溫度和結構如何影響電阻穩定性
2021-10-29
作者
Bryan Yarborough，Vishay Intertechnology Vishay Dale品牌產品行銷工程師
電阻溫度係數(TCR)，也稱RTC，是一種性能特徵，在很大程度上受電阻結構影響，本文將介紹影響這一指標的結構和技術特點，以及如何更好地理解這一電阻性能參數。
電阻溫度係數(TCR)，也稱RTC，是一種性能特徵，在很大程度上受電阻結構影響，阻值極低，並且不同的測試方法會產生不一樣的結果。本文將重點介紹影響這一指標的結構和技術特點，以及如何更好地理解這一電阻性能參數。
因果關係
電阻是多種因素共同作用的結果，這些因素導致電子運動偏離金屬或金屬合金晶格理想路徑。
晶格缺陷或不完整會造成電子散射，從而延長行程，增加電阻。以下情況造成這種缺陷和不完整：
- 因熱能在晶格中移動
- 晶格中存在不同原子，如雜質
- 部分或完全沒有晶格(非晶結構)
- 晶界無序區
- 晶體缺陷和缺陷
TCR以ppm/℃為單位測量，是上述缺陷熱能部分的特徵，不同材料之間差異很大(參見表1)。當溫度恢復到基準溫度時，這種電阻變化的影響恢復原狀。
表1：不同電阻層材料TCR，單位為ppm/℃。
TCR影響的另一種可見形式是材料的溫度膨脹率。以兩個分別長100m的不同棒料A和B為例，棒料A的長度變化率為+500ppm/℃，棒料B的變化率為+20ppm/℃。145℃溫變下，棒料A長度增加7.25m，而棒料B的長度僅增加0.29m。以圖1比例圖(1/20)直觀顯示這種差異。棒料A的長度明顯變化，棒料B看不出有什麼不一樣。
圖1：比較不同棒料的溫度膨脹率。
這種情況也適用於電阻，TCR越低，加電(導致電阻層溫度升高)或周圍環境溫度下的測量結果越穩定。
如何測量TCR
根據MIL-STD-202 Method 304測試標準，TCR性能指以25℃為基準溫度，當溫度變化時，電阻阻值變化，元件達到平衡後，阻值差即TCR。電阻隨溫度升高而增加為正TCR (請注意，自熱也會因TCR產生電阻變化)。
電阻-溫度係數(%)：
電阻-溫度係數(ppm)：
其中，R1 = 基準溫度電阻、R2 =工作溫度電阻、t1 =基準溫度(25℃)、t2 =工作溫度。
工作溫度(t2)通常取決於應用。例如，儀器典型溫度範圍為-10~60℃，而國防應用溫度範圍一般為-55~125℃。
圖2顯示溫度從25℃開始升高，電阻成比例變化時不同TCR對比。
圖2：溫度升高，電組成比例變化時的不同TCR比較。
以下公式計算給定TCR條件下最大阻值變化：
其中，R=最終電阻、R0 =初始電阻、α=TCR、T=最終溫度、T0 =初始溫度。
結構對TCR的影響
金屬條(Metal Strip)和金屬板(Metal Plate)電阻技術TCR性能優於傳統厚膜檢流電阻，因為厚膜電阻材料主要是銀，而銀端子和銅端子TCR值比較高。
圖3：不同材料電阻技術TCR性能。
Metal Strip電阻技術使用實心銅端子(圖3項2)，與低TCR電阻合金(項1)焊接，阻值低至0.1mΩ並實現低TCR。但是，銅端子TCR (3,900ppm/℃)高於電阻合金(< 20ppm/℃)，構成低阻值條件下整體TCR性能主要部分。
圖4：Metal Strip電阻技術。
低阻值銅端子與電阻層合金連接，流經電阻層的電流可以均勻分佈，提高電流測量精確度。圖5顯示銅端子與低TCR電阻合金組合對總電阻的影響，最低阻值相同結構情況下，銅端子在TCR性能中變得更為重要。
圖5：銅端子與低TCR電阻合金組合對總電阻的影響。
凱爾文端子與2端子
凱爾文(4端子)結構具有兩個優點：改進電流測量重複性和TCR性能。缺口結構減少銅端子在電路中的面積。關於凱爾文端子與2端子2512的對比參見表2。
表2：凱爾文端子與2端子2512比較。
兩個關鍵問題：
- 為什麼缺口不切透電阻合金以獲得最佳TCR？
銅可以降低測量電流的連接電阻。在電阻合金上開槽會造成電阻合金測量部分無電流，從而導致測量電壓升高。缺口是在銅TCR影響與測量精準度和重複性之間所做的一種折衷。
圖6：缺口是在銅TCR影響與測量精準度和重複性之間所做的一種折衷。
- 可以使用4端子焊盤設計獲得同樣的結果嗎？
不可以。雖然4端子焊盤設計確實提高了測量重複性，但不能消除測量電路中銅的影響，額定TCR仍然一樣。
包覆結構與焊接
端子的構成可在電阻層覆上薄銅層，這將影響TCR額定值和測量重複性。薄銅層採用包覆方法或電鍍來實現。包覆結構利用極大壓力，以機械方式將銅片與電阻合金連接在一起，材料之間形成均勻介面。兩種構造方法中，銅層厚度通常為千分之幾英吋，最大限度減小銅的影響並改進TCR。其代價是電阻安裝到基板上，阻值會略有漂移，因為薄銅層不能在高電阻合金中均勻分佈電流。某些情況下，板載電阻漂移可能遠大於不同電阻類型之間的TCR影響。
所有資料表的創建並非對等
一些製造商只列出電阻層TCR，這只是整體性能的一部分，因為忽略了端接影響。這個關鍵參數是包括端接影響的元件TCR，即電阻在應用中的表現。
其他方面，TCR特性適用於有限溫度範圍，如20~60℃，也有更寬範圍的情況，如-55~+155℃。電阻進行對比時，有限額定溫度範圍的電阻性能優於更寬額定範圍的電阻。TCR性能通常是非線性的，負溫度範圍內表現較差。請參閱圖7，瞭解同一電阻不同溫度範圍的差異。
圖7：同一電阻不同溫度範圍的差異。
如果資料表中列出一系列阻值的TCR，由於端接影響，其中的最低阻值確定極限。相同範圍內高阻值電阻的TCR可能接近於零，因為總電阻大部分源於低TCR電阻合金。這種圖表對比需要澄清的另一點是，電阻並不總是具有這樣的斜率，有時可能比較平。這取決於兩種材料TCR與阻值的相互作用。
總之，影響TCR的因素很多，資料表可能未提供所需資訊或所需詳細資訊。作為線路設計，如果需要其他資訊支援你的決定，應與元件供應商技術部門聯繫。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年10月號
