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確性，事實(shí)上這種準確性受很多因素的影響。這些影響阻值準確性的因素統稱(chēng)為“應力”。應力來(lái)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(lái)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(guò)載、靜電、輻射等等。所有上面提到的“應力”都會(huì )使電阻的阻值產(chǎn)生變化，就是說(shuō)影響電阻的阻值精度，那么什么樣的電阻才是精密電阻？答案是穩定性和精確性并存的電阻。

 

 

電阻的阻值會(huì )受到各種“應力”影響而發(fā)生改變，離開(kāi)穩定性的高精度是沒(méi)有意義的。舉個(gè)例子，電阻出廠(chǎng)時(shí)的精度是±0.01%，為這個(gè)精度我們支付了昂貴的費用，但在幾個(gè)月的存儲或者幾百小時(shí)的負載后阻值可能變化超過(guò)±300ppm甚至更多。另一種最常見(jiàn)的情況是電阻在來(lái)料檢驗的時(shí)候在標稱(chēng)的精度范圍以?xún)?，焊接到PCB后就超出了標稱(chēng)的精度范圍。還有比如潮濕，靜電等都會(huì )導致電阻的阻值產(chǎn)生不可逆的變化。

 

我們要強調的是，穩定性應該放在首位來(lái)考慮，而不是片面的追求高精度。

 

 

1） 精度：精度是來(lái)料檢驗的重要指標，是否所有的精密電阻生產(chǎn)廠(chǎng)家在出廠(chǎng)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分，但幾乎所有的精密電阻都需要進(jìn)行調阻才能做到“高精密”。比如精密薄膜電阻在表面進(jìn)行激光調阻，而精密箔電阻通過(guò)切斷調阻帶來(lái)調阻等。調阻的過(guò)程事實(shí)上是測量的過(guò)程，但調阻后的產(chǎn)品并非成品，還要經(jīng)過(guò)封裝等一些后續工藝，這一過(guò)程可能會(huì )對電阻的阻值造成影響。另外測量?jì)x器的準確性和正確的測量方法也相當重要，尤其對于超過(guò)萬(wàn)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：在電阻的規格書(shū)里，我們往往只看到一個(gè)溫漂指標，比如±5ppm/°C。實(shí)際的情況是很可能這個(gè)溫漂指標并沒(méi)有覆蓋產(chǎn)品需求的工作溫度范圍，就是說(shuō)在不同的溫度區間內，同一電阻的溫漂是有區別的。應該說(shuō)大多數的精密電阻廠(chǎng)家的規格書(shū)里并沒(méi)有明確定義不同溫度區間的溫漂指標，有些廠(chǎng)家只在整個(gè)工作溫度范圍內挑選其中最好的一段曲線(xiàn)作為規格書(shū)中的溫漂指標，這是一個(gè)普遍的現象。

 

還有一個(gè)事實(shí)是溫漂的指標在出廠(chǎng)前很難被100%測量，測量需要昂貴的費用，另外要進(jìn)行精確的測量可能對產(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(guò)程帶來(lái)的應力會(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(guò)使用特殊的低溫漂合金以及應力補償的方式達到接近零溫漂的性能。

 

3） 負載壽命：負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(zhù)使用時(shí)間越長(cháng)越是趨于穩定。這是由于隨著(zhù)時(shí)間的推移，電阻元素本身趨于穩定，或者電阻元素和基體之間的應力逐漸釋放。負載壽命的指標只能通過(guò)抽樣測試的形式進(jìn)行監測，因為這種測試至少需要1千小時(shí)，航天的應用則可能需要高達1萬(wàn)小時(shí)的測試，且這種測試是破壞性的實(shí)驗。對精密電阻在使用前進(jìn)行功率訓練可以有效的加速電阻老化，使電阻趨于穩定，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(lái)考察電阻在標準或者指定存儲條件下的阻值穩定性。和負載壽命一樣，電阻存放的時(shí)間越長(cháng)，其阻值的變化也會(huì )趨于穩定。這就是為什么有些精密儀器制造廠(chǎng)家采購精密電阻并不立即使用，而是存儲幾個(gè)月甚至幾年再去使用的原因。當然存儲會(huì )導致電阻阻值的改變，但這種變化的趨勢是越來(lái)越小。所以對于老批號的電阻，只要精度在標稱(chēng)值以?xún)?，且焊腳沒(méi)有氧化，其穩定性要優(yōu)于新批號的電阻。電阻的存儲尤其要注意濕度控制，濕度對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。作為計量應用的標準電阻會(huì )被注油后全密封，從而隔絕外部環(huán)境應力對于阻值的影響，減少該電阻的年變化率。

 

 

1） 精密厚膜電阻

 

通過(guò)對厚膜電阻漿料的持續改進(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(guò)使用多個(gè)可以互相補償的厚膜電阻芯片最終達到±2ppm/°C的溫漂。其最高精度也可以達到±0.01%。在高壓高阻值高精密的應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，噪聲指標也不好，長(cháng)期穩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(guò)長(cháng)時(shí)間多層的膜層沉積，高精密的調阻和后期的篩選，最優(yōu)的精密薄膜電阻可以達到±2ppm/°C的溫漂和±0.01%的精度，以及很好的長(cháng)期穩定性。其缺點(diǎn)是功率做不大，低阻值部分指標不好，不抗靜電，功率系數差，很難滿(mǎn)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指標和精密薄膜電阻類(lèi)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，由于調阻會(huì )造成熱點(diǎn)效應，影響電阻的穩定性和可靠性。

 

4） 精密線(xiàn)繞電阻

 

作為最早的精密電阻技術(shù)，高精密的線(xiàn)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(méi)有辦法做到的。最好的精密線(xiàn)繞電阻其阻值可以做到接近50M，適合超精密高阻值的應用。由于其他電阻技術(shù)的發(fā)展，精密線(xiàn)繞電阻趨于被淘汰的邊緣，因為其價(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(guò)把鎳鉻合金黏貼在陶瓷基板上進(jìn)行應力平衡，得到接近于零的溫漂，通過(guò)激光刻蝕電阻圖形以及調阻，可以得到高達±0.001%的精度。最好的箔電阻存儲6年阻值僅漂移±2ppm，抗靜電，無(wú)感無(wú)容，無(wú)熱點(diǎn)設計，低噪聲，低電壓系數。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。

 

 

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。因為只有合金材料的電阻才能在低阻值大電流的情況下保持穩定，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(lèi)電阻價(jià)格的主要因素。由于其主要應用是電流檢測，所以四腳的結構有利于精密采樣。使用更大尺寸或預留更多的功率空間，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歐姆之間對于任何電阻技術(shù)都是一個(gè)挑戰。因為這個(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合來(lái)平衡溫漂，而短的電流路徑也不利于精密調阻。精密薄膜電阻和精密金屬膜電阻很難在這個(gè)阻值范圍內提供出色的溫漂，最好只能到±20ppm/°C，在有限的溫度范圍以?xún)瓤赡軙?huì )好一些。精密線(xiàn)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(xiàn)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)阻值范圍內溫漂可以控制在±5ppm/°C以?xún)?，精度可以做?plusmn;0.1%或者更好，貼片和插腳都可以提供。

 

3） 10歐姆到150K歐姆是常規阻值段，在這個(gè)阻值范圍內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，或者對長(cháng)期穩定性有很高要求的應用場(chǎng)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(cháng)期穩定性要求不那么高的場(chǎng)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廠(chǎng)家很多，參數的標注都大同小異，但實(shí)際的性能差距很大，溫漂及精度超標的情況很多，長(cháng)期穩定性和噪聲等指標不同品牌之間的差距巨大。

 

4） 超過(guò)150K到1M的阻值范圍屬于中間阻值段。在這段區間內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，因為需要使用多個(gè)電阻芯片來(lái)達到需要的阻值。有一些插腳薄膜電阻可以提供低至±5ppm/°C的溫漂，但長(cháng)期穩定性差于精密箔電阻。插腳的精密線(xiàn)繞電阻也可以滿(mǎn)足高精度和低至±2ppm/°C的溫漂，但價(jià)格沒(méi)有優(yōu)勢。

 

5） 1M到50M之間對于精密電阻來(lái)說(shuō)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(lèi)似于薄膜電阻，但可以支持整個(gè)區間的阻值。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(xiàn)繞電阻，單個(gè)電阻可以提供高達50M的阻值，低至±2ppm/°C的溫漂和高達±0.001%的精度，尤其是在長(cháng)期穩定性發(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，因為只有厚膜技術(shù)才能在高壓下工作并提供高的阻值。這類(lèi)高壓應用的電阻的重要技術(shù)指標有電壓系數，電壓安定性，長(cháng)期穩定性，噪聲，溫漂，精度。尤其是電壓系數和電壓安定性的指標非常重要，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，因為部分絕緣介質(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的好壞。另外一些應用場(chǎng)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(lái)存在的也可能是調阻后新增的，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。

 

上面通過(guò)分段的阻值簡(jiǎn)單介紹了下精密電阻的選擇，實(shí)際的情況要復雜的多。參考實(shí)際的應用選擇恰當的精密電阻相當重要，但所有的應用重點(diǎn)考慮的電氣參數不外乎長(cháng)期穩定性，溫度系數，絕對精度，功率系數，電壓系數，噪聲。

 

 

1） PCB應力：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，從而傳遞應力到電阻層，影響到電阻的阻值和長(cháng)期穩定性。在一些溫度變化非常劇烈的場(chǎng)合甚至會(huì )出現斷裂的問(wèn)題。而插腳的電阻通過(guò)細長(cháng)的焊腳釋放了PCB傳遞的應力，所以不會(huì )存在貼片電阻的問(wèn)題。

 

2） 環(huán)境應力：潮濕，硫，鹽霧等都會(huì )對電阻的阻值產(chǎn)生影響。貼片的精密電阻一般保護層要明顯弱于插腳電阻，所以隔絕外部環(huán)境應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部注油，完全隔絕了外部環(huán)境因素對于電阻阻值的影響，這種電阻可以作為二級計量標準使用。

 

3） 焊接應力：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(chǎng)合不得不使用貼片的精密電阻，有些是為了成本考慮，有些是因為安裝空間或自動(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)，能有效應對各種應力的影響。

 

 

電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝皇请妼W(xué)計量中的基本單位，電阻的單位起初是以保存在國際計量局的一組線(xiàn)圈的平均值作為1歐姆的實(shí)物基準，各國定期依據和國際計量局的實(shí)物基準比對結果修正自己的實(shí)物基準。但實(shí)物基準本身也會(huì )由于不可控的環(huán)境應力發(fā)生退化。為此，國際計量局在1990年后推薦各國使用量子化霍爾電阻標準替代實(shí)物電阻標準，量子霍爾電阻從根本上解決了實(shí)物基準隨時(shí)間退化的問(wèn)題。量子霍爾電阻把阻值傳遞給各級標準電阻，各級標準電阻再把阻值傳遞給精密電橋和測量?jì)x器。

 

用多個(gè)全密封注油的精密箔電阻經(jīng)過(guò)匹配，可以制造出性能優(yōu)異的計量級別的標準電阻，這種標準電阻無(wú)需存放在控溫油槽，年穩定性可以達到±1ppm/年。2015年一項基于合金箔片的無(wú)應力標準電阻正式量產(chǎn)，這種標準電阻的年穩定性可以達到±0.2ppm/年，溫漂±0.05ppm/°C，精度為±1ppm。目前基于合金箔片的標準電阻是全世界最精密最穩定的標準電阻技術(shù)，也是未來(lái)標準電阻的發(fā)展方向。

 

 

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(lái)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(mǎn)足了大多數精密應用需求。同時(shí)我們也面臨一些挑戰，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(lái)源于電子技術(shù)設計。