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为高温环境“量身定做”的电阻器,一起来盘点一下!

2020-10-16 09:28:16来源:贤集网 阅读量:640

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  【重工机械网 热点关注】直到最近,高温电子设备中的限制因素一直是所用有源元件的半导体性能下降。但是,随着高温半导体和碳化硅基材料的最新发展,无源元件(例如电阻器)已成为限制因素。结果,正确选择电阻器已成为高温电子设计中确保正确操作和可靠性的关键因素。
 
  传统上,电阻器是通过各种方法和技术制造的,包括金属和金属氧化物膜,金属箔,碳,线绕和厚膜方法。每个都有其特定的特性,使它们或多或少地适合于高温应用。高温下的电阻退化可能会随着时间的变化而变化,从小的电阻变化到突变的电阻(通过开路或在某些情况下会短路)表现出来。
 
  线绕电阻器
 
  尽管被认为是一项成熟的技术,但许多绕线电阻器实际上在高达200至250°C或更高的环境温度的高温应用中也能很好地工作。线绕电阻器的结构相对简单,是通过将电阻丝(例如具有很高的高温特性并且经常用于加热元件的镍铬合金)缠绕到氧化铝或滑石陶瓷芯上并焊接到金属端盖上而制成的压入每个末端。
 
  通常,电阻器是通过使用玻璃搪瓷(玻璃),硅树脂,水泥或环氧化合物封装的单元来绝缘并使其防风雨的。封装材料通常是“最薄弱的环节”,并且可能是高温下的故障根源。这可能是由于热膨胀系数不同而导致涂层破裂并允许湿气或湿气进入,在下面的导线上产生应力或由于高温下绝缘性能的分解或退化所致。因此,环氧树脂通常不是最适合长期高温应用,但硅树脂和玻璃搪瓷材料的性能很好。
 
  搪瓷玻璃电阻器形成接近密封的封装,并在危险环境下提供额外的保护,这些环境有时可能会伴随着较高的工作温度,尤其是在石油和天然气工业中。但是,需要注意的是,搪瓷涂层材料的体电阻率在高温下往往会显着下降,并且众所周知,随着温度的升高绝缘性能会显着降低,这会影响总安装电阻。
 
  搪瓷玻璃绕线电阻器的高温稳定性非常好,在200°C下暴露1000小时后,电阻变化约为1-2%,其他绕线电阻类型的变化通常较大。线绕电阻器的一个缺点是其有限的上限电阻范围,固有的相关电感(尽管可以通过指定一种非电感性的“ Ayrton Perry”绕组来大大减小,该绕组实质上将两根线绕着磁芯以相反的方向缠绕以消除电感),及其相对较大的尺寸。结果,其他类型的电阻器有望在高温下工作。
 
  厚膜电阻
 
  近年来,对于高温应用,厚膜电阻器已经引起了广泛的关注。这些电阻器是通过将金属和颗粒的混合物沉积到陶瓷基板上,然后在高温(通常在空气中约为850°C)下烧结而制成的,从而形成导电金属陶瓷基体。用于高温的厚膜导体配方通常是金,钯银或铂银(图1)。激光修整后,通常会在其顶部应用一层玻璃绝缘体以保护环境。厚膜电阻器可以做得很小,通常表面安装尺寸可以减小到0201或更小。
 
  由于厚膜电阻器的初始处理温度很高,因此该技术对高温应用的未来发展具有极好的希望。由TT Electronics制造的特殊高温厚膜电阻器的测试表明,在300°C下经过1000小时(无负载)后,平均电阻变化小于0.25%(图2)。
 
  为了在高温下运行,传统焊锡不是可选的(典型的无铅焊锡的液相线温度约为221°C),因此其他连接方法包括引线键合,高铅含量的HMP焊锡(通常为Sn05Pb93.5Ag1) .5-296°C),或使用导电胶。结果,必须选择与连接方法兼容的端接材料。这通常需要用于引线键合或导电粘合剂的金端子,用于导电粘合剂的聚合物银,Pd-Ag或Pt-Ag以及用于HMP焊料的带有镍底层的电镀材料。
 
  对于厚膜电阻器,在正常温度范围内,典型的电阻温度系数(TCR)约为±100 ppm /°C,但随着温度偏离正常范围,它可能通常是非线性的(图3)。但是,即使我们假设TCR为100 ppm /°C,在高于环境温度200°C的条件下运行,也可能仅由于温度偏移而导致可感知的电阻变化高达2%,并且可能取决于实际情况。高温下的TCR特性。结果,更精确的应用可能需要薄膜网络或线绕电阻器。
 
  薄膜电阻
 
  与以附加高温制造工艺为特征的厚膜电阻器不同,薄膜电阻器通常使用减法溅射沉积工艺来制造。随后的制造操作用于调节电阻器膜,以优化高温性能。薄膜电阻器通常具有TCR低,精度高的特点,并且经常在具有多个电阻器的网络或封装中使用。
 
  选择的薄膜电阻器材料通常是镍铬合金或氮化钽。这两种材料均具有较高的熔点,这往往导致高温下微观晶粒的生长减少,并且具有很高的抗氧化性-这是在较高工作温度下电阻变化显着的两个潜在来源。
 
  两种电阻器膜在正常工作温度下均具有良好的电阻稳定性和出色的低TCR,在高温工作时仍可保持一定程度。此外,它们都在较宽的温度范围内具有相对线性的TCR曲线(图4)。尽管所示数据是针对镍铬合金金属膜电阻器的,但氮化钽材料具有类似的特性。该曲线图中还显示了另一个好处,它展示了公用网络(在这种情况下为7电阻网络)中的电阻之间紧密的TCR跟踪或匹配。
 
  薄膜电阻器的一个吸引人的方面是,在运行的前100到200个小时内,总电阻的变化很大(图5)。各种机制,例如氧化,金属层迁移或金属扩散,都可能导致此电阻变化。
 
  高温下薄膜电阻随时间的变化表明,在运行的最初100到200小时内,总电阻发生了相当大的变化。
 
  但是,电阻的变化率会随着时间的推移而显着降低,这可以通过使电阻器经受或超过电阻器使用温度的高温烘烤来显着降低电阻在使用寿命中的绝对变化。  电阻变化的减小在图6中进行了说明,该图显示了与图5类似的电阻器网络,但添加了200°C的148小时烘烤。在这种情况下,电阻变化在暴露1000小时后已减少到不到一半,从而大大提高了整体电阻器的稳定性。
 
  几乎总是可以降低成本,即指定一个电阻网络,该网络具有两个或多个电阻(具有不同的值),它们可以很好地相互跟踪,而不是使用将提供类似跟踪和匹配性能的单个电阻。图7说明了高温电阻器网络的典型比率公差性能-寿命期间比率性能的差异在0.005%(50 ppm)之内。
 
  其他电阻类型
 
  设计工程师可以使用多种其他电阻器类型。这些包括箔,金属氧化物等。除箔技术外,其他类型的电阻器在高温应用中通常会降低性能,并且适用性有限。箔电阻通常表现出非常好的性能,但是成本却很高。通过使用金属条或金属成形电阻器,可在高温应用中促进极低电阻值的电阻器(例如用于分流器或电流感测应用)。
 
  结论
 
  正确选择用于高温应用的电阻器对于优化性能和经济性至关重要。尽管电路设计人员可以使用许多电阻器技术,但是必须了解每种类型的特性和构造,才能做出最佳选择。
 
  原标题:为高温环境“量身定做”的电阻器,一起来盘点一下!

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