重要。盡管電路設(shè)計人員可以使用許多電阻器技術(shù)，但是必須了解每種類型的特性和構(gòu)造，才能做出選擇。