基于金属膜和绕组工艺的高功率贴片精密电阻研究及开发
刘权
[摘 要]随着电子通信、仪器仪表及航空航天行业不断向小型化方向发展，对电子元器件提出了更高的要求。精密电阻作为重要的电子元器件也得到了关注。高功率的精密贴片电阻可以降低现有方案复杂度，高效实现安装，并实现小型化的发展需求。文章针对高功率贴片电阻需求进行了研究并提出了基于金属膜工艺和绕组工艺的改进整合技术，给出了5 W和7 W高功率贴片电阻的新型解决方案，且该产品已经应用到客户平台化产品线中。
[关键词]电阻;精密;高功率;贴片
[中图分类号]TN249 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Research and Development of High power SMD Precision Resistor
Based on Metal Film and Winding Technology
Liu Quan
[Abstract]With the development of electronic communication， instrumentation and aerospace industry towards miniaturization， higher requirements are put forward for electronic components. As an important electronic component， precision resistance has also been concerned. High power precision chip resistors can reduce the complexity of existing solutions， achieve efficient installation， and meet the development needs of miniaturization. In this paper， the demand of high-power SMR is studied， and the improved integration technology based on metal film process and winding process is proposed. The new solutions of 5 W and 7 W high-power SMR are given， and the product has been applied to the customer platform product line.
[Keywords]resistance; precise; high power; patch
精密電阻是印制电路板（PCB）上常见的基本元器件，在实现电路板上限流、分压和电流检测等功能中起到关键作用。而PCB作为电子工业基础部件广泛应用于从小至收音机、计算器，大至通信设备、国防航天系统的各类应用中。PCB的不断发展提高了电子产品的生产效率、降低了成本，同时也大大减小了电子设备的体积，而整个行业对于精密电阻也提出了更高的功率要求来顺应电子产品小型化、轻型化的发展趋势。传统的插件电阻相对容易实现高功率且精密的功能需求，但插件电阻安装焊接过程效率远低于表面贴片技术（SMT）。因此，很多电子设备制造商都在寻求高功率的贴片精密电阻以应对高效率的市场需求。
1 精密贴片电阻现状研究
1.1 精密电阻分类及分析
精密电阻没有明确的定义，是指兼具精确性和稳定性的电阻。一般是指在广泛阻值范围内，精度控制在±2%以下且电阻温度系数（TCR）较低的电阻。主要有金属膜精密电阻、线绕精密电阻和金属箔精密电阻等3个类别。
（1）金属膜电阻是以金属合金为电阻材料，通过真空蒸发或者溅射工艺在基体表面形成金属膜层，经过切割后实现不同精密阻值的电阻。金属膜电阻精度高，高频性能稳定，电阻结构简单且体积小，但功率相对低且分布参数（分布电感、电容等）相对较高。
（2）绕线电阻是将丝状导体缠绕在绝缘骨架上制成的电阻。该电阻精度高、噪声低，高温耐受性良好且TCR低。但高频性能较弱，分布电感相对高，在应对大阻值时体积较大且成本攀升明显。
（3）金属箔电阻是将特制的一种金属箔材料粘贴在陶瓷基片上，然后用化学腐蚀或激光刻蚀工艺将金属箔雕刻而成不同阻值的电阻。该电阻各方面性能都很优秀，但阻值范围较小（集中在低阻值）且生产成本很高。5 W以上金属箔电阻采用TO-220封装方式的插件技术实现，难以满足快速批量焊接、安装的需求。
1.2 精密贴片电阻现状
现有的精密贴片电阻功率相对较小，1 W及以下功率的贴片精密电阻使用率最高，而4 W以上贴片精密电阻市场一直处于空白状态。原因在于以往各类应用更多关注在精密电阻的阻值精度和TCR。集成电路设计过程中，工程师根据需要选择阻值精度高且TCR低的贴片精密电阻去设计板上电路功能，电阻功率往往不做特别的要求。如果设计电路有高功率需要，只能通过多个电阻串、并联等方式间接实现。但近些年电子行业发展迅速，以往解决方案会占用大面积电路板而使得整体设计体积难以压缩且成本较高，很多应用需要更高功率的电阻来降低设计复杂度并节约空间，使得4 W以上贴片精密电阻市场需求突显。
不同的应用对精密贴片电阻的阻值也有不同需求。智能电表、监控设备及精密仪器行业使用的精密贴片电阻主要集中在低阻值（0.1 ～500 Ω）;而逆变器、工业电源和精密温控系统则更多的使用高阻值（500Ω ～2 MΩ）的精密贴片电阻。总的来说，高功率精密贴片电阻需要完整的阻值覆盖才能满足市场需要。
2 高功率精密贴片电阻开发
基于以上分析，市场上急需一款性价比更好、阻值覆盖率高的高功率精密贴片电阻。金属箔技术性能良好但工艺复杂成本很高，且阻值范围小;绕线技术易于实现高功率和贴片工艺，但该技术在应对大阻值时体积较大;金属膜技术体积小、精度高，但功率相对低。为了保持整个产品线的一致性，本文探讨的是基于金属膜精密电阻技术和绕线精密电阻技术的合成改良技术，即低阻值时采用绕组技术，而高阻值采用金属膜电阻技术。该整合技术不仅可以满足客户对于现有精密贴片电阻的高功率和性价比需求，也能够提供比现有市场上更高功率的贴片电阻。
对于两种成熟技术，本文通过工艺流程和材料选择两个方面进行了改进。实现了外形一致、性能稳定的高功率电阻产品系列。给市场提供了更高功率的贴片电阻选择，同时也实现了同规格功率电阻更高的阻值覆盖率。
2.1 绕线电阻工艺
（1）基体加工，即生产圆柱状陶瓷基体。基体是电阻工作时散热的重要媒介，而散热效果直接影响着电阻的功率。为了获得更好的散热特性，本方案增加了陶瓷基体中氧化铝的含量，提升高温耐受性的同时提升散热效果。陶瓷材料烧结固化后需要进行切割、打磨制成柱状结构。基体加工的精度直接影响后续的工艺，需要采用自动化设备保证基体长度、直径尺寸和表面粗糙度。
（2）端盖组装，将两电极压装至陶瓷基体两端。装配过程采用过盈配合，需要注意施加作用力的大小，过小会导致装配不到位，而过大又有破坏基体的风险。需要调试多次找到合适作用力才能固定到位，确保绕组区域距离的一致性。
（3）熔接双线，将电阻引线焊接到端盖上的工艺。业界常用的接线方式是点焊，但该焊接方式在精密电阻生产工艺组中成本较高且焊接效果更适合插件电阻工艺。基于贴片电阻的要求，开发了铜片辅助焊接工艺，该工艺焊接速度快，良率更高且焊接后焊点处焊料堆积量小。能够快速高效实现引线焊接，也为后续的封装和引线塑形打下良好基础。
（4）绕线，即通过绕线机将合金导体缠绕在基体上的工艺，以实现不同阻值的设定。本改良工艺不仅在绕组合金上增加了铝含量，还加粗了合金绕线。后面覆膜工艺具体介绍铝增加功率作用，这里不再赘述;合金电阻丝的直径增大可以保证更大电流通过，即电阻功率增大，当然也会造成同体积电阻阻值上限的降低。因此，该设计是针对0.1 ～500 Ω的相对低阻值提供高功率的解决方案，见图1。
（5）封装，将电阻整体进行密封并制成贴片式的立方体结构。本工艺采用环氧树脂一体成型封装，不但保证了电阻内部结构的稳定性和对外环境的耐受性，且增大了电阻散热面积，有效提升了电阻高功率工作下的性能。使得该电阻可以在严苛工况下依然保证高功率工作性能。
（6）成型，压平引线后裁切形成外电极，并将电极弯曲成型。高功率电阻的体积和重量相对于普通贴片电阻要大很多，直接将引线压平后弯曲成型工艺会导致后续的PCB焊接失效脱落的情况。因此本方案在引线选择上选择了更高一个规格的引线以保证压平后贴片面积更大，且在封装时底部留有凹槽。更大的贴片面积让焊接更加牢固，而底部的凹槽则保证了外电极位置准确。
（7）电镀，外电极表面电镀处理。本方案由于要对引线进行成型工艺，不可避免地对表面已有镀层有所破坏，因此成型之后会对铜引线进行酸洗，将表面处理后再重新进行镀镍和镀锡。引线镀镍是为了保护引线不受外界环境影响而保证电阻的电气性能;可焊层镀锡是为了保证电阻在焊接過程中焊接效果，见图2。
2.2 金属膜电阻工艺
金属膜电阻工艺，主要分为8个步骤（封装前5步，封装后3步）。封装后工艺与绕组工艺相同，而在封装之前的基体加工、端盖组装和焊接双线3个工艺也是相同的，因此这里重点介绍覆膜和膜切割工艺，见图3。
（1）覆膜工艺是将金属膜覆盖到陶瓷基体表面形成。为了实现更高的功率负载，本方案在镍铬合金中增加了铝的含量，铝含量的提升不仅显著增大镍铬合金的电阻率，而且能够降低TCR，使得电阻精度提升并适用于更大的功率。但是，过多的铝也会导致合金成分偏析、增大起晶粒尺寸并产生柱状结构，给后续的热处理和拉丝带来更多的加工难度。因此，经历了反复试验后得到了合适的铝金属配比。该配比能够基于500 Ω～2 MΩ的相对高阻值提供高效的功率和TCR性能，同时不会对后续的加工形成压力。
（2）膜切割工艺是为了实现不同阻值的变化而对膜进行刻画的过程。膜切割分为两个步骤：①对金属膜进行初步切割划分阻值范围;②将某一阻值范围的电阻进行精密切割来实现具体精确阻值。由于切割精度直接影响阻值精度且基体体积较小，故本方案采用高精度自动切割机处理，保证阻值精确和一致性。
3 结语
本文对现有金属膜电阻和绕线电阻工艺进行了探索，通过对绕阻材料配比、粗细调整以及现有贴片电阻工艺的改良实现了相对低阻值5 W和7 W贴片精密电阻的开发;通过对金属膜的材料进行调整，并改进封装工艺实现了相对高阻值5 W和7 W贴片精密电阻的开发。将两种技术并用而推出整体规格一致的、广泛覆盖各阻值的高功率贴片电阻系列，给高功率精密贴片电阻应用提供了新的选项。该开发产品在客户端得到了好评并成功应用到客户平台化产品线，在应用层面具有一定的意义。
参考文献
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