必須了解的薄膜電阻技術(shù)的3大進(jìn)步

 自從八十多年前首次提供金屬化玻璃和破裂的碳膜以來，薄膜電阻器技術(shù)已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路，作為替代線繞和復(fù)合材料的替代方法。金屬氧化物是在1950年代出現(xiàn)的，它是一種更穩(wěn)定的膜，并被廣泛應(yīng)用，直到將其研磨成用于精密的金屬膜（金屬膜電阻）和用于高功率用途的厚膜（大功率貼片電阻）為止。然后，這兩種技術(shù)都以新興的SMD芯片格式采用。這一點(diǎn)在三十多年前就已實(shí)現(xiàn)，并在當(dāng)今的薄膜電阻器產(chǎn)品中得到了很大的體現(xiàn)。但是，認(rèn)為薄膜電阻器的沒有任何變化是錯(cuò)誤的。

本文確定了持續(xù)發(fā)展的三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，并概述了正在做出的一些響應(yīng)。首要的驅(qū)動(dòng)因素是減少環(huán)境影響，當(dāng)務(wù)之急是通過立法法規(guī)和間接的消費(fèi)者壓力。此后，安全操作區(qū)域的持續(xù)擴(kuò)展，推回了限制模擬電路小型化的電氣額定值極*。后，通過為太空和軍事應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)過渡，可以滿足在工業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中對(duì)更高水平的穩(wěn)定性和可靠性的不斷增長(zhǎng)的需求。

確定了對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素的兩個(gè)響應(yīng)。首先是減少了小型化所反映的整體材料使用量，其次是消除了有害物質(zhì)。在厚膜電阻器領(lǐng)域，這可以從用于配制膜材料的玻璃中去除氧化鉛中看出。考慮在何種程度上減少了對(duì)相關(guān)RoHS豁免的持續(xù)更新的依賴。

對(duì)于第二個(gè)驅(qū)動(dòng)器，復(fù)查了定義電阻器安全工作區(qū)域的三個(gè)電氣額定值。連續(xù)額定功率，限制元件電壓和脈沖能量限制。每個(gè)都已定義，并通過實(shí)際示例介紹了中度和極端過載的結(jié)果和故障機(jī)理。討論了這三個(gè)額定值對(duì)電阻元件的材料，尺寸和幾何形狀的依賴性，并參考了將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為SMD格式并*小化占位面積的持續(xù)趨勢(shì)。然后給出了相對(duì)于這些額定值的商用厚膜貼片電阻器的當(dāng)前狀態(tài)，并討論了多組件解決方案及其隱性成本。然后介紹現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)，從而可以擴(kuò)展三個(gè)等級(jí)。

與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的終驅(qū)動(dòng)力正在促使氮化鉭技術(shù)從其高可靠性起源發(fā)展成為精密電阻器應(yīng)用的主流。將檢查與替代材料有關(guān)的差異以及高度加速的壽命測(cè)試所表明的性能優(yōu)勢(shì)。

盡管與半導(dǎo)體甚至其他無源元件相比，變化的速度似乎很慢，但薄膜電阻器技術(shù)的發(fā)展在21世紀(jì)仍在繼續(xù)。

驅(qū)動(dòng)程序1：減輕環(huán)境影響

小型化

在給定的加工條件下，零件制造對(duì)環(huán)境的影響很大程度上取決于每件物品消耗的材料質(zhì)量。如表1所示，這種情況已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的下降趨勢(shì)，并且在可預(yù)見的將來還將持續(xù)下去。從廣義上講，我們看到的流行率較高的組件數(shù)量大約每十年減少一半，這表明該比率呈下降趨勢(shì)。與摩爾定律正受到嚴(yán)格??的加工限制所限制的不同，片式電阻器的按比例縮小始終受運(yùn)行中產(chǎn)生熱量的先天要求以及設(shè)計(jì)人員要求的額定功率所限制。當(dāng)電阻器的額定值下降至單毫瓦范圍時(shí)，這很有可能將小型化帶入一個(gè)虛擬的停滯點(diǎn)，盡管比晶體管預(yù)期的停止更緩慢。此外，應(yīng)該注意的是，較大的舊尺寸永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí)。即使比例很低，即使是1980年代的2512尺寸的貼片電阻器都可以正常使用。

尺碼 1206 0805 0603 0402 0201 01005 其他

峰值比例使用年份 1990年代中期 1990年代后期 2000 2010年 2024年1 2035年1

2019比例用法 4％ 7％ 17％ 33％ 28％ 9％ 2％

相對(duì)于1206的典型質(zhì)量 100％ 52％ 20％ 6.0％ 1.6％ 0.78％

每克電阻的典型數(shù)量 111 214 555 1,850 6,940 14,230

有害物質(zhì)

鉛（Pb）長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是嚴(yán)重的環(huán)境危害。它對(duì)人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作具有有害影響，當(dāng)兒童接觸該系統(tǒng)時(shí)，這種影響尤其嚴(yán)重。根據(jù)1960年代進(jìn)行的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在1970年代和1980年代逐步淘汰了石油，油漆和其他家用產(chǎn)品中的鉛，并且進(jìn)一步的立法措施逐步將其從我們?nèi)粘Ｉ畹拇蟛糠址矫娓?/p>

有害物質(zhì)限制指令2002/95 / EC（RoHS）的立法旨在從電子組件中去除金屬鉛，以及汞和鎘等其他有害成分，并用對(duì)生態(tài)沒有嚴(yán)重影響的替代品代替。該法規(guī)于2006年生效，盡管大多數(shù)供應(yīng)商在實(shí)施前已經(jīng)遵守了該法規(guī)。值得一提的是，RoHS指令有某些例外情況-在實(shí)施時(shí)，找不到可行的替代品。

在厚膜電阻器中，可以證明需要豁免的區(qū)域之一，直到今天，仍允許將氧化鉛化合物摻入其玻璃元件中。盡管環(huán)境更加穩(wěn)定，因此對(duì)眼前的威脅較小，但仍有這些有毒重金屬化合物隨時(shí)間推移進(jìn)入周圍環(huán)境，并從填埋場(chǎng)滲入地下水的風(fēng)險(xiǎn)。由于越來越多的人擔(dān)心現(xiàn)在會(huì)收集大量電子廢物，因此，目前正面臨著新的壓力，要求縮小現(xiàn)有豁免的范圍，并使法規(guī)更加嚴(yán)格。

對(duì)于OEM而言，重要的是要意識(shí)到當(dāng)前實(shí)行的RoHS豁免必須接受定期審查。因此，存在已經(jīng)被指定為電子設(shè)計(jì)中的組件不再在豁免范圍內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。顯然，這對(duì)于沒有做好充分準(zhǔn)備的OEM可能會(huì)帶來嚴(yán)重且極其昂貴的影響，并且這現(xiàn)在導(dǎo)致某些OEM采取先發(fā)制人的行動(dòng)。

有關(guān)RoHS豁免7（c）-I“玻璃或陶瓷材料中包含鉛的電氣和電子組件”的下一次審核定于2021年進(jìn)行，在此審核過程中，厚膜電阻器中可能包含氧化鉛。受到嚴(yán)格審查。OEM要求使用組件，以便在做出RoHS免除更改時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行過時(shí)的驗(yàn)證。因此，當(dāng)期限迫在眉睫時(shí)，他們將不必?fù)?dān)心會(huì)分配額外的時(shí)間和工程資源來進(jìn)一步修改。

從玻璃中去除厚膜材料中的鉛氧化物并不容易，而且這樣做常常會(huì)帶來相關(guān)的電性能損失1。該領(lǐng)域的研究實(shí)際上早于初的RoHS實(shí)施，但到2000年代中期，已開始生產(chǎn)適用于商用電阻器的材料。標(biāo)準(zhǔn)芯片電阻器的綠色版本已經(jīng)可用了幾年，并且在技術(shù)要求較低的情況下也可以接受。但是，這些尚未接近達(dá)到解決高端應(yīng)用程序所需的基準(zhǔn)。近，隨著一家提供由“綠色”厚膜材料制成的高壓片式電阻器的制造商，這種情況開始發(fā)生變化。這能夠匹配由常規(guī)材料制成的相似零件的額定值，但尚不能完*在整個(gè)歐姆值范圍或相同的溫度系數(shù)下。

TT Electronics的綠色高壓芯片（GHVC）于2018年末推出，目標(biāo)是混合動(dòng)力汽車（HEV），工業(yè)自動(dòng)化，臨床醫(yī)療和家庭醫(yī)療保健應(yīng)用，它們將在高壓感應(yīng)或電路保護(hù)功能中發(fā)揮作用。盡管在所有形式的電子設(shè)計(jì)中都非常重要，但面向未來的方面在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂刑厥鈨r(jià)值，因?yàn)槭褂镁G色組件不僅意味著可以避免重新設(shè)計(jì)，而且可以避免繁瑣的重新認(rèn)證程序。

早期的經(jīng)驗(yàn)表明，通過使用更的材料并實(shí)施新的制造工藝，但不必在設(shè)備升級(jí)上花費(fèi)任何大筆資金，向完*無鉛戰(zhàn)略的遷移并不能代表生產(chǎn)成本的大幅增加。因此，價(jià)格點(diǎn)實(shí)際上與含氧化鉛的產(chǎn)品相同。初，人們平均預(yù)期GHVC的價(jià)格會(huì)上漲20％左右-盡管隨著銷量需求的增加和規(guī)模經(jīng)濟(jì)的開始，預(yù)計(jì)價(jià)格會(huì)下降。

在將RoHS豁免7（c）-I視為完*多余之前，綠色厚膜材料需要克服一些困難。其中包括降低溫度系數(shù)，該系數(shù)可以高達(dá)傳統(tǒng)材料的兩倍，并提高對(duì)高溫瞬時(shí)溫度事件的穩(wěn)定性，這將使高浪涌能量產(chǎn)品的過渡成為可能。

驅(qū)動(dòng)程序2：擴(kuò)展SOA

介紹

自從1970年代問世以來，厚膜片式電阻器的設(shè)計(jì)幾乎沒有改變。從專業(yè)開始，它們已成為所有產(chǎn)品領(lǐng)域小信號(hào)應(yīng)用中的主要電阻元件。但是，緊湊型結(jié)構(gòu)支撐了它們的流行，也對(duì)它們的電氣額定值施加了嚴(yán)格的限制。這部分是因?yàn)閷?duì)于電阻器而言，通孔格式?jīng)]有完*消失的原因。

但是，持續(xù)開發(fā)和部署SMD處理技術(shù)給元件制造商帶來了壓力，要求它們將盡可能多的范圍轉(zhuǎn)換為幾乎無處不在的芯片格式。盡管此過程總是存在局限性，但近年來，創(chuàng)新的芯片解決方案將其推向了極*。TT Electronics自1960年代就開始涉足厚膜技術(shù)，一直處于該領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)的前沿。

驅(qū)動(dòng)程序3：提高穩(wěn)定性和可靠性

薄膜技術(shù)

如今，絕大多數(shù)薄膜貼片電阻器將濺射的鎳鉻合金薄膜（NiCr）用于電阻元件。這項(xiàng)技術(shù)是TT Electronics IRC在1950年代開發(fā)的，如今已被廣泛使用。Bell Labs在1960年代開發(fā)了第二種方法。它使用氮化鉭（TaN），其*大優(yōu)勢(shì)是完*不易受潮，因此成為可靠性的應(yīng)用的優(yōu)選技術(shù)。

NiCr薄膜具有固有的缺點(diǎn)，即當(dāng)水分與薄膜接觸并施加電壓時(shí)，它們會(huì)在幾秒鐘內(nèi)分解。TaN能夠經(jīng)受住這種結(jié)合，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的保護(hù)性氧化層。它是自我鈍化的。該層中的材料是五氧化鉭，它用作鉭電容器中的電介質(zhì)，并使得鉭幾乎不受化學(xué)腐蝕的影響。這類似于鋁的更熟悉的行為，鋁形成了一種薄的，機(jī)械穩(wěn)定的氧化物，可防止像鐵中的銹蝕那樣進(jìn)行性氧化。但是，由于常規(guī)TaN工藝的成本相對(duì)較高，到目前為止，它僅被部署在高可靠性應(yīng)用中，例如軍事和航空航天，高端計(jì)算機(jī)服務(wù)器和某些關(guān)鍵醫(yī)療產(chǎn)品。

TaN電阻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13和14所示。它們分別顯示了通過濺射沉積后和氧化物生長(zhǎng)過程之后的典型薄膜結(jié)構(gòu)。通常在電阻器元件上添加印刷的環(huán)氧樹脂層（未顯示），這可以提供機(jī)械保護(hù)和絕緣，但重要的是，它不依賴于耐濕性。

結(jié)論

按照更廣泛的電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，薄膜電阻器技術(shù)的使用壽命很長(zhǎng)。從20世紀(jì)30年代起源它仍在不斷發(fā)展，以滿足21日世紀(jì)的挑戰(zhàn)。特別是它正在適應(yīng)滿足減輕短壽命電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響的需求。此外，它仍在推翻安全工作區(qū)域的限制，以滿足高壓（高壓貼片電阻）或耐浪涌（抗浪涌貼片電阻）緊湊型設(shè)計(jì)的需求。后，對(duì)高可靠性薄膜的重新設(shè)計(jì)使其能夠擴(kuò)展到新的市場(chǎng)領(lǐng)域。