电阻和电热材料课件

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1、 电阻和电热材料电阻和电热材料 材料加工工程材料加工工程电阻和电热材料薄膜电阻材料薄膜电阻材料 线绕电阻材料线绕电阻材料电阻材料慨述电阻材料慨述厚膜电阻材料厚膜电阻材料本章内容本章内容电热材料电热材料 电阻和电热材料电阻材料电阻材料定义定义：指常用的电阻器、片式电电阻器、片式电阻器阻器、混合集成电路中的薄膜和薄膜和厚膜电阻器厚膜电阻器、可变电阻器可变电阻器和电位电位器器等所用的电阻体材料。主要包括线绕电阻材料、薄膜电阻材料和厚膜主要包括线绕电阻材料、薄膜电阻材料和厚膜电阻材料。电阻材料。 电阻器电阻器：二个引出线，其阻值固二个引出线，其阻值固定不变。定不变。电位器电位器：三个引出线，中间线头三

2、个引出线，中间线头为内部滑动触点，转轴时中间线为内部滑动触点，转轴时中间线头与两端线头阻值变化，其转角头与两端线头阻值变化，其转角与阻值变化特性分：线性（与阻值变化特性分：线性（X X），），指数（指数（Z Z），对数（），对数（D D），无轴者），无轴者称可调电阻。称可调电阻。 3电阻和电热材料3.1 3.1 电阻材料概述电阻材料概述3.1.1 电阻、电阻器和电阻单位电阻、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/I4电阻

3、和电热材料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配调节和分配电能电能。在电路中常作分压、调压、分流、消分压、调压、分流、消耗电能的耗电能的负载负载以及以及滤波滤波元件元件等。5电阻和电热材料 在实际应用中，常将电阻材料作成在实际应用中，常将电阻材料作成线状、箔状、线状、箔状、薄膜状、厚膜状、棒状薄膜状、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。则用这类形状的电阻材料所做成的电阻器。则相应称为相应称为线绕电阻器、合金箔电阻器、薄膜电阻线绕电阻器、合金箔电阻器、薄膜电阻器、

4、厚膜电阻器、实心电阻器及片式电阻器器、厚膜电阻器、实心电阻器及片式电阻器。 电阻器有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之分。固定电阻器的阻值是不可调的，可变电阻器分。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和电位器的阻值是可调的，其区别是可变电阻器是是两端两端元件，电位器是元件，电位器是四端四端元件。元件。6电阻和电热材料3.1.2 电阻率和膜电阻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，其电阻于横截面积恒定的导体，其电阻R R用下式

5、表示用下式表示: : R=R= L/sL/s对于薄膜电阻材料，由于膜比较薄，电阻率常不是一对于薄膜电阻材料，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。膜电阻材料电阻的大小。膜电阻RsRs用下式表示：用下式表示： Rs= Rs= /d/d d d 为膜的厚度，为膜的厚度，RsRs是指长宽相等的一块薄膜电阻是指长宽相等的一块薄膜电阻, ,即即1 1方的电阻方的电阻, ,所以有称之为方阻。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

6、依据。材料的缘体的主要依据。材料的电阻率与材料的种类和结构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、湿度有关，还与环境条件有关，如温度、压力、湿度等。等。7电阻和电热材料3.1.3 电阻与温度的关系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位器的电阻材料总是希望电阻值随温度的变化越小希望电阻值随温度的变化越小越好越好。电阻温度系数电阻温度系数 为了评定电阻器对温度的稳定性，常为了评定电阻器对温度的稳定性，常用

7、用电阻温度系数电阻温度系数来表示。电阻温度系数是表示温度来表示。电阻温度系数是表示温度每改变每改变11时电阻值的相对变化量，可用下式表示：时电阻值的相对变化量，可用下式表示： R R=dR/RdT=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，温度改是指在一定温度范围内，温度改变变11时，电阻值的平均相对变化量。时，电阻值的平均相对变化量。8电阻和电热材料 电阻材料的电阻值是温度的函数，不同电阻材料，由于导电机理不同，它们的电阻温度关系有所不同。1 、纯金属、纯金属 它的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射而自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射而产生的产生的。当温度增

8、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，电子的平均自平均自由行程长度也相应缩短由行程长度也相应缩短，因而电阻率增加。 金属电阻率与温度的关系式：M=AT 纯金属的电阻温度系数为正值，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 /oC9电阻和电热材料2、合金材料、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

9、加的电阻率。 合金电阻率中, 与温度有关,i与温度无关，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。10电阻和电热材料 提高电阻率和降低电阻温度系数的常用措施提高电阻率和降低电阻温度系数的常用措施尽量采用合金、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，用有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；机或无机粘结剂制成合成

10、型电阻材料；将金属和合金氧化物或与其他非金属材料组成化将金属和合金氧化物或与其他非金属材料组成化合物等。合物等。11电阻和电热材料3、 金属和合金薄膜电阻材料金属和合金薄膜电阻材料p一般用真空蒸发、溅射、化学沉积等方法制得。p根据微观分析，金属膜一般有三种结构： 无无定定形形结结构构薄薄膜膜。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弥散环。 没没有有择择优优取取向向的的多多晶晶结结构构。其晶粒较大。这种结构的衍射花样图为一些边边缘缘清清晰晰的圆环，即清清锐锐环环。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。 择择优

11、优取取向向的的多多晶晶结结构构。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，即衍射花样图为断续的清锐环断续的清锐环。12电阻和电热材料金属膜的结构和性能跟薄膜厚度的关系金属膜的结构和性能跟薄膜厚度的关系厚厚度度大大于于100 100 nmnm。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。厚厚度度为为100 100 nmnm以以下下到到几几十十纳纳米米。这种薄膜基本上是连续的，但有时会出现

12、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而接近于零。厚厚度度在在几几纳纳米米到到几几十十纳纳米米之之间间、薄薄膜膜呈呈不不连连续续的的岛岛状状结结构构。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。13电阻和电热材料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+C2

13、2， 它们的电阻率温度系数混合 为14电阻和电热材料在金属薄膜中，除了在金属薄膜中，除了晶格热振动和杂质散晶格热振动和杂质散射射引起的电阻之外，还有其他缺陷如引起的电阻之外，还有其他缺陷如填隙填隙原子、空格点、位错和晶界原子、空格点、位错和晶界等，也对电子等，也对电子有散射作用，从而对电阻也有贡献。有散射作用，从而对电阻也有贡献。15电阻和电热材料 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晶界界。晶界是一种过渡区域。它的结构和性质跟晶粒本身有很大的不同，晶界处的原子处在应力状态，它它比比内内部部原原子子有有较较高高的的能能量量，比叫容易离开平衡位置；晶界处的熔点比内部低，同时

14、晶晶粒粒处处有有吸吸引引杂杂质质的的作作用用。若这些杂质和氧的亲和力较大，则在空气中晶界处容易形成氧化层。另外，晶晶界界处处也也会会吸吸引引空空格格点点，晶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 高晶界对电阻的影响晶界对电阻的影响16电阻和电热材料 因为任何表面界限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为漫反射，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。表面散射对电阻的影

15、响表面散射对电阻的影响17电阻和电热材料金属薄膜的电阻率和电阻率温度系数金属薄膜的电阻率和电阻率温度系数跟薄膜的厚度的关系跟薄膜的厚度的关系18电阻和电热材料4 合成型电阻材料合成型电阻材料l定义：用颗粒形的导电材料加上绝缘的填充料和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，粘结剂组成的电阻材料，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。l整个导电合成物的电阻值可以表示为：19电阻和电热材料u 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

16、间断链，许多导电颗粒分布在粘结剂、填充料等绝缘材料中，所以合成物的电阻会增大。u一条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Rk串联组成的，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薄的介质间隙，分散的导电颗粒之间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，有的则称电子越过势垒导电。20电阻和电热材料5 半导体电阻材料半导体电阻材料u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剩氧，或出现空格点

17、，用这种方法制得的电阻材料常显示半导体特性显示半导体特性。u半导体半导体电阻率与温度的关系： 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u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u半导体电阻材料的电阻率温度系数为负值21电阻和电热材料3.1.4 电阻材料的电压特性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、不致不均匀、不致密、不连续、接触不良、存在缺陷、颗密、不连续、接触不良、存在缺陷、颗粒分散不均粒分散不均

18、，因而会出现非线性。22电阻和电热材料出现非线性的主要原因有两点：出现非线性的主要原因有两点：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。由于颗粒相互接触时，接触点处的横截面积极其狭接触点处的横截面积极其狭窄窄，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。 以上两种情况都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，常用常用电压系数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。23电阻和电热材料电阻的

19、电压系数电阻的电压系数(VCR)(VCR)是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。另一个电压系数的定义，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，电压电压系数总是负值。系数总是负值。24电阻和电热材料3.1.5 电阻材料噪声电阻材料的噪声电阻材料的噪声 电阻材料中一种不规则的电压起伏，是电阻材料的一项重要性能。电阻材料噪声的主要种类电阻材料噪声的主要种类热噪声热噪声：自由电子不规则的热运动，使电阻值的任意两点间

20、发生电压的不规则起伏，与电阻值和温度有关。流噪声流噪声：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。25电阻和电热材料3.2 线绕电阻材料线绕电阻材料 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IB、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、耐磨度

21、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。26电阻和电热材料27电阻和电热材料 目前常用的有锰铜线锰铜线、康铜线康铜线、镍铬线镍铬线、镍铬基镍铬基多元合金线多元合金线等(1) 锰铜线锰铜线：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：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

22、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：电阻率高、电阻温度系数小、耐磨性好、对铜的热电势小，适宜作高阻值的精密线绕电阻器和电位器，如镍铬铝铁、镍铬铝铜、镍铬铝锰硅等， 。3.2.2 贱金属电阻合金线贱金属电阻合金线28电阻和电热材料贵金属电阻合金线主要种类：贵金属电阻合金线主要种类：铂基合金、铂基合金、钯基合金、金基合金钯基合金、金基合金和和银基合金银基合金等。等。贵金属电阻合金线具有很好的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，是精密线绕电，是精密

23、线绕电阻器和电位器的重要材料。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29电阻和电热材料n铂、钯为基的电阻合金线铂、钯为基的电阻合金线具有小的接触电阻、具有小的接触电阻、低的噪声电平、耐磨性好、寿命长等优点，低的噪声电平、耐磨性好、寿命长等优点，很适宜制线绕电位器。但这类合金线的很适宜制线绕电位器。但这类合金线的价格价格太贵太贵，在含有有机物质气氛中工作时会生成，在含有有机物质气氛中工作时会生成“褐粉褐粉”，这是一种有机聚合物薄膜，具有，这是一种有机聚合物薄膜，具有绝缘性，使滑动臂的接触电阻增大，影响了绝缘性，使滑动臂的接触电阻增大，影响了接触的接触的稳定性稳定性，

24、从而使噪声电平增高，因此，从而使噪声电平增高，因此限制了它的应用。限制了它的应用。n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，是是一一种种很很有有前前途途的的电电阻阻材材料料，已已作作为为铂铂基基、钯钯基电阻合金线的良好代用品基电阻合金线的良好代用品。30电阻和电热材料n银基合金线银基合金线的价格最便宜，并具有良好的电接的价格最便宜，并具有良好的电接触性能，但它很容易被硫蒸气和硫化氢气体所触性能，但它很容易被硫蒸气和硫化氢气体所腐蚀，生成硫化银膜，造成接触不良。另一方腐蚀，生成

25、硫化银膜，造成接触不良。另一方面，由于其强度不高、硬度较低、耐磨性差、面，由于其强度不高、硬度较低、耐磨性差、寿命短，因而限制了它的使用寿命短，因而限制了它的使用。n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能力力，常作为制造标准电阻器的绕组材料。常作为制造标准电阻器的绕组材料。31电阻和电热材料 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

26、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。32电阻和电热材料3.3 薄膜电阻材料薄膜电阻材料薄薄膜膜电电阻阻材材料料：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1m以下。特特点点：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。应应用用：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。33电阻和电热材料 对薄膜电阻材料的要求对薄膜电阻材料的

27、要求：电阻率范围宽，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。薄膜电阻材料的主要原料薄膜电阻材料的主要原料: 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。按组成分类按组成分类：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、其他电阻薄膜等。34电阻和电热材料1 碳膜碳膜3.3.1 碳基薄膜碳基薄膜制备制备 气态碳氢化合物在高温和真空中分解，碳沉气态碳氢化合物在高温和真空中分解，碳沉积在瓷棒

28、或者瓷管上，形成一层结晶碳膜。改变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。得到不同的阻值。碳膜电阻成本较低，性能一般。特点特点 碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、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温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。阻器。35电阻和电热材料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速度、基本表面状态、碳膜的处理条件有关。和速度、基本表面状态、碳

29、膜的处理条件有关。结结构构 在在正正常常情情况况下下，热热分分解解获获得得的的碳碳膜膜应应是是致致密密而而带带全全属属光光泽泽的的类类石石墨墨结结构构，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，再加上晶粒取向混乱。再加上晶粒取向混乱。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之间间，类类似似于于多多晶

30、晶石石墨墨，跟跟晶晶粒粒的的大小、晶粒取向、晶粒间隙以及晶界杂质有关。大小、晶粒取向、晶粒间隙以及晶界杂质有关。36电阻和电热材料2硅碳膜硅碳膜 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物制得合物制得。37电阻和电热材料 硅碳膜为三层结构，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

31、有SiO2和少量的SiC。 SiO2是一种耐高温、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。38电阻和电热材料 采采用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。该该层层热热分分解解温温度度950980，真真空空度度为为2Pa以以上上。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

32、，即即为为中中阻阻或或高高阻阻层层。热热分分解解温温度度为为1000，真真空空度度同同上上。如如要要得得到到低低阻阻层层，可可用用苯苯热热分分解解得得到到。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这种种方方法法制制出出的的硅硅碳碳膜膜电电阻阻率率比比碳碳膜膜高高2030。硅硅碳碳膜膜具具有有耐耐潮潮和和耐耐腐腐蚀蚀的的特特性性。这这种种膜膜层层的的工工作作温温度度和和过负荷能力都有明显的提高。过负荷能力都有明显的提高。39电阻和电热材料3.3.2 金属氧化膜金属氧化膜金属氧化膜种类

33、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。锡锑氧化膜适于制造低、中电阻器。40电阻和电热材料 如果在氧化锡中掺入如果在氧化锡中掺入铟铟，组成，组成Sn-In系氧化膜，其阻系氧化膜，其阻值比值比Sn-Sb（锑）系氧化膜高（锑）系氧化膜高15 30倍。如果在氧化锡薄倍。如果在氧化锡薄

34、膜中掺入少量的膜中掺入少量的铁铁,可以提高电阻值可以提高电阻值10倍。如果往在倍。如果往在SnSb氧化膜中加入氧化膜中加入B2O3，不仅可以提高电阻值，而旦可，不仅可以提高电阻值，而旦可以降低电阻温度系数。方阻值可达以降低电阻温度系数。方阻值可达10k电阻温度系数电阻温度系数可以非常小。如果在可以非常小。如果在SnSb氧化膜中加入氧化膜中加入Al2O3可以显著可以显著提高电阻率和减小电阻温度系数，而且性能稳定。如果提高电阻率和减小电阻温度系数，而且性能稳定。如果在在SnSb氧化膜中加人氧化膜中加人TiO2。可使电阻值增大。可使电阻值增大20200倍。倍。而电阻温度系却变化不大。如果在而电阻温度

35、系却变化不大。如果在Sn-Sb氧化膜中加入氧化膜中加入（铋）（铋）Bi，可使性能稳定，老化系数减小，可使性能稳定，老化系数减小。掺杂对薄膜电阻方阻值和电阻温度系数的影响掺杂对薄膜电阻方阻值和电阻温度系数的影响41电阻和电热材料3.3.3 金属膜电阻金属膜电阻 1 1蒸发金属膜蒸发金属膜 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。 膜层的结构和性能与膜厚和合金粉的成分有关。蒸发金属膜的膜厚为50100 nm。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，

36、 温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。 42电阻和电热材料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较大的差别。 膜层的结构和性能跟热处理有关，一般选用700一800，处理时间为30 min比较理想。制造金属薄膜时，对基体表面的清洁度和粗糙度的要求比较严格。一般在蒸发之前，要对基体进行煅烧和清洁处理。43电阻和电热材料2 2化学沉积金属膜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。化学沉积膜步骤为：基体清洗、基体敏化、敏基体清洗、基体敏化、敏化后清洗、活化处理、化学镀镍和热处理化后

37、清洗、活化处理、化学镀镍和热处理。化学沉积膜的质量跟镀液的成分、温度、质量跟镀液的成分、温度、PH值、值、热处理条件有很大的关系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、质量较差。反之质量会提高，但制膜周期增长。44电阻和电热材料3.3.4 镍铬薄膜电阻镍铬薄膜电阻特点特点：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。应用：应用：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。制备：制备：电阻式真空蒸发法。分类分类：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、

38、镍铬硅铒薄膜、镍铬金薄膜、镍铬-氧薄膜。45电阻和电热材料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NiCr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。 1. 纯镍铬薄膜纯镍铬薄膜46电阻和电热材料2镍铬铝薄膜镍铬铝薄膜l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，常用蒸蒸发发法法和和溅溅射射法法。制造方法不同，薄膜的性能有所差异。lNiCr薄膜中加入Al后，可以降降低低电电阻阻温温度度系系数数和和提提高高稳稳定定性性。当

39、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。lNiCrAl薄薄膜膜的的方方阻阻与与厚厚度度有有关关。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2030nm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。47电阻和电热材料(1) NiCr-O薄膜薄膜在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

40、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。采用多层NiCr薄膜方法降或等离子溅射方法也可制得NiCr-O高方阻和低电阻温度系数的薄膜电阻。3其他改性镍铬薄膜其他改性镍铬薄膜48电阻和电热材料(2) NiCrAlFe和和NiCrAlCu精密电阻薄膜精密电阻薄膜 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。

41、(3) NiCrBe薄膜电阻薄膜电阻 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。49电阻和电热材料3.3.5 金属陶瓷电阻薄膜金属陶瓷电阻薄膜金属和硅等氧化物绝缘体所组成的薄膜。特点特点：电阻率高，耐温高。常用的是Cr-SiO、Ti-SiO2、Au-SiO(SiO2)、NiCr-SiO2、Ta-SiO2等50电阻和电热材料1铬铬-氧化硅电阻薄膜氧化硅电阻薄膜 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500 3k )、电电阻阻温温度度系系数数小小(aR10010-6)的特点。可通过

42、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。大大气气和和真真空空热热处处理理温温度度对对蒸蒸发发的的Cr-SiO薄薄膜膜方方阻阻有有影影响响；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膜的结结构构是是很很复复杂杂的，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Cr3Si。51电阻和电热材料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和SiO2所占靶面积的比，

43、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。2钛钛-二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜52电阻和电热材料铬-硅(Cr-Si)电阻薄膜是片式元件和混合集成片式元件和混合集成电路电路中常用的薄膜电阻材料。常用真空蒸发和溅射方法制备，具有电阻率电阻率高、电阻温度系数小、稳定性好高、电阻温度系数小、稳定性好的特点。Cr-Si薄膜电阻率与电阻率与Cr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

44、阻率的下降，电阻温度系数由负值逐渐变正值。3.3.6 铬铬-硅电阻薄膜硅电阻薄膜53电阻和电热材料3.3.7 钽基电阻薄膜钽基电阻薄膜l钽的化合物和合金薄膜。钽是一种钽的化合物和合金薄膜。钽是一种阀金属，阀金属，能与能与空气中氧、氮作用形成空气中氧、氮作用形成TaTa2 2O O5 5、TaNTaN等化合物，等化合物，与硅、铝等形成合金。与硅、铝等形成合金。l阀金属阀金属 具有单向载流性质的金属，即有点类似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。当其作为阳极金于二极管，电流只能单向通过。当其作为阳极金属时，譬如属时，譬如TiTi，电解过程中其表面可形成致密氧，电解过程中其

45、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，如电解过程中的催化活性，如TiTi、AlAl、TaNb)TaNb)。l应用应用 利用钽不仅可以作成电阻，而且可以作电利用钽不仅可以作成电阻，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），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于制作钽基薄膜集成电路。钽薄膜通常用溅射法制取。制取。54电阻和电热材料氮化钽(TaN)薄膜是Ta和N反应而生成的

46、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。直流二极溅射、等离子溅射和磁控溅射这三种溅射方法溅射出氮化袒薄膜的电阻率、电阻温度系数跟氮分压有关系。溅射电流和溅射电压对氮化钽钽薄膜结构和性能有影响。 1. 氮化钽膜氮化钽膜55电阻和电热材料 钽铝合金薄膜是用高纯的Ta和Al制成合金靶材，通过改变铝的面积，采用溅射方法得到不同组分的TaAl膜。 特点是:稳定性高，温度系数小稳定性高，温度系数小(可达3010-6 / )

47、,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56电阻和电热材料 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钽硅合金薄膜钽硅合金薄膜57电阻和电热材料3.3.8 复合电阻薄膜复合电阻薄膜u复合电阻薄膜是由不同薄膜叠合构成的电阻薄膜。u复合电阻薄膜的优点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

48、可以得到优异的性能。58电阻和电热材料 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59电阻和电热材料 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铬硅铬硅- -镍铬复合薄膜镍铬复合薄膜60电阻和电热材料 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N

49、iCr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61电阻和电热材料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。62电阻和电热材料3.

50、4.1 厚膜电阻浆料的组成厚膜电阻浆料的组成厚膜电阻浆料组成：1. 1.导电相导电相( (又称又称功能相功能相) )2. 2.粘结相粘结相3.3.有机载体有机载体4. 4.改性剂改性剂63电阻和电热材料1导电相导电相导电相主要由一些导电微粒组成导电微粒组成。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非金属及非金属化合物和有机高分子高分子，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。64电阻和电热材料2粘结相粘结

51、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、提高膜层附调整阻值、改善性能、提高膜层附着力着力等作用。 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釉电阻材料。 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、三聚氰胺树脂、醇酸树脂、环气树脂、环氧改性酚醛树脂、甲基丙烯酸脂、硅树脂等。65电阻和电热材料3有机载体有机载体 有机载体由溶剂、增稠剂、流动性控制剂溶剂、增稠剂、流动性控制剂和表面活性剂和表面活性剂组成。 溶剂溶剂是比较粘稠的有机液体，能够提供

52、极性基团，其特点是能够溶解纤维素之类的增稠剂。 增稠剂增稠剂是提高浆料的粘稠性和塑性。 流动性控制剂流动性控制剂只是在要求比较高的细线工艺中采用。66电阻和电热材料3.4.2 钌系厚膜电阻材料钌系厚膜电阻材料 钌(R1)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1.510M )、电阻温度系数小(10010-6/)、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钌酸盐为导电材料，以玻璃釉玻璃釉为粘结剂，用有机载体有机载体和溶剂溶剂把它调成浆料，经印刷、烧结而成的。67电阻和电热材料3.4.3 钯银厚膜电阻 钯银

53、电阻浆料中的导电相料: (1) (1) 钯粉钯粉 (2) (2) 银粉银粉 (3) (3) 氧化钯粉氧化钯粉68电阻和电热材料3.5 电热材料电热材料u电热材料：利用电流热效应的材料。一般应用于电热器。u性能要求：高电阻率和低的电阻温度系数，在高温时有良好的抗氧化性，并有长期的稳定性，有足够高的高温强度，易于拉丝。u分类：金属型和非金属型。电阻和电热材料 3.5 电热材料电热材料电阻和电热材料3.5.1金属电热材料金属电热材料u贵金属及其合金：铂、铝铂、铜铂、铂铱合金等，铱易挥发和氧化，能显著地提高铂的耐腐蚀性，具有高硬度、高熔点、高耐蚀能力和低的接触电阻。重金属及其合金：钨等，可用于工业炉中

54、。u镍基合金：铬镍合金、铬镍铁合金等。这类合金的特点是以氧化铬构成表面保护膜，耐蚀性强，高温强度高，成型加工和焊接性能好。缺点是价格高。高电阻电热合金、高温合金、精密合金、耐热合金、特种合金、不锈钢等都是常见和常用的镍铬合金. 电阻和电热材料3.5.1金属电热材料金属电热材料u铁基合金：铁铬铝合金、铁铝合金等。具有高的电阻率和硬度，密度较小（6.57.2g/mm3)，抗振动和抗冲击性能良好。在450和700左右分别有脆化区，在高温下长期使用，晶粒容易粗化，因而高温抗蠕变性能和室温韧性较低，但电阻率高，抗氧化性良好，且价格便宜，因而应用广泛。电阻和电热材料3.5.2非金属电热材料非金属电热材料u

55、碳化硅：具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能是已知陶瓷材料中最佳的，其高温强度可一直维持到1600。缺点是断裂韧性较低，即脆性较大。u碳化硅粉易升华分解，一般碳化硅陶瓷都是用粉末冶金法制备。u二硅化钼：具有金属与陶瓷的双重特性，是一种性能优异的高温材料。极好的高温抗氧化性，抗氧化温度高达1600以上。主要应用作发热元件、集成电路、高温抗氧化涂层及高温结构材料。电阻和电热材料3.5.2非金属电热材料非金属电热材料u石墨：耐高温性好，导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。韧性好。一般在还原性气氛或真空下使用，最高温度可达3000 。电阻和电热材料