電子電路繼續(xù)小型化的趨勢(shì)對(duì)電阻設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)。例如，車輛中電子功能的增加使得單位面積電子器件的數(shù)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(shí)提供更高的精度和更佳的穩(wěn)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(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

　　薄膜芯片電阻陣列可以通過把多個(gè)在同一陶瓷基片上的多個(gè)電阻集成起來，滿足縮減尺寸、更高精度、增加電氣穩(wěn)定性的要求。通過集成這些器件，電阻陣列比相同數(shù)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(duì)行為十分關(guān)鍵的應(yīng)用，比如運(yùn)放或直流到直流轉(zhuǎn)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(wěn)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(duì)參數(shù)“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)過程中控制電阻的容差和溫度系數(shù)。

　　相對(duì)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(fù)載分壓器，在分壓器的輸出引腳，由R1和R2以及其相對(duì)標(biāo)稱電阻值的偏差△決定的輸出電壓VOUT可以測(cè)量出來：

　　相對(duì)標(biāo)稱電阻的偏差稱為絕對(duì)容差。如果兩項(xiàng)絕對(duì)容差△1和△2相等，則誤差項(xiàng)（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(duì)容限±0.5%以內(nèi)。此外，對(duì)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)無符號(hào)數(shù)。在上面的例子中，容差匹配數(shù)值是0.1%。當(dāng)和分壓器中單個(gè)電阻比較的時(shí)候，這相當(dāng)于±0.05%.的偏差。

　　相對(duì)溫度系數(shù)（TCR跟蹤）

　　絕對(duì)溫度系數(shù)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(jù)公式（2），電阻的變化△R在較低溫度系數(shù)α會(huì)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(shù)（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(dǎo)、熱輻射或者對(duì)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(shù)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(duì)于苛刻環(huán)境下的汽車應(yīng)用，比如引擎控制單元或齒輪箱控制，溫度范圍向上擴(kuò)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(duì)TCR的限制是± 50 ppm/K。4個(gè)集成電阻R1， R2， R3， 和 R4 的TCR曲線落在限制范圍之內(nèi)。對(duì)于精密電阻陣列，除了絕對(duì)溫度系數(shù)之外，還指定了相對(duì)溫度系數(shù)。相對(duì)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(shù)值時(shí)10 ppm/K，這相當(dāng)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(duì)容差的討論類似，就TCR跟蹤而言，四個(gè)電阻呈現(xiàn)出統(tǒng)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(qū)域的本地環(huán)境溫度都有所不同。這是相鄰器件熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流的結(jié)果。如果使用分立電阻，不同的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致不同的電阻變化。這種效應(yīng)在圖4中給出了說明。

　　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(wěn)壓器的輸出電壓通過分壓器來調(diào)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(wěn)壓器位于R1附近，由于熱輻射和對(duì)流導(dǎo)致環(huán)境溫度升高。這導(dǎo)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，這可以通過方程2計(jì)算得到。失配對(duì)包含電壓穩(wěn)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(wěn)壓器會(huì)不能提供要求的電壓穩(wěn)定度，進(jìn)而使整個(gè)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(yīng)。這樣做的話，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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)出統(tǒng)一的溫度行為特性。陶瓷基板具有很好的熱傳導(dǎo)，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(wěn)壓器提供的輸出電壓在最初近似時(shí)可認(rèn)為不受溫度影響。

　　實(shí)現(xiàn)

　　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(jìn)行調(diào)整。激光束把諸如一種繞線結(jié)構(gòu)削成電阻層，如圖5所示。在調(diào)整的過程中，電阻值一直在被監(jiān)控，從而使得最終的電阻值位于需要的容限之內(nèi)。

　　圖5：薄膜芯片電阻陣列中的繞線結(jié)構(gòu)。

　　溫度系數(shù)　　薄膜電阻的溫度系數(shù)受多個(gè)流程參數(shù)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(diào)節(jié)。為了獲得低的溫度系數(shù)，所有這些流程的每一個(gè)參數(shù)都需要高準(zhǔn)確度的完成。接下來的熱處理會(huì)調(diào)整薄金屬層的溫度系數(shù)，根據(jù)這項(xiàng)熱處理的持續(xù)時(shí)間和溫度，溫度系數(shù)從最初的負(fù)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(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(duì)容差和相對(duì)溫度系數(shù)，制造過程使得相同陶瓷載體上可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)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(xiàn)，特性是電阻比例≥1。另一個(gè)陣列的優(yōu)勢(shì)是電路板空間變小了。這在PCB面積有限的復(fù)雜電子系統(tǒng)中顯得特別有利。此外，布局成本比分立電阻更低，這是因?yàn)镻CB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應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的芯片陣列來處理苛刻環(huán)境下的功率、溫度、濕度水平和熱循環(huán)等問題。汽車電子委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，比如AEC-Q200，認(rèn)為汽車工業(yè)中使用的電阻和其他無源器件都相當(dāng)重要。AEC-Q200提出了各種各樣的電氣和氣候測(cè)試以及測(cè)試級(jí)別。數(shù)量眾多的測(cè)試方法和測(cè)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(cè)試到。特別的，濕度測(cè)試的測(cè)試級(jí)別很高。由于AEC-Q200提出的測(cè)試僅僅要求測(cè)一次，沒有任何重復(fù)，所以一些廠商定期進(jìn)行這些測(cè)試來保持其產(chǎn)品的高質(zhì)量。

　　在汽車應(yīng)用處于苛刻環(huán)境下需要長(zhǎng)期高穩(wěn)定度的分壓比時(shí)，電阻陣列的這些屬性在實(shí)現(xiàn)分壓器、反饋以及模擬信號(hào)調(diào)理電路時(shí)轉(zhuǎn)換成一種優(yōu)勢(shì)。

　　總結(jié)

　　小型化增加了對(duì)無源器件的要求，特別是對(duì)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(wěn)定性。通過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?yàn)橹挥幸粋€(gè)器件需要處理而不是4個(gè)分立器件。相對(duì)因素比如相對(duì)容差和相對(duì)溫度系數(shù)，都會(huì)顯著影響電阻網(wǎng)絡(luò)或分壓網(wǎng)絡(luò)的電氣穩(wěn)定度。這些相對(duì)尺寸在諸如分壓器或運(yùn)算放大器電阻中的反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中尤其有利。汽車應(yīng)用中魯棒的設(shè)計(jì)需要芯片陣列。通過AEC-Q200合格檢驗(yàn)是確保器件質(zhì)量的最可取的方法，因?yàn)橐獪y(cè)試很多不同的方面。

　　對(duì)更小技術(shù)解決方案的推動(dòng)，特別是在汽車和工業(yè)電子方面，正在呼喚體積更小的設(shè)計(jì)，對(duì)于無源無源器件也是如此。因?yàn)檫@個(gè)原因，電阻陣列將會(huì)被縮小到更小的標(biāo)準(zhǔn)封裝內(nèi)。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(xiàn)。

　　作者：Carsten Bronskowski博士

　　Vishay Draloric Beyschlag 電阻部門