第三章 电阻材料

nullnull第三章 电阻材料nullnull 电阻材料是指常用的电阻器、片式电阻器、混合集成电路小的薄膜和厚膜电阻器、可变电阻器和电位器器等所用的电阻阻体材料。主要包括： 1 线统电阻 2 薄膜电阻 3 厚膜电阻null 电阻器：将电阻材料做成具有一定形状、结构的实体元件, 常称它为电阻器或电阻元件。 电阻器功能：调解和分配电能。在电路中常作分压、 调压、分流、消耗电能的负载以及滤波元件等 电阻器形状： 线状 ——线绕电阻器 薄膜状 ——薄膜电阻器 片状 ——片状电阻器3.1 电阻材料慨述3.1.1 电阻的一般概念null线状或板状电阻材料L： 导体长度，cm； S： 导体横截面积， cm2 p： 电阻率，与材料性质有关的常数。长度是1cm， 横截面积1cm2时的电阻值null 对于薄膜电阻材料，出于膜比较薄，电阻率常不是一个常数，随膜厚而变化，故常用膜电阻示。薄膜电阻材料d： 薄膜的厚度，单位为cm； Rs：指长宽相等的一块薄膜的电阻，即1方的电阻， 又称为方阻。null蒸发铝膜、导电漆膜、印制电路板铜箔膜等薄膜状导电材料，衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方阻。 方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是0.1米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。 null3.1.2 电阻与温度的关系电阻温度系数:表示温度改变1℃时电阻值的相对变化量电阻材料的电阻值也是温度的函数，不同电阻材料，由于导电机理不问，电阻温度系数也不同。1 纯金属1 纯金属纯金属电阻：由电子与晶格的振动（格波）相互碰撞引起的散射产生的。 温度↑，电子平均运动速度↑，平均碰撞次数↑，平均自由程↓，电阻率↑ A为常数金属电阻温度系数：正值，T↑,p↑金属电阻率与温度的关系：2 合金材料2 合金材料合金材料：金属中加入其他金属原子后， 破坏原来晶格的周期性排列，使自由电子的散射几率增加。其结果是合金的电阻率比纯金属的电阻率高。合金电阻率：p : 合金材料电阻率 p0 纯金属电阻率 pi 杂质电阻率null合金电阻率与温度的关系：B是与杂质有关为常数合金的电阻温度系数：合金的电阻温度系数为正值，比纯金属小。因为加入其他 金属杂质以后，杂质散射随温度增加降低。null1. 电离杂质的散射 杂质离子↑，散射几率↑ 温度↑，电子运动速度增加，散射几率↓为了提高金属和合金电阻材料的电阻率和降低电阻温度系散，常采用如下些：尽量采用合余、多元合金。null金属膜的结构： ①厚度大于100 nm。这种薄膜呈连续状结构，其电性能与块状金属接近．有较小的电阻率和正的电阻温度系数。 ②厚度为100 nm以下到几1纳米。这种薄膜基本上是连续的，但有时会出现一些孔洞、沟道，形成一种网状结构。电阻值随厚度减小而增大，电阻温度系数逐渐减小而接近于零。 ③厚度在几纳米到几十纳米之间。薄膜呈不连续的岛状结构，电阻值随厚度减小而急剧增大，电阻温度系数为负值。3 金属和合金薄膜电阻材料null连续金属膜类似于块状金属膜： 连续金属膜中，除了晶格热振动和杂质散射引起的电阻之外， 还有其他缺陷如填隙原子、空格点、位错和晶界等。也对电子 有散射作用，从而对电阻有贡献，尤其是晶界对电阻的作用。高温低温null晶界处的原子处于应力状态，它比内部原子有较高的能量， 比交容易离开平衡位置； 晶粒间接容易吸引杂质，氧化气氛下，已形成氧化层； 晶界处原子排列不规则使电子遭到散射的几率大．电阻率会提高null不连续金属膜： 电阻率随厚度减小急剧增大，电阻率虽温度增加而 减小，电阻率与温度的关系类似于半导体材料。null薄膜材料电阻率p和电阻温度系数a和膜厚度d的关系null 提高电阻率和降低电阻温度系数的常用措施 尽量采用合金、多元合金，有温度系数补偿杂质的合金； 把金属和合金做成线材、薄膜、厚膜或箔状； 在金属和合金粉状材料中加入绝缘填充料，用有机或无机粘结剂制成合成型电阻材料； 将金属和合金氧化物或与其他非金属材料组成化合物等。4 电阻材料的电压特性4 电阻材料的电压特性在外加电压下，电阻材料的电阻值一般是线性的。即是说符合欧姆定律，其阻值与电压无关。 如果，电阻材料内部结构不均匀、不致密、不连续、接触不良、存在缺陷、颗粒分散不均，因而会出现非线性。null电阻材料电压特性电压系数：一些半导体材料电阻率对电压的变化非常敏感，常利用这种关系制作压敏电阻。null压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的“氧化锌”（ZnO）压敏电阻器， 氧化锌电阻片的非线性特性 主要取决于晶界层(类似于pn结， 晶粒n型，晶界p型)null压敏电阻应用： 压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于Von时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过Von时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。 null3.2 线绕电阻材料线绕电阻：用金属合金线绕制在陶瓷或其它绝缘材料的骨架上，表面涂以保护漆或玻璃釉。分固定和可变两种 nullnull 电阻合金线通常用元素周期ⅠB ⅡB ⅦB ⅧB 的金属(如铜、银、金、铬、锰等组成合金后．经拉伸而成。null这种电阻材料具性能： 电阻率高 电阻温度系数 温度范围宽、耐热性高 稳定性好 耐磨等 是制造线绕电阻器利线统电位器的绕组材料线绕电阻元件： 具有高稳定性、高精度、大功率等特点。null 贱金属合金线： 锰钢线、康铜线、镍铬线、镍铬基多元合金线等 贵金属电阻合金线： 铂基合金、钯基合金、金基合金和银基合金等。 电阻合金线主要分：贵金属合金线和贱金属合金线null1 贱金属合金线： 在电阻合金的领域里，长期以来，铜、锰、镍系电阻合金一直以其优良的电性能和良好的工艺性能而居于主流地位。但是，由于铜、锰、镍系电阻合金的电阻温度系数较大、阻值稳定性差、抗氧化性差等缺点而受到限制。nullnull康铜线的成分及性能： null2 贵金属合金线 用它们制成的电阻合金线具有良好的化学稳定性、热稳定性和电性能。 主要用于制作精密线绕电阻器和电位器，以及一些高性能的、长寿命的、特殊要求的线绕电阻器和电位器。null铂基电阻合金线： 优点：具有适中的电阻值，极优的耐腐蚀和抗氧化性能，即使长期暴露在高温、高湿条件下或强腐蚀性介质中，表面仍能保持初始的状态。它具有小而稳定的接触电阻，硬度高，寿命长，良好的焊接性。是最可靠的电位器线绕电阻材料。 缺点：价格最贵null钯基电阻合金线： 优点：电阻率高，电阻温度系数较低，接触电阻低而 稳定，焊接性能好，价格也比铂基合全线便宜。 缺点：它的不足之处是耐腐蚀性和抗氧化性不如铂基 合金线。null金基电阻合金线： 优点：抗氧化性和耐腐蚀性仅次于铂，产量高。 缺点：以金为基的二元合金的电阻率低，电阻温度系数较高。硬度低，不耐磨。nullnull总的来看，贵金属合金线在某些方面比贱金属合金线优越，但价格太昂贵，因而至今未被广泛采用。当前只用它来制造特殊用途的电阻器和电位器，如工作环境恶劣和性能要求较高的航天、航海、化工等部门所需的精密线绕电阻器和电位器。 近年来，电阻器和电位器正向着高精度、高稳定、高可靠、长寿命、小型化、高（或低）阻值、宽温度域等方向发展。3.3薄膜电阻 3.3薄膜电阻 薄膜电阻器是用蒸发或溅射的方法将一定电阻率材料蒸镀于绝缘材料表面制成。 null膜厚一般在1μm以下，人们常称它为薄膜电阻材料。 体积小、 阻值范围宽 电阻温度系数小 性能稳定 容易调阻 易于散热 用料少薄膜电阻材料的特点：1.碳膜电阻 1.碳膜电阻 碳膜电阻: （黄色）以小瓷棒或瓷管作骨架，通过真空和高温，使碳氢化合物（常用庚烷）热分解出的结晶碳沉积生成碳膜(导电膜)，瓷管两端装上金属帽盖和引线，外涂保护漆。改变碳膜的厚度和通过刻槽改变长度，获得不同阻值。nullnull碳膜的结构类似石墨的多晶结构。由许多小晶粒组成，每一个小晶粒像一个石墨的晶体。石墨晶体结构石墨晶体是正六方形结构，碳原子排成彼此相互平行的平，平面内原子间距离为O.142nm，平面间的距离为0.34nm。平面内原子间为金属键，形成全属性电导，显正的电阻温度系数；平面间原子靠范德华键相结合，不导电，显负电阻温度系数。nullnull碳膜电阻器特点：价格最便宜，阻值范围宽（10Ω～10MΩ）但性能差。null色环标注法：是用不同颜色代表相应的数值，以色环或色点的方式标注在电阻表面，所标注的参数一般只有标称阻值和允许偏差。色环标注法通常有两位有效数字色标法和三位有效数字色标法。两位有效数字色标法多用于普通电阻器，电阻上共有４条色环，前３条表示阻值，末条表示允许偏差，电阻阻值确定——色环标注法null例如，有一个电阻的色环依次为红、黑、棕、银，则阻值及允许偏差为200Ω±10％ null五位有效数字色标法多用于精密电阻器，电阻上共有５条色环，前４条表示阻值，最后一条表示允许偏差.例如，有一个电阻的色环颜色依次为黄、紫、黑、棕、红，则其阻值和允许偏差为4.7kΩ±2％。 2.金属膜电阻2.金属膜电阻 金属膜电阻：以镍铬合金，或其他金属或合金材料 ，用真空蒸发或溅射的方法，在陶瓷或玻璃基本上形成电阻膜层的导电膜，瓷管两端装上金属帽盖和引线，外涂保护漆。 金属膜电阻是蓝底色或绿底色的（国产非色环电阻用红底色），通过刻槽或调整膜镀层厚度调整阻值大小。 null 金属膜电阻一般有帽盖结构、圆柱结构、片状结构及无引线结构等形式。 null1 金属膜层的结构和性能与合金粉的成分有关。 2 不同的合金粉，所得膜层的阻值和电阻温度系数不同。 3 膜厚增加，电阻率减小，并逐渐趋近于块材的电阻率。电阻温度系数为正值，随着膜厚增大有所增加。膜层变薄时，电阻温度系数变小，并向负方向增大。 4 膜厚减小到很薄时，因膜层不连续．电阻率很大。一般膜厚为50—100nm金属膜特点：null金属膜主要以镍铬系为主要成分的合金料， 镍铬系薄膜：性能稳定、阻值精度高、电阻率高、 阻值范围宽、电阻温度系数小。Ni-Cr薄膜中掺入适量Al、Cu、Mn、Si、Be、Sn和Fe， 可以降低电阻温度系数．提高耐热性、增强耐磨能力。nullNi-Cr薄膜中掺入适量Al 可以降低电阻温度系． 阻值变化率降低 调节温度范围。null金属膜电阻器特点： 耐热性好； 电压稳定性好，温度系数小； 工作频率范围宽， 金属膜电阻率一般低于碳膜， 在相同的功率条件下，它 比碳膜电阻器体积小很多，约为碳膜电阻器的一半,但 成本较高。null金属膜电阻率一般低于碳膜3.金属氧化膜电阻3.金属氧化膜电阻金属氧化膜电阻（灰色）：是由能水解的金属盐类溶液(如四氯化锡和三氯化锑)喷涂在炽热的玻璃或陶瓷的表面（～700 ℃ ），经水解反应沉积出金属氧化物。null 纯SnO2：黄色透明晶体，熔点1127℃，禁带4.3ev宽 ——绝缘材料（不能用作电阻）锑(Sb)的掺入使氧化锡增加了导电性锑的摩尔分数1.5%， 电导率最大null金属氧化膜：Sn-Sb氧化物, Sn-In氧化物, Sn-Sb-Al 氧化物 电阻器特点： 比金属膜电阻器抗氧化能力强，抗酸、抗盐的能力很强， 耐热性好（温度可达240℃）。 由于金属氧化物的特性和膜层厚的限制，阻值范围小 4.金属-陶瓷电阻薄膜4.金属-陶瓷电阻薄膜 金属和硅的氧化物通过真空蒸发 或 反应溅射所制备的薄膜 如： Cr-SiO Ti-SiO2 Au-SiO(SiO2) NiCr-SiO2 Ta2-SiO2真空蒸发法制备Cr-SiO膜null溅射法制备Cr-SiO膜null Cr-SiO 随着硅含量增多，即SiO量增大,电阻率增大,aR从正值逐渐变成负null电阻率高null金属-陶瓷电阻薄膜主要特点： 电阻率高； 耐温高 5.合成膜电阻 5.合成膜电阻 合成膜电阻：以碳黑作为导电材料，以有机树脂为粘合剂混合制成导电悬浮液，均匀涂覆在陶瓷绝缘基体上，经加热聚合而制成高压和高阻值电阻器 。null合成碳膜电阻器的性能特点： 价格低廉； 阻值范围高； 抗湿性差； 电压稳定性低； 频率特性不好； 易加工。 这种电阻器不适用于通用电阻器，主要用他制造高 压，高阻，小型电阻器。 3.4 厚膜电阻3.4 厚膜电阻厚膜电阻材料：用厚膜电阻浆料通过丝网印刷、烧结(或固化)在绝缘基体上形成的一层较厚的膜，这层膜具有电阻的特性。 厚膜电路的膜厚一般大于10μm 厚膜电阻又称贴片电阻 null厚膜电阻浆料组成： 导电相(又称功能相)、 粘结相、 有机载体null导电相：导电微粒。 第一类，金属粉或金属氧化物粉 （如：银、金、铜、铝、镍、氧化钯、二氧化钌） 第二类，非金属及非金属化合物和有机高分子 （如：碳黑、硅化物、硼化物、聚乙炔）null粘结相：起粘结导电相和坚固电阻体的作用，同时还有调整阻值、改善性能、提高附着力等作用。 第一类：无机粘结剂， （如：铅、硼硅酸盐玻璃，铅、硼、铝硅酸盐） 第二类：是有机粘结剂，主要为—些高分子树脂null有机载体：粘结和悬浮浆料中的金属粉和玻璃粉， 调整浆料的粘度、流性、触变性等工艺性能。 以便于浆料可以转印到基板上，形成所需图形。 由溶剂、增稠剂、流动控制和表而活性剂组成null丝网印刷null3.5 电阻材料发展动向线绕精密电阻合金向高精度、高可靠性方向发展 电阻合金向高阻值、超细化、薄膜化方向发展 薄膜电阻的无铅化、低钌或不含钌化发展 电阻材料和电阻元件制造一体化 向低温方向发展 非晶电阻材料将占有重要地位 低成本、绿色化