高精密金属箔电阻及电阻合金箔材研究

杨贤军，王 勇，徐永红，喻文新，吴传军，吴 达，余小玲

(1.重庆川仪自动化股份有限公司金属功能材料分公司，重庆 400702；2.重庆大学材料科学院工程学院，重庆 400045)

0 引言

片式电阻又称贴片电阻，是适用于表面贴装技术(surface mount technology,SMT)的新一代无引线或短引线微型电子元件。片式电阻在电路内的主要作用为降低电压、分担部分电压、限流保护电路及分流等，也可以用于时间电路元件和传感器等[1-2]。片式电阻按电阻体分类，可分为厚膜电阻、薄膜电阻、金属箔电阻。膜电阻的电阻体采用具有一定电阻率的电阻浆料，印刷在陶瓷基板上；金属箔电阻是将电阻合金箔材粘贴到基板上。金属箔电阻相对于膜电阻、绕线电阻的优点如下[3-4]。

①较金属膜电阻器电阻温度系数小，通常为(-1～+1)×10-6/℃(0～+60 ℃)、(-5～+5)×10-6/℃(-55～+125 ℃)。

②相同厚度的金属箔，在相同环境条件下具有更高的稳定性和可靠性。

③具有更高的长期稳定性(ΔR/R≤0.5%)，通过精确调阻，可使电阻精度达到±0.005%。

④与线绕电阻器相比，电阻体采用的金属箔为平面状，可做到小型化，并可根据实际需要设计形状，因而易于在印刷电路板上安装。

⑤残余感抗小，频率特性显著改善，电学性能良好。

⑥电阻体采用金属合金，组织均匀致密，负载时发热量小、功耗低、噪声小。

鉴于上述特性,金属箔电阻在电子工业方面获得广泛应用，特别是在高精度、高可靠、高稳定性、使用条件严苛的环境下有着不可替代的优势。

1 研究现状

1.1 国外研究现状

随着航空、航天、航海、移动通信、汽车电子、医疗设备等产业和技术的发展，对精密电阻的电阻温度系数、功率系数、长期稳定性、抗静电能力、热电势、噪声等参数的要求越来越高。目前，国外超精密金属箔电阻温度系数最低仅为0.14×10-6/℃，且长期稳定性优异；高精密电阻合金箔材的厚度在10 μm以下，电阻温度系数为(-5～+5)×10-6/℃；国外先进企业已经能够批量生产厚度在20 μm以下、电阻温度系数为(-10～+10)×10-6/℃的镍铬系精密电阻合金箔材[4]。

Alpha Electronics公司采用镍铬系精密电阻合金生产的高精密金属箔电阻Bulk Metal®Foil Resistor，已通过美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)批准，被应用于NASA太空宇航项目中的气象卫星计划和卡西尼号土星项目。该超精密箔电阻基于一个平面结构，将冷轧成箔片的镍铬合金粘贴到平面陶瓷基板上。经精确调整，其温度系数可低至0.14×10-6/℃，最高精度达0.005%，电阻长期稳定性为5×10-6/年、10×10-6/3年。

德国Isabellenhütte是精密合金及电阻元件生产商，能生产出NiCr系改良合金ISAOHM微细丝，电阻率为132 μΩ·cm，电阻温度系数最高精度为(-5～+5)×10-6/℃。但其不能生产箔材，需要通过外协加工。

日本TOKKIN株式会社主要从事特殊金属生产加工，拥有多台多辊轧机，其精密箔材轧制技术世界领先。其能批量生产NiCr系NCH-1、NCH-2两种牌号合金箔材，电阻率分别为108 μΩ·cm、112 μΩ·cm，箔材最薄可轧至10 μm，NiCr系箔材厚度仅为(30±1.5)μm、宽度为3～300 mm。但其NiCr系产品的坯料由NEOMAX(日本)提供，暂无法自主生产。

美国Arnold Magnetic Technologles拥有多台ZR24、ZR32多辊轧机。其镍基合金超薄箔材精密轧制技术先进，可批量生产一定卷重、表面质量高、厚度可达10～25 μm的Karma、Evanohm合金箔材。

1.2 国内研究现状

我国的高精密片式电阻，特别是高精密金属箔电阻的研发仍处于较低水平，电阻精度很难达到1%以内，电阻温度系数也较大。随着国内近期在航空、航天、国防军工领域需求的增加，一批老的国有骨干企业通过技术创新取得一系列突破[1]。

山东航天正和电子有限公司(原山东济宁无线电三厂)通过引进、消化、吸收，生产的RJ711(RCK)金属箔电阻器已应用于多种型号的运载火箭及战略、战术导弹惯性测量系统,并成功应用于神舟飞船。但其主要技术指标与国际先进水平相比还存在较大差距，电阻温度系数精度最高只能达到(-5～+5)×10-6/℃。

20世纪80年代至90年代初，重庆材料研究院在国内率先开展了超薄电阻应变箔二十辊精密轧制技术研究，先后制备出康铜、Karma、Evanohm、铁铬铝应变箔样品。其生产的康铜、Karma、Evanohm、铁铬铝等箔材样品厚度仅10～25μm。但是，其尺寸精度无法满足精密电阻合金箔材中试产品的需求；同时，轧制样品表面质量与国外产品相差较大，未形成批量生产。

北冶功能材料公司是国内专门从事金属功能材料科研、试制、生产的重要基地之一，能批量生产NiCr系高温合金和电热合金，拥有从熔炼到冷轧的全套生产线及较为先进的多辊轧机。其能批量生产Ni80Cr20冷轧带材尺寸为(0.05～1.00)mm×(100～300)mm，公差能达到±5μm；但该产品电阻率小于120 μΩ·cm。该公司产品主要应用于电热、高温合金领域，但较少涉足高精密电阻合金。

重庆川仪自动化股份有限公司是国内生产电阻合金的传统骨干企业。该公司于20世纪80年代研发出镍铬改良型合金，目前能批量生产50 μm丝材及带材。2016年，该公司承担了国家重点研发计划“镍铬电阻合金箔材开发及产业化”课题(2016YFB0402603)；目前，正在着手进行20 μm以下箔材的研发。其生产的丝、带材已广泛应用于国内外电阻龙头企业，箔材小批量供应片式电阻行业[5]。

2 金属箔电阻最新技术及发展趋势

2.1 精密调阻

电阻元件的电阻精度控制主要从两方面进行。

一是精确控制电阻体尺寸、提高电阻率稳定性。这需要采用高精度箔材轧制技术，即提高合金箔材尺寸精度，以及冶金质量以及电阻率的均匀性、一致性，并选用长期稳定性优异的精密电阻合金。镍铬改良型电阻合金就是其典型代表。

二是电阻成品的精确调控。调阻方法众多，其主要原理是通过改变电阻体积来实现电阻值调整。目前，常用的调阻方法包括激光调阻和蚀刻。激光调阻是较为常见的电阻值修调方法。激光调阻的基本原理是将适当功率密度的激光束聚焦在电阻膜上，电阻材料因受高温在瞬间被气化。随着激光束的刻蚀，电阻膜受切割,电阻体的导电截面积减小，阻值上升。激光在电阻膜上的扫描路径称为调阻图形，激光调阻精度与调阻图形有关。由于受激光束控制难易程度的影响，调阻图形为直线或直线组合[6]。

调阻的具体操作过程是将金属箔绑定到基板上，根据客户需要的阻值进行激光切割或蚀刻。图1为调阻示意图，调阻点为图中A到E点。例如，在C点通过切割金属箔，可增加电流路径，从而增大阻值。在调阻点上切割，可使阻值精度高达±0.001%。由于调阻点不参与电流路径，不会产生电子噪声和性能变化。

图1 调阻示意图Fig.1 Schematic diagram of resistance debugging

2.2 电阻温度系数调整

在使用温度范围内，高精密电阻的电阻温度系数应尽可能小。精密电阻合金中，大部分材料电阻温度系数范围为(-50～+50)×10-6/℃，而镍铬改良型电阻合金的电阻温度系数范围能达到(-5～+5)×10-6/℃。但要实现更低的电阻温度系数，必须对电阻进行二次调整。电阻温度系数的调整，主要通过调整电阻合金应力应变特性来实现。

20世纪90年代，菲勒克斯·赞得曼博士应用应力理论研制出片式电阻。这种片式电阻借助应力补偿电阻箔本身阻值对温度变化特性。以精密电阻箔材作为电阻材料，用光刻或激光法制成特定的电阻图形，经调阻后绑定在陶瓷基板上。该种片式电阻具有形状随外力变化而变化的特点。这种变形被称为“应变”。

温度变化能使片式电阻产生应力和应变，使片式电阻在较宽的温度范围内具有电阻温度系数自动补偿功能。该结构片式电阻的电阻箔热膨胀系数远大于陶瓷基板热膨胀系数。当温度升高时，电阻箔会沿长度方向伸长、沿宽度方向收缩；同时，电阻箔受到陶瓷基板的限制而产生压应力，在其长度方向上引起压应变，从而降低复合材料电阻。反之，当温度降低时，电阻箔受到拉应力而引起电阻增大。总之，无论温度升高或降低，电阻箔阻值变化与电阻箔在自由状态下的阻值变化趋势相反，实现了在一定温度范围内的电阻温度系数自动补偿[7]。

金属箔电阻温度变化如图2所示。其中：25 ℃为参考温度，60 ℃为环境温度。

图2 金属箔电阻温度变化示意图Fig.2 Resistance vs.temperature curves of metal foil

由图2可知，金属箔电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)实际上是合金箔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，可表示为：

TCR=TCR1+TCR2=TCR1+Kε

(1)

式中：K为电阻箔应变灵敏系数；ε为电阻箔应变值。

由式(1)可知，对于给定的电阻箔材料，K为定值。要调整金属箔电阻的电阻温度系数，可利用电阻温度系数自动补偿原理选用适当的合金材料。当金属箔与陶瓷基板因热膨胀产生应变ε，使TCR1+TCR2≈0，从而使金属箔电阻的电阻温度系数近似为零[8]。

2.3 电阻合金的选择

鉴于以上论述，为适应高精密金属箔电阻的精度要求，在选择电阻合金时必须注意两方面因素：一方面要考虑其电阻率、电阻温度系数；另一方面还应当考虑其应变灵敏系数K，以及合金加工性能、焊接性能。

国内外常用电阻合金成分与性能如表1所示[9]。其中：镍铬改良型合金具有电阻率高(约为康铜的3倍)，电阻温度系数较低(±10×10-6/℃)、使用温度范围广(-55～+125 ℃)、应变灵敏系数高等特点。此外，该合金可以通过成分微调和热处理工艺优化，得到从负到正的电阻温度系数，并可调整到最小值。这给在较大温度范围内制作电阻温度系数自补偿提供了便利，是目前较好的金属箔电阻体用材。

表1 常用电阻合金成分与性能Tab.1 Components and properties of resistance alloys

3 结束语

金属箔电阻在航空、航天、移动通信、汽车电子等领域正发挥着越来越重要的作用。高精密电阻合金箔材具有阻值高、精度高、耐蚀耐热性好、稳定性高、成本相对较低等优点，已逐渐成为这类电子元器件材料的较好选择。目前，国内企业还需在以下几个方面进行能力提升：①提高高精度轧制水平，使金属箔尺寸精度、表面质量达到使用要求；②研制加工性能优良、稳定性好的精密电阻合金材料，有利于满足金属箔电阻使用要求。

近期，国内精密合金骨干企业通过技术创新及能力提升，将实现高精度电阻合金箔材加工水平的跨越式发展。2016年，科技部批准启动的“十三五”国家重点研发计划项目“高性能合金导电材料及其微细材加工关键技术研究和示范基地建设”中，设置了“镍铬电阻合金箔材开发及产业化”课题(2016YFB0402603)，提出达到世界领先水平技术指标。这标志着镍铬精密电阻合金及其箔材产品的研发，已得到了国家高度重视。目前，项目已研发出新型镍铬改良型电阻合金箔材，电阻率≥133 μΩ·cm、温度系数为(-10～+10)×10-6/℃[5]，并有望在2018年实现厚度为(20±1)μm的高精度。这意味着我国高精密电阻合金箔材料将实现突破性发展。此外，国内片式电阻企业也在加强对高精密金属箔电阻加工技术的研究，通过对电阻、温度系数的精确调整技术及设备创新，提高金属箔电阻精度水平，从而替代进口产品，满足我国相关行业应用需求。

参考文献:

[1] 王文生.精密金属箔电阻器及其应用[J].电气时代,1997(1):6.

[2] 孟晓玲,王艾戎,赵建喜.平面电阻器新型基材LSC-050F电阻箔复合材料的研制[J].印制电路信息,2003(11):49-51.

[3] BRAUDAWAY D W.Precision resistors: a review of material characteristics,resistor design,and construction practices[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,1999,48(5):878-883.

[4] 高艳茄,孟晓玲.片式电阻的性能及应用[J].印制电路信息,2004(8):66-68.

[5] 姜定成,田茂江,王勇,等.镍铬系精密电阻合金的特性与研究现状[J].电工材料,2017(5):23-28.

[6] 孙继凤,汤建华,郭晓光.激光调阻工艺参数对调阻精度的影响分析[J].应用激光,2004,24(3):139-141.

[7] 刘飘.层状复合材料电热性能与应用研究[D].长沙:国防科学技术大学,2006.

[8] 高艳.压阻式压力传感器温补模型的分析与标定[D].南京:东南大学,2016.

[9] 黄泽铣.功能材料及其应用手册[M].北京:机械工业出版社,1991.