阻容感基础03：电阻器分类（1）-片式电阻器
說在開頭：關于黎曼幾何
老羅的假設是：過直線外一點，起碼可以做出兩條線與此直線平行。那么就有人對這點唱起了反調：不要說兩條平行線，一條都不行，根本就不存在平行線的情況。即直線外一點做的線必定與該直線相交。這個人就是高斯的學生黎曼，他也推導出了一整套幾何學：“黎曼幾何”。黎曼和高斯都是人類數學史上數一數二的數學家（哥廷根數學派人才輩出，后面還會講到），楊振寧排出他心目中最牛的幾何學家，寫過一首詩：千古寸心是，歐高黎嘉陳。其中高、黎指的就是高斯和黎曼。
1854年，黎曼在哥廷根大學（19~20世紀理論物理三大中心之一，牛B閃閃的存在，后續會被不斷提及）發表了題為《論作為幾何基礎的假設》的就職演講，標志著黎曼幾何的誕生。黎曼描述的是球面的狀況，羅巴切夫斯基描述的是馬鞍面（雙曲面）的狀況，歐幾里得描述的是平面的狀況。各種古怪的幾何學，本質上就是空間彎曲方式不一樣造成的。黎曼延續的是老師高斯的微分幾何思想，空間彎曲成什么樣子都能計算。在彎曲的空間中是沒有直線的，彎曲空間中只有“短程線”的概念。舉個栗子：地球表面就是一個球面，假設從上海飛往洛杉磯（兩地基本同緯度），飛機在地圖上看并非簡單地沿著緯線飛，而是沿著“大圓航線”飛行；“大圓航線”是地球上兩點間路程最短的線，顧名思義也叫“短程線”。 短程線在大地測量學上很常用，因此還有另外一個名字叫做“測地線”；廣義相對論中也借用了這個概念，不過測地線在廣義相對論中是兩點間最長的線，并非最短（后續會講到，根據閔可夫斯基時空理論，曲線反而比直線短）。格羅斯曼和愛因斯坦當年在為廣義相對論研究尋找合適的數學工具，最后他們發現黎曼的幾何理論最合適，為廣義相對論提供了數學基礎。
黎曼將高斯的平面“書蟲”假象進行了擴充，用于闡述幾何與我們已熟悉的力之間的關系：假如一張紙上生活著二維生物，將它們所生活的紙褶皺之后，它們依然會覺得世界是平的，但當它們在褶皺的紙上運動時，它們就會感受到看不見的“力”阻止它們沿直線運動。
如果把這個思路擴展到我們的三維世界，就可以得到這樣的結論：我們看不見空間的彎曲，但在彎曲的空間中運動，會感到一股神秘的力在拉拽我們。而這種力不僅是引力，黎曼把電力、磁力也歸結于宇宙在第四維空間的褶皺，只是我們看不見。黎曼通過引入第四空間維度，無意間探知到了自然定律在高維度會變得更加簡單的秘密。而且他還找到了讓所有人都能認同他思想的表述方法，黎曼如此便建立了高維空間（例如：弦理論）的數學骨架。
1866年7月20日，年僅40歲的黎曼在第三次去意大利休養的途中因肺結核在塞拉斯卡去世。
一，電阻器分類
我們從不同角度，可以對電阻器的種類作不同劃分，如下圖所示：
1. 按用途分類，這種分類方式側重于電阻的實際電路設計應用：
????????1, 通用型：適應一般技術要求的電阻，功率在0.06W~1W之間，阻值在1Ω~22MΩ之間，允許誤差為1%~10%之間；
????????——應用于一般的數、模電路：分壓、阻抗匹配、上下拉等應用。
????????2, 精密型：高精密度及高穩定性（低溫漂：低至2ppm/℃）電阻，功率一般不大于2W；阻值在0.01Ω~20MΩ之間，允許誤差小至0.01%；相對普通電阻有更高的精度、長期穩定性、溫度系數小的特性；
????????-——應用于精密儀器：醫療、量測、電信設備等，汽車電子電路，高精度電壓采樣電路，電源電流/功耗監測（金屬箔電阻器）電路等。
????????3, 功率型：又被稱為發熱電阻/負荷電阻，在電路中主要起到降壓和限流的作用，通常具有較高額定功率，功率可達3KW以上；主要分為三類：線繞功率電阻，膜式功率電阻，實心陶瓷電阻；
????????——應用于為大電源電路提供假負載，檢測電源輸出能力。
????????4, 高壓型：能夠承受瞬間的高溫、高壓沖擊，通常用于高壓裝置中，功率可達100W，額定電壓可達100kV，標稱值可達lGΩ；通常由玻璃釉膜和合成炭膜制成；
????????——應用于高壓裝置中用作分壓器和吸收器，也可供整流濾波電容器的放電和熄弧用。
????????5, 高頻型：自身電感量非常小，常被稱為無感電阻，阻值一般小于1KΩ，功率范圍寬，最大可達1W；在射頻和微波電路中應用的主要是薄膜貼片式電阻。
2. 按特殊用途分類，這些器件對外呈現電阻的特性，但又各懷獨門絕技，已不屬于一般電阻的應用：
????????1, 熱敏電阻：一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變；分為NTC（負溫度系數）和PTC（正溫度系數）；
????????——主要應用于對外通信接口的電路防護（例如：POTS），溫度監測等；
????????2, 壓敏電阻：具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過壓時進行電壓鉗位（電源電路防護），吸收多余的電流以保護敏感器件（VDR）；
????????3, 光敏電阻：利用半導體光電效應制成的一種電阻值隨入射光強弱而改變的電阻器；
????????——主要用于光控調光，光控開關等；
????????4, 力敏電阻：利用半導體材料的壓力電阻效應制成的，能將機械力轉換為電信號的特殊元件（即電阻值隨外加力大小而改變）；
????????——用于各種矩力計、半導體傳聲器及各種壓力傳感器中。
????????5, 磁敏電阻：一種對磁敏感、具有磁阻效應（利用半導體的磁阻效應制造的，常用InSb材料加工而成）的電阻元件；
????????——阻值隨穿過其磁通量密度的變化而變化，用于磁場強度、漏磁、制磁的檢測。
????????6, 濕敏電阻：利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發生變化這一原理而制成。
????????——基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性測量濕度。
????????7, 氣敏電阻： 一種半導體敏感器件，利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發生變化的機理來進行檢測。
如上很多特殊用途電阻中采用的是半導體材料，有關于半導體相關特性、原理，后續《半導體基礎專題》詳細分析。
二，片狀電阻器
我們現在大多數字電路設計中使用的是片狀電阻（對模擬不熟），它就有非常明顯的優點，足以在大多數硬件電路設計中成為“理想”電阻器：外觀尺寸均勻且小型化（寄生電容、電感小），耐潮濕，耐高溫（環境適應性好），可靠度高，精度高且溫度系數與阻值公差小等等。
片狀電阻器按生產工藝，可分為：厚膜（Thick Film）和薄膜（Thin Film）兩種。
1，薄膜和厚膜電阻器
薄膜和厚膜電阻的整體結構基本一樣，如果沒有安裝氪金狗眼的話是無法區分的，它們主要差別在于電阻導電層材料的不同，咱們先從定義下手，來看看薄膜與厚膜電阻器的差別。
薄膜電阻器：是用真空蒸發、磁控濺射等工藝方法將電阻率材料（鎳化鉻）蒸鍍于基底絕緣材料（氧化鋁陶瓷，硅或玻璃）表面制成，厚度約0.1um，然后通過光刻工藝將薄膜蝕刻成一定的形狀。
——嚯，看這描述那是相當的高科技，效果也必須相當地好啊；這種光刻工藝十分精確，可以形成復雜的形狀，薄膜電阻精度可以做得非常高。
厚膜電阻器：是指采用厚膜工藝印刷（氧化釕或其他合金的糊狀物）而成的電阻，一般采用絲網印刷或模板印刷工藝；厚度約為100um。
——就是一坨粑粑糊在陶瓷基板上，不過手藝還不錯，能達到um級別；電阻漿料基于釕，銥和錸的氧化物，也被稱為金屬陶瓷（陶瓷 - 金屬）。
我們看到薄膜電阻器的薄膜厚度控制更精確，鍍層也容易切割便于制造高精度電阻器；而厚膜電阻器的電阻材料金屬顆粒分布很難做到非常均勻，而且印刷厚度的控制也相對更難，最后成型為玻璃狀晶體，加工難度大（有徒手碎玻璃經驗的同學知道，玻璃受力容易裂開），這些因素使得厚膜電阻精度相對更低。
具體關于薄膜和厚膜電阻器的分析，如下所示：
1. 薄膜電阻器的缺點主要就是貴，其它優點如下所示：
????????1, 材料相對更均勻（便于電阻值的設計），制造工藝更加可控，它還可以通過光刻或者激光修正，產生圖案增加電阻路徑并校準電阻值，所以薄膜電阻阻值可以做到0.1%甚至0.01%；
????????2, 可選用非常低溫度系數（TCR）的導電材料，使得電阻器阻值隨溫度變化非常小，阻值穩定可靠；
????????3, 一般應用于精密應用：各類儀器儀表，醫療器械，電源，電力設備，電子數碼產品等。
2. 厚膜電阻器的特點如下所示：
????????1, 厚膜電阻通過合金導電材料和絕緣體材料混合的糊狀物質，印刷到陶瓷基板上燒制而成；其燒制成后的導電材料類似玻璃，難于切割控制阻值；所以厚膜電阻一般精度較差：10%，5%，1%是常見精度；
????????——將電阻層在850℃下印刷到基板上燒制糊劑后變成玻璃狀，使其能很好地防潮。
????????2, 厚膜電阻導電材料為粑狀物質，其溫度系數(TCR)上很難控制，一般較大；
????????——TCR（ppm/℃）是一個不容忽視的微小參數，1%的普通電阻的TCR系數在幾千ppm/°C范圍內，整體阻值的變化與電阻的材料、實際功率以及物理尺寸相關。
????????3, 但是厚膜電阻成本非常低，迄今為止電氣和電子設備中使用最多的電阻器。
????????——單板上常用的0402/0603/0805/1206等封裝貼片電阻器，一般都是厚膜電阻。
3. 薄膜電阻器與厚膜電阻器的電阻層對比，如下圖所示；
????????1, 薄膜電阻器相對于厚膜電阻器的電阻層更加均勻，容易制作高精度、穩定的電阻；
????????2, 薄膜電阻器的電阻層有其最佳厚度的要求，如果薄膜電阻的電阻層太薄則更容易被氧化，并嚴重影響其溫度系數（TCR）；
????????——薄膜電阻器對電阻層厚度的要求嚴重影響了薄膜電阻的阻值范圍，且大阻值薄膜電阻的退化率也非常高。
????????3, 厚膜電阻依靠玻璃基體中金屬粒子間的接觸形成電阻，這些觸點構成完整電阻；
????????——工作中的熱應變會中斷接觸，阻值會隨著時間和溫度持續增加，其穩定性較差。
????????4, 厚膜電阻結構中成串的電荷運動，粒狀結構使厚膜電阻產生較高的電流噪聲，相同尺寸下，電阻值越高（金屬成分越少），噪聲越高，穩定性越差；
????????——因為厚膜電阻中的自由電子受到電場力的作用下，在運動過程中碰撞的概率（雜質顆粒多）遠大于薄膜電阻，所以電子運動更加雜亂，噪聲更大。
????????5, 厚膜電阻結構中的玻璃成分在電阻加工過程中形成玻璃相保護層，因此厚膜電阻的抗濕性高于薄膜電阻，更不容易被氧化。
薄膜電阻器與厚膜電阻器的參數對比如下圖所示，我們看到薄膜電阻是作為：精密型電阻和高頻型電阻的非常好選擇。而厚膜電阻器價格便宜，小型化，寄生電感/電容小，足以滿足一般的數字電路硬件設計中對于電阻器的要求。
——我覺得薄膜電阻在數字電路中的使用真是少之又少，除非是在一些高精度要求的場合。
2，厚膜和薄膜電阻器的結構及工藝流程
厚膜電阻器與薄膜電阻器只是電阻材料上的差別，整體結構基本一致，而且都是承載于陶瓷基板之上，以厚膜電阻器為例來看片狀電阻器的結構，如下圖所示。
1. 片狀電阻的主體是陶瓷基板（結構圖中的①），這是片狀電阻器最重要的組成部分，所有電阻器的其它材料都基于陶瓷基板之上；那為什么要采用陶瓷（三氧化二鋁）作為基板材料呢？因為它足夠優秀：
——不光是電阻器有采用陶瓷基板，而且電容器和電感器也有用陶瓷做基板材料的；只要是人才，在哪都能有閃光的舞臺。
????????1, 機械性能：足夠高的機械強度，加工性強，良好的表面粗糙度和清潔度，無彎曲裂痕；
????????2, 電學性質：絕緣電阻高，介電常數小（表示介電損耗小，后續《信號完整性》專題深入分析），高溫、高濕環境的性能穩定，可靠性高；
????????3, 熱學性質：熱導率高（散熱好），膨脹系數與電阻其它材料匹配（不會破裂），耐熱性優良；
????????4, 其它性質：化學結構穩定，容易金屬化鍍膜，無毒無害，容易制造，工藝成熟，價格低等。
2. 陶瓷基板兩端電極的正反面鍍上導體（銀）：面電極和背電極（結構圖中的②和③）；目的是搭建電阻材料與電極之間的導電通道；
3. 電阻體（結構圖中的? ④）是電阻器的核心，為導體正面印刷的電阻漿料；其材料必須與面電極（②）良好接觸；
????????1, 電阻漿料是由導電材料（導電相）、玻璃珠（玻璃相）與有機溶劑（載體）按一定的比例經過三輥機軋制混合均勻的滿足印刷特性的膏狀物；
????????2, 電阻漿料有釕系厚膜電阻漿料和鈀銀（Pd/Ag）厚膜電阻漿料兩種。
4. 一次保護層（結構圖中的⑤）: 采用玻璃材料，對印刷的電阻層進行保護，防止下道工序鐳射修整時對電阻層造成大范圍破壞；
5. 二次保護層（結構圖中的⑥）：采用玻璃/樹脂材料，保護層需具備抗酸堿腐蝕的功能， 使電阻不受外部環境影響；
6. 阻值碼字印刷（結構圖中的⑦）：將電阻值以數字碼標示；
7. 端電極（結構圖中的⑧）：將面電極和背電極連接在一起，其作用是將電阻體的電氣連接至電阻管腳端；
8. 中間電極（結構圖中的⑨）: 將液態的鎳濺渡到端面上，形成側面導體，鎳具有強抗氧化性能，主要用于隔離內部銀電極，防止內部電極被氧化；
9. 外部電極（結構圖中的⑩）：采用電鍍技術將金屬錫鍍到鎳電極外層，增高架電阻可焊性，從而增強其可制造性。
厚膜電阻的制造過程，具體如下圖所示。
在經過前期對厚膜電阻器的生產后，后期還將經過篩選、測試以及編帶等過程，才能真正成為可用的電阻器，補充電阻相關制造工藝流程說明如下：
1. 折粒：將條狀之工件分割成單個的粒狀；
2. 磁性篩選：利用鎳的磁性將不良品篩選出來；不良品的磁性小，篩選時掉落到不良品盒， 良品掉落到良品盒；
3. 電性能測試：阻值進行測試，按不同精度需求篩選?出合格產品；
4. 編帶包裝：將電阻裝入紙帶包裝成卷盤。
3，片狀電阻防硫化
如上一節厚膜電阻結構所述，片狀電阻有三層電極結構 ：面電極（銀電極） ，中間電極（鎳鍍層 ），外部電極（錫鍍層 ）。其中面電極材料是金屬導電體（銀） ，二次保護包裹層是非金屬不導電體?， 如下圖所示：電鍍層和保護層的交界線區域中，電鍍層很薄時會產生空隙；此時外界含硫腐蝕氣體通過二次保護層與電極之間的交界處滲透到面電極 ，使面電極的銀產生硫化，生成的化合物（Ag2S，FlqT-Ag2S)導電率小，使得電阻器失去導電能力而失效 。
防硫化電阻器：通過延長二次保護包覆層設計尺寸，同時讓底層電極覆蓋上二次保護，避免相對薄弱的二次保護包覆層邊緣直接暴露于空氣環境中，提高了產品的防硫化能力。
防硫化電阻設計有兩種思路：
1. 從包封覆蓋角度出發：采用碳系導電樹脂膠覆蓋在面電極上，并延伸到二次保護層上；
2. 從材料角度出發： 提高面電極銀鈀（Ag/Pd）漿料中鈀的含量，鈀含量從0.5%提高到10%以上，提升電阻抗硫化能力。
4，金屬箔電阻器
從金屬箔電阻器的各個方面表現來看，它都是目前最接近完美的電阻器（完美，當然也意味著：貴），或則說是在眾多電阻器中最像“電阻器”的電阻器，是理想的精密電阻器（理想，當然也意味著：很貴）。
金屬箔電阻：通過真空熔煉形成鎳鉻合金（記住：合金的溫度系數小，敲黑板~），然后通過滾碾的方式制作成金屬箔，再將金屬箔黏合在氧化鋁陶瓷基底上，再通過光刻工藝來控制金屬箔的形狀，從而控制電阻大小的電阻器。如下圖金屬箔電阻器結構所示，它與薄膜/厚膜電阻器的主要差別在于電阻體材料不一樣，
金屬箔電阻器是目前性能控制做的最好的電阻器，遠比其它電阻器要好太多（金屬箔電阻器：我不是說你，我是說你們在座所有的電阻器都是——辣雞~）：
1. 高精度：調阻分辨率可達0.0005%（5ppm）；
2. 低功率系數（PCR）：對電阻施加額定功率，阻值變化單位為ppm/W；
3. 低TCR：極低溫度漂移（0.2ppm/c）；
4. 高負載壽命穩定性：50ppm；
5. 低噪聲：金屬箔電阻器產生的噪音最小，電流通過金屬合金的內部微粒邊界導通電路；微粒間的電流路徑經過一個或者更多的金屬晶體包括多層，更長的路徑穿過分界線，減少了噪音產生的幾率；
6. 低寄生電感/電容： 在平面形電阻中，電阻路徑圖案有意設計成為平行的幾何直線以抵消電抗：蛇形平面電阻阻值路徑如右下圖所示 ，鄰近反方向電流的互感減小了線路電感，也減小了電容（這是什么道理了？《信號完整性基礎》專題詳細分析）。
~你的思考（提問），是對我最大的支持~
總結
以上是生活随笔為你收集整理的阻容感基础03：电阻器分类（1）-片式电阻器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： SVN 合并分支
- 下一篇： RDKit | 基于RDKit 的化合物