楊賢軍，王 勇，徐永紅，喻文新，吳傳軍，吳 達(dá)，余小玲

(1.重慶川儀自動化股份有限公司金屬功能材料分公司，重慶 400702；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)院工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

片式電阻又稱貼片電阻，是適用于表面貼裝技術(shù)(surface mount technology,SMT)的新一代無引線或短引線微型電子元件。片式電阻在電路內(nèi)的主要作用為降低電壓、分擔(dān)部分電壓、限流保護電路及分流等，也可以用于時間電路元件和傳感器等[1-2]。片式電阻按電阻體分類，可分為厚膜電阻、薄膜電阻、金屬箔電阻。膜電阻的電阻體采用具有一定電阻率的電阻漿料，印刷在陶瓷基板上；金屬箔電阻是將電阻合金箔材粘貼到基板上。金屬箔電阻相對于膜電阻、繞線電阻的優(yōu)點如下[3-4]。

①較金屬膜電阻器電阻溫度系數(shù)小，通常為(-1～+1)×10-6/℃(0～+60 ℃)、(-5～+5)×10-6/℃(-55～+125 ℃)。

②相同厚度的金屬箔，在相同環(huán)境條件下具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

③具有更高的長期穩(wěn)定性(ΔR/R≤0.5%)，通過精確調(diào)阻，可使電阻精度達(dá)到±0.005%。

④與線繞電阻器相比，電阻體采用的金屬箔為平面狀，可做到小型化，并可根據(jù)實際需要設(shè)計形狀，因而易于在印刷電路板上安裝。

⑤殘余感抗小，頻率特性顯著改善，電學(xué)性能良好。

⑥電阻體采用金屬合金，組織均勻致密，負(fù)載時發(fā)熱量小、功耗低、噪聲小。

鑒于上述特性,金屬箔電阻在電子工業(yè)方面獲得廣泛應(yīng)用，特別是在高精度、高可靠、高穩(wěn)定性、使用條件嚴(yán)苛的環(huán)境下有著不可替代的優(yōu)勢。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

隨著航空、航天、航海、移動通信、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，對精密電阻的電阻溫度系數(shù)、功率系數(shù)、長期穩(wěn)定性、抗靜電能力、熱電勢、噪聲等參數(shù)的要求越來越高。目前，國外超精密金屬箔電阻溫度系數(shù)最低僅為0.14×10-6/℃，且長期穩(wěn)定性優(yōu)異；高精密電阻合金箔材的厚度在10 μm以下，電阻溫度系數(shù)為(-5～+5)×10-6/℃；國外先進企業(yè)已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)厚度在20 μm以下、電阻溫度系數(shù)為(-10～+10)×10-6/℃的鎳鉻系精密電阻合金箔材[4]。

Alpha Electronics公司采用鎳鉻系精密電阻合金生產(chǎn)的高精密金屬箔電阻Bulk Metal?Foil Resistor，已通過美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)批準(zhǔn)，被應(yīng)用于NASA太空宇航項目中的氣象衛(wèi)星計劃和卡西尼號土星項目。該超精密箔電阻基于一個平面結(jié)構(gòu)，將冷軋成箔片的鎳鉻合金粘貼到平面陶瓷基板上。經(jīng)精確調(diào)整，其溫度系數(shù)可低至0.14×10-6/℃，最高精度達(dá)0.005%，電阻長期穩(wěn)定性為5×10-6/年、10×10-6/3年。

德國Isabellenhütte是精密合金及電阻元件生產(chǎn)商，能生產(chǎn)出NiCr系改良合金ISAOHM微細(xì)絲，電阻率為132 μΩ·cm，電阻溫度系數(shù)最高精度為(-5～+5)×10-6/℃。但其不能生產(chǎn)箔材，需要通過外協(xié)加工。

日本TOKKIN株式會社主要從事特殊金屬生產(chǎn)加工，擁有多臺多輥軋機，其精密箔材軋制技術(shù)世界領(lǐng)先。其能批量生產(chǎn)NiCr系NCH-1、NCH-2兩種牌號合金箔材，電阻率分別為108 μΩ·cm、112 μΩ·cm，箔材最薄可軋至10 μm，NiCr系箔材厚度僅為(30±1.5)μm、寬度為3～300 mm。但其NiCr系產(chǎn)品的坯料由NEOMAX(日本)提供，暫無法自主生產(chǎn)。

美國Arnold Magnetic Technologles擁有多臺ZR24、ZR32多輥軋機。其鎳基合金超薄箔材精密軋制技術(shù)先進，可批量生產(chǎn)一定卷重、表面質(zhì)量高、厚度可達(dá)10～25 μm的Karma、Evanohm合金箔材。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的高精密片式電阻，特別是高精密金屬箔電阻的研發(fā)仍處于較低水平，電阻精度很難達(dá)到1%以內(nèi)，電阻溫度系數(shù)也較大。隨著國內(nèi)近期在航空、航天、國防軍工領(lǐng)域需求的增加，一批老的國有骨干企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新取得一系列突破[1]。

山東航天正和電子有限公司(原山東濟寧無線電三廠)通過引進、消化、吸收，生產(chǎn)的RJ711(RCK)金屬箔電阻器已應(yīng)用于多種型號的運載火箭及戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈慣性測量系統(tǒng),并成功應(yīng)用于神舟飛船。但其主要技術(shù)指標(biāo)與國際先進水平相比還存在較大差距，電阻溫度系數(shù)精度最高只能達(dá)到(-5～+5)×10-6/℃。

20世紀(jì)80年代至90年代初，重慶材料研究院在國內(nèi)率先開展了超薄電阻應(yīng)變箔二十輥精密軋制技術(shù)研究，先后制備出康銅、Karma、Evanohm、鐵鉻鋁應(yīng)變箔樣品。其生產(chǎn)的康銅、Karma、Evanohm、鐵鉻鋁等箔材樣品厚度僅10～25μm。但是，其尺寸精度無法滿足精密電阻合金箔材中試產(chǎn)品的需求；同時，軋制樣品表面質(zhì)量與國外產(chǎn)品相差較大，未形成批量生產(chǎn)。

北冶功能材料公司是國內(nèi)專門從事金屬功能材料科研、試制、生產(chǎn)的重要基地之一，能批量生產(chǎn)NiCr系高溫合金和電熱合金，擁有從熔煉到冷軋的全套生產(chǎn)線及較為先進的多輥軋機。其能批量生產(chǎn)Ni80Cr20冷軋帶材尺寸為(0.05～1.00)mm×(100～300)mm，公差能達(dá)到±5μm；但該產(chǎn)品電阻率小于120 μΩ·cm。該公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于電熱、高溫合金領(lǐng)域，但較少涉足高精密電阻合金。

重慶川儀自動化股份有限公司是國內(nèi)生產(chǎn)電阻合金的傳統(tǒng)骨干企業(yè)。該公司于20世紀(jì)80年代研發(fā)出鎳鉻改良型合金，目前能批量生產(chǎn)50 μm絲材及帶材。2016年，該公司承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“鎳鉻電阻合金箔材開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”課題(2016YFB0402603)；目前，正在著手進行20 μm以下箔材的研發(fā)。其生產(chǎn)的絲、帶材已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電阻龍頭企業(yè)，箔材小批量供應(yīng)片式電阻行業(yè)[5]。

2 金屬箔電阻最新技術(shù)及發(fā)展趨勢

2.1 精密調(diào)阻

電阻元件的電阻精度控制主要從兩方面進行。

一是精確控制電阻體尺寸、提高電阻率穩(wěn)定性。這需要采用高精度箔材軋制技術(shù)，即提高合金箔材尺寸精度，以及冶金質(zhì)量以及電阻率的均勻性、一致性，并選用長期穩(wěn)定性優(yōu)異的精密電阻合金。鎳鉻改良型電阻合金就是其典型代表。

二是電阻成品的精確調(diào)控。調(diào)阻方法眾多，其主要原理是通過改變電阻體積來實現(xiàn)電阻值調(diào)整。目前，常用的調(diào)阻方法包括激光調(diào)阻和蝕刻。激光調(diào)阻是較為常見的電阻值修調(diào)方法。激光調(diào)阻的基本原理是將適當(dāng)功率密度的激光束聚焦在電阻膜上，電阻材料因受高溫在瞬間被氣化。隨著激光束的刻蝕，電阻膜受切割,電阻體的導(dǎo)電截面積減小，阻值上升。激光在電阻膜上的掃描路徑稱為調(diào)阻圖形，激光調(diào)阻精度與調(diào)阻圖形有關(guān)。由于受激光束控制難易程度的影響，調(diào)阻圖形為直線或直線組合[6]。

調(diào)阻的具體操作過程是將金屬箔綁定到基板上，根據(jù)客戶需要的阻值進行激光切割或蝕刻。圖1為調(diào)阻示意圖，調(diào)阻點為圖中A到E點。例如，在C點通過切割金屬箔，可增加電流路徑，從而增大阻值。在調(diào)阻點上切割，可使阻值精度高達(dá)±0.001%。由于調(diào)阻點不參與電流路徑，不會產(chǎn)生電子噪聲和性能變化。

圖1 調(diào)阻示意圖Fig.1 Schematic diagram of resistance debugging

2.2 電阻溫度系數(shù)調(diào)整

在使用溫度范圍內(nèi)，高精密電阻的電阻溫度系數(shù)應(yīng)盡可能小。精密電阻合金中，大部分材料電阻溫度系數(shù)范圍為(-50～+50)×10-6/℃，而鎳鉻改良型電阻合金的電阻溫度系數(shù)范圍能達(dá)到(-5～+5)×10-6/℃。但要實現(xiàn)更低的電阻溫度系數(shù)，必須對電阻進行二次調(diào)整。電阻溫度系數(shù)的調(diào)整，主要通過調(diào)整電阻合金應(yīng)力應(yīng)變特性來實現(xiàn)。

20世紀(jì)90年代，菲勒克斯·贊得曼博士應(yīng)用應(yīng)力理論研制出片式電阻。這種片式電阻借助應(yīng)力補償電阻箔本身阻值對溫度變化特性。以精密電阻箔材作為電阻材料，用光刻或激光法制成特定的電阻圖形，經(jīng)調(diào)阻后綁定在陶瓷基板上。該種片式電阻具有形狀隨外力變化而變化的特點。這種變形被稱為“應(yīng)變”。

溫度變化能使片式電阻產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，使片式電阻在較寬的溫度范圍內(nèi)具有電阻溫度系數(shù)自動補償功能。該結(jié)構(gòu)片式電阻的電阻箔熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于陶瓷基板熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度升高時，電阻箔會沿長度方向伸長、沿寬度方向收縮；同時，電阻箔受到陶瓷基板的限制而產(chǎn)生壓應(yīng)力，在其長度方向上引起壓應(yīng)變，從而降低復(fù)合材料電阻。反之，當(dāng)溫度降低時，電阻箔受到拉應(yīng)力而引起電阻增大?？傊?，無論溫度升高或降低，電阻箔阻值變化與電阻箔在自由狀態(tài)下的阻值變化趨勢相反，實現(xiàn)了在一定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)自動補償[7]。

金屬箔電阻溫度變化如圖2所示。其中：25 ℃為參考溫度，60 ℃為環(huán)境溫度。

圖2 金屬箔電阻溫度變化示意圖Fig.2 Resistance vs.temperature curves of metal foil

由圖2可知，金屬箔電阻溫度系數(shù)(temperature coefficient of resistance,TCR)實際上是合金箔在自由狀態(tài)下的電阻溫度系數(shù)(TCR1)與應(yīng)力-應(yīng)變引起的電阻溫度系數(shù)(TCR2)的代數(shù)和，可表示為：

TCR=TCR1+TCR2=TCR1+Kε

(1)

式中：K為電阻箔應(yīng)變靈敏系數(shù)；ε為電阻箔應(yīng)變值。

由式(1)可知，對于給定的電阻箔材料，K為定值。要調(diào)整金屬箔電阻的電阻溫度系數(shù)，可利用電阻溫度系數(shù)自動補償原理選用適當(dāng)?shù)暮辖鸩牧稀．?dāng)金屬箔與陶瓷基板因熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)變ε，使TCR1+TCR2≈0，從而使金屬箔電阻的電阻溫度系數(shù)近似為零[8]。

2.3 電阻合金的選擇

鑒于以上論述，為適應(yīng)高精密金屬箔電阻的精度要求，在選擇電阻合金時必須注意兩方面因素：一方面要考慮其電阻率、電阻溫度系數(shù)；另一方面還應(yīng)當(dāng)考慮其應(yīng)變靈敏系數(shù)K，以及合金加工性能、焊接性能。

國內(nèi)外常用電阻合金成分與性能如表1所示[9]。其中：鎳鉻改良型合金具有電阻率高(約為康銅的3倍)，電阻溫度系數(shù)較低(±10×10-6/℃)、使用溫度范圍廣(-55～+125 ℃)、應(yīng)變靈敏系數(shù)高等特點。此外，該合金可以通過成分微調(diào)和熱處理工藝優(yōu)化，得到從負(fù)到正的電阻溫度系數(shù)，并可調(diào)整到最小值。這給在較大溫度范圍內(nèi)制作電阻溫度系數(shù)自補償提供了便利，是目前較好的金屬箔電阻體用材。

表1 常用電阻合金成分與性能Tab.1 Components and properties of resistance alloys

3 結(jié)束語

金屬箔電阻在航空、航天、移動通信、汽車電子等領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。高精密電阻合金箔材具有阻值高、精度高、耐蝕耐熱性好、穩(wěn)定性高、成本相對較低等優(yōu)點，已逐漸成為這類電子元器件材料的較好選擇。目前，國內(nèi)企業(yè)還需在以下幾個方面進行能力提升：①提高高精度軋制水平，使金屬箔尺寸精度、表面質(zhì)量達(dá)到使用要求；②研制加工性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的精密電阻合金材料，有利于滿足金屬箔電阻使用要求。

近期，國內(nèi)精密合金骨干企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新及能力提升，將實現(xiàn)高精度電阻合金箔材加工水平的跨越式發(fā)展。2016年，科技部批準(zhǔn)啟動的“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“高性能合金導(dǎo)電材料及其微細(xì)材加工關(guān)鍵技術(shù)研究和示范基地建設(shè)”中，設(shè)置了“鎳鉻電阻合金箔材開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”課題(2016YFB0402603)，提出達(dá)到世界領(lǐng)先水平技術(shù)指標(biāo)。這標(biāo)志著鎳鉻精密電阻合金及其箔材產(chǎn)品的研發(fā)，已得到了國家高度重視。目前，項目已研發(fā)出新型鎳鉻改良型電阻合金箔材，電阻率≥133 μΩ·cm、溫度系數(shù)為(-10～+10)×10-6/℃[5]，并有望在2018年實現(xiàn)厚度為(20±1)μm的高精度。這意味著我國高精密電阻合金箔材料將實現(xiàn)突破性發(fā)展。此外，國內(nèi)片式電阻企業(yè)也在加強對高精密金屬箔電阻加工技術(shù)的研究，通過對電阻、溫度系數(shù)的精確調(diào)整技術(shù)及設(shè)備創(chuàng)新，提高金屬箔電阻精度水平，從而替代進口產(chǎn)品，滿足我國相關(guān)行業(yè)應(yīng)用需求。

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