劉權(quán)
[摘? ? 要]隨著電子通信、儀器儀表及航空航天行業(yè)不斷向小型化方向發(fā)展,對電子元器件提出了更高的要求。精密電阻作為重要的電子元器件也得到了關(guān)注。高功率的精密貼片電阻可以降低現(xiàn)有方案復(fù)雜度,高效實現(xiàn)安裝,并實現(xiàn)小型化的發(fā)展需求。文章針對高功率貼片電阻需求進行了研究并提出了基于金屬膜工藝和繞組工藝的改進整合技術(shù),給出了5 W和7 W高功率貼片電阻的新型解決方案,且該產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到客戶平臺化產(chǎn)品線中。
[關(guān)鍵詞]電阻;精密;高功率;貼片
[中圖分類號]TN249 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487(2021)05–00–02
Research and Development of High power SMD Precision Resistor
Based on Metal Film and Winding Technology
Liu Quan
[Abstract]With the development of electronic communication, instrumentation and aerospace industry towards miniaturization, higher requirements are put forward for electronic components. As an important electronic component, precision resistance has also been concerned. High power precision chip resistors can reduce the complexity of existing solutions, achieve efficient installation, and meet the development needs of miniaturization. In this paper, the demand of high-power SMR is studied, and the improved integration technology based on metal film process and winding process is proposed. The new solutions of 5 W and 7 W high-power SMR are given, and the product has been applied to the customer platform product line.
[Keywords]resistance; precise; high power; patch
精密電阻是印制電路板(PCB)上常見的基本元器件,在實現(xiàn)電路板上限流、分壓和電流檢測等功能中起到關(guān)鍵作用。而PCB作為電子工業(yè)基礎(chǔ)部件廣泛應(yīng)用于從小至收音機、計算器,大至通信設(shè)備、國防航天系統(tǒng)的各類應(yīng)用中。PCB的不斷發(fā)展提高了電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、降低了成本,同時也大大減小了電子設(shè)備的體積,而整個行業(yè)對于精密電阻也提出了更高的功率要求來順應(yīng)電子產(chǎn)品小型化、輕型化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的插件電阻相對容易實現(xiàn)高功率且精密的功能需求,但插件電阻安裝焊接過程效率遠低于表面貼片技術(shù)(SMT)。因此,很多電子設(shè)備制造商都在尋求高功率的貼片精密電阻以應(yīng)對高效率的市場需求。
1 精密貼片電阻現(xiàn)狀研究
1.1 精密電阻分類及分析
精密電阻沒有明確的定義,是指兼具精確性和穩(wěn)定性的電阻。一般是指在廣泛阻值范圍內(nèi),精度控制在±2%以下且電阻溫度系數(shù)(TCR)較低的電阻。主要有金屬膜精密電阻、線繞精密電阻和金屬箔精密電阻等3個類別。
(1)金屬膜電阻是以金屬合金為電阻材料,通過真空蒸發(fā)或者濺射工藝在基體表面形成金屬膜層,經(jīng)過切割后實現(xiàn)不同精密阻值的電阻。金屬膜電阻精度高,高頻性能穩(wěn)定,電阻結(jié)構(gòu)簡單且體積小,但功率相對低且分布參數(shù)(分布電感、電容等)相對較高。
(2)繞線電阻是將絲狀導(dǎo)體纏繞在絕緣骨架上制成的電阻。該電阻精度高、噪聲低,高溫耐受性良好且TCR低。但高頻性能較弱,分布電感相對高,在應(yīng)對大阻值時體積較大且成本攀升明顯。
(3)金屬箔電阻是將特制的一種金屬箔材料粘貼在陶瓷基片上,然后用化學(xué)腐蝕或激光刻蝕工藝將金屬箔雕刻而成不同阻值的電阻。該電阻各方面性能都很優(yōu)秀,但阻值范圍較?。性诘妥柚担┣疑a(chǎn)成本很高。5 W以上金屬箔電阻采用TO-220封裝方式的插件技術(shù)實現(xiàn),難以滿足快速批量焊接、安裝的需求。
1.2 精密貼片電阻現(xiàn)狀
現(xiàn)有的精密貼片電阻功率相對較小,1 W及以下功率的貼片精密電阻使用率最高,而4 W以上貼片精密電阻市場一直處于空白狀態(tài)。原因在于以往各類應(yīng)用更多關(guān)注在精密電阻的阻值精度和TCR。集成電路設(shè)計過程中,工程師根據(jù)需要選擇阻值精度高且TCR低的貼片精密電阻去設(shè)計板上電路功能,電阻功率往往不做特別的要求。如果設(shè)計電路有高功率需要,只能通過多個電阻串、并聯(lián)等方式間接實現(xiàn)。但近些年電子行業(yè)發(fā)展迅速,以往解決方案會占用大面積電路板而使得整體設(shè)計體積難以壓縮且成本較高,很多應(yīng)用需要更高功率的電阻來降低設(shè)計復(fù)雜度并節(jié)約空間,使得4 W以上貼片精密電阻市場需求突顯。
不同的應(yīng)用對精密貼片電阻的阻值也有不同需求。智能電表、監(jiān)控設(shè)備及精密儀器行業(yè)使用的精密貼片電阻主要集中在低阻值(0.1 ~500 Ω);而逆變器、工業(yè)電源和精密溫控系統(tǒng)則更多的使用高阻值(500Ω ~2 MΩ)的精密貼片電阻??偟膩碚f,高功率精密貼片電阻需要完整的阻值覆蓋才能滿足市場需要。
2 高功率精密貼片電阻開發(fā)
基于以上分析,市場上急需一款性價比更好、阻值覆蓋率高的高功率精密貼片電阻。金屬箔技術(shù)性能良好但工藝復(fù)雜成本很高,且阻值范圍小;繞線技術(shù)易于實現(xiàn)高功率和貼片工藝,但該技術(shù)在應(yīng)對大阻值時體積較大;金屬膜技術(shù)體積小、精度高,但功率相對低。為了保持整個產(chǎn)品線的一致性,本文探討的是基于金屬膜精密電阻技術(shù)和繞線精密電阻技術(shù)的合成改良技術(shù),即低阻值時采用繞組技術(shù),而高阻值采用金屬膜電阻技術(shù)。該整合技術(shù)不僅可以滿足客戶對于現(xiàn)有精密貼片電阻的高功率和性價比需求,也能夠提供比現(xiàn)有市場上更高功率的貼片電阻。
對于兩種成熟技術(shù),本文通過工藝流程和材料選擇兩個方面進行了改進。實現(xiàn)了外形一致、性能穩(wěn)定的高功率電阻產(chǎn)品系列。給市場提供了更高功率的貼片電阻選擇,同時也實現(xiàn)了同規(guī)格功率電阻更高的阻值覆蓋率。
2.1 繞線電阻工藝
(1)基體加工,即生產(chǎn)圓柱狀陶瓷基體?;w是電阻工作時散熱的重要媒介,而散熱效果直接影響著電阻的功率。為了獲得更好的散熱特性,本方案增加了陶瓷基體中氧化鋁的含量,提升高溫耐受性的同時提升散熱效果。陶瓷材料燒結(jié)固化后需要進行切割、打磨制成柱狀結(jié)構(gòu)。基體加工的精度直接影響后續(xù)的工藝,需要采用自動化設(shè)備保證基體長度、直徑尺寸和表面粗糙度。
(2)端蓋組裝,將兩電極壓裝至陶瓷基體兩端。裝配過程采用過盈配合,需要注意施加作用力的大小,過小會導(dǎo)致裝配不到位,而過大又有破壞基體的風(fēng)險。需要調(diào)試多次找到合適作用力才能固定到位,確保繞組區(qū)域距離的一致性。
(3)熔接雙線,將電阻引線焊接到端蓋上的工藝。業(yè)界常用的接線方式是點焊,但該焊接方式在精密電阻生產(chǎn)工藝組中成本較高且焊接效果更適合插件電阻工藝。基于貼片電阻的要求,開發(fā)了銅片輔助焊接工藝,該工藝焊接速度快,良率更高且焊接后焊點處焊料堆積量小。能夠快速高效實現(xiàn)引線焊接,也為后續(xù)的封裝和引線塑形打下良好基礎(chǔ)。
(4)繞線,即通過繞線機將合金導(dǎo)體纏繞在基體上的工藝,以實現(xiàn)不同阻值的設(shè)定。本改良工藝不僅在繞組合金上增加了鋁含量,還加粗了合金繞線。后面覆膜工藝具體介紹鋁增加功率作用,這里不再贅述;合金電阻絲的直徑增大可以保證更大電流通過,即電阻功率增大,當(dāng)然也會造成同體積電阻阻值上限的降低。因此,該設(shè)計是針對0.1 ~500 Ω的相對低阻值提供高功率的解決方案,見圖1。
(5)封裝,將電阻整體進行密封并制成貼片式的立方體結(jié)構(gòu)。本工藝采用環(huán)氧樹脂一體成型封裝,不但保證了電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和對外環(huán)境的耐受性,且增大了電阻散熱面積,有效提升了電阻高功率工作下的性能。使得該電阻可以在嚴(yán)苛工況下依然保證高功率工作性能。
(6)成型,壓平引線后裁切形成外電極,并將電極彎曲成型。高功率電阻的體積和重量相對于普通貼片電阻要大很多,直接將引線壓平后彎曲成型工藝會導(dǎo)致后續(xù)的PCB焊接失效脫落的情況。因此本方案在引線選擇上選擇了更高一個規(guī)格的引線以保證壓平后貼片面積更大,且在封裝時底部留有凹槽。更大的貼片面積讓焊接更加牢固,而底部的凹槽則保證了外電極位置準(zhǔn)確。
(7)電鍍,外電極表面電鍍處理。本方案由于要對引線進行成型工藝,不可避免地對表面已有鍍層有所破壞,因此成型之后會對銅引線進行酸洗,將表面處理后再重新進行鍍鎳和鍍錫。引線鍍鎳是為了保護引線不受外界環(huán)境影響而保證電阻的電氣性能;可焊層鍍錫是為了保證電阻在焊接過程中焊接效果,見圖2。
2.2 金屬膜電阻工藝
金屬膜電阻工藝,主要分為8個步驟(封裝前5步,封裝后3步)。封裝后工藝與繞組工藝相同,而在封裝之前的基體加工、端蓋組裝和焊接雙線3個工藝也是相同的,因此這里重點介紹覆膜和膜切割工藝,見圖3。
(1)覆膜工藝是將金屬膜覆蓋到陶瓷基體表面形成。為了實現(xiàn)更高的功率負載,本方案在鎳鉻合金中增加了鋁的含量,鋁含量的提升不僅顯著增大鎳鉻合金的電阻率,而且能夠降低TCR,使得電阻精度提升并適用于更大的功率。但是,過多的鋁也會導(dǎo)致合金成分偏析、增大起晶粒尺寸并產(chǎn)生柱狀結(jié)構(gòu),給后續(xù)的熱處理和拉絲帶來更多的加工難度。因此,經(jīng)歷了反復(fù)試驗后得到了合適的鋁金屬配比。該配比能夠基于500 Ω~2 MΩ的相對高阻值提供高效的功率和TCR性能,同時不會對后續(xù)的加工形成壓力。
(2)膜切割工藝是為了實現(xiàn)不同阻值的變化而對膜進行刻畫的過程。膜切割分為兩個步驟:①對金屬膜進行初步切割劃分阻值范圍;②將某一阻值范圍的電阻進行精密切割來實現(xiàn)具體精確阻值。由于切割精度直接影響阻值精度且基體體積較小,故本方案采用高精度自動切割機處理,保證阻值精確和一致性。
3 結(jié)語
本文對現(xiàn)有金屬膜電阻和繞線電阻工藝進行了探索,通過對繞阻材料配比、粗細調(diào)整以及現(xiàn)有貼片電阻工藝的改良實現(xiàn)了相對低阻值5 W和7 W貼片精密電阻的開發(fā);通過對金屬膜的材料進行調(diào)整,并改進封裝工藝實現(xiàn)了相對高阻值5 W和7 W貼片精密電阻的開發(fā)。將兩種技術(shù)并用而推出整體規(guī)格一致的、廣泛覆蓋各阻值的高功率貼片電阻系列,給高功率精密貼片電阻應(yīng)用提供了新的選項。該開發(fā)產(chǎn)品在客戶端得到了好評并成功應(yīng)用到客戶平臺化產(chǎn)品線,在應(yīng)用層面具有一定的意義。
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