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      薄膜芯片電阻陣列如何影響電路電氣穩定

      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。這反過來在多方面影響到了無源器件——特別是電阻。這些器件需要變得更小,同時提供更高的精度和更佳的穩定度。更高的精度則需要通過更緊的容限和更低的溫度系數得以實現。

      薄膜芯片電阻陣列可以通過把多個在同一陶瓷基片上的多個電阻集成起來,滿足縮減尺寸、更高精度、增加電氣穩定性的要求。通過集成這些器件,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,這篇文章還會展示如何在生產過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以及其相對標稱電阻值的偏差△決定的輸出電壓VOUT可以測量出來:

      相對標稱電阻的偏差稱為絕 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。

      在這個例子中,陣列的全部4個電阻阻值都在絕 對容限±0.5%以內。此外,對于精密電阻陣列還指定了容差匹配。其定義為zui小和zui大電阻偏差之間的跨度,為一個無符號數。在上面的例子中,容差匹配數值是0.1%。當和分壓器中單個電阻比較的時候,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 是層溫度時的阻值,R20是20°C(參考溫度)時的阻值。在溫度J=20°C時,△R/R20=0。根據公式(2),電阻的變化△R在較低溫度系數α會降低。正因如此,為了保證隨著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的電阻會以±0.5%的比例改變阻值。溫度系數始終有一個定義的溫度范圍。典型的溫度范圍是–55°C到+125°C。對于苛刻環境下的汽車應用,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。

      在這個例子中絕 對TCR的限制是± 50 ppm/K。4個集成電阻R1, R2, R3, 和 R4 的TCR曲線落在限制范圍之內。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個集成電阻中zui大和zui小TCR之間的差別。在這個例子中,TCR跟蹤的數值時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TCR為± 5 ppm/K。和關于相對容差的討論類似,就TCR跟蹤而言,四個電阻呈現出統一的行為特性,產生出我們希望得到的低TCR值。

      分壓器的溫度行為特性

      在印刷上,通常情況下不同區域的本地環境溫度都有所不同。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,不同的環境溫度會導致不同的電阻變化。這種效應在圖4中給出了說明。


      圖4:左-使用分立電阻時不同的本地環境溫度。右邊-使用集成電阻(電阻陣列)時相同的本地環境溫度。

      固定穩壓器的輸出電壓通過分壓器來調整(圖4,左)。2個分立電阻的阻值為R1=R2 =1kΩ,TCR為±50ppm/K。在印刷電路板(PCB)上其中一個位于另一個下面。固定穩壓器位于R1附近,由于熱輻射和對流導致環境溫度升高。這導致R1的溫度升高到+120°C。而R2的本地環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非常大。在zui壞情況下,固定電壓穩壓器會不能提供要求的電壓穩定度,進而使整個電路失效。

      可以通過盡量把R1和R2放置在一條等溫線上來降低這種效應。這樣做的話,R2的環境溫度會和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zui小的某個距離,即使zui小的可能距離也會導致不同的溫度水平。如果兩個電阻值不同(R1≠R2),那么情況會變得更糟。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境溫度提供了一種很好的選擇。由于電阻集成的關系,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zui初近似時可認為不受溫度影響。

      實現

      容差??薄膜芯片電阻或薄膜芯片電阻陣列的容差,可通過激光處理過程進行調整。激光束把諸如一種繞線結構削成電阻層,如圖5所示。在調整的過程中,電阻值一直在被監控,從而使得zui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結構。

      溫度系數??薄膜電阻的溫度系數受多個流程參數影響,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參數都需要高準確度的完成。接下來的熱處理會調整薄金屬層的溫度系數,根據這項熱處理的持續時間和溫度,溫度系數從zui初的負逐漸增加到正,也就是說薄層的電氣行為特性變得日益金屬化。

      產品

      薄膜芯片電阻陣列包含多個集成在同一個基板的電阻,定義了相對容差和相對溫度系數,制造過程使得相同陶瓷載體上可以實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現,特性是電阻比例≥1。另一個陣列的優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上僅需要放置一個器件。

      諸如引擎控制單元或齒輪箱控制的汽車應用,需要設計穩定的芯片陣列來處理苛刻環境下的功率、溫度、濕度水平和熱循環等問題。委員會的標準,比如AEC-Q200,認為汽車工業中使用的電阻和其他無源器件都相當重要。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,保證了器件的品質在許多不同的方面都會被測試到。特別的,濕度測試的測試級別很高。由于AEC-Q200提出的測試僅僅要求測一次,沒有任何重復,所以一些廠商定期進行這些測試來保持其產品的高質量。

      在汽車應用處于苛刻環境下需要長期高穩定度的分壓比時,電阻陣列的這些屬性在實現分壓器、反饋以及模擬信號調理電路時轉換成一種優勢。

      總結

      小型化增加了對無源器件的要求,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,但并沒有犧牲阻值的電氣穩定性。通過集成同一陶瓷基板上的4個電阻,面積需求減少了25%以上。此外,布局成本也降低了,因為只有一個器件需要處理而不是4個分立器件。相對因素比如相對容差和相對溫度系數,都會顯著影響電阻網絡或分壓網絡的電氣穩定度。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絡應用中尤其有利。汽車應用中魯棒的設計需要芯片陣列。通過AEC-Q200合格檢驗是確保器件質量的zui可取的方法,因為要測試很多不同的方面。

      對更小技術解決方案的推動,特別是在汽車和方面,正在呼喚體積更小的設計,對于無源無源器件也是如此。因為這個原因,電阻陣列將會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。


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