薄膜電阻器提供不滲透硫的解決方案

當(dāng)前的小型化趨勢(shì)將電阻器技術(shù)推到了極限。例如，0201尺寸的片狀電阻器僅封裝就大約占到了元件總成本的60%。對(duì)某些在電路板上同一相鄰位置使用相同電阻值的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，片狀元件陣列可以幫助緩解布局和封裝問題。不過，這并不適用于所有廠商。

厚膜和薄膜技術(shù)的最近發(fā)展可以在給定的芯片尺寸上實(shí)現(xiàn)更高的額定功率。眾所周知，與厚膜電阻元件相比，薄膜電阻元件具有眾多性能優(yōu)勢(shì)，而厚膜電阻器唯一的明顯優(yōu)勢(shì)就是成本。

借助最新的材料和工藝進(jìn)步，這種明顯的成本差別可被顯著降低，這很可能會(huì)對(duì)片狀電阻器市場(chǎng)產(chǎn)生重大影響。目前，一種合理的預(yù)期是，容差1%、電阻溫度系數(shù)（TCR）為±100×10-6/℃的商品薄膜片狀電阻器的價(jià)位將與同等精度的厚膜電阻器的價(jià)位大致相同。

在硫含量較高的環(huán)境，例如汽車裝備、工業(yè)設(shè)備和重型農(nóng)用和建筑設(shè)備中，由于硫化銀的形成，常見的厚膜片狀電阻器會(huì)出現(xiàn)阻值偏移問題。硫滲過電鍍層和屏蔽層，與銀接觸形成硫化銀（如圖1所示）。

圖1 硫滲過電鍍層和屏蔽層，與銀接觸形成硫化銀

硫化銀是不導(dǎo)電的，而持續(xù)暴露在硫環(huán)境中將意味著更多硫化銀的形成，直到所有的銀都完全轉(zhuǎn)化成硫化銀。導(dǎo)電層將因此被中斷，而該元件將變成開路。對(duì)任何汽車或工業(yè)設(shè)備制造商而言，這是一種特別令人沮喪的現(xiàn)象，因?yàn)樗且环N在制造時(shí)完全無(wú)法檢測(cè)的潛在故障。有些汽車和工業(yè)設(shè)備制造商已經(jīng)通過密封電子設(shè)備，成功地阻止了硫化銀的形成，但要將該方法應(yīng)用于所有情況并不可行，而且這并不是一種能確保防止硫污染的可靠方法。

厚膜和薄膜
厚膜電阻器的內(nèi)部端接通常都不同程度地采用了鍍銀/鈀工藝。這些相對(duì)廉價(jià)的端接材料具有更高的銀含量，但通常正是內(nèi)部端接中的銀容易受到硫的污染。

盡管有可能找到銀含量更低的厚膜材料，但至今為止，這些備選材料都需要更高的成本，因此批量生產(chǎn)似乎不太可能。另一方面，薄膜片狀電阻器使用濺射的、以鎳鉻鐵合金為主要材質(zhì)的內(nèi)部端接，不含銀且通常也不包含任何其他貴金屬。這意味著鎳鉻鐵合金薄膜材料的價(jià)位比那些金、鈀或鉑含量更高的厚膜材料更為穩(wěn)定。

只有內(nèi)部端接不包含銀或銅質(zhì)材料的片狀電阻器，或者那些內(nèi)部端接由硫無(wú)法滲透的中間層加以保護(hù)的片狀電阻器，才能夠完全不受硫污染的影響。市場(chǎng)上存在具有競(jìng)爭(zhēng)力的基于厚膜的解決方案，它們有一定防硫效果，但仍不能完全避免硫污染——時(shí)間一長(zhǎng)，它們最終也會(huì)失效，變成開路。

同樣，我們知道，浸鍍的保護(hù)性鈍化層的不重合也可能會(huì)使得硫污染的影響更為嚴(yán)重。在這種情況下，降低浸渡工藝的速度可以將這種效應(yīng)降至最低，但這樣做也會(huì)增加制造成本并降低制造產(chǎn)能。因?yàn)楸∧?nèi)部端接不受硫污染的影響，所以這一工藝的精度并不重要。

很明顯，就其內(nèi)部端接而言，薄膜電阻器技術(shù)可以更好地抵抗硫污染。除此之外，采用薄膜技術(shù)的電阻器也具有整體穩(wěn)定性、更低的噪聲以及更低的寄生電容和電感（取決于電阻值）。圖2展示了常見的薄膜電阻器，它比厚膜片狀電阻器有顯著的改善，特別是它的電阻值較大。

圖2 根據(jù)額定電阻值而變化的典型電流噪聲等級(jí)

在過去，這種電噪聲更低的改進(jìn)措施只有在高端音頻應(yīng)用中才能體現(xiàn)其重要性。但是，厚膜電阻器難以滿足目前最新的高速通信設(shè)備，例如路由器、網(wǎng)橋和DSL調(diào)制解調(diào)器等對(duì)噪聲的要求。許多因素導(dǎo)致厚膜電阻器的噪聲更大，薄膜和厚膜技術(shù)最顯著的一個(gè)差異體現(xiàn)在激光修整特性上。一旦燒制成功，厚膜材料的性狀實(shí)際上與玻璃類似。因此，隨著材料的冷卻，激光修整會(huì)在修整區(qū)域周圍形成許多細(xì)小的微裂痕。這些微裂痕是寄生電容和錯(cuò)誤電流路徑的一種來(lái)源，所有這些都會(huì)固有地導(dǎo)致對(duì)高速通信信號(hào)的處理性能的下降。

為了降低激光修整對(duì)厚膜元件的影響，制造商通常會(huì)增加一層絕緣玻璃來(lái)穩(wěn)定激光修整。這一層包含微量的鉛，而且人們深知它對(duì)于保持厚膜電阻器長(zhǎng)期可靠性的重要性；鑒于其重要性，這種絕緣玻璃層目前屬于RoHS標(biāo)準(zhǔn)的豁免項(xiàng)目。

但是，這種豁免今后是會(huì)繼續(xù)存在，抑或業(yè)界會(huì)要求使用一種不含鉛的激光修整穩(wěn)定的備選方法，前景尚不明朗。薄膜技術(shù)可以提供一種“更為綠色”或更為環(huán)保的電阻器，因?yàn)樗恍枰褂脦缀跛泻衲ば酒紩?huì)用到的含鉛玻璃。

發(fā)展
薄膜技術(shù)以及厚膜技術(shù)的一項(xiàng)最新發(fā)展是在給定的EIA標(biāo)準(zhǔn)片狀電阻器尺寸上獲得了更高的額定功率（如表1所示）。這一重要進(jìn)步使得工程師能夠使設(shè)計(jì)小型化，而無(wú)須犧牲功率處理能力。對(duì)于增強(qiáng)電流設(shè)計(jì)、減小未來(lái)設(shè)計(jì)的尺寸、產(chǎn)出更小的最終產(chǎn)品或在同尺寸產(chǎn)品中提供更多功能而言，這項(xiàng)突破都是至關(guān)重要的。

影響薄膜技術(shù)批量應(yīng)用于片狀電阻器制造的最重要因素是它的成本。具有最差容差和TCR的薄膜片狀電阻器的常見價(jià)位要比最接近它的厚膜同類產(chǎn)品高10〜100倍。為了減少這種差異，供應(yīng)商需要對(duì)薄膜材料進(jìn)行完全重新設(shè)計(jì)，以滿足高速低成本生產(chǎn)的需要。它還需要開發(fā)一種高速的內(nèi)聯(lián)式薄膜制造工藝。降低成本的最后一步是將對(duì)薄膜材料的要求從高精度級(jí)別（0.1%的容差和25×10-6/℃的TCR）放寬到商用、通用和商品級(jí)別（1%容差和100×10-6/℃的TCR）。這3項(xiàng)進(jìn)步可以同時(shí)應(yīng)用于價(jià)格僅為常見商品厚膜片狀電阻器的10%〜20%的片狀電阻器。那可能是所有發(fā)展中最引人注目的一項(xiàng)。