【经验】如何为高温电子设备选择合适的电阻器？

时间： 2020-05-20 来源：TT Electronics

技术问答

高温电子设备中的限制因素一直使所用有源元件的半导体性能下降。但是，随着高温半导体和碳化硅基材料的最新发展，无源元件（例如电阻器）已成为限制因素。因此，正确选择电阻器已成为高温电子设计中确保正确操作和可靠性的关键因素。

传统上，电阻器是通过多种方法和技术制造的，包括金属和金属氧化物膜、金属箔、碳、线绕和厚膜。每个都有其特定的特性，使它们或多或少地适合于高温应用。高温下的电阻退化可能会随着时间的变化而变化，从小的电阻变化到突变的电阻（通过开路或在某些情况下会短路）表现出来。

线绕电阻器

尽管被认为是一项成熟的技术，但许多线绕电阻器实际上在高达200至250°C或更高的环境温度的高温应用中表现良好。在相对简单的结构中，线绕电阻器是通过将电阻丝（例如镍铬合金，它具有非常好的高温特性，通常用于加热元件）缠绕在氧化铝或陶瓷芯上，焊接到金属端盖上并压装到端。

通常，电阻器是通过使用玻璃搪瓷（玻璃），硅树脂，水泥或环氧化合物封装该单元来绝缘并使其防水的。封装材料通常是“最薄弱的环节”，并且可能是高温下的故障根源。这可能是由于热膨胀系数不同而导致涂层破裂并使湿气进入造成的，在下面的电线产生应力，或者由于其在高温下绝缘性能退化所致。因此，环氧树脂通常不是最适合长期高温的应用，但是硅酮和搪瓷玻璃材料的功能良好。

玻璃搪瓷涂层电阻形成近乎密闭的封装，并在危险环境下提供额外的保护，这些环境可能会伴随着较高的工作温度，尤其是在石油和天然气工业中。不过，搪瓷涂层材料的体电阻率在高温下往往会显著下降，随着温度的升高绝缘性能会显着降低，这会影响总装配电阻。玻璃搪瓷涂层线绕电阻器的高温稳定性非常好，在200°C下暴露1000小时后，电阻变化约为1-2％，其他线绕电阻器类型的变化通常较大。线绕电阻器的一个缺点是其有限的上限电阻范围，固有的相关电感，及其相对较大的尺寸。

厚膜电阻器

近年来，对于高温应用，厚膜电阻器已经引起了广泛的关注。这些电阻器是通过将金属和颗粒的混合物沉积到陶瓷基板上并在高温（通常在空气中约为850°C）下烧结而制成的，从而形成导电金属陶瓷基体。用于高温的厚膜导体配方通常是金，钯银或铂银。激光修整后，通常会在其顶部应用一层玻璃绝缘体以保护环境。厚膜电阻器可以做得非常小，表面安装尺寸通常可以减小到0201或更小。

图1 厚膜片式电阻器结构

由于厚膜电阻器的初始处理温度很高，因此该技术对高温应用较为适用。由TT Electronics制造的特殊高温厚膜电阻器的测试表明，在300°C下经过1000小时（无负载）运行后，平均电阻变化小于0.25％（图2）。

图2 1000小时的空载电阻变化（HTC系列，0805尺寸，180kΩ，20个）

为了在高温下运行，传统焊锡不是可选的（典型的无铅焊锡的液相线温度约为221°C），因此使用其他连接方法，包括引线键合，高铅含量的HMP焊锡（通常为Sn05Pb93.5Ag1） .5-296°C），或使用导电粘合剂。因此，必须选择与连接方法兼容的端接材料。这通常需要用于引线键合或导电粘合剂的金端子，用于导电粘合剂的聚合物银，Pd-Ag或Pt-Ag以及用于HMP焊料的带有镍底层的电镀材料。

对于厚膜电阻器，在正常温度范围内，典型的电阻温度系数（TCR）约为±100 ppm /°C，但随着温度偏离正常范围，它可能会呈现显著的非线性（图3）。但是，即使我们假设TCR为100 ppm /°C，在高于环境温度200°C的条件下运行，也可能仅由于温度波动而导致可感知的电阻变化高达2％，并且更多地取决于更高温度下的实际TCR特性。因此，更精确的应用可能需要薄膜或线绕电阻。

图3 厚膜电阻器的典型TCR特性

薄膜电阻器

与厚膜电阻器不同，厚膜电阻器的特点是采用附加高温制造工艺，薄膜电阻器通常采用溅射沉积工艺制造。随后的制造操作用于调节电阻膜以优化高温性能。薄膜电阻通常具有低TCR、高精度的特性，并且通常可用于具有多个电阻的网络或封装中。薄膜电阻材料的选择通常是镍铬合金或氮化钽。这两种材料（见表）都能耐受高熔点，并且具有很高的抗氧化性，下表说明了常用薄膜电阻器材料的特性。

两种电阻器膜在正常工作温度下均具有良好的电阻稳定性和出色的低TCR，在高温工作时仍可保持一定的程度。此外，它们都在较宽的温度范围内具有相对线性的TCR曲线（图4）。尽管显示的数据是针对镍铬合金金属膜电阻器的，但对于氮化钽材料，也可以看到类似的特性。

图4 高温下薄膜电阻在DIP网络中的TCR

薄膜电阻器的一个吸引人的方面是，在运行的最初100到200个小时内，总电阻的变化很大（图5）。

图5 高温下薄膜电阻随时间的变化

但是，电阻变化率会随着时间的推移而显著降低，电阻变化如图6所示，该电阻网络与图5类似，但是添加了200°C的148小时烘烤。在这种情况下，电阻变化在1000小时的暴露时间内已减少到不到一半，从而大大提高了整体电阻器的稳定性。

图6 该电阻器网络类似于图5中的电阻器网络（200°C，148小时）

如图6，公共网络中的所有电阻器在时间和温度范围内都能很好地相互跟踪。即使在高温下，非常精确的电阻分压器和电压比网络也可以提供出色的性能。它可以降低成本，即指定一个电阻网络，该电阻网络具有两个或多个电阻（具有不同的值），可以很好地相互跟踪。图7说明了高温电阻器网络的典型比率公差性能，整个使用寿命期间比率性能的差异在0.005％（50 ppm）之内。

图7 该图说明了高温电阻器网络中电阻器之间的比率漂移

薄膜电阻器网络可以以各种封装购买，例如SMT中的SOT23，SOT147，SOIC，QSOP，BGA，以及成熟的通孔封装（例如SIP / DIP）。图8所示的3端子1206分压器封装具有出色的高温性能和出色的电阻随时间和温度变化的特性。多种端子都可以灵活连接。

图8 PFC-HT系列封装

其他电阻器类型

设计工程师可以使用多种其他电阻器类型。这些包括组成，箔，金属氧化物等。除箔技术外，其他电阻器类型通常在高温应用中会降低性能，并且适用性有限。铝箔电阻通常表现出很好的性能，但是成本却很高。通过使用金属成形类电阻器，可在高温应用中促进极低电阻值的电阻器（例如用于分流器或电流感测应用）。

总结：

正确选择用于高温应用的电阻器对于优化性能和经济性至关重要。尽管电路设计人员可以使用许多电阻器技术，但是必须掌握每种类型的特性和构造，才能做出最佳选择。

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型号- BCN168SB,WH SERIES,T 2010,WP25S,WMO7S,BCN168RB,0612X,BCN,WP5SZI,WHS-UL,WIN SERIES,RCP,SQM5,SQM3,SQM2,EBW5216,N 0815,LRF SERIES,SQM7,4507,LRCS,4500,WMO5S,4501,4502,4503,4504,VRW37,4505,4506,RHVD08,RC70P,T0603,WRM SERIES,HDSC,CR,LVC SERIES,VRW25,DIV23 SERIES,ULW SERIES,RHVD15,LRMAPXXXX SERIES,4530,GHVC SERIES,ULR3N,4531,WDBR-UL,TJC,RHVD10,RC65,WMO3S,BPR50,WH10,ULR,EMC,LCS SERIES,ULW,WP-SZI SERIES,WHPC,PCF,WMO2S,RC55,4532,4533,4534,4535,4536,4537,PCR,HPDC SERIES,OAR,SQP SERIES,WPYP10,ULR1S,BCN10,WSHR,ULR25,WRM,1900 SERIES,W20,WMO1S,W22,W21,T0805,W24,W23,SQP7,SQP5,ULR2N,BPR30,SQP2,SQP3,SOT143 SERIES,RC70,LR SERIES,WSM,HVC,W31,W30,HVD,WHS2,WHS3,WHS5,W20 SERIES,WH25,WHS7,WP3SZI,BPC3,RC65P,HVP,WH50,LHVC,HR,PFC,WMO-S SERIES,VRW,MFP1,MFP2,BPR10,WA84F,EBW SERIES,MF-S,WP-SZI,BPC7,BPC5,HVP SERIES,MFC SERIES,WSM2,WSMHP,WSM3,GHVC2512,MF1/2S,WCM SERIES,BPC10,LOB-5,ULR15S,LOB-3,MFR5,LRF3W SERIES,MFR3,MFR4,HVD08,RHVD10A,WH100,RC SERIES,VRW SERIES,SOT,RC55P,WSMHP25,HVD15,LR,WSMHP20,HVD12,1020X,DIV23,SPP,WMHP35,DSC,0508X,WRM-HP SERIES,WP-S SERIES,MF2S,LOB SERIES,MFR SERIES,HVD20,WHS10,WH200,WMHP50,SQM,PFC-HT,LRZ SERIES,SQP,BPC,LRMA,WSMHP SERIES,OARS-XP SERIES,LCS,MF1S,EMC SERIES,PR SERIES,BPR,WMHP20,N 0612,MFC,HVD30,RHVD15A,PCFH,T43,OARS-XP,T44,MFP,MFR,PCFP,T48,WCR SERIES,WA84F SERIES,WSMHP35,4530 SERIES,WH300,T0402,APC,HPWC,MF3S,VRW68,PR,WPYP SERIES,LRCS SERIES,OAR-5,OAR-1,OAR-3,1908,RC,PCR SERIES,RHVD SERIES,PCF SERIES,WHS5UL,1906,1905,1900,N 1225,BCN SERIES,PWC SERIES,1600 SERIES,LRF3W,ASC,WHPC SERIES,MFP SERIES,HTCR,PWP08,RCP SERIES,CAR SERIES,APC SERIES,WPYP8,P4026,PR5,PR4,TJC SERIES,WMHP,WP-S,SQM SERIES,SPP SERIES,PWP04,PWP06,OARS1,GHVC1206,T1206,OARS SERIES,HVP08,HVP06,TFHP SERIES,HVP04,WHS-UL SERIES,WRM-HV SERIES,PTS SERIES,HVD SERIES,M 2512,WSM SERIES,P 3920,WMO1/2S,WHS SERIES,SC3 SERIES,HVP15,ULR SERIES,HVP10,SPP-1,T 2512,LHVC SERIES,SPP-3,PTS,SPP-2,ULR2,ULR1,WH,WP2S,BPR SERIES,EMC2,WDBR1/2,ULR5,TFHP,HVP20,ULR3,M 1206,WL4 SERIES,BPR7,0207HP,BPR5,1602,BPR3,1601,SP20F SERIES,1600,WP1S,WPRT,WRM-HV,GCR,1609,1608,1607,1606,1605,SP20F,1604,1603,WRM-HP,WCM,WMHP SERIES,WCR,BPC SERIES,PFC-D,BCN164A,WP4S,WDBR5,WDBR SERIE,WDBR7,WDBR2,CAR7,PWC,WDBR1,CAR6,LOB,CAR5,WDBR3,PWP,P 2512,WP3S,BCN164AB,WPRT10,WPRT15,M 0805,P2817,OARSXP,RHVD,P 2726,WMO-S,WPRT20,EBW,3810,3811,WP2SZI,3812,CR SERIES,S0M10,DSC SERIES,WMHP100,GHVC,4800 SERIES,WPRT30,WP5S,HTCR SERIES,LRF,WH5,LRMA SERIES,P 5930,4804,4805,WPRT40,LRZ,GHVC2010,GCR SERIES,WPYP,PWP10,4800,PWP15,4802,WHS,HPDC,EBW8518,MF-S SERIES,OAR SERIES,PWP SERIES,4500 SERIES,ULW5,ULW4,ULW3,ASC SERIES,WPRT50,CAR,ULW2,OARS,PWP20,WHS3UL,W30 SERIES,4812,WIN,SQP20,SQM10A,LRMAPXXXX,3810 SERIES,WPRT SERIES,SOT143,HR SERIES,HVC SERIES,SQP15,SC3,SQP10,WDBR,WHS2UL,LVC,PFC-D SERIES,4832,WL4

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