電子電路繼續小型化的趨勢對電阻設計提出了新挑戰。例如，車(chē)輛中電子功能的增加使得單位面積電子器件的數量提升。這反過(guò)來(lái)在多方面影響到了無(wú)源器件——特別是電阻。這些器件需要變得更小，同時(shí)提供更高的精度和更佳的穩定度。更高的精度則需要通過(guò)更緊的容限和更低的溫度系數得以實(shí)現。
薄膜芯片電阻陣列可以通過(guò)把多個(gè)在同一陶瓷基片上的多個(gè)電阻集成起來(lái)，滿(mǎn)足縮減尺寸、更高精度、增加電氣穩定性的要求。通過(guò)集成這些器件，電阻陣列比相同數量的分立電阻需要更小的空間。這可以使得電子電路有更高的封裝密度，因此單位面積可以有更多的電子功能。此外，薄膜芯片電阻陣列還用于電阻的相對行為十分關(guān)鍵的應用，比如運放或直流到直流轉換器中的分壓器和反饋電路。
本文將介紹薄膜芯片電阻陣列如何積極地影響電路的電氣穩定，同時(shí)減少需要的面積。以分壓器作為例子，我們將在文章中解釋相對參數“容差匹配”和“TCR跟蹤”，并討論電阻陣列的溫度行為。此外，這篇文章還會(huì )展示如何在生產(chǎn)過(guò)程中控制電阻的容差和溫度系數。
相對容差（容差匹配）使用分壓器
圖1：由R1和R2.組成的分壓器。
圖1描述了由R1和R2組成的無(wú)負載分壓器，在分壓器的輸出引腳，由R1和R2以及其相對標稱(chēng)電阻值的偏差△決定的輸出電壓VOUT可以測量出來(lái)：
相對標稱(chēng)電阻的偏差稱(chēng)為絕 對容差。如果兩項絕 對容差△1和△2相等，則誤差項（1+△1）/（1+△2）等于1。電阻陣列可以獲得大致相等的容差。圖2展示的，是由4個(gè)電阻集成在一起的薄膜芯片電阻陣列的容差。
圖2：電阻陣列的容差。
在這個(gè)例子中，陣列的全部4個(gè)電阻阻值都在絕 對容限±0.5%以?xún)?。此外，對于精密電阻陣列還指定了容差匹配。其定義為zui小和zui大電阻偏差之間的跨度，為一個(gè)無(wú)符號數。在上面的例子中，容差匹配數值是0.1%。當和分壓器中單個(gè)電阻比較的時(shí)候，這相當于±0.05%.的偏差。
相對溫度系數（TCR跟蹤）
絕 對溫度系數a描述了電阻值隨溫度的變化升高或降低的改變
在上文中，J代表層溫度，單位是攝氏度（°C），RJ 是層溫度時(shí)的阻值，R20是20°C（參考溫度）時(shí)的阻值。在溫度J=20°C時(shí)，△R/R20=0。根據公式（2），電阻的變化△R在較低溫度系數α會(huì )降低。正因如此，為了保證隨著(zhù)溫度的變化電阻的偏差較小，低的溫度系數（TCR）必不可少。TCR以ppm/K的形式給出。假如，環(huán)境溫度J由于附近器件的熱傳導、熱輻射或者對流升高到120°C，那么50-ppm/K的電阻會(huì )以±0.5%的比例改變阻值。溫度系數始終有一個(gè)定義的溫度范圍。典型的溫度范圍是–55°C到+125°C。對于苛刻環(huán)境下的汽車(chē)應用，比如引擎控制單元或齒輪箱控制，溫度范圍向上擴展到+155°C。圖3展示了薄膜芯片電阻陣列的TCR。
圖3：TCR跟蹤。
在這個(gè)例子中絕 對TCR的限制是± 50 ppm/K。4個(gè)集成電阻R1， R2， R3， 和 R4 的TCR曲線(xiàn)落在限制范圍之內。對于精密電阻陣列，除了絕 對溫度系數之外，還指定了相對溫度系數。相對TCR（TCR跟蹤）定義為4個(gè)集成電阻中zui大和zui小TCR之間的差別。在這個(gè)例子中，TCR跟蹤的數值時(shí)10 ppm/K，這相當于分壓器中用到的分立電阻溫度范圍為– 55 °C 到 + 125 °C 時(shí)TCR為± 5 ppm/K。和關(guān)于相對容差的討論類(lèi)似，就TCR跟蹤而言，四個(gè)電阻呈現出統一的行為特性，產(chǎn)生出我們希望得到的低TCR值。
分壓器的溫度行為特性
在印刷上，通常情況下不同區域的本地環(huán)境溫度都有所不同。這是相鄰器件熱傳導、熱輻射和熱對流的結果。如果使用分立電阻，不同的環(huán)境溫度會(huì )導致不同的電阻變化。這種效應在圖4中給出了說(shuō)明。
圖4：左-使用分立電阻時(shí)不同的本地環(huán)境溫度。右邊-使用集成電阻（電阻陣列）時(shí)相同的本地環(huán)境溫度。
固定穩壓器的輸出電壓通過(guò)分壓器來(lái)調整（圖4，左）。2個(gè)分立電阻的阻值為R1=R2 =1kΩ，TCR為±50ppm/K。在印刷電路板（PCB）上其中一個(gè)位于另一個(gè)下面。固定穩壓器位于R1附近，由于熱輻射和對流導致環(huán)境溫度升高。這導致R1的溫度升高到+120°C。而R2的本地環(huán)境溫度維持幾乎不變，仍然是+20°C。R1和R2不同的溫度水平引起分壓器失配，這可以通過(guò)方程2計算得到。失配對包含電壓穩壓器的鄰近電路的影響可能會(huì )非常大。在zui壞情況下，固定電壓穩壓器會(huì )不能提供要求的電壓穩定度，進(jìn)而使整個(gè)電路失效。
可以通過(guò)盡量把R1和R2放置在一條等溫線(xiàn)上來(lái)降低這種效應。這樣做的話(huà)，R2的環(huán)境溫度會(huì )和R1的溫度水平更接近。然而由于分立電阻的放置相互之間存在zui小的某個(gè)距離，即使zui小的可能距離也會(huì )導致不同的溫度水平。如果兩個(gè)電阻值不同（R1≠R2），那么情況會(huì )變得更糟。由于阻值不等，消耗的功率也不同（P1≠P2），導致電阻間不同的溫度水平。
電阻陣列為確保所有的集成電阻有相同的環(huán)境溫度提供了一種很好的選擇。由于電阻集成的關(guān)系，這些陣列體現出統一的溫度行為特性。陶瓷基板具有很好的熱傳導，所以所有的集成電阻都大致處于相同的熱水平。因此，固定穩壓器提供的輸出電壓在zui初近似時(shí)可認為不受溫度影響。
實(shí)現
容差??薄膜芯片電阻或薄膜芯片電阻陣列的容差，可通過(guò)激光處理過(guò)程進(jìn)行調整。激光束把諸如一種繞線(xiàn)結構削成電阻層，如圖5所示。在調整的過(guò)程中，電阻值一直在被監控，從而使得zui終的電阻值位于需要的容限之內。
圖5：薄膜芯片電阻陣列中的繞線(xiàn)結構。
溫度系數??薄膜電阻的溫度系數受多個(gè)流程參數影響，包括合金成分、涂層流程（濺射流程）以及接下來(lái)的溫度調節。為了獲得低的溫度系數，所有這些流程的每一個(gè)參數都需要高準確度的完成。接下來(lái)的熱處理會(huì )調整薄金屬層的溫度系數，根據這項熱處理的持續時(shí)間和溫度，溫度系數從zui初的負逐漸增加到正，也就是說(shuō)薄層的電氣行為特性變得日益金屬化。
產(chǎn)品
薄膜芯片電阻陣列包含多個(gè)集成在同一個(gè)基板的電阻，定義了相對容差和相對溫度系數，制造過(guò)程使得相同陶瓷載體上可以實(shí)現統一或不同的電阻值。因此，分壓器或反饋電路可以輕松實(shí)現，特性是電阻比例≥1。另一個(gè)陣列的優(yōu)勢是電路板空間變小了。這在PCB面積有限的復雜電子系統中顯得特別有利。此外，布局成本比分立電阻更低，這是因為PCB上僅需要放置一個(gè)器件。
諸如引擎控制單元或齒輪箱控制的汽車(chē)應用，需要設計穩定的芯片陣列來(lái)處理苛刻環(huán)境下的功率、溫度、濕度水平和熱循環(huán)等問(wèn)題。委員會(huì )的標準，比如AEC-Q200，認為汽車(chē)工業(yè)中使用的電阻和其他無(wú)源器件都相當重要。AEC-Q200提出了各種各樣的電氣和氣候測試以及測試級別。數量眾多的測試方法和測試性質(zhì)，保證了器件的品質(zhì)在許多不同的方面都會(huì )被測試到。特別的，濕度測試的測試級別很高。由于A(yíng)EC-Q200提出的測試僅僅要求測一次，沒(méi)有任何重復，所以一些廠(chǎng)商定期進(jìn)行這些測試來(lái)保持其產(chǎn)品的高質(zhì)量。
在汽車(chē)應用處于苛刻環(huán)境下需要長(cháng)期高穩定度的分壓比時(shí)，電阻陣列的這些屬性在實(shí)現分壓器、反饋以及模擬信號調理電路時(shí)轉換成一種優(yōu)勢。
總結
小型化增加了對無(wú)源器件的要求，特別是對電阻。薄膜電阻陣列減少了印刷電路板上需要的面積，但并沒(méi)有犧牲阻值的電氣穩定性。通過(guò)集成同一陶瓷基板上的4個(gè)電阻，面積需求減少了25%以上。此外，布局成本也降低了，因為只有一個(gè)器件需要處理而不是4個(gè)分立器件。相對因素比如相對容差和相對溫度系數，都會(huì )顯著(zhù)影響電阻網(wǎng)絡(luò )或分壓網(wǎng)絡(luò )的電氣穩定度。這些相對尺寸在諸如分壓器或運算放大器電阻中的反饋網(wǎng)絡(luò )應用中尤其有利。汽車(chē)應用中魯棒的設計需要芯片陣列。通過(guò)AEC-Q200合格檢驗是確保器件質(zhì)量的zui可取的方法，因為要測試很多不同的方面。
對更小技術(shù)解決方案的推動(dòng)，特別是在汽車(chē)和方面，正在呼喚體積更小的設計，對于無(wú)源無(wú)源器件也是如此。因為這個(gè)原因，電阻陣列將會(huì )被縮小到更小的標準封裝內。此外，解決方案所提供的高分配比，也將允許更多面向模擬電路的靈活解決方案出現。