CN117558516B - 一种合金电阻结构的设计方法及合金电阻 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金电阻结构的设计方法，所述合金电阻包括电阻区域、位于所述电阻区域两侧的电极区域、位于所述电极区域和电阻区域之间的折弯部；所述电极区域包括电极金属，所述电阻区域包括电阻合金，所述电极金属和电阻合金之间具有焊缝；所述设计方法包括如下步骤：缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，使得电阻区域的长度小于电极区域的长度；将所述焊缝设置在所述折弯部上，使得所述电极区域完全为电极金属，所述电阻区域完全为电阻合金；设置折弯部的形状，使得所述电阻区域的中点与电极区域靠近折弯部的端面中点之间的连线，其与水平面之间的夹角为11°~12°。

Description

一种合金电阻结构的设计方法及合金电阻

技术领域

本发明属于合金电阻技术领域，具体涉及一种高功率、低温漂的超低阻值（0.3-4mΩ）的合金电阻结构的设计方法以及采用该设计方法设计得到的合金电阻。

背景技术

随着社会经济的快速发展，电子产品或设备已经成为人们日常工作和生活中不可或缺的重要工具，人们对电子设备的轻巧化和精确化的需求也越来越高，从而导致对电子元器件的封装和不同温度下的特性稳定性要求愈来愈严苛。

精密合金电阻作为电路中最重要的检测电流手段之一，其温漂直接影响电路测试的准确度和精度，尤其是对于超低阻值产品（0.3-4mΩ），由于阻值占比的问题，低温漂更难实现（≤70ppm/℃）。

同时，电阻元器件的小型化导致散热差、功率小（≤6W）。为此，有一些现有技术通过增加电阻区域的长度提升散热，同时增加电阻区域的横截面积（厚度）进而增加功率。但是现有的方案仍然无法满足超低阻值产品中高功率、低温漂的要求。

因此目前亟需一款小型化、高功率、低温漂的超低阻值合金电阻及对应的设计方法。

发明内容

鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种合金电阻结构的设计方法，通过对合金电阻的结构进行重新设计，使得合金电阻能够达到高功率、低温漂的效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种合金电阻结构的设计方法，所述合金电阻包括电阻区域、位于所述电阻区域两侧的电极区域、位于所述电极区域和电阻区域之间的折弯部；所述电极区域包括电极金属，所述电阻区域包括电阻合金，所述电极金属和电阻合金之间具有焊缝；

所述设计方法包括如下步骤：

缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，使得电阻区域的长度大于单个电极区域的长度，小于电极区域的总长度；

将所述焊缝设置在所述折弯部上，使得所述电极区域完全为电极金属，所述电阻区域完全为电阻合金；

设置折弯部的形状，使得所述电阻区域的中点与电极区域靠近折弯部的端面中点之间的连线，其与水平面之间的夹角为11°~12°，使得散热路径更短，散热效果更好。

根据本发明的一些优选实施方面，单个所述电极区域的长度占比为30-32%；所述电阻区域的长度占比为32-34%。

根据本发明的一些优选实施方面，所述折弯部包括依次包括下折弯弧、倾斜部和上折弯弧，所述下折弯弧靠近电极区域、所述上折弯弧靠近电阻区域，所述倾斜部位于所述下折弯弧和上折弯弧之间。所述下折弯弧对应的圆心位于其上方，所述上折弯弧对应的圆心位于其下方。

根据本发明的一些优选实施方面，所述倾斜部与水平面之间的夹角为70~80°，优选为75°。

根据本发明的一些优选实施方面，所述下折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2；所述上折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电阻区域的顶面高于所述电极区域的顶面，所述电阻区域的底面低于电极区域的顶面。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电阻区域的底面与所述电极区域的底面之间的垂直高度为0.4±0.05mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电阻区域的厚度为0.2-1.4mm；所述电极区域的厚度为0.2-1.4mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述合金电阻的阻值为0.3-4mΩ。

根据本发明的一些优选实施方面，所述合金电阻的温漂≤40ppm/℃。

根据本发明的一些优选实施方面，所述合金电阻的功率为7~9W。

本发明还提供了一种根据如上所述的设计方法设计得到的合金电阻。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的合金电阻，一方面，将焊缝外移至折弯部上，降低或去除电阻区域中铜的占比，能够有效降低合金电阻的TCR值；另一方面，通过缩短电阻区域的长度、增大电极区域的长度，使得电阻区域产生的热量能够更快的传导至电极，而电极材料的导热系数远远大于空气的导热系数，使得合金电阻的散热更快，能够加载更大的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的合金电阻的截面结构示意图；

图2为本发明实施例中的合金电阻焊接至PCB的焊盘上的截面结构示意图；

附图中，1：电阻合金；2：焊缝；3：电极金属；4：焊盘。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

现有技术中，提升产品功率的手段都是通过提升电阻区域的长度，进而增加电阻区域与空气之间的散热面积，或增加横截面积的方式，提升产品功率。而在本申请的设计方法和对应的合金电阻中，通过改变散热路径和增加散热方式，增加金属和金属（电阻区域和电极区域）之间的传导散热，实现更快速的散热，进而降低产品的表面温度，可以实现更高的产品功率。具体的，本发明中通过缩短电阻区域的长度、增大电极区域的长度，使得电阻区域产生的热量能够更快的传导至电极，而电极材料的导热系数远远大于空气的导热系数，使得合金电阻的散热更快，能够加载更大的功率；同时，将焊缝外移，降低或去除了电阻区域中铜的占比，实现了低TCR而实现产品的低温漂。

实施例1 合金电阻

如图1-2所示，本实施例中的合金电阻，包括电阻区域、位于电阻区域两侧的电极区域、位于电极区域和电阻区域之间的折弯部；电阻区域的顶面高于电极区域的顶面，电阻区域的底面低于电极区域的顶面。电极区域包括电极金属，电阻区域包括电阻合金，电极金属和电阻合金之间具有焊缝。

本实施例中合金电阻将焊缝位置向外移，设置在折弯部上，使得电极区域完全为电极金属，电阻区域完全为电阻合金，减少或避免电阻区域中的电极金属占比，能够有效降低合金电阻的TCR值，实现了低温漂的效果。

本实施例中缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，使得电阻区域的长度大于单个电极区域的长度，而小于两个电极区域的总长度。单个电极区域的长度占比为30-32%；电阻区域的长度占比为32-34%。

折弯部依次包括下折弯弧、倾斜部和上折弯弧，下折弯弧靠近电极区域、上折弯弧靠近电阻区域，倾斜部位于下折弯弧和上折弯弧之间。下折弯弧对应的圆心位于其上方，上折弯弧对应的圆心位于其下方。倾斜部与水平面之间的夹角为70~80°，优选为75°。下折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2；上折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2，均优选为5π/12。本实施例中设置上述折弯部的形状，使得电阻区域的中点与电极区域靠近折弯部的端面中点之间的连线L，其与水平面之间的夹角θ为11°~12°，如图1所示。通过上述结构缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，以及折弯部的结构设计，改变导热路径实现金属与金属之间（电阻区域和电极区域之间）的热传导的方式，实现更快速的散热，快速降低产品表面温度。

本实施例中的电阻区域的底面与电极区域的底面之间的垂直高度为0.4±0.0.05mm。电阻区域的厚度为0.2-1.4mm；电极区域的厚度为0.2-1.4mm。得到的合金电阻的阻值为0.3-4mΩ、温漂≤40ppm/℃、功率为7~9W。

通过修改合金电阻中电极区域和电阻区域的占比以及连线L与水平面之间的夹角θ，形成实施例1-3，详见表1。

对比例1-3 合金电阻

对比例中合金电阻的结构与上述实施例基本一致，区别在于：对比例中修改了电极区域和电阻区域的占比、连线L与水平面之间的夹角θ以及焊缝是否位于折弯部上，形成对比例1-3，详见表1。

实施例4 设计方法

本实施例提供了上述实施例中合金电阻结构的设计方法，包括如下步骤：

（1）缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，使得电阻区域的长度大于单个电极区域的长度，而小于两个电极区域的总长度。

单个电极区域的长度占比为30-32%；电阻区域的长度占比为32-34%。

电阻区域的厚度为0.2-1.4mm；电极区域的厚度为0.2-1.4mm。电阻区域的顶面高于电极区域的顶面，电阻区域的底面低于电极区域的顶面。

（2）将焊缝设置在折弯部上，使得电极区域完全为电极金属，电阻区域完全为电阻合金。

（3）设置折弯部的形状，使得电阻区域的中点与电极区域靠近折弯部的端面中点之间的连线，其与水平面之间的夹角为11°~12°。

折弯部包括依次包括下折弯弧、倾斜部和上折弯弧，下折弯弧靠近电极区域、上折弯弧靠近电阻区域，倾斜部位于下折弯弧和上折弯弧之间。下折弯弧对应的圆心位于其上方，上折弯弧对应的圆心位于其下方。倾斜部与水平面之间的夹角为70~80°，优选75°。下折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2；上折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2，均优选为5π/12。

通过上述设计方法设计得到的合金电阻的阻值为0.3-4mΩ、温漂≤40ppm/℃、功率为7~9W。

为了方便叙述和理解，将以上步骤编号分别叙述，但是其并没有限定意义，在实际的情况下，以上至少部分步骤是可以同时进行或无先后顺序进行的。

测试与结果

将实施例和对比例中得到的合金电阻进行阻值、温漂和功率的测试。其中，阻值、温漂、功率的测试方法分别参考IEC60115-1 4.5、MIL-STD-202 Method 304、MIL-R-26E中的规定。测试结果如下表1所示：

上述测试结构表明：1、焊缝位置对TCR影响较明显，将焊缝移至折弯处，增加了折弯处合金的占比，产品TCR减小；2、电阻合金中心距离电极越小，产品耐热能力越大，即功率越高。其中，实施例1和对比例1结果表明电阻区域占比小于32%，阻值精度较差；实施例1和对比例2结果表明电阻合金中心距离电极越小，产品散热越快，功率就越高；实施例3和对比例3结果表明焊缝位置对TCR影响较明显，焊缝在折弯处产品TCR明显降低。

合金电阻产品的功率主要决定于产品的表面温度，而产品的表面温度主要与产品的导热有关，空气导热系数（0.0244W/(m·K））远远小于铜的导热系数（401W/(m·K））。本申请中通过改变导热路径，实现金属与金属之间的热传导的方式，实现更快速的散热，快速降低产品表面温度。表面温度越低则可以施加的功率就越高，电阻区域的发热要能够尽快的导出，离电极越近，导热速度越快。本申请在同样的产品宽度（传热面积S相同）的前提之下，缩短电阻区域的长度，增大电极区域的长度，达到减小热传导距离的目的，因此可以保证产品的功率表现比同行更优秀。相同的产品尺寸下，能够达到7~9W。

同时，产品的电阻温度系数跟产品中间的合金材料（电阻合金）和部分的铜材（电极金属）有关，而铜材的电阻温度系数无法改变，能改变的参数一是合金的长度，二是合金的电阻温度系数：

产品电阻温度系数：TCR=R1*TCR1+R2*TCR2

其中，R1 为电阻中紫铜贡献阻值，取决于弯折部中铜的占比；TCR1为紫铜的TCR，为3800ppm/℃；R2为电阻中合金贡献阻值，为电阻主体；TCR2为合金的TCR，约为0~-60ppm/℃；

由上述公式可知，紫铜TCR远远大于合金TCR，而紫铜的阻值贡献越少，产品TCR越小。因此本申请将焊缝外移至折弯部上，使得铜在阻值占比中明显减小，进而有效降低产品的电阻温度系数。

本申请中的合金电阻改变了传统的设计思路，通过缩小电阻长度、加大电极长度、改变了散热路径实现产品的高功率；通过将焊缝外移，降低或去除了电阻区域中铜的占比，实现了低TCR而实现产品的低温漂。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明的方法制得的上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种合金电阻结构的设计方法，其特征在于，所述合金电阻包括电阻区域、位于所述电阻区域两侧的电极区域、位于所述电极区域和电阻区域之间的折弯部；所述电极区域包括电极金属，所述电阻区域包括电阻合金，所述电极金属和电阻合金之间具有焊缝；

所述设计方法包括如下步骤：

缩短电阻区域的长度，并增大电极区域的长度，使得电阻区域的长度小于电极区域的总长度；

将所述焊缝设置在所述折弯部上，使得所述电极区域完全为电极金属，所述电阻区域完全为电阻合金；

设置折弯部的形状，使得所述电阻区域的中点与电极区域靠近折弯部的端面中点之间的连线，其与水平面之间的夹角为11°~12°；

单个所述电极区域的长度占比为30-32%；所述电阻区域的长度占比为32-34%；

所述折弯部包括依次包括下折弯弧、倾斜部和上折弯弧，所述下折弯弧靠近电极区域，所述上折弯弧靠近电阻区域，所述倾斜部位于所述下折弯弧和上折弯弧之间；

所述电阻区域的底面与所述电极区域的底面之间的垂直高度为0.4±0.05mm。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述倾斜部与水平面之间的夹角为70~80°。

3. 根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述下折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2；所述上折弯弧对应的弧度为π/3 ≤弧度＜π/2。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述电阻区域的顶面高度高于所述电极区域的顶面。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述电阻区域的厚度为0.2-1.4mm；所述电极区域的厚度为0.2-1.4mm。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述合金电阻的阻值为0.3-4mΩ。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述合金电阻的温漂≤40ppm/℃。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述合金电阻的功率为7~9W。

9.一种合金电阻，其特征在于，所述合金电阻为根据如权利要求1-8任意一项所述的设计方法设计得到。