精密電阻陣列使電子電路穩定和小型化

發(fā)布時(shí)間:2012-2-24 16:43    發(fā)布者:1770309616
  電子電路繼續小型化的趨勢對電阻設計提出了新挑戰。例如,車(chē)輛中電子功能的增加使得單位面積電子器件的數量提升。這反過(guò)來(lái)在多方面影響到了無(wú)源器件——特別是電阻。這些器件需要變得更小,同時(shí)提供更高的精度和更佳的穩定度。更高的精度則需要通過(guò)更緊的容限和更低的溫度系數得以實(shí)現。
  薄膜芯片電阻陣列可以通過(guò)把多個(gè)在同一陶瓷基片上的多個(gè)電阻集成起來(lái),滿(mǎn)足縮減尺寸、更高精度、增加電氣穩定性的要求。通過(guò)集成這些器件,電阻陣列比相同數量的分立電阻需要更小的空間。這可以使得電子電路有更高的封裝密度,因此單位面積可以有更多的電子功能。此外,薄膜芯片電阻陣列還用于電阻的相對行為十分關(guān)鍵的應用,比如運放或直流到直流轉換器中的分壓器和反饋電路。
  本文將介紹薄膜芯片電阻陣列如何積極地影響電路的電氣穩定,同時(shí)減少需要的面積。以分壓器作為例子,我們將在文章中解釋相對參數“容差匹配”和“TCR跟蹤”,并討論電阻陣列的溫度行為。此外,這篇文章還會(huì )展示如何在生產(chǎn)過(guò)程中控制電阻的容差和溫度系數。
  相對容差(容差匹配)使用分壓器
  
  圖1:由R1和R2.組成的分壓器。
  圖1描述了由R1和R2組成的無(wú)負載分壓器,在分壓器的輸出引腳,由R1和R2以及其相對標稱(chēng)電阻值的偏差△決定的輸出電壓VOUT可以測量出來(lái):
  
  相對標稱(chēng)電阻的偏差稱(chēng)為絕對容差。如果兩項絕對容差△1和△2相等,則誤差項(1+△1)/(1+△2)等于1。電阻陣列可以獲得大致相等的容差。圖2展示的,是由4個(gè)電阻集成在一起的薄膜芯片電阻陣列的容差。
  
  圖2:電阻陣列的容差。
  在這個(gè)例子中,陣列的全部4個(gè)電阻阻值都在絕對容限±0.5%以?xún)。此外,對于精密電阻陣列還指定了容差匹配。其定義為最小和最大電阻偏差之間的跨度,為一個(gè)無(wú)符號數。在上面的例子中,容差匹配數值是0.1%。當和分壓器中單個(gè)電阻比較的時(shí)候,這相當于±0.05%.的偏差。
  相對溫度系數(TCR跟蹤)
  絕對溫度系數a描述了電阻值隨溫度的變化升高或降低的改變
  
  在上文中,J代表層溫度,單位是攝氏度(°C),RJ 是層溫度時(shí)的阻值,R20是20°C(參考溫度)時(shí)的阻值。在溫度J=20°C時(shí),△R/R20=0。根據公式(2),電阻的變化△R在較低溫度系數α會(huì )降低。正因如此,為了保證隨著(zhù)溫度的變化電阻的偏差較小,低的溫度系數(TCR)必不可少。TCR以ppm/K的形式給出。假如,環(huán)境溫度J由于附近器件的熱傳導、熱輻射或者對流升高到120°C,那么50-ppm/K的電阻會(huì )以±0.5%的比例改變阻值。溫度系數始終有一個(gè)定義的溫度范圍。典型的溫度范圍是–55°C到+125°C。對于苛刻環(huán)境下的汽車(chē)應用,比如引擎控制單元或齒輪箱控制,溫度范圍向上擴展到+155°C。圖3展示了薄膜芯片電阻陣列的TCR。
  
  圖3:TCR跟蹤。
  在這個(gè)例子中絕對TCR的限制是± 50 ppm/K。4個(gè)集成電阻R1, R2, R3, 和 R4 的TCR曲線(xiàn)落在限制范圍之內。對于精密電阻陣列,除了絕對溫度系數之外,還指定了相對溫度系數。相對TCR(TCR跟蹤)定義為4個(gè)集成電阻中最大和最小TCR之間的差別。在這個(gè)例子中,TCR跟蹤的數值時(shí)10 ppm/K,這相當于分壓器中用到的分立電阻溫度范圍為– 55 °C 到 + 125 °C 時(shí)TCR為± 5 ppm/K。和關(guān)于相對容差的討論類(lèi)似,就TCR跟蹤而言,四個(gè)電阻呈現出統一的行為特性,產(chǎn)生出我們希望得到的低TCR值。
  分壓器的溫度行為特性
  在印刷電路板上,通常情況下不同區域的本地環(huán)境溫度都有所不同。這是相鄰器件熱傳導、熱輻射和熱對流的結果。如果使用分立電阻,不同的環(huán)境溫度會(huì )導致不同的電阻變化。這種效應在圖4中給出了說(shuō)明。
  
  圖4:左-使用分立電阻時(shí)不同的本地環(huán)境溫度。右邊-使用集成電阻(電阻陣列)時(shí)相同的本地環(huán)境溫度。
  固定穩壓器的輸出電壓通過(guò)分壓器來(lái)調整(圖4,左)。2個(gè)分立電阻的阻值為R1=R2 =1kΩ,TCR為±50ppm/K。在印刷電路板(PCB)上其中一個(gè)位于另一個(gè)下面。固定穩壓器位于R1附近,由于熱輻射和對流導致環(huán)境溫度升高。這導致R1的溫度升高到+120°C。而R2的本地環(huán)境溫度維持幾乎不變,仍然是+20°C。R1和R2不同的溫度水平引起分壓器失配,這可以通過(guò)方程2計算得到。失配對包含電壓穩壓器的鄰近電路的影響可能會(huì )非常大。在最壞情況下,固定電壓穩壓器會(huì )不能提供要求的電壓穩定度,進(jìn)而使整個(gè)電路失效。
  可以通過(guò)盡量把R1和R2放置在一條等溫線(xiàn)上來(lái)降低這種效應。這樣做的話(huà),R2的環(huán)境溫度會(huì )和R1的溫度水平更接近。然而由于分立電阻的放置相互之間存在最小的某個(gè)距離,即使最小的可能距離也會(huì )導致不同的溫度水平。如果兩個(gè)電阻值不同(R1≠R2),那么情況會(huì )變得更糟。由于阻值不等,消耗的功率也不同(P1≠P2),導致電阻間不同的溫度水平。
  電阻陣列為確保所有的集成電阻有相同的環(huán)境溫度提供了一種很好的選擇。由于電阻集成的關(guān)系,這些陣列體現出統一的溫度行為特性。陶瓷基板具有很好的熱傳導,所以所有的集成電阻都大致處于相同的熱水平。因此,固定穩壓器提供的輸出電壓在最初近似時(shí)可認為不受溫度影響。
  實(shí)現
  容差  薄膜芯片電阻或薄膜芯片電阻陣列的容差,可通過(guò)激光處理過(guò)程進(jìn)行調整。激光束把諸如一種繞線(xiàn)結構削成電阻層,如圖5所示。在調整的過(guò)程中,電阻值一直在被監控,從而使得最終的電阻值位于需要的容限之內。
  
  圖5:薄膜芯片電阻陣列中的繞線(xiàn)結構。
  溫度系數  薄膜電阻的溫度系數受多個(gè)流程參數影響,包括合金成分、涂層流程(濺射流程)以及接下來(lái)的溫度調節。為了獲得低的溫度系數,所有這些流程的每一個(gè)參數都需要高準確度的完成。接下來(lái)的熱處理會(huì )調整薄金屬層的溫度系數,根據這項熱處理的持續時(shí)間和溫度,溫度系數從最初的負逐漸增加到正,也就是說(shuō)薄層的電氣行為特性變得日益金屬化。
  產(chǎn)品
  薄膜芯片電阻陣列包含多個(gè)集成在同一個(gè)基板的電阻,定義了相對容差和相對溫度系數,制造過(guò)程使得相同陶瓷載體上可以實(shí)現統一或不同的電阻值。因此,分壓器或反饋電路可以輕松實(shí)現,特性是電阻比例≥1。另一個(gè)陣列的優(yōu)勢是電路板空間變小了。這在PCB面積有限的復雜電子系統中顯得特別有利。此外,布局成本比分立電阻更低,這是因為PCB上僅需要放置一個(gè)器件。
  諸如引擎控制單元或齒輪箱控制的汽車(chē)應用,需要設計穩定的芯片陣列來(lái)處理苛刻環(huán)境下的功率、溫度、濕度水平和熱循環(huán)等問(wèn)題。汽車(chē)電子委員會(huì )的標準,比如AEC-Q200,認為汽車(chē)工業(yè)中使用的電阻和其他無(wú)源器件都相當重要。AEC-Q200提出了各種各樣的電氣和氣候測試以及測試級別。數量眾多的測試方法和測試性質(zhì),保證了器件的品質(zhì)在許多不同的方面都會(huì )被測試到。特別的,濕度測試的測試級別很高。由于A(yíng)EC-Q200提出的測試僅僅要求測一次,沒(méi)有任何重復,所以一些廠(chǎng)商定期進(jìn)行這些測試來(lái)保持其產(chǎn)品的高質(zhì)量。
  在汽車(chē)應用處于苛刻環(huán)境下需要長(cháng)期高穩定度的分壓比時(shí),電阻陣列的這些屬性在實(shí)現分壓器、反饋以及模擬信號調理電路時(shí)轉換成一種優(yōu)勢。
  總結
  小型化增加了對無(wú)源器件的要求,特別是對電阻。薄膜電阻陣列減少了印刷電路板上需要的面積,但并沒(méi)有犧牲阻值的電氣穩定性。通過(guò)集成同一陶瓷基板上的4個(gè)電阻,面積需求減少了25%以上。此外,布局成本也降低了,因為只有一個(gè)器件需要處理而不是4個(gè)分立器件。相對因素比如相對容差和相對溫度系數,都會(huì )顯著(zhù)影響電阻網(wǎng)絡(luò )或分壓網(wǎng)絡(luò )的電氣穩定度。這些相對尺寸在諸如分壓器或運算放大器電阻中的反饋網(wǎng)絡(luò )應用中尤其有利。汽車(chē)應用中魯棒的設計需要芯片陣列。通過(guò)AEC-Q200合格檢驗是確保器件質(zhì)量的最可取的方法,因為要測試很多不同的方面。
  對更小技術(shù)解決方案的推動(dòng),特別是在汽車(chē)和工業(yè)電子方面,正在呼喚體積更小的設計,對于無(wú)源無(wú)源器件也是如此。因為這個(gè)原因,電阻陣列將會(huì )被縮小到更小的標準封裝內。此外,解決方案所提供的高分配比,也將允許更多面向模擬電路的靈活解決方案出現。
  作者:Carsten Bronskowski博士
  Vishay Draloric Beyschlag 電阻部門(mén)
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