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第三章 电阻材料第1页，本讲稿共67页3 3 薄膜电阻材料薄膜电阻材料2 2 线绕电阻材料线绕电阻材料1 1 电阻材料慨述电阻材料慨述4 4 厚膜电阻材料厚膜电阻材料本章内容本章内容第2页，本讲稿共67页电阻材料是指常用的电阻器、片式电阻器电阻器、片式电阻器、混合集成电路中的薄膜和厚膜电阻器薄膜和厚膜电阻器、可变电阻器可变电阻器和电位器电位器等所用的电阻体材料。主要包括线绕电阻材料线绕电阻材料、薄膜电阻材料薄膜电阻材料和厚膜电阻材料厚膜电阻材料。电阻器电阻器是二个引出线其阻值固定不是二个引出线其阻值固定不变。变。电位器电位器是三个引出线中间线头为内部是三个引出线中间线头为内部滑动触点转轴时中间线头与两端线头滑动触点转轴时中间线头与两端线头阻值变化，其转角与阻值变化特性分：阻值变化，其转角与阻值变化特性分：线性（线性（X），指数（），指数（Z），对数（），对数（D），），无轴者称可调电阻。无轴者称可调电阻。）第3页，本讲稿共67页3.1 电阻材料慨述电阻材料慨述3.1.1 电阻、电阻器和电阻单位 电阻是材料在一定程度上阻碍电流流通，并将电电能能转转变变成成热热能能的的一一种种物物理理性性质质。对于某导体，如果在导体两端加上的电压为v、流过的电流为I，则其导体的电阻R可用下式表示：R=V/I第4页，本讲稿共67页将电阻材料做成具有一定形状、结构的实体元件、常称它为电阻器或电阻元件电阻器或电阻元件。电阻器在电子设备中主要功能是调节和分是调节和分配电配电能。在电路中常作分压、调压、分流、作分压、调压、分流、消耗电能的负载以及滤波元消耗电能的负载以及滤波元件等。第5页，本讲稿共67页 在实际应用中，常将电阻材料作成线状、箔状、薄膜线状、箔状、薄膜状、厚膜状、棒状状、厚膜状、棒状(块状块状)及片状及片状。用这类形状的电阻材料所做成的电阻器。则相应称为线绕电阻器、合金箔电阻器、薄膜电阻器、厚膜线绕电阻器、合金箔电阻器、薄膜电阻器、厚膜电阻器、实心电阻器及片式电阻器电阻器、实心电阻器及片式电阻器。电阻器有固定电阻器、可变电阻器和电位器固定电阻器、可变电阻器和电位器之分。固定电阻器的阻值是不可调的，可变电阻器和电位器的阻值是可调的，其区别是可变电阻器是两端两端元件，电位器是四端四端元件。第6页，本讲稿共67页3.1.2 电阻率和膜电阻导体的电阻值决定于导电材料的性质和几何尺寸，对于横截面积恒定的导体，其电阻R用下式表示:R=L/s 对于薄膜电阻材料，由于膜比较薄，电阻率常不是一个常数，随膜厚而变化，故常用膜电阻表示薄膜电阻材料电阻的大小。膜电阻Rs用下式表示：Rs=/d d 为膜的厚度,Rs是指长宽相等的一块薄膜电阻,即1方的电阻,所以有称之为方阻。材料的电阻率是决定该材料是导体、或是半导体和绝缘体的主要依据。材料的电阻率与材料的种类和结构有关，电阻率与材料的种类和结构有关，还与环境条件有关，如温度、压力、湿度还与环境条件有关，如温度、压力、湿度等。第7页，本讲稿共67页3.1.3 电阻与温度的关系所有材料的电阻率都是温度的函数，除了热敏电阻器和一些特殊要求的电阻器而外，作为电阻器和电位器的电阻材料总是希望电阻值随温度希望电阻值随温度的变化越小越好的变化越小越好。为了评定电阻器对温度的稳定性，常用电阻温度电阻温度系数系数来表。电阻温度系数是表示温度每改变1时电阻值的相对变化量，可用下式表示：R=dR/RdT平均电阻温度系数平均电阻温度系数是指在一定温度范围内，温度改变1时，电阻值的平均相对变化量。第8页，本讲稿共67页 电阻材抖的电阻值也是温度的函数，不同电阻材 料，由 于 导 电 机 理 不 同,它 们 的 电 阻温度关系也有所不同。1 纯金属 它的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射而产生的起散射而产生的。当温度增加时，电子平均运动速度增加，单位时间碰撞次数增多，电子平均自由时间减少，电子的平均自由行程长度也相应缩短平均自由行程长度也相应缩短，因而电阻率增加。可用下式表示金属电阻率与温度的关系：M=AT 纯金属的电阻温度系数为正值，而且随着温度的增加而下降。在室温附近金属的电阻温度系数为36x10-3/0C第9页，本讲稿共67页2合金材料 由于在金属中加入了其他金属杂质原子之后，破坏了原来晶格的周期性排列，使自自由由电电子子的的散散射射几几率率增增加加。其结果是合合金金的的电电阻阻率率比比纯纯金金属属的的电电阻阻率率高高。可用下式表示：=+i 式中，为合金的电阻率；为纯金属的电阻率；i为杂质散射增加的电阻率。合金电阻率中，与温度有关，i与温度无关，所以合金的电阻率与温度的关系可用下式表示：=A(B+T),B是与杂质有关的常数 合金的电阻温度系数比纯金属小，一般要小12个量级。第10页，本讲稿共67页为了提高金属和合金电阻材料的电阻率和降低电阻温提高金属和合金电阻材料的电阻率和降低电阻温度系数度系数，常采用如下一些措施：尽量采用合金、多元合金，有温度系数补偿杂质尽量采用合金、多元合金，有温度系数补偿杂质的合金；的合金；把金属和合金做成线材、薄膜、厚膜或箔状；把金属和合金做成线材、薄膜、厚膜或箔状；在金属和合金粉状材料中加入绝缘填充料，在金属和合金粉状材料中加入绝缘填充料，用有机或无机粘结剂制成合成型电阻材料；用有机或无机粘结剂制成合成型电阻材料；将金属和合金氧化物或与其他非金属材料将金属和合金氧化物或与其他非金属材料组成化合物等。组成化合物等。第11页，本讲稿共67页3金属和合金薄膜电阻材料金属和合金薄膜电阻材料简称金属膜，一般用真空蒸发、溅射、化学沉积等方法制得根据微观分析，这种金属膜一般有下列三种结构：无定形结构薄膜由致密的无定向的极小颗粒组成，颗粒的尺寸通常为十几埃左右。这些无定形结构的电子衍射花样图是一些弥散环。没有择优取向的多晶结构。其晶粒较大。这种结构的衍射花样图为一些边缘清晰的圆环，即清锐环。如果膜较薄，也出现弥散环，随着膜层变厚，衍射环从弥散变化到清锐。择优取向的多晶结构。这种结构的薄膜基本上由大尺寸晶体组成，晶粒相对于基体有择优取向，通常都是晶粒原子排列整齐呈致密的表面，与基体表面平行，具衍射花样图为断续的清锐环。第12页，本讲稿共67页其金属膜的结构和性能跟薄膜的厚度有很大关系。一般把它分成三种情况加以考虑。厚度大于100 nm。这种薄膜呈连续状结构，其电性能与块状金属接近，有较小的电阻率和正的电阻温度系数，其密度比块状金属小，晶格也不如块金属完整，杂质玷污较多，薄膜表面对电子还存在一定的散射，所以电阻率高于同类块状金属材料。厚度为100 nm以下到几十纳米。这种薄膜基本上是连续的，但有时会出现一些孔隙、沟道，形成一种网状结构，其电阻率随厚度的减小逐渐增大，而电阻温度系数逐渐减小面接近于零。厚度在几纳米到几十纳米之间、薄膜呈不连续的岛状结构，其电阻率随厚度减小急剧增大，电阻温度系数变成负值而且负得更大，电阻率与温度的关系非常类似于半导体材料。第13页，本讲稿共67页金属中加入的其他金属称为金属杂质，它会增加电子的散射。如果不考虑其他散射的影响，其金属膜的电阻率可用下式表示:=声(T)+杂加入杂质后电阻率增大了，而电阻温度系数却变小了，因为杂质散射引起的电阻与温度无关。如果加入杂质不是形成固溶体而是形成混合物，其电阻率为：混合=C11+C22C1,C2分别为两种金属元素的体积分数，1和2分别为金属1和金属2的电阻率，它们的电阻宰温度系数混合 为第14页，本讲稿共67页 在金属薄膜中，除了晶格热振动和杂质散射引起的电阻之外，还有其他缺陷如填隙原子、空格点、位错和填隙原子、空格点、位错和晶界晶界等，也对电子有散射作用，从而对电阻也有贡献。晶界影响较为突出。金属薄膜大多数都是多晶结构，多晶中小晶粒相互交界的地方叫晶粒界间。晶粒界间是一种过渡区域。它的结构和性质跟晶粒本身有很大的不同，晶粒间界处的原子处在应力状态，它比内部原子有较高的能量，比叫容易离开平衡位置；晶粒间界处的熔点比内部低，同时晶粒间界处有吸引杂质的作用。若这些杂质和氧的亲和力较大，则在空气中晶粒间界处容易形成氧化层。另外，晶粒间界处也会吸引空格点，间界处的原子排列也会不规则。这样就破坏了完整晶体原子排列的周期性，破坏了周期性势场，使电子遭到散射，故电阻率会提高。第15页，本讲稿共67页表面散射也是很重要的表面散射也是很重要的。这是因为任何表面界限都会破坏晶格的周期性势场，特别是当金属薄膜的厚度与电子的平均自由行程长度相近时更为突出。薄膜表面的反射绝大多数处漫反射，随着膜的厚度减少，对电子散射会加剧，因而电阻率会逐渐增大，电阻温度系数也会逐渐变小到趋于零。第16页，本讲稿共67页4合成型电阻材料用颗粒形的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成颗粒形的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成的电阻材料，人们常称它为合成型电阻材料的电阻材料，人们常称它为合成型电阻材料。这类材料常用改变导电颗粒种类、多少、颗粒的粗细、分散性种类、多少、颗粒的粗细、分散性来改善合成物的性能。图3.1.2为导电合成物的断面图。图中，打圆圈的为导电颗粒，它们在合成物中互相接触组成连续的导电链。它们有的也可分散在合成物中，其中一些相互靠得很近很近，靠隧道效应形成间隙导电靠隧道效应形成间隙导电。图中的白块为填充料，空隙为粘结剂。合成物中的铝箔剂和填充料等均属绝缘材料，它们组成绝缘回路。该合成物的等效电路如图313所示。Rn为导电颗粒本身的电阻；Rk为导电颗粒之间的接触电阻；Rb为导电颗粒之间的间隙电阻；Ca为间隙电容；Rc为绝缘电阻。所以整个导电合成物的电阻值可以表示为：第17页，本讲稿共67页 图3.1.3中链状回路是导电颗粒相互接触组成的导电链链状回路是导电颗粒相互接触组成的导电链。随着单位体积导电粒数增加，导电链的条数增多，导电链相并联，合成物的电阻减小。随着导电颗粒的密度减小，导电链的条数减少，有的形成间断链，许多导电颗粒分数在粘结剂、填充料等绝缘材料中，所以合成物的电阻会增大。一条条导电链的电阻是由多个导电颗粒的电阻导电链的电阻是由多个导电颗粒的电阻Rn和这些颗粒之间的接触电阻和这些颗粒之间的接触电阻Rk串联组成串联组成的，多条导电链组成并联回路的，多条导电链组成并联回路。间断回路中，一些间断导电链之间存在着极间断回路中，一些间断导电链之间存在着极薄的介质间隙，分散的导电颗粒之间也存在着一种极薄的介质间隙层，它们薄的介质间隙，分散的导电颗粒之间也存在着一种极薄的介质间隙层，它们在一定电场作用下会产生隧道效应，形成间隙导电，有的则称称电子越过势在一定电场作用下会产生隧道效应，形成间隙导电，有的则称称电子越过势垒导电垒导电。用等效电路表示为一些介质间层的电阻Ra和介质间层的电容C并联，再与导电颗粒的电阻Rn串联，多个间断回路相并联。绝缘回路由粘结剂、填充料等的绝缘电阻组成，其绝缘电阻用Rc表示。一般情况厂绝缘电阻Rc的阻值很大，可以视为开路。因此，整个合成物中实际起导电作用的，主要是链状回整个合成物中实际起导电作用的，主要是链状回路和间断回路路和间断回路。所以整个导电合成物的电阻值可以表示为：第18页，本讲稿共67页5半导体电阻材料一些金属氧化物、化合物和盐，在配料、成型和烧结时加人杂质，或让它们的化学比失配，或出现缺氧和剩氧，或出现空格点，用这种方法制得的电阻材料常显示半导体特性。它们的电阻率与温度的关系可用下式表示：式中u为常数，它与材料中载流子的激活能有关。半导体中的载流于浓度与温度有关。温度升高载流于浓度增加，电阻率降低。其电阻率温度系数用下式表示：半导体电阻材料的电阻率温度系数为负值第19页，本讲稿共67页3.1.4 电阻材料的电压特性 在外加电压下，电阻材料的电阻值一般是线性的。即是说，在电阻材料的两端加上的电压跟流过的电流成正比，符合欧姆定律，其阻值与电压无关。但由于电阻材料内部结构不均匀、不致密、不连续、接触不良、存在不均匀、不致密、不连续、接触不良、存在缺陷、颗粒分散不均缺陷、颗粒分散不均，因而会出现非线性。第20页，本讲稿共67页出现非线性的原因很多，主要有两点：一是在不均匀系统存在有间隙在不均匀系统存在有间隙，间隙很窄而电阻却很大，此间隙上电压降会很高，形成局部很高的电场，致使电阻值降低，出现阻值的非线性。二是由于颗粒相互接触时，接触点处的横截面积极其接触点处的横截面积极其狭窄狭窄，在外加电压下。这些狭窄部分电流密度过大，就会造成这些地方局部过热局部过热，引起局部温度升高，间隙电阻下降。以上两种情况那是电压升高电阻下降，而且是一种瞬时效应瞬时效应，为了评定电阻材料的非线性，常用电压系数和测量电阻的二次谐波来衡量电阻非线性的大小。第21页，本讲稿共67页 电阻的电压系数(VCR)是指在规定的电压范围内、电压每改变1V，电阻值的平均相对变化。可用下式表示：式中，V2为额定电压；V1=0.1V2；R1和R2分别是在电压为V1和V2下测得的阻值。有时用另一个电压系数的定义，即在规定电压范围内，电阻值的相对变化，即电阻值一般都随着电压升高而下降，因此，电压系数总是负值。第22页，本讲稿共67页3.1.5 电阻材料噪声 电阻材料的噪声是电阻材料中一种不规则的电压起不规则的电压起伏伏，它也是电阻材料的一项重要性能。电阻材料的噪声主要有两种：热噪声热噪声是自由电子不规则的热运动。使电阻值的任意两点间发生电压的不规则起伏，它与电阻值和温度有关。电流噪声电流噪声是由于电阻材料内部结构不均匀而引起的，当电阻材料通过电流时，由于接触电阻的起伏，或载流子浓度的起伏而引起电压的起伏。第23页，本讲稿共67页2 线绕电阻材料3.2.1 线绕电阻材料的特点和要求 线绕电阻材料主要是指电阻合金线。用这些不同规格的电阻合金线绕在绝缘的骨架上可以制成线绕电阻器和电位器。电阻合金线通常用元素周期表中B、B、B、B族的金属(如铜、银、金、铬、锰等）组成合金后，经拉伸而成。这种合金线具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度范围宽、耐热性高、稳定性好、噪声小、耐磨等优点。它是制造线绕电阻器和线绕电位器的绕组材料。电阻合金线使用的场合不同，对它的要求也不一样。第24页，本讲稿共67页第25页，本讲稿共67页贱金属合金线中，目前常用的有锰铜线锰铜线、康铜线康铜线、镍铬镍铬线线、镍铬基多元合金线镍铬基多元合金线等(1)锰铜线锰铜线主要特点是电阻稳定性好，电阻温度系数小，具有中等的电阻率和良好的电器性能。固其所使用温度范围窄，只宜作室温范围内的中、低阻值的精密线绕电阻器。(2)康铜线康铜线的优点是耐热性好，使用温度范围宽大，但电阻温度系数大，适宜作大功率的中、低阻值的线绕电阻器和电位器。(3)镍铬合金线镍铬合金线具有较高的电阻率、良好的电性能和很宽的使用温度范围，但电阻温度系数较大，一般用作制造中、高阻值的普通线绕电阻器和电位器。(4)镍铬系多元合金线镍铬系多元合金线如镍铬铝铁、镍铬铝铜、镍铬铝锰硅、镍铬铝钒、镍钼铝锰硅、镍锰铬铝等，它们的电阻率高、电阻温度系数小、耐磨性好、对铜的热电势小，因此适宜作高阻值的精密线绕电阻器和电位器。3.2.2贱金属电阻合金线贱金属电阻合金线第26页，本讲稿共67页 贵金属电阻合金线主要有铂基合金、铂基合金、钯基合金、金基合金和银基合金钯基合金、金基合金和银基合金等。这类贵金属电阻合金线具有很好的化学稳定性、化学稳定性、热稳定性和良好的电性能热稳定性和良好的电性能，因此它是精密线绕电阻器和电位器的重要材料。3.2.3 贵金属电阻合金线贵金属电阻合金线第27页，本讲稿共67页铂铂、钯钯为为基基的的电电阻阻合合金金线线具具有有小小的的接接触触电电阻阻、低低的的噪噪声声电电平平、耐耐磨磨性性好好、寿寿命命长长等等优优点点，很很适适宜宜制制线线绕绕电电位位器器。但这类合金线的价价格格太太贵贵，在在含含有有有有机机物物质质气气氛氛中中工工作作时时会会生生成成“褐褐粉粉”，这这是是一一种种有有机机聚聚合合物物薄薄膜膜，具具有有绝绝缘缘性性，使使滑滑动动臂臂的的接接触触电电阻阻增增大大，影影响响了了接触的稳定性，从而使噪声电平增高，因此限制了它的应用接触的稳定性，从而使噪声电平增高，因此限制了它的应用。金金基基电电阻阻合合金金线线的的接接触触电电阻阻稳稳定定、噪噪声声电电平平低低，抗抗腐腐蚀蚀能能力力强强，特特别别对对有有机机物物质质的的蒸蒸气气有有惰惰性性，因因此此是是一一种种很很有有前前途途的的电电阻阻材材料料，已作为铂基、钯基电阻合金线的良好代用品已作为铂基、钯基电阻合金线的良好代用品。银银基基合合金金线线的的价价格格最最便便宜宜，并并具具有有良良好好的的电电接接触触性性能能，但但它它很很容容易易被被硫硫蒸蒸气气和和硫硫化化氢氢气气体体所所腐腐蚀蚀，生生成成硫硫化化银银膜膜，造造成成接接触触不不良良。另另一一方方面面，由由于于其其强强度度不不高高、硬硬度度较较低低、耐耐磨磨性性差差、寿寿命命短短，因因而而限限制制了了它它的使用的使用。银银锰锰为为基基的的电电阻阻合合金金线线有有较较好好的的使使用用价价值值。其其中中，银银锰锰锡锡电电阻阻合合金金线线因因其其电电阻阻温温度度系系数数低低，对对铜铜的的热热电电势势小小，具具有有抗抗硫硫化化和和抗抗腐腐蚀蚀的的能力，常作为制造标准电阻器的绕组材料。能力，常作为制造标准电阻器的绕组材料。第28页，本讲稿共67页 电阻合金线有裸线裸线和漆包线漆包线两类。漆包线又可分为油性漆包线油性漆包线、高强度聚高强度聚酯漆包线酯漆包线。油性漆包线油性漆包线具有优良的耐潮性能，但耐温性能较差，其长期使用温度为105。高强度聚酯漆包线高强度聚酯漆包线具有良好的弹性、附着力好、电性能和耐溶剂性好，可以在130下长期工作。第29页，本讲稿共67页3.3 薄膜电阻材料在绝缘基体上(或基片上)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，其膜厚一般在1um以下，人们常称它为薄膜电阻材料。它的特点是体积小、阻值范围宽、电阻温度系数小、性能稳定、容易调阻、易于散热、用料少、适合大量生产、应用广。特别适用于制造高频、高阻、大功率、小尺寸、片式和薄膜集成式电阻器。第30页，本讲稿共67页 对这类电阻材料的要求要求是：电阻率范围宽，即能制高、电阻率范围宽，即能制高、中、低阻值的电阻器，电阻温度系数小，电阻电压系中、低阻值的电阻器，电阻温度系数小，电阻电压系数小，噪声电平低，使用温度范围宽，高频性能好，数小，噪声电平低，使用温度范围宽，高频性能好，稳定性和可靠性高，工艺性能好稳定性和可靠性高，工艺性能好。使用场合不同，对电阻材料还会有些特殊要求，如耐辐射、抗霉菌、耐盐雾等。作为薄膜电阻材料的原料原料主要是：金属、合金、金金属、合金、金属氧化物、金属化合物、碳、碳化物、硅化物、属氧化物、金属化合物、碳、碳化物、硅化物、硼化物硼化物等。按组成分类组成分类主要有：碳系薄膜、锡锑氧化膜、金碳系薄膜、锡锑氧化膜、金属膜、化学沉积金属膜、镍铬系薄膜、金属陶属膜、化学沉积金属膜、镍铬系薄膜、金属陶瓷薄膜、铬硅薄膜、钽基薄膜、复合电阻薄、瓷薄膜、铬硅薄膜、钽基薄膜、复合电阻薄、其他电阻薄膜其他电阻薄膜等。第31页，本讲稿共67页1 碳膜3.3.1 碳基薄膜 气态碳氢化合物在高温和真空中分解，碳沉积在瓷棒或者瓷管上，形成一层结晶碳膜。改变碳膜厚度和用刻槽的方法变更碳膜的长度，可以得到不同的阻值。碳膜电阻成本较低，性能一般。碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。第32页，本讲稿共67页第33页，本讲稿共67页 碳碳膜膜的的结结构构和和性性能能跟跟原原材材料料的的种种类类、热热分分解解温温度度和和速速度度、基基个表面状态、碳膜的处理条件有关个表面状态、碳膜的处理条件有关。在正常情况下，热分解获得的碳膜应是致密而带全属光泽的类石墨结构，石墨晶体是正六边形结构，碳原子排成彼此相互平行的乎面。平面内原子间距离为0.142nm，平面间原子的距离为0.31nm。平面内原子间显金属性导电，呈正的电阻温度系数；平面间原子是靠范氏力联系，所以垂直于原子面的电导很小。呈负的电阻温度系数。碳碳膜膜的的结结构构类类似似于于石石墨墨多多晶晶体体结结构构，它它由由许许多多小小晶晶粒粒组组成成。每每一一个个小小晶晶粒粒像像一一个个石石墨墨的的晶晶体体，但但原原子子平平面面比比石石墨墨晶晶体体的的原原子子平平面面尺尺寸寸小小很很多多。而而且且其其间间的的原原子子排排列列不不够够整整齐齐，再再加加上上晶晶粒粒取取向向混混乱乱，所所以以碳碳膜膜性性能能介介于于石石墨墨晶晶体体平平行行原原子子平平面面方方向向和和垂垂直直于于原原子子平平面面方方向向之间，类似于多晶石墨之间，类似于多晶石墨。碳碳膜膜的的性性能能跟跟晶晶粒粒的的大大小小、晶晶粒粒取取向向、晶晶粒粒间间隙隙以以及及晶晶界界杂杂质质量量有有关关。这些因素都与热分解的温度和速率、基体表面状态有密切关系。第34页，本讲稿共67页2硅碳膜 硅碳膜是用含含硅硅的的有有机机化化合合物物和和碳碳氢氢化化合合物物同同时时热热分分解解而而制制成成，也也可可用用依依次次热热分分解解硅硅有有机机化化合合物物和和碳碳氢氢化化合合物物制制得得。(采用先先热热分分解解正正硅硅酸酸乙乙酯酯，使使在在基基体体表表面面上上形形成成一一层层含含硅硅碳碳层层，作作为为底底层层，它它具具有有填填平平基基体体表表 面面、增增 加加 附附 着着 力力 的的 作作 用用。该 层 热 分 解 温 度950980，真空度为2Pa以上。接接着着用用庚庚烷烷等等热热分分解解，形形成成一一层层碳碳膜膜层层，作作为为导导电电层层，即即为为中中阻阻或或高高阻阻层层。热分解温度为1000，真空度同上。如要得到低阻层，可用苯热分解得到。最最后后将将六六甲甲基基二二硅硅醚醚在在850和和同同样样真真空空度度下下热热分分解解，形形成成含含有有SiO2的的硅硅碳碳膜膜层层作作为为保保护护层层这种方法制出的硅碳膜电阻率比碳膜高2030。硅碳膜具有耐潮和耐腐蚀的特性。这种膜层的工作温度和过负荷能力都有明显的提高。)第35页，本讲稿共67页硅碳层为三层结构，即底层、中间层和最外层底层、中间层和最外层。底层底层主要含有SiO2和C，其SiO2和基体玻璃相形成Si-O键、增加了硅碳膜对基体的附着力；中间层中间层为主要导电层，与纯碳膜的结构和性能类似；最外层最外层为保护层，主要含有SiO2和少量的SiC。SiO2是一种耐温、耐潮和耐腐蚀的材料，它对主导电层起保护作用。同时SiO2，是一种绝缘材料，它的晶粒渗入主导电层的晶粒间界中，对碳的晶粒起着隔离和增大间隙的作用，因而使整个膜层的电阻率增大。第36页，本讲稿共67页3.3.2 金属氧化膜金属氧化膜种类很多。锡锑氧化膜锡锑氧化膜是将锡锑卤化物溶液喷涂到灼热(700左右)的基体上，经水解反应而淀积出锡锑金属氧化物薄膜。也可用蒸发法、溅射法、浸渍法、烟化法、涂敷法等成膜。锑的掺入使氧化锡增加了导电性、而且锑的含量增加，电导率增大。由于锑是5价，锡是4价，锑取锡后增加了导电电子数，当锑的摩尔分数高达1.5%时，电导率出现最大值，其后继续增加锑含量，电导率反而减小。(因为锑含量很小时，膜层中的载流子（电子）数随着锑含量增加很快，此时迁移率也略有增加，所以电导率增加很快；当锑的摩厂分数太子1.5以后，锑的一部分处于填隙位置。会引起迁移率下降很快，所以这时电导率会随锑含量的增加而下降。锑含量还影响膜层的电阻温度系数，当锑的摩尔分数小于1.5%时，电阻温度系数为正。锑的摩尔分数为1.5%时，正电阻温度系数达到最大值。锑的摩尔分数高于1.5时,出现负的电阻温度系数。)第37页，本讲稿共67页 锡锑氧化膜适于制造低、中电阻器。锡锑氧化膜适于制造低、中电阻器。如果在氧化锡中掺入铟，组成Sn-In系氧化膜，其阻值比Sn-Sb系氧化膜高1530%倍。如果在氧化锡薄膜中掺入少量的铁,可以提高电阻值10倍。如果征在SnSb氧化膜中加入B2O3，不仅可以提高电阻值，而旦可以降低电阻温度系数。方阻值可达10kn电阻温度系数可以非常小。如果在SnSb氧化膜中加入Al2O3可以显著提高电阻率和减小电阻温度系数，而且性能稳定。如果在SnSb氧化膜中加人TiO2。可使电阻值增大20200倍。而电阻温度系却变化不大。如果在Sn-Sb氧化膜中加入Bi，可使性能稳定，老化系数减小。第38页，本讲稿共67页3.3.3 金属膜电阻1蒸发金属膜金属膜电阻器是用以铬铬硅硅系为主要成分的合金粉真空蒸发而成。膜层的性能与膜厚有关。蒸发金属膜的膜厚为50100 nm。膜层的结构和性能同合金粉的成分有关。用不同的合金粉所得膜层的阻值和电阻温度系数不同，因此常把合金粉按阻值范围编号。用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面。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。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。第39页，本讲稿共67页金属膜是一种无定型结构或是微晶组成的结构。晶粒尺寸通常为1nm。金属薄膜材料中，由于金属熔点和蒸气压不同，因此形成的膜层结构往往有粒大的差别。(如台金粉中有钨、钼等难熔金属，它和其他金属组成混合物。当形成薄膜时，互相阻止表面原于迁移，因此容易形成无定形结构。合金粉中含有铁、镍、铬等中熔点金属，由于它们在蒸发时是以气相存在，因此可以任意混合，可制得均匀的固熔体合金薄膜。薄膜没有择优取向，是一种多晶结构，易于形成连续薄膜，适宜制中低阻值的电阻。低熔点金属易于形成具有择优取向，晶粒大的多晶薄膜。这种薄膜适宜制低阻。)第40页，本讲稿共67页2化学沉积金属膜 用化学还原反应而制成的金属薄膜称化学沉积金属膜。以化学沉积镍金属膜为例，其镀膜的原理是镍离子(Ni+)获得两个电子后，被还原成金属镍Ni。其步骤为：基体清洗、基体敏化、敏化基体清洗、基体敏化、敏化后清洗、活化处理、化学镀镍后清洗、活化处理、化学镀镍。刚沉积的膜是无定形的片状结构、需经热处理后性能才会稳定。化学沉积膜的质量跟镀液的成分、质量跟镀液的成分、温度、温度、PHPH值、热处理条件有很大的关系值、热处理条件有很大的关系，如果溶液浓度大、温度高小、PH大、沉积的速率就大，形成膜粗糙、质员较差。反之质量会提高，但制膜周期增长。第41页，本讲稿共67页3.3.4 镍铬薄膜电阻镍铬薄膜是常用的电阻薄膜镍铬薄膜是常用的电阻薄膜，它的主要特点是电阻温度系数小、稳定性高、噪声电平小、可制作的阻值范围宽，使用的温度范围宽而高，故常用它制作小型的精密的片式电阻器和混合集成电路的薄膜电阻器。镍铬薄膜的常用制备方法为电阻式真空蒸发法电阻式真空蒸发法。不同的镍铬薄膜电阻加入的组分有所不同，可以有以下一些组分的薄膜：纯镍铬薄膜、镍铬铝薄膜、镍铬铝镧薄膜、镍铬铝钪薄膜、镍铬铝铒薄膜、镍铬硅镧薄膜、镍铬硅镱薄膜、镍铬硅铒薄膜、镍铬金薄膜、镍铬-氧薄膜。第42页，本讲稿共67页1.纯镍铬薄膜 纯镍铬薄膜是用高纯(99.99%)的镍粉和铬粉按一定的质量分数比例(常用80:20或60:40)瞬时蒸发而得，也可用NiGr合金丝或薄片蒸发，也可溅射制得，所得薄膜的结构和性能跟组分、镀膜方法、镀膜工艺参数、热处理条件等有密切关系。第43页，本讲稿共67页2镍铬铝薄膜 镍铬铝(NiCrAl)合金薄膜是一种精密电阻材料。NiCrAl薄膜的制法有多种，常用蒸发法和溅射法。制造方法不同，薄膜的性能有所差异。NiCr薄膜中加入Al后，可以降低电阻温度系数和提高稳定性。当A1含量增加时，电阻温度系数向负方向变化；当A1的质量分数达到7时，电阻温度系效最小。加入Al后、薄膜的电阻值减小1/5左右。在高温下，NiCrAl膜的阻值随时间的变化率比NiCr膜减小1/2以上。这是由于在NiCrAl膜表面，Al氧化物嵌在NiCr合金氧化膜内，构成了致密的结构。NiCrAl薄膜的方阻与厚度有关。随着膜厚的增加，方阻降低；反之，随膜厚降低。方阻值增加；当膜厚降到2030 nm以下时，薄膜为粒状接触结构，故阻值急剧增大。此对噪声系数和电压系数也会显著增大，电阻温度系数为负值也很大。第44页，本讲稿共67页 (1)NiCr-O薄膜 在NiCr薄膜沉积过程中掺入氧，不仅可以提高NiCr薄膜的电阻值，而且可以降低电阻温度系数和提高稳定性。一种方法是在直流磁控溅射NiCr薄膜时，真空室通以氧气与氩气混合，使氧与NiCr膜作用，常称这种方法为反应溅射。由于氧与Cr反应形成Cr2O3，从而使电阻率增大，电阻温度系数变小。3其他改性镍铬薄膜其他改性镍铬薄膜第45页，本讲稿共67页(2)NiCrAlFe和NiCrAlCu精密电阻薄膜 利用6J22和6J23、6J24精密合金电阻丝蒸发制得NiCrAlFe和NiCrAlCu精密电阻薄膜，该薄膜的电阻温度 系 数 可 以 做 到 小 于 20l0-6/。电 阻 率(100200)ucm。宜作高、中阻值的精密电阻。第46页，本讲稿共67页(3)NiCrBe薄膜电阻 在NiCr合金中掺入Be能形成一层抗氧化层，可以提高NiCr电阻膜的稳定性。第47页，本讲稿共67页3.3.5 金属陶瓷电阻薄膜金属陶瓷薄膜是指金属和硅等氧化物绝金属和硅等氧化物绝缘体缘体所组成的薄膜，其主要特点是电阻电阻率高耐温高率高耐温高。常用的是Cr-SiO、Ti-SiO2、Au-SiO(SiO2)、NiCr-SiO2、Ta-SiO2等第48页，本讲稿共67页1铬-氧化硅电阻薄膜 Cr-SiO薄膜电阻，常用真真空空蒸蒸发发法法或或反反应应溅溅射射的方法制得。Cr-SiO电阻薄膜具有阻阻值值高高(方阻为5003k)、电电阻阻温温度度系系数数小小(aR10010-6)的特点。可通过改变Cr和SiO的比例来得到所需的方阻。同时可以通过改变膜厚，热处理温度来调整Cr-SiO电阻薄膜的方阻和性能。大气和真空热处理温度对蒸发的大气和真空热处理温度对蒸发的Cr-SiOCr-SiO薄膜方阻薄膜方阻有影响有影响；大气中方阻随热处理温度升高而增大；真空中方阻随热处理温度增加而降低。Cr-SiO膜的结构是很复杂结构是很复杂的，主要为Cr和SiO的混合相系。有Cr和SiO多种化合物、也有Si和O2的多种化合物，其主要成分是CrSiO；主要结构是a-Cr和Gr3Si。第49页，本讲稿共67页2钛-二氧化硅薄膜 Ti-SiO2薄膜常用射频溅射射频溅射的方法制造。将高纯钛板和SiO2片装在靶上。通过改变Ti利SiO2所占靶面积的比，可以得到不同方阻的Ti-SiO2薄膜，膜厚一般为250300nm。Ti-SiO2薄膜是一种阻值高、电阻温度系数小，稳阻值高、电阻温度系数小，稳定性高定性高的电阻薄膜。第50页，本讲稿共67页 铬-硅(Cr-Si)电阻薄膜是片式元件和混片式元件和混合集成电路合集成电路中常用的薄膜电阻材料。该膜常用真空蒸发和溅射方法制成。它具有电阻率高、电阻温度系数小、电阻率高、电阻温度系数小、稳定性好稳定性好的特点。3.3.6 铬铬硅电阻薄膜硅电阻薄膜第51页，本讲稿共67页Cr-Si薄膜电阻率与电阻率与CrCr含量的关系含量的关系：随着Cr含量增加，Cr-Si薄膜的电阻率下降。Cr-Si薄膜的电阻率与电阻温度系数的关系电阻率与电阻温度系数的关系为：随着电阻率的下降，电阻温度系数由负值逐渐变正值。第52页，本讲稿共67页3.3.7 钽基电阻薄膜钽基电阻薄膜是指钽的化合物和合金薄膜。钽是一种阀金属阀金属（阀金属是具有单向载流性质的金属，即有点类似于二极管，阀金属是具有单向载流性质的金属，即有点类似于二极管，电流只能单向通过。当其作为阳极金属时，譬如电流只能单向通过。当其作为阳极金属时，譬如TiTi，电解过，电解过程中其表面可形成致密氧化膜，因而耐腐蚀，但同时也降低了导程中其表面可形成致密氧化膜，因而耐腐蚀，但同时也降低了导电性，故需要在金属基体表面涂敷氧化物涂层，以提高其电解过电性，故需要在金属基体表面涂敷氧化物涂层，以提高其电解过程中的催化活性，如程中的催化活性，如TiTi、AlAl、TaNb)TaNb)。它能与空气中氧、氮作用形成Ta2O5、TaN等化合物，与硅、铝等形成合金。这类薄膜性能稳定。利用钽不仅可以作成电阻，而且可以作电电阻，而且可以作电极和介质极和介质(电解电容器电解电容器），因此钽薄膜被广泛用于制作钽基薄膜集成电路。钽薄膜通常用溅射法制取。第53页，本讲稿共67页 氮化钽(TaN)薄膜是Ta和N反应而生成的钽的化合物，该薄膜有电电阻阻温温度度系系数数小小，稳稳定定性性高高的的中中低低阻阻，常用于制作精精密密薄薄膜膜电电阻阻器器。通常将高纯的(99.99%)钽板作为靶材。通人高纯(99.99%)氮气进行反应溅射得到氮化钽电阻薄膜 1.氮化钽膜第54页，本讲稿共67页 钽铝合金薄膜是用高纯的Ta和Al制成复合靶材，通过改变铝的面积采用溅射 方 法 得 到 不 同 组 分 的TaAl膜。这种薄膜的特点是:稳稳定定性性高高，温温度度系数小系数小(可达3010-6/),方阻可调范围宽方阻可调范围宽。2钽铝合金薄膜钽铝合金薄膜第55页，本讲稿共67页 钽硅薄膜是用钽、硅共溅射法，或钽和硅烷在氩气中反应溅射制得。该薄膜是一种高温电阻薄膜、电阻高温电阻薄膜、电阻率高、高温稳定性好，特别适宜作高温率高、高温稳定性好，特别适宜作高温稳定的精密薄膜电阻器稳定的精密薄膜电阻器。3钽硅合金薄膜第56页，本讲稿共67页3.3.8 复合电阻薄膜复合电阻薄膜是由不同薄膜叠合构成的电阻薄膜。这种复合电阻薄膜的优点就是可通过组合克服单层薄膜的电阻温度系数大、稳定性差的缺点。如一层正电阻温度系数的薄膜与一层具有负电阻温度系数的薄膜复合其aR可以相互补偿。所以复合薄膜电阻可以得到优异的性能。第57页，本讲稿共67页 将NiCr和TaN膜进行复合，可制得的aR1010-6/、高温稳定性(125 ，1000h)0.05%，不需要外加保护层的中低阻的电阻薄膜。NiCr膜厚般为510 nm，TaN膜厚为10100nm。1 1 镍铬镍铬-氮化钽复合薄膜氮化钽复合薄膜第58页，本讲稿共67页 将CrSi薄膜作底层，NiCr薄膜作为上层所制得的复合电阻薄膜，可得到低电阻温度系数和高稳定性的高阻薄膜。通常采用真空蒸发法制得。2 2镍硅镍硅镍铬复合薄膜镍铬复合薄膜第59页，本讲稿共67页 以Cr、Si、Co高纯粉为原料，经混合，真空蒸发成铬硅钴膜作底层，再以高纯(80，20)的NiCr丝为原料蒸发成NiCr上层膜，通常CrSiCo膜TCR为负值，方阻为1.5k。NiCr膜的aR为正值，方阻为100 ，其复合后如得到补偿，复合膜的AR在 2510-6/以内。所以这种复合电阻薄膜适合制低aR的中高阻薄膜。3 3铬硅钴铬硅钴镍铬复合薄膜镍铬复合薄膜第60页，本讲稿共67页3.4 厚膜电阻材料厚膜电阻材料 厚膜电阻材料是用厚膜电阻浆料通厚膜电阻浆料通过丝网印刷、烧结过丝网印刷、烧结(或固化或固化)在绝缘基体在绝缘基体上形成的一层较厚的膜上形成的一层较厚的膜，这层膜具有电阻的特性，故称为厚膜电阻材料。厚膜厚膜电阻浆料电阻浆料是厚膜电阻器的关键材料。第61页，本讲稿共67页3.4.1 厚膜电阻浆料的组成厚膜电阻浆料组成：导电相导电相(又称又称功能相功能相)粘结相粘结相 有机载体有机载体 改性剂改性剂第62页，本讲稿共67页导电相主要由一些导电微粒组成导电微粒组成。1导电相导电相 主要有两大类：一类是金属粉及金属氧化物粉金属粉及金属氧化物粉，如银、铂、金、铜、铝、镍、钨、铝、钯、氧化钯、二氧化钌、钌酸铅、钌酸铂、氧化锡、氧化铟、氧化铱、氧化镉等。另一类是非金属及非金属化合物和有机高分非金属及非金属化合物和有机高分子子，如碳黑、石墨、硼化物、硅化物、氮化物、聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚等。第63页，本讲稿共67页2粘结相 粘结相主要起粘结导电相粘结导电相和坚固电阻体坚固电阻体的作用，同时还有调整阻值、改善性能、提高膜层附着力调整阻值、改善性能、提高膜层附着力等作用。它有两类：一类是无机粘结剂无机粘结剂，如铅、硼硅酸盐玻璃，铅、硼、铝硅酸盐玻璃等，用它制作的电阻材料称为玻璃轴电阻材料。另一类是有机粘结剂有机粘结剂，主要为一些高分子树脂，如酚醛类树脂、聚酯类树酯、
