材料科学031电阻材料课件

1、第三章 电阻材料3-1 电阻材料概述3-2 线绕电阻材料3-3 薄膜电阻材料3-4 厚膜电阻材料3.1 电子材料概述电阻材料是指常用的电阻器、片式电阻器、混合集成电路中的薄膜、厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料。电阻材料线绕电阻材料薄膜电阻材料厚膜电阻材料电阻的外形3.1.1 电阻、电阻器和电阻单位电阻是指材料在一定程度上阻碍电流流通，并将电能转变成热能的一种物理性质。 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。电阻器在电子设备中主要功能是调节和分配电能。将电阻材料作成线状、箔状、薄膜状、厚膜状、棒状（块状）及片状。用这类形状的电阻材料所做成的电阻器，

2、则相应称为线绕电阻器，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。包括固定电阻器、可变电阻器和电位器。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：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，还与环境条件有关，如温度、压力、湿度等。电阻率在数值上等于长lcm、横截面积为lcm2的导体所具有的电阻值，单位为.cm。对于线绕电阻材料的电阻率的单位，常用.mm2/m表示。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

3、材料电阻的大小。膜电阻Rs用下式表示： 式中，d为薄膜的厚度，单位为cm；膜电阻Rs是指长宽相等的一块薄膜的电阻，即l方的电阻，所以有时又称为方阻。如果是宽度和厚度均匀的薄膜，其沿长度方向的电阻可用下式表示： 式中，L为薄膜长度（cm）；W为薄膜的宽度（cm); Rs为膜电阻（简称方阻）；N为方数。3.1.3 电阻和温度关系1、温度对电阻的影响： 温度升高：（1）分子热运动加剧，碰撞机会增多，受阻碍作用增强； （2）参与带电质点数目增多，易导电。2、一般金属导体中，自由电子数目几乎不随温度变化，主要影响是温度升高，分子热运动加剧，碰撞机会增多，受阻碍作用增强，其电阻增大。（电阻温度计） 3、少

4、数合金的电阻几乎不受温度影响。（标准电阻） 4、超导现象：极低温度下，有些金属电阻突然变为零。 5、电阻的温度系数R：温度每升高1时电阻值的相对变化量。 有时用平均电阻温度系数Rj表示： Rj=（R2-R1）/R1（t2-t1） 的单位为1/，读每摄氏度。是指在一定温度范围内，温度改变1度时，电阻值的平均相对变化量1、纯金属纯金属的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射而产生的，其金属的电阻率M。用下式表示式中，m为电子质量；n为电子的浓度；为电子的平均自由时间，为电子的平均自由行程长度；为电子的平均运动速度。金属电阻率与温度的关系纯金属的电阻率与温度成正比，其电阻温度系数可表示为纯金属的

5、电阻温度系数为正值，而且随着温度的增加而下降。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，使自由电子的散射几率增加。其结果是合金的电阻率比纯金属的电阻率高。用式子表示为：=0+i合金的电阻率与温度的关系为：=A(B+T）合金材料的电阻温度系数为： 由该式可以看出，合金的电阻温度系数比纯金属的小，一般要小12个量级。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、化学沉积等方法制的。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。没有择优取向的多晶结构。其晶粒

6、较大。择优取向的多晶结构。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100nm。厚度为100nm以下到几十纳米。 厚度在几纳米到几十纳米之间。4、合成型电阻材料用颗粒形成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。这类材料常用改变导电颗粒种类、多少、颗粒的粗细、分散性来改善合成物的性能。 5、半导体电阻材料一些金属氧化物、化合物和盐，在配料、成型和烧结时加入杂质，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

7、子的激活能有关。半导体中的载流子浓度与温度有关温度升高载流子浓度增加，电阻率降低。其电阻率温度系数用下式表示： 从上式看出，半导体电阻材料的电阻率温度系数为负值。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、存在缺陷、颗粒分散不均，因而会出现非线性。出现非线性的原因很多，集中起来主要有两点：一是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

8、互接触时，接触点处的横截面积极其狭窄，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，引起局部温度升高，间隙电阻下降。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下测得阻值有时也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：由于阻值随着电压增高而下降，因此电压系数总是负的。它常用电压系数测量仪直接测量。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：

9、热噪声音和电流噪声。热噪声是自由电子不规则的热运动，使电阻体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，其热噪声的均方根值用下式表示： 式中，为玻耳越曼常数；T为热力学温度；R为电阻值；f为频宽。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。其电流噪声的均方值可用以下经验公式表示 式中，K是常数；V是外加电压：R是电阻；f是频宽；f是频率。 3.2 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。 其特

10、点如下：耐热性优、温度系数小、质轻、耐短时间过负载、低杂音、阻值经年变化小。优点:功率大缺点:有电感，体积大，不宜作阻值较大的电阻 电阻合金线通常用元素周期表中过渡族的金属（如铜、银、金、铬、锰等）组成合金后，经拉伸而成。电阻合金线使用的场合不同，对它的要求也不一样。3.2.2 贱金属电阻合金线 贱金属合金线中，目前常用的有锰铜线、康铜线、镍铬线、镍铬基多元合金线等。表3.2.2（P99)列出了上述线制的品种、牌号、主要化学成分、性能指标和用途。 锰铜线是“铜(Cu)、锰(Mn)金属元素为主，适量加一点硅(si)、锗(Ge)元素而制成合金后，经拉制而成。其主要特点是电阻稳定性好，电阻温度系数小

11、，具有中等的电阻率和良好的电器性能。因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。3.2.2 贱金属电阻合金线 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。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。 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。3.2.3 贵金属电阻合金线 贵金属电阻合金

12、线主要有铂基合金、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、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。表3.2.3（P100)列出了典型贵金属电阻合金线的名称、成分及主要技术指标。 贵金属电阻合金线在某些方面虽然比锰铜、康铜、镍铬、镍铬基电阻合金线优越，但由于价格昂贵，至今还没有广泛应用，只用它制造了一些特殊用途的电阻器和电位器。例如，用于工作环境恶劣和要求较高的军工、航天、航海、化工等部门的精密线绕电阻器和电位器。电阻合金线有裸线和漆包线两类。漆包线又可分为油性漆包线、高强度聚酯漆包线。油性漆包线具有优良的耐潮性能，但耐温性能较差，其长

13、期使用温度为105。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。随着科技水平的不断提高，要求电阻器和电位器向高精度、高稳定、高可靠、长寿命、小型化、高速、高阻、低阻、使用温度范围更宽等方向发展，因而希望有一批能适应这些要求的电阻合金线推向市场。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lum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

14、成式电阻器。对这类电阻材料的要求是：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；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。能作为薄膜电阻材料的原料主要是：金属、合金、金属氧化物、金属化合物、碳、碳化物、硅化物、硼化物等。 按组成分类主要有：碳系薄膜、锡锑氧化膜、金属膜、化学沉积金属膜、镍铬系薄膜、金属陶瓷薄膜、铬硅薄膜、钽基薄膜、复合电阻薄膜、其他电阻薄膜等。3.4 厚膜电阻材料厚膜电阻材料是用厚膜电阻浆料通过丝网印刷、烧结（或固化）在绝缘基体上形成的一层较厚的膜，

15、这层膜具有电阻的特性，故称为厚膜电阻材料。厚膜电阻浆料是厚膜电阻器的关键材料。3.4.1 厚膜电阻浆料的组成 厚膜电阻浆料是由导电相（又称功能相）、粘结相、有机载体和改性剂组成。 1、导电相 导电相主要由一些导电微粒组成，一般有两大类。一类是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、钌酸铋、氧化锡、氧化铟、氧化铊、氧化镉等。另一类是非金属及非金属化合物和有机高分子，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。2、粘结相 粘结相主要起粘结导电相和坚固电阻体的作用，同时还有调整阻值、改善性能、提高膜层附着力等作用。它有两类，一类是无

16、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，主要是一些高分子树脂，如酚醛类树脂、聚酯类树脂、二聚氰胺树脂、醇酸树脂、环氧树脂、环氧改性酚醛树脂、甲基丙烯酸脂、硅树脂等。3、有机载体 有机载体由溶剂、增稠剂、流动性控制剂和表面活性剂组成。3.4.2 钌系厚膜电阻材料钌(Ru)系厚膜电阻材料是当前厚膜电阻材料中使用最广泛、最受欢迎的材料之一。它具有方阻范围宽(1.5-10M)、电阻温度系数小(1OOlO-6/)、阻值再现性好、工艺性能好、稳定性高、受环境影响小等优点。钌系厚膜电阻材料是以氧化钌或钌酸盐为导电材料。以玻璃釉为粘结剂，

17、用有机载体和溶剂把它调成浆料，经印刷、烧结而成。 1钌系厚膜导电材料 1)二氧化钌二氧化钌的分子式为Ru02，它是钌氧化物中较为稳定的氧化物。晶体为深蓝-黑色，具有金属光泽，为金红石结构，其晶格常数为a=0.44902 nm，c=0.31009 mm,c/a=0.691。它在1000下相当稳定。它是两性(P、N)半导体。二氧化钌化学稳定性好，不跟酸和酸的混合物起作用。在高温下能与氧化物、碱金属氧化物作用生成钌酸盐。3.4.2 钌系厚膜电阻材料 2) 钌酸铋 钌酸铋(Bi2Ru2O7)为黑色粉末，属立方形烧绿石晶体，晶格常数a0=1.030 nm，室温电阻率=2.5106 .m。钌酸铋是N型半导

18、体，它的激活能很小。钌酸铋在氢气中150下能还原成金属，但在空气中到1000时仍然稳定而不分解。 3) 钌酸铅及其衍生物 含有氧空位的钌酸铅（Rb2Ru2O6口）是一种缺阴离子的立方形烧绿石三元氧化物（式中，口表示氧空位）。它是一种类金属体，呈黑色，为立方形烧绿石晶体，其晶格常数a0=1.024-一1.042 nm，室温电阻率为2.7lO-6.m。 钌酸铅衍生物是指在钌酸铅中再加入一些其他氧化物而制得的材料。它们是一此固熔体衍生物，它们具有一定的导电性，故用这些衍生物作为厚膜电阻的导电相。3.4.2 钌系厚膜电阻材料 4) 钌铑酸铅 钌铑酸铅的分子式为Pb2RuxRh2-xO7-y,式中，0.

19、15x0.95；0y0.5。 这种金属氧化物电阻材料与玻璃粘结剂配合时，具有非常小的迁移性。用它制造的电阻浆料相当稳定。用它制作的电阻器使用寿命长，稳定性很高。在使用期间电阻变化不超过0.5%电阻温度系数保持在10106，在50温度下可以工作25年。2钌系厚膜电阻粘结剂 钌系厚膜电阻浆料中，常用玻璃做粘结剂，主要起分散、粘结、固定导电相，并使电阻体牢牢地粘附在绝缘基体上，同时还起着调节阻值和电阻温度系数、增大机械强度、增强散热能力的作用。3.4.2 钌系厚膜电阻材料对玻璃粘结剂的要求是：烧结温度适当，在最低烧结温下，要使导电相能很好地被粘合，并很好地粘附在绝缘基板上（如陶瓷等）。其最高烧结温度

20、不能超过导电相中金属粉的熔点及改变导电氧化物的性能温度，烧结温度一般在500-1000。玻璃粘结制不能腐蚀和严重影响导电相的性能。烧结后粘附性好，机械强度高。与导电相和基体的热膨胀系数尽可能接近。表3.4.1列出了钌系电阻用的高、中、低三种粘度的两组玻璃配方和部分配方举例3.4.2 钌系厚膜电阻材料3 钌系厚膜电阻有机载体 用松油醇，乙基纤维素，卵磷脂等作为有机载体。4 常用钌系厚膜电阻浆料(1) 二氧化钌厚膜电阻材料 可用两种方法制得。一是导电相用二氧化钌，用金属钌空气中煅烧得RuO2,平均粒径为1.2um，晶粒尺寸为75750nm，分布均匀。二是用水合二氧化钌在大气中加热脱水制得二氧化钌，

21、平均粒径为0.3um，晶粒尺寸为530nm，其中1020nm的占80%。采用这两种方法制得的二氧化钌都能制作厚膜电阻。将RuO2粉、硼硅酸铅玻璃按一定的比例混合，其导电相Ru02的多少，视电阻体阻值的高低和性能而定。导电相的含量一般取30%-75%。若导电相含量太低，电阻的阻值会很大，电流噪声会增大，工艺敏感性很大，一致性很差。如果导电相含量太大，阻值很低，相应玻璃粉会减小，会使电阻耐潮性变差，机械强度降低。还可通过选择不同粘度的玻璃粉来调整方阻。另外在配制过程中因为二氧化钌电阻中的导电相均为半导体导电型，所以还可以通过掺入不同类型的半导体氧化物来调整电阻值和aR值。浆料印刷工艺是制造厚膜电阻

22、的重要环节。印好浆料的基片要进行高温烧结，烧结温度在600-1000之间。3.4.2 钌系厚膜电阻材料(2)钌酸铋厚膜电阻 导电相为钌酸铋粉，玻璃粘结剂为硼硅酸铅（与二氧化钌相同），按一定比例混合，加上有机载体制成浆料。印制在绝缘的陶瓷基底上，经烧结而成电阻。有关钉酸铋电阻浆料的配方和性能见表3.4.2。3.4.2 钌系厚膜电阻材料(3)钌酸铋衍生物厚膜电阻 钌酸铋的衍生物电阻是用钌酸铋的衍生物作为导电相，再加上玻璃粘合剂和有机载体制成浆料，经印刷、烧结而成厚膜电阻体。一般钌酸铋衍生物导电相与玻璃粘合剂的质量分数比为60%比40%。表3.4.3列出各种钌酸铋衍生物电阻的性能。3.4.2 钌系厚

23、膜电阻材料(4) 钌酸铅厚膜电阻 钌酸铅电阻是用钌酸铅为导电相，用玻璃粉为粘结剂，用有机载体制成浆料，印制烧结在绝缘陶瓷基片上而成。有关钌酸铅电阻的配方和性能列于表3.4.4中。3.4.2 钌系厚膜电阻材料(5) 钌酸铅-铌酸铅厚膜电阻 钌酸铅-铌酸铅（Pb2Ru2O6口-Pb2Nb2O7,）电阻的导电相是在用二氧化钌和氧化铅制备钌酸铅的同时加Nb2O5而制得。它们的典型比例（按分子数）是：Ph0：Ru02：1/2Nb2O5为1:0.3:0.7（分子数比）。玻璃粘合剂用硼硅酸铅，玻璃的相对分子质量为114.29，导电相与玻璃的分子数比为0.2:0.4，烧结温度为760。3.4.2 钌系厚膜电阻

24、材料 (6)钌酸铅衍生物厚膜电阻 钌酸铅的衍生物很多，用它作导电相，与玻璃粘合剂混合（导电相与玻璃的分子数比为0.2），经印刷、烧结也可制作厚膜电阻。玻璃粘合利用硼硅酸铅。 这里列出部分钌酸铅衍生物电阻的配方和性能，如表3.4.6（P128）所列。该类厚膜电阻宜作中高阻电阻器。3.4.2 钌系厚膜电阻材料5 影响钌系厚膜电阻性能的因素(1)导电粉末的粒径的影响 以二氧化钌导电粉末为例，在一定时间范围内，球磨的时间越长颗粒越小，颗粒越细比表面积越大。随着二氧化钌研磨的时间增长，颗粒逐渐变细，电阻温度系数、噪声系数(CNl)、电阻电压系数(VCR)会明显改善。从图中可看出粒径越小，电阻温度系数越小

25、。3.4.2 钌系厚膜电阻材料(2)掺杂对电性能的影响 钌系电阻浆料在配制过程中，掺入N或P型氧化半导体杂质对电阻的性能会有很大的影响。以二氧化钌为例，它是两性氧化物半导体，可以分别加入一些N型和P型半导体氧化物来制备电阻。表3.4.7（P129）列出氧化钌的基本配方。表3.4.8（P129）列出掺入N型和P型半导体氧化物杂质对二氧化钌电阻性能影响。(3) 加入补偿杂质改善电阻温度系数 浆料中加入正和负电阻温度系数的导电粉末，使电阻温度系数相互补偿，配比适当，aR可趋于零。例如，铑酸铅具有负的电阻温度系数，钌酸铅具有正的电阻温度系数。如果二者的比例适当，其电阻温度系数可降至最低。如图3.4.2所示。3.4.2 钌系厚膜电阻材料(4)烧结对钌系电阻性能的影响 烧结工艺对厚膜电阻性能影响很大，厚膜烧结一般是在多段控温隧道烧结炉中进行。图3.4.3示出了多段控温隧道烧结炉的结构