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简述厚膜电阻器工作原理、种类、应用特性和制作工艺

IC先生 IC先生 4302 2022-04-14 16:32:59

固定电阻器不能像可变电阻器一样改变,因为它的电阻值可以在制造时自行确定。这些固定电阻器电阻器的分类可以根据制造过程以及制造过程中使用的材料进行,如碳、绕线、薄膜和厚膜电阻器。在本文中,小编将简单介绍其中一种固定电阻器,即厚膜电阻器。

什么是厚膜电阻器?

厚膜电阻器是一种电阻器,其特征是在陶瓷基体上具有厚膜电阻层。与薄膜电阻器相比,这种电阻器的外观相似,但其制造工艺和性能却不尽相同。厚膜电阻的厚度是薄膜电阻的1000倍。

厚膜电阻

1、厚膜电阻器特性

  • 薄膜的厚度为±100。
  • 用于制造的工艺是丝网和模板印刷。
  • 使用的修整是磨料或激光。
  • 使用的电阻材料是氧化钌浆料
  • 电阻值范围从1到100 M
  • 公差为±1至±5%。
  • 温度系数为±50 – ±200 ppm/°C。
  • 最高工作温度为155°C。
  • 最大工作电压范围为50至200V。
  • 非线性 > 50 dB。
  • 电流噪声 <10 µV/V。
  • 额定功率为1/16至1/4W
  • 更耐湿。

2、厚膜电阻器构造

厚膜电阻的构造可以通过在绝缘基板上涂上丝印导电膏来完成,可以烧制这种导电膏以形成永久连接。该浆料包含无机陶瓷基材料(电阻器元件)、玻璃粉和银的细碎颗粒。将糊剂涂在由氧化铝粉末制成的陶瓷基体上,与玻璃粉和少量有机粘合剂混合,以在烧制过程中将粉末保持在一起。

这些电阻器的价格并不昂贵,而且尺寸很小,这在集成电路和混合电路中尤其重要,因为这些电阻器可以印刷到基板上,以消除电路板负载以及焊接步骤。

厚膜电阻器结构

厚膜电阻器的使用温度高达300°C,并且绝对是非磁性的。因此,它们用于有强磁场的地方,例如MRI和CT扫描仪。镍或无锡厚膜电阻器型号适用于银环氧树脂连接或无铅焊接。

所有这些电阻器都显示出低电阻电压系数,这是一种特性,可以定义为在特定电压范围内相对于施加电压的电阻变化。厚膜电阻器提供高达10兆兆欧的最高电阻值、高电压容量和非常高的温度性能。

3、厚膜电阻工作原理

厚膜电阻器的工作原理是允许将高电阻值印刷在平面或圆柱形基板上,或者完全封闭在不同的图案中,这些图案用于通过稳定频率的应用中。

厚膜电阻是一种特殊类型的电阻器,增加了绝缘层以减少流过它的电流产生的热量。与传统电阻器通过传导散热不同,厚膜电阻器通过对流散热。

厚膜电阻器类型

厚膜电阻器分为金属氧化物、金属陶瓷膜和易熔电阻器三种类型。

1、金属氧化物电阻器

金属氧化物电阻器是通过在基板上氧化氯化锡的厚膜(如加热的玻璃棒)制成的。这些电阻器属于固定形式的轴向电阻器系列,类似于碳膜或金属膜电阻器,但这些电阻器使用金属氧化物而不是金属膜电阻材料。

金属氧化膜电阻器

这些类型的电阻器可通过高温强度获得广泛的电阻范围。此外,工作噪音水平极低,可在最大电压下使用。该电阻器的应用领域包括医疗设备和电信。

2、金属陶瓷氧化物电阻器

这些电阻器是使用厚导电膏的厚膜电阻器类型。这种厚导电膏是金属和陶瓷的混合物。该电阻器的内部区域包括陶瓷绝缘材料,并且可以在电阻器周围覆盖金属或碳合金层,布置在陶瓷金属或金属陶瓷内。这些电阻器有方形或矩形形状,包括引线。

金属陶瓷氧化物电阻器

这些电阻器的特点是良好的温度稳定性、良好的额定电压和低噪声。这些电阻器在高温下提供恒定操作,因为它们的值不会随温度变化而变化。

3、熔断电阻器

可熔断电阻器是通过将厚膜或薄膜沉积在陶瓷芯上制成的。通过激光切割或机械切割将这种电阻的薄膜切割成螺旋状,可以获得不同的电阻值。这些电阻器广泛用于放大器、电视机等。

熔断电阻器

厚膜电阻失效模式

厚膜电阻器的故障模式很少因电阻元件的故障而发生,但通常由于外部环境因素(如处理问题、电气和机械应力)而发生故障。因此,厚膜电阻器存在不同的故障模式,例如机械应力、环境影响、热问题、持续过载、浪涌条件和ESD。

1、机械应力

机械应力是厚膜电阻器的失效模式之一,主要发生在制造过程中。这种故障模式不会直接影响电阻器,但这些故障可能是由于设备安装不当或振动造成的。电阻器材料的微裂纹可能是由于电阻器因安装不当而受到压缩、振动或延伸造成的。所以这会引起电阻值的变化。

2、环境影响

环境影响主要包括水分、化学元素和环境温度。如果在电阻器的整个设计过程中都考虑到环境影响,则可以减少它们的潜在影响。通过在制造过程结束时提供适当的涂层,可以保护厚膜电阻器免受化学和湿气元素的影响。

3、散热问题

电阻器的大多数机械故障模式可以通过热量传播。所以了解电阻器的散热特性是非常有必要的。低功率电阻器的散热可以通过使用组件的连接或端子的传导来完成,而高功率电阻器的散热可以通过辐射来完成。

一旦通过厚膜电阻器提供电流,它就会产生热量,并且在电阻器的制造过程中使用的不同材料的不同热膨胀会在电阻器内产生应力。厚膜电阻器最著名的参数是TCR(电阻温度系数,用于指示电阻器的稳定性并描述电阻元件对温度变化的敏感性。

4、过载情况

厚膜电阻器将在过载脉冲条件下停止工作,因为它们无法通过脉冲的电能消散电阻器装置内产生的热量,因此应了解脉冲幅度和持续时间。

决定厚膜电阻器性能的主要因素是电阻器元件的质量。这是相对于它的宽度乘以它的表面区域。当表面积更大时,会导致更高的膜质量。因此增加的表面积可以允许更多的散热。

5、浪涌条件

决定该电阻器浪涌条件的最重要因素是电阻器元件的质量,该质量与其宽度乘以其外部面积成正比。电阻器的几何形状也会影响其抗浪涌能力。如果表面积更大,那么它会导致更高的薄膜质量,最后,它会提高浪涌性能。

6、静电放电

ESD损坏的发生主要是因为电荷从带电材料或人体直接转移到电阻器件。这种损坏可分为3大类,即参数故障、灾难性损坏和潜在损坏。

通过这种失效模式造成的损坏是一种不易发现的潜在缺陷。厚膜电阻器可能会通过 ESD 部分退化,但仍可继续实现其预期功能。但是,厚膜电阻发生灾难性或过早失效的可能性增加了,因此该器件特别暴露于上述一种或多种失效模式。

厚膜电阻制作工艺

厚膜电阻器制造过程中涉及的步骤包括以下几点。

1、基板激光

厚膜电阻器基板由 Al2O3(氧化铝)、AlN(氮化铝)、BeO(氧化铍)、不锈钢制成,有时甚至由聚合物制成,在极少数情况下,它还涂有二氧化硅 (SiO2)。对于厚膜电阻,大多数时候使用 94%或96%的氧化铝作为基板,因为它是一种非常坚硬的材料。

在厚膜工艺中,通常一个基板包括许多单元,并且可以通过激光进行蚀刻、成型和钻孔。蚀刻是一种激光方法,其中将激光脉冲发射到氧化铝材料中。一旦材料被烧制,则可以去除30%到50%的材料,否则会损坏基材。

蚀刻工艺完成后,将材料制成圆管,然后在基板两侧钻孔,通常孔的尺寸范围为0.15至0.2毫米。

2、墨水的准备

油墨通常是通过将陶瓷粉末或必要的粉末与陶瓷厚膜或聚合物浆料混合制成用于丝网印刷电阻器的浆料来制备的。

3、丝网印刷

在丝网印刷过程中,油墨通过使用刮刀或带图案的编织网丝网的图案转移。厚膜技术在提高精度、集成密度等方面非常有帮助。

4、烘干

印刷油墨后,每个沉积的油墨层都在50至200°C的高温下干燥,以蒸发油墨的流体部分并立即将层附着到基材上。

5、射击

对于厚膜工艺中使用的许多陶瓷、玻璃和金属油墨,需要高温烧制 (>300 °C) 才能将层永久地附着在基材上。

6、修剪

一旦电阻器点火,就可以先用精密研磨切割技术对其进行修整。该技术使用通常为 0.027 毫米氧化铝的精细研磨介质。因此,该技术通过不加热和不破坏墨水配方中使用的玻璃料来实现极高的公差。

7、激光修整

烧制过程完成后,电阻器的基板被修整到精确的值,这就是所谓的激光修整。许多片式电阻器采用厚膜技术设计。在激光微调中,使用主动微调和被动微调两种模式。有源微调用于调节精确的电压和频率,而无源微调用于将电阻器微调到精确的值和容差。

8、元素分离

由于多个组件同时放置在单个基板上,因此经常需要此步骤。因此,将这些组件相互分离对于晶圆切割是必要的。

9、组件集成

在这个阶段,组件可能需要通过焊接或引线键合工艺与印刷电路板上的其它电子组件集成。

厚膜电阻器的优势

厚膜电阻器的优点主要包括以下几点:

  • 高电阻值。
  • 温度性能非常高。
  • 耐压能力高。
  • 本质上是无感的。
  • 高精度和可靠性。
  • 更紧凑。
  • 温度范围更广。
  • 包装是完全封装的。
  • 便宜。

厚膜电阻器的缺点

厚膜电阻器的缺点主要包括以下几点:

  • 需要经常用硼硅酸盐玻璃进行外涂层,以防止它们受到化学侵蚀、环境影响等。
  • 不坚硬。
  • 对静电放电电压非常敏感。

后膜电阻器的主要应用

厚膜电阻的应用非常广泛,下面简单列举几点:

  • 几乎可用于所有具有交流插头或电池的电气设备。
  • 最常用于电子和电气设备。
  • 普通的电脑包括1000以上的厚膜电阻。

总结

以上就是关于厚膜电阻器的的工作原理、种类、制作工艺、优点、缺点及其应用等相关基础介绍。目前厚膜电阻器在电子和电器领域应用非常广泛,所以在使用之前务必对其基础知识要有所掌握。

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