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第三章电阻材料3.1电阻材料概述电阻材料概述（一）（一）电阻、电阻器电阻、电阻器1.1.电阻电阻电阻电阻 R RV/I V/I 2.2.电阻器：电阻元件电阻器：电阻元件电阻器：电阻元件电阻器：电阻元件 ，调节分配电能，调节分配电能，调节分配电能，调节分配电能形状：形状：形状：形状：线绕、合金箔、薄膜、厚膜、实芯、片式线绕、合金箔、薄膜、厚膜、实芯、片式线绕、合金箔、薄膜、厚膜、实芯、片式线绕、合金箔、薄膜、厚膜、实芯、片式阻值变化：固定、可变、电位器阻值变化：固定、可变、电位器阻值变化：固定、可变、电位器阻值变化：固定、可变、电位器（二）电阻率和膜电阻（二）电阻率和膜电阻电阻率：电阻率：电阻率：电阻率：R R L/S L/S 材料种类、结构、环境有关材料种类、结构、环境有关材料种类、结构、环境有关材料种类、结构、环境有关膜电阻：膜电阻：膜电阻：膜电阻：R Rs s /d /d 长宽相同的薄膜的电阻长宽相同的薄膜的电阻长宽相同的薄膜的电阻长宽相同的薄膜的电阻方数：方数：方数：方数：R=Rs NR=Rs N3.1电阻材料概述电阻材料概述(三）电阻和温度关系三）电阻和温度关系阻温系数描述R=dR/RdT平均阻温系数3.1电阻材料概述电阻材料概述1.纯金属MATR1/T2.合金材料0+iA（B+T)R1/(B+T)3.1电阻材料概述电阻材料概述提高金属电阻材料电阻率和降低阻温系数措施a.采用合金，多元合金，温度系数补偿杂质的合金b.线材、薄膜、厚膜或箔状C.加入绝缘填充料d.有机无机粘结剂e.采用金属氧化物等非金属材料组成3.1电阻材料概述电阻材料概述3.金属合金薄膜电阻材料金属膜（1）制备：真空蒸发、溅射、化学沉积（2）结构：无定形 无择优取向多晶膜 择优取向多晶膜。（3）厚度：100nm 连续结构，与块状材料类似 电阻率 块状材料 10nm100nm 网状结构 厚度减少，电阻率增大 1nm几十nm 岛状结构 厚度减少，电阻率急剧增大。3.1电阻材料概述电阻材料概述（4）杂质连续金属膜情况：=声+杂+缺+界+表第一项与温度有关，最后一项与厚度有关。3.1电阻材料概述电阻材料概述4.合成型电阻材料（1）颗粒性导电材料+绝缘填充料+粘结剂导电颗粒种类、数量、粒度、分散性（2）导电机理3.1电阻材料概述电阻材料概述Rn金属、合金电阻，电阻与温度有关Rk接触电阻，0、P与温度有关Ra间隙电阻间隙厚度导电颗粒功函数温度有关阻温系数为负（4）主要应用：厚膜、合成碳膜、实芯电阻器3.1电阻材料概述电阻材料概述5.半导体电阻材料（1）组成结构：金属氧化物、盐、其他化合物缺陷化合物：杂质缺陷、化学计量缺陷、空位（2）电阻行为：半导体特性，负的阻温系数3.1电阻材料概述电阻材料概述（四）电阻材料的电压特性1.线性电阻欧姆定律2.电阻非线性：材料内部结构不均匀间隙或接触存在3.电阻电压系数VCR负值k（R2R1）/（R1（V2V1）4.电阻三次谐波电阻材料非线性电流三次谐波（五）电阻材料噪声不规则电压起伏1.热噪声2.电流噪声3.2线绕电阻材料线绕电阻材料（一）特点和要求1.结构：用金属电阻丝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。铜银金铬锰2.特点电阻率高，阻值精确(556k)、阻温系数小，使用温度宽耐热性高，功率范围大、稳定性好噪声小耐磨主要用于精密和大功率场合主要用于精密和大功率场合缺点：缺点：体积较大、自身电感大，使高频性能差、时间常数大。体积较大、自身电感大，使高频性能差、时间常数大。只适用于频率在只适用于频率在50 kHz以下的电路。以下的电路。3.2线绕电阻材料线绕电阻材料3.2线绕电阻材料线绕电阻材料（二）贱金属电阻合金线1.锰铜电阻稳定性好，阻温系数小。室温下的中低阻值精密电阻器2.康铜耐热性好，使用温度宽，阻温系数大，大功率电阻3.镍铬较高电阻率，宽使用温度，阻温系数大，中高阻值普通电阻（位）器4.镍铬多元合金电阻率高，阻温系数小，耐磨性好，适合高阻值的精密线绕电阻器或电位器。3.2线绕电阻材料线绕电阻材料（三）贵金属电阻合金线接触电阻小，低噪，耐磨性好1.铂基2.钯基易生成“褐粉”，有机聚合物膜3.金基抗腐蚀性强4.银基易受腐蚀，耐磨性差。银锰锡电阻合金线，阻温系数小，对铜热电势小，具有抗腐蚀性，标准电阻。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料电子技术中广泛应用薄膜电阻材料来制造分立电阻元件及集成电路中的电阻元件。在绝缘基体上（或基片）用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解等方法制得的膜状电阻材料。膜厚1m以下。主要分为碳膜和金属膜两大类。具体分类见表。要求：电阻率范围宽，阻温、阻压系数小、噪声电平低、使用温度范围宽，高频性能好，稳定性可靠性高，工艺性能好。各种膜式电阻实物照片各种膜式电阻实物照片3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料从外观上，金属膜的为五个环（1），碳膜的为四环（5）。金属膜的为蓝色，碳膜的为土黄色或是其他的颜色。（微型电阻过去的国标是按颜色区别，金属膜电阻用红色，碳膜电阻用绿色。）但由于工艺的提高和假金膜的出现，这两种方法并不是很好，很多时候区分不开这两种电阻。比较好的方法是下面两种：1.用刀片刮开保护漆，露出的膜的颜色为黑色为碳膜电阻；膜的颜色为亮白的则为金属膜电阻。2.由于金属膜电阻的温度系数比碳膜电阻小得多，所以可以用万用表测电阻的阻值，然后用烧热的电铬铁靠近电阻，如果阻值变化很大，则为碳膜电阻，反之则为金属膜电阻3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（一）碳基薄膜（RT）碳膜电阻器是用含碳有机物（或含硅有机物），在高温真空条件热解，在绝缘基体上沉积而成。碳膜电阻器阻值范围宽，较好的稳定性，温度系数不大且是负值，是目前应用最广泛的电阻器。由于它容易制成高阻值的膜，所以主要用作高阻高压电阻器。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料1.碳膜类石墨结构3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料2.硅碳膜原料：正硅酸乙酯、庚烷（或苯）、六甲基二硅醚条件：8501100C结构：底层硅碳层玻璃相SiO2+C增加对玻璃基体的附着中间层导电层接近纯碳膜，渗入少量SIO2外层保护层SIO2及少量B-SiC3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料(二）金属氧化膜1.材料：利用金属氯化物（氯化锑，氯化锌，氯化锡）高温下在绝缘体水解形成金属氧化物电阻膜。2.特点：由于其本身即是氧化物，所以高温下稳定，耐热冲击，负载能力强。但其在直流下容易发生电解使氧化物还原，性能不太稳定。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料3.导电机理水解反应形成缺氧SnO2x，N型半导体Sb取代Sn增加导电电子数，1.5%降低迁移率Sb不仅影响电导率，也影响阻温系数。小于1.5，正阻温系数大于1.5出现负的阻温系数3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料4.其他元素Sn-Sb低中电阻B2O3提高电阻值，降低阻温系数Al2O3同上，性能稳定TiO2电阻增大20200倍，阻温系数变化不大Bi性能稳定，老化系数减少Sn-In阻值提高1530倍Sn-Fe阻值提高10倍3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（三）金属膜电阻（RJ）1.蒸发金属膜v材料：通过真空蒸发或阴极溅射，沉积在陶瓷肌体表面上一层很薄的金属或合金膜。v特点：金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声，温度系数小，金属膜电阻由于结构不均匀，因此使他的脉冲负载能力差。v结构：无定形或微晶热处理改善结构3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料2.化学沉积金属膜v材料：由镀液中的金属离子获得电子，还原成金属沉积在陶瓷表面形成金属薄膜，利用化学反应进行镀膜。目前一般沉积的是镍膜。v特点：由于化学沉积膜的电阻可以很低，可弥补精密金属膜电阻的低阻部分，由于化学膜反应时产生大量氢气使镀膜多孔，使其防潮性较差。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（四）镍铬薄膜电阻v材料：是用镍铬或类似的合金真空电镀技术，着膜于基体表面，经过切割调试阻值，以达到最终要求的精密阻值。多种方法制备v特点：阻温系数小，稳定性高，噪声电平小，可制作的阻值范围宽，使用温度宽，应用于片式精密电阻器和混合集成电路薄膜电阻器。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料1.纯镍铬薄膜v原料：高纯镍粉、铬粉或镍铬丝v方法：蒸镀、溅射v蒸发速率影响：3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料v不同方法：溅射基本保持原有成分。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料vCr的影响：Cr以氧化物形式存在，随含量增大，薄膜方阻增大。v热处理：真空，晶粒界面减少大气，Cr2O3生成3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料2.镍铬铝薄膜精密电阻材料vAl作用：降低阻温系数，提高稳定性Al氧化物嵌在NiCr合金氧化膜内，形成致密结构3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料3.其他改性类型NICr-O提高电阻值，降低阻温系数，提高稳定性。多层膜法，反复蒸镀多次表面氧化NiCrAlFeNiCrAlCu低电阻系数NiCrBe提高稳定性3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（五）金属陶瓷电阻薄膜材料：金属和硅等氧化物绝缘体组成的薄膜。特点：电阻率高，耐高温。类型：CrSiO2;TiSiO23.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（六）Cr-Si电阻薄膜Cr-Si系薄膜是一类常用的电阻薄膜,根据其含硅量的不同可满足很宽的阻值范围需要。它具有较小的电阻温度系数、较低的应用失效率以及高的化学稳定性和热稳定性，在微电子领域应用也越来越广。含硅量在一定值以上的Cr-Si系溅射薄膜经退火处理后，膜层构成主要为非晶态基体及氧化物SiOx包围纳米级硅化物相，制造工艺的可控性和膜层结构的致密稳定性好。3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（七）钽基电阻薄膜钽的化合物和合金膜1.钽膜特点：钽与O、N形成化合物、与Si、AL形成合金。性能稳定，用作电阻、电极和介质，广泛应用于薄膜集成电路。2.不同结构钽膜性能：3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料3.3薄膜电阻材料薄膜电阻材料（八）复合电阻薄膜由不同薄膜叠合而成优点：通过组合克服单层膜阻温系数大、稳定性差缺点。NiCr-Ta2N阻温系数低，高温稳定性好，中低阻CrSi-NiCr低阻温系数，耐潮性好，高稳定，高阻3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料（一）组成1.概念：厚膜电阻材料是由厚膜电阻浆料通过丝网印刷、烧结在基片上形成具有电阻特性的膜。2.组成：导电相金属粉或其氧化物非金属及其化合物和有机高分子粘结相无机粘结剂（玻璃类）有机（树脂）有机载体及改性剂3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料厚膜电阻材料中的功能相多为具有良好导电性和热稳定性的金属或无机非金属材料。粘结相主要是各种绝缘性和工艺性优良的玻璃或树脂，它将导电颗粒粘结在基片上，使厚膜电阻具有所需的机械性能和电性能。复合度对复合材料的性能有很大影响，通过改变复合度来调整复合材料性能是最为有效的手段之一。因此各相成分的选择以及相界面的匹配状况对电阻的性能影响很大，可以使膜层的电阻值范围宽并且电阻温度系数等参数的可调性好。3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料3.优点v通过丝网印刷等工艺可直接形成电路图形，适于大量生产片式电阻器；v膜层较厚，经烧结收缩表面变得光滑、致密、耐磨，具有很高的稳定性，电阻体v与基体的附着力强，可靠性高;v电阻率范围较宽，容易实现很低的电路电阻和很高的电路电阻，高频性能好，耐脉冲负荷，寿命长;v导体层、电阻层、绝缘层、介电层及其他功能层都可以印刷成膜，容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基片;v设备简单，投资少。3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料（二）常用导电相1.要求：1)电导率高，且与温度的相关性小;2)不与无机粘结相发生不良反应;3)与电阻体的相容性好;4)不发生迁移现象;5)可以焊接及与引线键合;6)不发生焊接侵蚀;7)耐热循环;8)随温度变化不产生局部电池，不发生电蚀现象;9)资源丰富，价格便宜3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料2.常用功能相1）碳粉在酚醛树脂中固化制备。由于碳粉导电性不高，且耐热性不好，所以该种电阻浆料应用范围窄，未能得到充分的发展。2）银/钯电阻它的导电相主要是钯、银及氧化钯三种，其中银和钯形成合金，使导电颗粒“链合”或“搭桥”，促进导电网络的形成，氧化钯为p型半导体，其导电性是银/钯系厚膜电阻电阻率的主要决定因素。方阻覆盖范围小，工艺再现性差，高阻时噪声大，抗银离子迁移性和耐焊料的侵蚀性差；还原气氛中，氧化钯的还原会导致电阻器性能的不稳定，阻值大幅度降低。3.4厚膜电阻材料厚膜电阻材料3）钌系主要为钌及钌系化合物:二氧化钌、钌酸盐及钌酸盐衍生物等。钌系浆料制备的电阻膜层稳定性、工艺性好，阻值范围宽、电阻温度系数小阻值稳定性高，烧成时不与玻璃等发生不良化学反应，抗还原气氛性强，与银系导电体相容性好。同时其烧成膜表面光滑，接触噪声小，耐磨性强。由于钌粉价格昂贵，限制了二氧化钌系电阻浆料使用范围，采用钌酸盐代替二氧化钌作为导电相制备电阻浆料，不但成本低，而且性能与二氧化钉电阻相近，某些性能甚至更优。常作为导电相的钌酸铋、钌酸铅。