制作平面电阻用箔电阻复合材料

sss71771

摘要:本文介绍了平面电阻用箔电阻复合材料的国内外发展和应用情况、箔电阻复合材料 的构成、特性、电阻温度系数补偿原理、技术要求 、专用测试方法及其研究和发展方向。
关键词：平面电阻 箔电阻复合材料 电阻温度系数 测试方法 性能
前 言
随着电子产品向轻、薄、小、高可靠性方向发展, 在人造卫星、雷达、遥感、测试仪器 、仪表等先进的电子产品中，对电阻的阻值精度、电阻温度系数及加载稳定性的要求愈来愈高，传统的线绕电阻器和金属膜电阻器已不能满足高挡电子产品的使用要求。国外少数工业发达国家根据电阻应变效应开发出一种平面电阻。该平面电阻除具有线绕电阻器相同的稳定性和可靠性外，还具有制作工艺简单，尺寸小巧，在较宽的温度范围内(-55℃～+125℃)电阻温度系数小、固有电容电感小、低噪音、电阻精度高（＜0.001）、高散热、低电动势、优越的加载稳定性、耐冲击电流等特点。这种平面电阻所用的电阻材料即为本文介绍的箔电阻复合材料 。
1箔电阻复合材料的发展及应用情况
* X) j0 f  Z/ J$ ]4 v0 r9 w; L九十年代，国外对箔电阻复合材料的开发和应用作了大量的工作，已取得一些成果，并航空、航海、计算机及一些特殊电子设备中得到应用，主要用于制作电阻元件和热变换器。我国九十年代末开始箔电阻复合材料的研究，我国军工及尖端高科技电子产品中所用高精度平面电阻元件主要依靠进口。为适应市场需要，陕西咸阳国营第704厂研究所于1999年开始箔电阻复合材料的研究 ，2000年已有一种型号箔电阻复合材料应用于国家重点工程。
箔电阻复合材料广泛用于人造卫星、雷达、导航、计算机系统、汽车发动机系统、摄像系统、高清晰度电视等电子产品中。也用于精密测量、数据转换、航空航海惯导系统、计算机接口电路及一些特殊要求的系统中制作精密电阻器、直插式电子元器件。也可将其压制在多层板中，取代部分电阻器件。
2箔电阻复合材料的构成和特性
; B  q# q7 ^; H# I% [6 _: S本文介绍的箔电阻复合材料是由基板材料、绝缘介质粘结层和箔电阻三种材料复合而成。
在箔电阻复合材料 中，箔电阻、绝缘介质粘结层和基板的材料选择和特殊设计，决定了箔电阻复合材料 具有低热阻、电阻温度系数小、电阻精度高（0.001）、耐冲击、 耐湿、耐温等特性。用该复合材料制作的平面电阻具有尺寸小、低嘈音、低电动势、在较宽温度范围内（-55℃-125℃）电阻温度系数小、电阻精度高、稳定性好、响应快、分布参数小等诸多特性。箔电阻复合材料是适应当今电子产品向轻、薄、小、高可靠性发展需求的新型电阻材料。
$ \; q  C; E" x' l3 a3箔电阻复合材料 电阻温度系数自动补偿原理探讨
九十年代，由菲勒克斯·赞德曼博士应用应力知识最早研制出平面电阻，这种平面电阻是借助应力来补偿箔电阻自然的电阻对温度变化的特性设计的。 这种平面电阻是用箔电阻复合材料作为电阻材料，用光刻方法或激光蚀刻法制成特定的电阻图形，经调阻和封装而成。这种平面电阻具有形状随外力变化的特点，这种变形被称为“应变”。温度能使平面电阻产生应力和应变，从而使其具有在较宽的温度范围内电阻温度系数自动补偿功能。平面电阻之所以具有电阻温度系数自动补偿功能，是由制作平面电阻用箔电阻复合材料的特殊构成所赋予的。箔电阻复合材料是借助应力作用补偿箔电阻自然的电阻对温度变化特性设计的。或者说是借助电阻温度系数补偿原理设计的。以下分析箔电阻复合材料电阻温度系数补偿原理：
由于在箔电阻复合材料中，箔电阻的热膨胀系数远远大于绝缘介质粘结层的热膨胀系数，而且因绝缘介质粘结层的弹性小，当温度升高时，箔电阻会沿绝缘介质粘结层的长度方向伸长，沿其宽度方向收缩，但在箔电阻复合材料中箔电阻的热膨胀会受到绝缘介质粘结层的限制而产生压应力，在其长度方向上引起压应变，从而导致箔电阻复合材料的电阻发生变化。但是，箔电阻复合材料中箔电阻受应力作用产生电阻变化与其在自由状态下的电阻变化正好相反（即当温度升高时，自由状态下的箔电阻的电阻随温度升高增大，而箔电阻复合材料中，随温度升高箔电阻受压应力作用而电阻降低）；当温度降低时，复合材料中的箔电阻会发生较大的收缩，而绝缘介质粘结层的收缩较小，因此，绝缘介质粘结层限制了箔电阻的收缩，使箔电阻受到张应力，该张应力引起箔电阻复合材料 中箔电阻的电阻变化与自由状态时箔电阻随温度下降引起的电阻变化恰好相反（即温度降低时，自由状态下的箔电阻随温度降低而减小，而箔电阻复合材料 中的箔电阻随温度降低，箔电阻受到张应力作用电阻增大）。总之，不管升温还是降温，在箔电阻复合材料 中这两种作用同时发生。因此说，箔电阻复合材料 的特殊构成设计实现了其具有在一定的温度范围内电阻温度系数自动补偿功能。
由以上分析可见，箔电阻复合材料 的电阻温度系数实际上是箔电阻在自由状态下的电阻温度系数（TCR1）与应力-应变引起的电阻温度系数（TCR2）的代数和，其电阻温度系数可用下式表示：
' r3 l5 ]$ y8 E5 C1 b# i$ HTCR= TCR1 + TCR2= TCR1+ k(αm-αc)...............................(1)
9 @; i" D) E" V$ j1 @6 i, W式(1)中：
TCC-箔电阻复合材料 的电阻温度系数
7 J  [, H5 d" b' c8 [' PTCR1-箔电阻在自由状态下的电阻温度系数
* U- b" p" r$ h' Q" G7 `# OTCR2-箔电阻在应力-应变作用下产生的电阻温度系数
6 M+ O+ o7 B( O+ u- Fαm-箔电阻的线膨胀系数
αm-绝缘介质粘结层的线膨胀系数
" K  P- v, X3 i1 p  R: O) N! @' ~: Dk-比例常数
由(1)式可见，对于给定的箔电阻复合材料 ，k、αm 、αm ，为定值，要调整其电阻温度系数，可通过以下的途径使TCR1更接近于TCR2，实现电阻温度系数自动补偿。
途径之一:用适当的方法处理箔电阻,降低箔电阻的线膨胀系数使其接近于绝缘介质粘结层；
5 B/ ^" C2 }4 G% A% t途径之二 :研制一种线膨胀系数更接近于箔电阻线膨胀系数的绝缘介质层；
* ?# ]2 W$ h$ A! u% Y4箔电阻复合材料的技术要求
目前，我国已经制定电子行业军用标准《箔电阻复合材料 规范》。本文将以行军标为依据，介绍箔电阻复合材料 的技术要求。
《箔电阻复合材料规范》行军标中按箔电阻复合材料的电阻温度系数特性差异，分为HF-1和HF-2两种型号：其电阻温度系数分别为70ppm/℃和130ppm/℃。HF-1和HF-2两种型号箔电阻复合材料的主要技术要求如下。
4.1尺寸
# g" I: f" b$ h; s4 ^4.1.1标称板面尺寸及允许偏差
' y# k# N) ]% D9 ^" ~& l. ~8 `: d标称板面尺寸及允许偏差应符合表1规定,非标称板面尺寸及其偏差由供需双方商定。
表1 标称板面尺寸和允许偏差 mm
标称板面尺寸(长×宽)
/ {4 q; j" p; k) }; t允许偏差
500×110
±2.0

500×180

500×240

4.2.2标称厚度及允许偏差
箔电阻复合材料标称厚度及偏差应符合表2规定。
0 P3 y# l! b0 h' i表2 标称厚度和允许偏差 mm
标称厚度t

允许偏差
" z+ j9 ]& O/ G* B3 G试验方法

Ⅰ级
0 v  z( D! U4 H9 @: ZⅡ级
III级
" i7 b# t+ R3 e  [" v4 J0 |用千分尺测量,测量精确至0.01mm
/ \& }4 f% `. u3 _0.5 <t≤0.8
±0.08
3 c6 b$ G( q: U/ r/ ]' k  I) r  D8 S±0.06
±0.05</t≤0.8
, O) Q- W% v' G; Z: U  ?& Y# Q" G

0.8<t≤1.0
±0.16
±0.10
±0.08</t≤1.0
" q. y4 P# D7 j) a, D

1.0<t≤1.7
: h$ S& o0 S! |" x8 B* ^1 r±0.19
6 m4 f1 ?* R% f9 V( T/ c. \1 H±0.13
±0.08</t≤1.7
, O! V) d5 @  L8 B

1.7<t≤2.6
& B$ l, ]9 t: J$ ^1 o±0.23
4 N# w: C2 ?) Z& v9 u±0.18
' g1 P8 l7 Z1 W' B2 a, U. [( T±0.10</t≤2.6

4.3外观
1 \1 q. m' v; a/ ]4 C, c: @4.3.1箔电阻复合材料端面应整齐,不应有分层、裂纹和毛刺。
4.3.2箔电阻材料表面应光滑、平整、不应有折叠、裂纹、结疤、锈斑、凹陷、夹杂物及其它影响使用的缺陷存在。
4.4性能要求
箔电阻复合材料行军标的主要性能指标表3所示。
表3 箔电阻复合材料的性能指标
5 d* c9 ]( [" p+ Q- A8 |7 z项 目
试验条件
要 求
' L1 A3 `7 w  ?2 s% _2 ^试验方法

) W& E+ H! O! x. JHF-1
HF-2

剥离强度
N/mm
/ {  @; R1 _. g0 G* cA
, ^2 N  D' _' u" D4 g5 t8 f≥1.6
GJB1651中4010

热应力后
& n, r1 ?9 S, l2 y: m≥1.3

表面电阻
& f2 p8 H: p; H. h5 `9 BMΩ
A
6 s1 |' ^8 q, y6 j6 @/ \4 \≥1×104
GJB1651中5020

C-96/35/90
9 [4 O# C# ~  ^≥1×104

绝缘层体积电阻率
5 x- f, U+ ~* G9 T; U) BMΩ.m
A
( H4 e" J1 f; ^1 ^/ Q2 l≥1×105
GJB1651中5020

C-96/35/90
≥1×105

介质击穿电压
（垂直于板面）
kV
7 E, Y! d. Q9 c( N/ wA
" G* H4 Y: C  s5 f" b5 l: f! q" C' p≥2
GJB1651中5040
1MHz下介电常数

C-96/35/90
恢复后
≤4.5
. F& P  [. j  R9 G  N  DSJ20780附录A
1MHz下介质损耗因数

C-96/35/90
恢复后
≤0.045
, J  v2 ^+ H& e* R8 _, g1 ISJ20780中附录A
' Y& }/ j1 s& S# G! w! P热冲击起泡试验
% C/ ^7 L* E- ~; B' K0 _) O" Y( o/ Y: d288℃，10s
) D9 K" Y4 y! N& v# x1 `A

不分层,不起泡
GB/T4722中第17章
电阻温度系数
4 H- v- Z5 g# M6 D1 {7 Oppm/℃
-55℃/25℃/125℃
& y! K1 N3 V: P7 t5 R$ c±70

±130
见本文第5.1条
燃烧性
A
! n1 H# s2 c* n: m7 QFV-0
: M! `  y2 x: M1 PGB4722中第26章
（压制0.8mm厚绝缘基材）
湿热循环后
直流电阻变化率
* u) P( C) b( Y+ h%
GJB360A中
方法106
$ r) N6 M2 F5 O$ P! I≤0.2
% b1 M  {/ |% l" K8 ~* v本文第5.2条
热 阻
A
  }) D% I: F! [5 h0 p' D6 o/ k9 U-
SJ20780附录B
* \% x9 u4 O3 ?. ^+ H& C, J5箔电阻复合材料的专用测试方法
( T6 `- ^) N* q! C# b) ^5.1电阻温度系数测试方法
$ X% L* E9 m* i8 b. `; G5.1.1方法提要
本方法利用金属箔微电阻测量原理，测定不同试验温度下箔电阻的直流电阻，用以确定箔电阻在试验温度下的直流电阻值与基准温度下直流电阻值的相对变化程度。即确定试验温度与基准温度之间每1℃温差引起直流电阻值的相对变化量，并用电阻温度系数（RTC）来表征这种特性。
4 `2 ~3 H3 E; s' s4 m5.1.2仪器 装置 材料
7 C2 R& q& n0 x# C  P5.1.2.1数字微欧表，量程1～200 mΩ,测量精度为0.1mΩ。
  s( c' [+ H  w5.1.2.2能提供-55±0.5 ℃～125±0.5℃的高低温试验箱。
5.1.2.3聚四氟乙烯导线及固定螺栓（4个）。
* \+ D7 V# l% o: c! {( l5.1.3测试条件
5.1.3.1基准温度
基准温度为25±0.5℃。
5.1.3.2测试温度
3 h$ {8 Y, T- o- @& u. j2 B5 n7 \低温测试温度为-55±0.5℃；高温测试温度为125±0.5℃。
0 |) K! Z4 ?6 s0 k. c5.1.4试样及制备
5.1.4.1在箔电阻复合材料 上切取3块170mm×20mm的试样。
, {3 P6 `# Q0 @3 I0 ~) ~: t5.1.4.2用蚀刻法制成如图2所示的测试图形。
箔电阻 试样

10 20
' _9 Z! E- X6 [5 c
* F7 f+ V, L' D/ H( q, {1 K160
170
图2 测试图形
/ W4 f" X' \2 D# O5.1.5试验程序
5.1.5.1试样在温度15℃～35℃、相对湿度45%～75%、气压86～106kPa条件下放置16h。
5.1.5.2如图3所示，分别将4根导线的一端牢固地焊接在试样的1、2、3和4点上，导线的另一端与测量仪器连接，确保电接触良好。然后将试样置于高低温试验箱内。

60
! ^: M$ d1 d+ @3 N/ J" M" \
图3 试样上导线焊接示意图
) a7 y% K7 r. i5 H* A0 Z1、4为直流电流触点 2、3为测量触点
5.1.5.3依次在-55±0.5℃、25±0.5℃ 、 125±0.5℃、25±0.5℃温度条件下分别测试试样的电阻。每个温度测试后，试样应置于干燥器中最少恢复2h，然后再进行下一个温度的测试。高温测试和低温测试的总时间不应超过24h。
* B0 Z( P1 j# H6 m5.1.5.4测量每个试样的电阻值时，应在试验箱的温度达到测试温度±0.5℃ 并稳定30～60min之后进行，或者试验箱温度稳定后每隔5min进行预测。如果电阻值变化在误差范围内，则允许在此周期结束前进行测量。若无其它规定，测试温度的误差应在测试温度与标称基准温度之差的±(1%+0.5℃)内。
  Z. e. t5 d! E* G5.1.6计算
按下式计算电阻温度系数：
RTC = ( R2-R1 ) ×10－6/ R1 (t2 -t1)....................(2)
) R* ]) M+ p0 I* ]式.(2)中:
- `: F- @* s# R/ D% FRTC-电阻温度系数ppm/℃；
7 a! l" _$ C! f" j1 c( S" Q: mR1─基准温度下的电阻值mΩ（同一测试系列）；
$ o5 a4 ?$ \. @) G/ ?! ~/ c: XR2-测试温度下的电阻值mΩ；
t1-基准温度℃；
7 f+ T+ c* q. \t2-测试温度℃。
5.1.7记录和报告
5. 1.7.1记录试验室环境温度和相对湿度。
5. 1.7.2记录每块试样在每一测试温度下的电阻值,并计算出相应的电阻温度系数。
6 V: K+ Q. [8 t; G! p: T5. 1.7.3报告试样在测试温度下电阻温度系数的平均值和试验温度。
5.2 湿热循环后直流电阻变化率测试方法
2 S% Y9 f. {, P* ^% N7 T5 W5.2.1.方法提要
% y) j( v9 d/ Y8 D) P& T) u/ ?2 k通过测量箔电阻复合材料 在基准条件下和湿热循环后的直流电阻,用基准条件与湿热循环后直流电阻之变量相对于基准条件下直流电阻的变化来表征箔电阻复合材料 经湿热循环后的直流电阻变化程度。
  ]- N9 p" v, [& m! G/ y! T8 J5.2.2仪器 装置 材料
5.2.2.1数字式微欧表,量程1～200 mΩ,测量精度为0.1mΩ。
$ o+ p* c* J5 Q; w5.2.2.2可控制温度0±0.5℃～100±0.5℃，相对湿度30%～100%的调温调湿箱。
5.2.2.3可控制温度0±0.5℃～200±0.5℃的恒温干燥箱。
) m+ Z; R0 |0 P' z  H0 }' J5.2.2.4聚四氟乙烯导线及固定螺栓。
5.2.3测试条件
5.2.3.1正常试验大气条件
" I( Z7 w' r$ W: _7 L温度为15℃～35℃，相对湿度为45%～75%，气压为86～106kPa。
5.2.3.2基准测试条件
温度为25±0.5℃，相对湿度为48%～52%。
+ J9 w& C9 R, e% r3 o4 K5.2.3.3湿热循环条件
按GJB360A中方法106规定的湿热循环条件。
5.2.4程序
5.2.4.1从箔电阻复合材料 上切取三块170mm×20mm的试样。
5.2.4.2如图2所示，用蚀刻法制作测试图形。
5.2.4.3试样置于125±0.5℃的恒温干燥箱中2 h。
5.2.4.4将试样在正常大气条件下放置16 h。
# Z/ q8 Y/ m0 R5.2.4.5如图3所示，分别将4根导线的一端焊接在试样上，导线的另一端则与测量仪器连接，应确保电接触良好。
5.2.4.6把连接好的试样置于4.2.3.2的环境下,待温度和湿度稳定之后,测试试样在基准条件下的直流电阻.。
- ~* z* _, i3 j9 B+ ~0 h5.2.4.7按照4.2.3.3的规定，给调温调湿箱设定10个湿热循环周期(每个周期为24h)，将测试过基准条件下直流电阻的试样放入调温调湿箱内，启动运行程序。每一循环周期结束后，测试一次直流电阻。最后一次直流电阻测试应在湿热循环结束后2h内完成。
& K8 ^+ T9 ~" q* o# ^( d5.2.5计算
按下式计算每个试样在湿热循环后的直流电阻变化率：
VRR （%） = ×100% .....................(3)
* W$ a+ ~8 }* J# _式中：
$ N2 z& s" m7 \8 a" _7 l8 ~) [6 WR1-基准条件下的电阻，mΩ；
R2-湿热循环后的电阻，mΩ；
, n8 f8 [+ W$ dVRR-湿热循环后电阻变化率，%；
; c' q# h$ D0 W+ S/ m2 w* h5.2.6记录和报告
3 e6 o- m% V0 V5 X5.2.6.1报告三块试样直流电阻变化率的算术平均值。
5.2.6.2记录试验环境的温度和相对湿度。
6 _7 H4 Z7 A' |" G0 V- e5.2.6.3记录试样在每个湿热循环后的直流电阻、温度和相对湿度。
6箔电阻复合材料 的开发研究方向
随着电子产品向轻、薄、小、多功能、系列化、高可靠性方向发展及箔电阻材料、箔电阻复合材料 制造技术的不断成熟，在高科技电子产品中平面电阻的使用在逐步扩大。从而不断推进平面电阻及箔电阻复合材料 制造技术进步。今后的开发研究应以适应当今高科技电子产品对平面电阻使用需求，开发多功能、系列化、高可靠性箔电阻复合材料 为方向。宜探讨的开发方向有以下几方面：
, B) I3 \, H3 z) A1 y  O. x① 为适应现代尖端科学技术发展对仪器仪表用精密电阻元件和标准电阻器用电阻材料的需求，应研制在更宽温域（-60℃～200℃）、低电阻温度系数的箔电阻复合材料 。
② 随着电子计算机的迅猛发展，仪器仪表测量正向数控和数字显示方向发展，为适应精密仪器仪表对电阻元件小型化、高可靠、高精度化发展需求，应研制高电阻率、低电阻温度系数的箔电阻复合材料 。
③ 为适应导弹、宇航等尖端科学技术对精密电子元件小型化、在深低温下使用可靠性日益严格的发展要求，应研制适合在深低温下（3K）低电阻温度系数的箔电阻复合材料 。
& i. U" {6 J$ [5 t, ?④ 为适应大型汽轮机工业、航空工业、原子能反应堆和宇航工业对高温应变电阻器的需求，应研制高温环境下低电阻温度系数的箔电阻复合材料 。
⑤ 为适应电子产品多功能化的要求，应研制满足各种使用功能需求的箔电阻复合材料 （如低损耗、低常数、电阻精度为0.00001、电阻温度系数为15ppm/℃以下、低热阻、高热稳定性、化学稳定性、耐高温）
7结论
+ H5 T5 P, c7 ?6 U" R本文介绍的箔电阻复合材料 是由箔电阻、绝缘介质粘结层、基板材料三层复合而成。该箔电阻复合材料 是高档电子产品中制作平面电阻、热变换器用的新型电阻材料，具有电阻温度系数小、阻值精度高、耐热、耐湿、高绝缘、热稳定性和化学稳定性高等特性。

! v: \" |1 \) T7 p0 r4 c3 P9 P

winushej

该平面电阻除具有线绕电阻器相同的稳定性和可靠性外，还具有制作工艺简单，尺寸小巧，在较宽的温度范围内(-55℃～+125℃)电阻温度系数小、固有电容电感小、低噪音、电阻精度高（＜0.001）、高散热、低电动势、优越的加载稳定性、耐冲击电流等特点。这种平面电阻所用的电阻材料即为本文介绍的箔电阻复合材料 。