TWI813361B - 電阻器結構及其阻值測量系統 - Google Patents

Abstract

一種電阻器結構，包括一電阻器本體；以及一第一電極結構與一第二電極結構。該第一電極結構與一第二電極結構分別位於該電阻器本體上相對的第一端與第二端處，並與之電性接觸，且該第一電極結構與該第二電極結構各具有至少一導電凸起。其中，該第一電極結構上的該至少一導電凸起與該第二電極結構上的該至少一導電凸起係電連接至一外部電壓量測裝置作為電壓量測點，或該第一電極結構上的該至少一導電凸起與該第二電極結構上的該至少一導電凸起係電連接至一外部電流量測裝置作為電流量測點。

Description

電阻器結構及其阻值測量系統

本發明關於一種電阻器結構以及其阻值測量系統，尤指一種適用於低電阻應用的電阻器結構以及其阻值測量系統。

一般而言，對於電阻器的阻值測量係透過測量電阻器兩端的電壓值與流經電阻器的電流值，並根據歐姆定律運算而得。例如在如圖1所示的二線式測量系統中，係利用一外加電源P，串聯一個安培計A測量電流，同時並聯一個伏特計V測量電壓，計算出一待測電阻器R的電阻值。待測電阻器R兩端的電壓值係由伏特計V於B點測；流經待測電阻器R的電流值亦由安培計A於B點測得。將測得的電壓值和電流值運算得到該待測電阻器R的電阻值。在實務上，由於該待測電阻器R並聯了伏特計V，且導線C也具有一定程度的阻抗，因此以此系統測量出的電壓與電流實際上並不完全等同於該待測電阻器R兩端的真實電壓值與流經電阻器R的真實電流值。而導線C的阻抗，以1m長度的銅製導線為例，大約在0.1Ω左右，因此當待測電阻器R的阻值遠大於導線C的阻抗時，導線C的阻抗也可以忽略不計。但當待測電阻器R為低阻值電阻時，待測電阻器R的阻值愈小，導線C的阻抗所造成的影響愈明顯，因此所測得的待測電阻器的阻值愈不準確。換言之，以傳統二線式測量系統來測量低電阻電阻器的電阻值是不夠精準的。

為了解決上述問題，本發明提供一種電阻器的阻值測量系統，可精確量測一電阻器的阻值。

本發明另提供一種電阻器結構，適用於以該系統進行其阻值量測。

在本發明的一方面，一電阻器結構包括：一電阻器本體；以及一第一電極結構與一第二電極結構，分別位於該電阻器本體上相對的第一端與第二端處，並與之電性接觸，該第一電極結構與該第二電極結構各具有至少一導電凸起。其中，該第一電極結構上的該至少一導電凸起與該第二電極結構上的該至少一導電凸起係電連接至一外部電壓量測裝置作為電壓量測點，或該第一電極結構的該至少一導電凸起與該第二電極結構的該至少一導電凸起係電連接至一外部電流量測裝置作為電流量測點。

在一實施例中，該第一電極結構的該至少一導電凸起包括一第一導電凸起以及一第二導電凸起，該第一導電凸起電連接至該外部電壓量測裝置作為該電壓量測點之一，而該第二導電凸起電連接至該外部電流量測裝置作為該電流量測點之一，又該第二電極結構的該至少一導電凸起包括一第三導電凸起以及一第四導電凸起，該第三導電凸起電連接至該外部電壓量測裝置作為另一該電壓量測點，而該第四導電凸起電連接至該外部電流量測裝置作為另一該電流量測點。

在一實施例中，該第一、第二、第三、第四導電凸起的頂點共平面。

在一實施例中，該第一電極結構的該第一導電凸起與該第二電極結構的該第三導電凸起間的距離範圍在450到570微米之間，且該第一電極結構的該第二導電凸起與該第二電極結構的該第四導電凸起間的距離範圍在450到570微米之間。

在一實施例中，該第一電極結構的該第一導電凸起與該第二導電凸起間的距離小於100微米，且該第二電極結構的該第三導電凸起與該第四導電凸起間的距離小於100微米。

在一實施例中，該第一、第二、第三、第四導電凸起中至少有一個凸點直徑範圍在10到40微米之間。

在一實施例中，該第一、第二、第三、第四導電凸起中至少有一個凸點厚度範圍在10到50微米之間。

在一實施例中，該第一、第二、第三、第四導電凸起均具有平坦頂面。

在本發明的另一方面，一電阻器結構包括：一基板；一電阻層，設置在該基板上；一保護層，覆蓋該電阻層；以及一第一電極結構，設置於該電阻層的第一端上並與之電性接觸，以及一第二電極結構，設置於該電阻層的與該第一端相對的第二端上並與之電性接觸，而第第一電極結構和第二電極結構各具有至少一導電凸起。其中該第一電極結構的該至少一導電凸起和該第二電極結構的該至少一導電凸起皆具有一延伸至該保護層頂面上方的頂面。

在本發明的又一方面，在一種用以量測一電阻器裝置的阻值的阻值測量系統中，該電阻器裝置包括：一包含一電阻層之電阻器本體、一與該電阻層的第一端電性接觸的第一電極結構、以及一與該電阻層的與該第一端相對的第二端電性接觸的第二電極結構，其中該第一電極結構和該第二電極結構皆分別具有第一組導電凸起和第二組導電凸起，而該阻值測量系統包括：一量測治具，包 括四個接線墊，分別用以與該第一電極結構及該第二電極結構的該第一組導電凸點與該第二組導電凸點電性接觸，其中每一個該接線墊的可接觸面積均大於每一與其電性接觸的相對應導電凸起的可接觸面積；一電源裝置，提供一電源；一電壓量測裝置，電連接至該電源裝置、以及該第一電極結構的該第一組導電凸起與該第二電極結構的該第一組導電凸起，並於該電源供電下測量該第一組導電凸起間的電壓值；一電流量測裝置，電連接至該第一電極結構的該第二組導電凸起與該第二電極結構的該第二組導電凸起，並於該電源供電下測量流經該第一電極結構與與該第二電極結構的該第二組導電凸起間的電流值；以及一阻值判讀裝置，電連接至該電壓量測裝置與該電流量測裝置，根據所測得的該電壓值與該電流值得到該電阻器裝置的阻值。

P:電源

A:安培計、電流量測裝置

V:伏特計、電壓量測裝置

R:待測電阻器

B:量測點

C:導線

G:阻值測定裝置

V+、V-:電壓探針、接線墊

I+、I-:電流探針、接線墊

10:電阻本體

100:基板

101:第一端

102:第二端

103:電阻層

104:保護層

BV1、BV2:電壓量測點

BI1、BI2:電流量測點

1、2:電極結構

11、12:頂部電極

13、14:底部電極

15、16:端面電極

17:鍍層

20:治具

40:治具

401、402:導電凸起

D1:間隙

D2:間隙

H:高度

W:寬度

在閱讀以下詳細說明和附圖之後，本領域普通技術人員將更容易了解本發明的以上內容，其中：圖1係利用二線式測量系統測量一電阻器的電阻值的示意圖。

圖2A係利用四線式測量系統測量一電阻器的電阻值的示意圖。

圖2B係一習知晶片電阻的結構示意圖。

圖3A係顯示測量圖2B的晶片電阻的電阻值時，理想的量測點位置示意圖。

圖3B係顯示測量圖2B的晶片電阻的電阻值時，一量測點偏移情況的示意圖。

圖3C係顯示測量圖2B的晶片電阻的電阻值時，另一量測點偏移情況的示意圖。

圖3D係顯示測量圖2B的晶片電阻的電阻值時，又一量測點偏移情況的示意圖。

圖4A顯示本發明一實施例中，形成於待測電阻器上用以進行電壓與電流量測的導電凸起的示意圖。

圖4B顯示本發明一實施例中，電阻器結構的示意圖。

圖4C顯示本發明一實施例中，電阻器結構的截面示意圖。

圖4D顯示本發明一實施例中，電阻器電阻值量測系統的示意圖。

圖5A顯示本發明一實施例中，將待測電阻器置於圖4D系統的治具中時的理想情況示意圖。

圖5A顯示本發明一實施例中，將待測電阻器置於圖4D系統的治具中時的理想情況示意圖。

圖5B-5F分別顯示本發明一實施例中，將待測電阻器置於圖4D系統的治具中時的可能偏移情況示意圖。

圖6A與6B係說明本發明一實施例的電阻器結構的導電凸起的構形與尺寸示意圖。

本發明將以下述實施例進行更具體的說明。應當注意的是，以下對於本發明較佳實施例的描述，僅是基於說明和描述的目的，而非詳盡無遺的說明，或是僅限於所公開的精確形式。

為改善低電阻量側的精確度問題，發展出了四線式測量系統(four-terminal measurement)又稱為四線感測(four-wire sensing)、四點探測(four-point probes)或凱文感測(Kelvin sensing)。請見圖2A，其描繪了四線式測量系統的電路圖。其中，電阻器R與外部的電源供應器P及安培計A串聯，並同時與電壓表V並聯，而電阻器R的電阻值則根據歐姆定律去計算。儘管四線式測量系統與如圖1所示的兩線式電阻測量系統的原理相似，其差異處在於四線式測量系統分別使用一對電流電極去執行電流測量，另一對電壓電極則去執行電壓測量。藉由分離電壓電極和電流電極能最小化導線C的阻抗，使電壓表V能更精確的測量電阻器R兩側的電壓。

舉例來說，四線式測量系統可以被用來測量晶片電阻器的電阻。由於其體積小、功率大且便宜的特性，晶片電阻器可被使用於各式各樣的電子產品。比方說，晶片電阻器普遍被使用於3C電子產品或自動化電子產品，適時地用於降低電壓與限制電流。使用時，晶片電阻器的底部通常銲接在電路板上，而頂部覆蓋在電阻層上的一層電阻層和一層保護層透過印刷及乾燥燒結而形成。傳統晶片電阻器的基本結構如圖2B所示，包含了電阻器本體10和其兩端的電極結構1和2。為使用圖2A所示之四線式測量系統測量圖2B所示之晶片電阻器R的電阻值，將該晶片電阻器R置於一治具20中，該治具的接線墊上具有四個導電凸起，分別作為探針V+、V-、I+、I-，連接至電極結構1和2。透過探針V+、V-測量到的電壓值和探針I+、I-的電流量進而得知晶片電阻器R的電阻值。參照圖3A，位於晶片電阻器R之兩電極結構1和2上的兩點分別為探針的連接處，其中兩個量測點BV1和BV2用於測量電壓，而另外兩個量測點BI1和BI2則用於測量電流。

然而，習知在評估量測晶片規格電阻器的重複性及再現性(GRR)時相關技術的實施方式並不令人滿意。舉例來說，1% GRR達18.44，而0.1% GRR甚至大於150，這種不利的高GRR代表量測系統的變異過大，量測精度有待 改進，主要是因量測點BV1、BV2、BI1和BI2的偏移所導致。從圖3A所示的理想位置產生偏移的可能情況分別顯示於圖3B、3C和3D的例子中。在圖3B的例子中，晶片電阻器R被置於治具20的偏左處，因此使量測點較理想的圖3A稍微偏右。在圖3C的例子中，晶片電阻器R被置於治具20的偏上方，因而導致量測點較理想的圖3A稍微偏下，同樣地在圖3D的例子中，晶片電阻器R被置於治具20的偏左上方，因此也使其量測點較理想的圖3A偏右下方。表1舉出了上述四種情形電阻量測的模擬結果來顯示量測點偏移對電阻量測的影響。在模擬中，量測點BV1和BV2以及BI1和BI2的間隙為0.44mm，BV1和BI1以及BV2和BI2的間隙為0.16mm。圖3B、3C和3D所示的量測點雖然具有與上述相同的間隙，但另有4.05μm的向下偏移和4.40μm的向右偏移。此模擬結果顯示了其電阻值產生了一定程度的無法在應用中被忽略的誤差。因此，需要發展出可以解決探針量測位置偏移問題，以提高量測精度的技術。

因此，為了進一步改善四線式測量系統的低電阻量測精確度，根據本發明對電阻結構進行修改，同時提供一種適用於本發明電阻結構的治具。

請參照圖4A，本發明電阻裝置的實施例包含電阻本體10、電連接於電阻本體10的第一端的第一電極結構1、以及連接於電阻本體10相對於該第一端的第二端的第二電極結構2。該第一電極結構1和該第二電極結構2各包括一導電凸起401和一導電凸起402。為了利用圖2A所示之四線式測量系統測量圖4A所示之晶片電阻器R的電阻值，將晶片電阻器R置於如圖4D所示的包含V+、V-、I+和I-四個接線墊的治具40中，電極結構1和2上的導電凸起401和402分別和治具40的接線墊V+、V-、I+和I-電連接，其中導電凸起401作為電壓量測裝置V的量測點BV1和BV2，用以測量電壓，而導電凸起402則作為電流量測裝置A的量測點BI1和BI2，用以測量電流。由於導電凸起401和402係固定於電阻結構上，因此任兩個量測點之間的間隙都是固定的，同時量測點的位置不會隨著晶片電阻器R在治具40上的擺放位置而改變，如此一來，可在量測點精準測量出電壓和電流值，進而以阻值測定裝置G計算出該待測電阻裝置的電阻值，從而獲得令人滿意的GRR。

圖4B示意描繪了本發明另一實施例的電阻結構。晶片電阻器包含了電阻本體、第一電極結構和第二電極結構。電阻本體包含基板100、其上方的電阻層103、以及覆蓋電阻層103上方的保護層104。第一電極結構包含形成在電阻本體之第一端101處的電阻層103上並與之形成電性接觸的頂部電極11、以及形成於頂部電極11上的鍍層17。同樣地，第二電極結構包括了形成在電阻本體之第二端102處的電阻層103上並與之形成電性接觸的頂部電極12、以及同樣也形成於頂部電極12上的鍍層17。該基板例如為層合基板。該電阻層103的材料例如為金屬合金。該頂部電極11和12例如為銅端子。該鍍層17例如為銅鎳錫合金層。製成的晶片電阻器尺寸長約0.60mm，寬約0.31mm，而厚度約為 0.21mm。根據本發明，第一電極結構的頂部電極11上進一步包含導電凸起401和402，同樣地，第二電極結構的頂部電極12上也進一步包含導電凸起401和402。導電凸起401和402的材料可與頂部電極11和12相同。在一製程例中，頂部電極11和12會先形成於電阻層103上，然後導電凸起401和402才形成於頂部電極11和12上。接著，鍍層17再形成於頂部電極11和12以及導電凸起401和402上。

當晶片電阻器R被放在治具40上進行測量時，可能發生各種從圖5A所示之理想位置偏移的情形，分別例示於圖5B-5F。此模擬測試用以評估晶片電阻器R位置改變對電阻值測量結果的影響。表二列舉出了圖5B-5F所示各種情形下電阻值的測量結果。

從此模擬測試中可看出本發明的電阻值測量結果是可靠的。

圖4C描繪本發明另一實施例的電阻結構。此晶片電阻器包含了電阻本體10，而如同上述的圖4B，電阻本體10包含了基板100、電阻層103和保護層104。此外，第一電極結構包含頂部電極11、一對導電凸起401和402、底部電極13、端面電極15和鍍層17，第二電極結構包含頂部電極12、一對導電凸起401和402、底部電極14、端面電極16和鍍層17。底部電極結構13和14係設置在基板100的底面，而端面電極結構15和16則分別與頂部電極11和12及底部電極13和14電性接觸。在此電阻結構的實施例中，保護層104高出頂部電極11和12。為了達到與治具40上的V+、V-、I+和I-等接線墊更好的接觸效果，導電凸起401和402的頂面皆應延伸超過保護層。此外，導電凸起401和402的頂點應位於共面上。例如，導電凸起401和402的頂面皆為平坦表面，而所有平坦的頂面處於一共面。

上述的導電凸起401和402可以是任何適合的形狀。比方說，他們可以是如圖6A和6B所示的圓柱狀，也可以是角柱狀，或是其組合。為了得到滿意的GRR，每個或是至少一個導電凸起401和402的直徑W是介於10μm到40μm，而其厚度則介於10μm到50μm。另外，第一電極結構的頂部電極11和第二電極結構的頂部電極12上的兩導電凸起401的間隙D1介於450μm到570μm之間，而在同一電極結構的頂部電極11或12上的兩導電凸起401和402間的間隙D2在450μm到570μm之間。

需要注意的是，在上述實例中，為了執行四線式測量形成四個導電凸起。在其它方案中也可在第一和第二電極結構設置四個以上的導電凸起，或是每一個導電凸起可使用一組導電構件來完成，變化方式視實際需求而定，只要電壓和電流值能被精確測量以測定出電阻裝置的電阻值。

儘管已經根據目前被認為是最實用和優選的實施例描述了本發明，但是應該理解的是，本發明不必限於所公開的實施例。相反，其意圖是覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的各種修改和類似佈置，這些修改和類似佈置與最寬泛的解釋相互一致，從而涵蓋所有這樣的修改和類似結構。

1、2:電極結構

10:電阻本體

401、402:導電凸起

Claims (10)

1. 一種電阻器結構，包括：一電阻器本體；以及一第一電極結構與一第二電極結構，分別位於該電阻器本體上相對的第一端與第二端處，並與之電性接觸，該第一電極結構與該第二電極結構各具有至少一導電凸起，其中，該第一電極結構上的該至少一導電凸起與該第二電極結構上的該至少一導電凸起係電連接至一外部電壓量測裝置作為電壓量測點，或該第一電極結構的該至少一導電凸起與該第二電極結構的該至少一導電凸起係電連接至一外部電流量測裝置作為電流量測點。
2. 如請求項1所述的電阻器結構，其中該第一電極結構的該至少一導電凸起包括一第一導電凸起以及一第二導電凸起，該第一導電凸起電連接至該外部電壓量測裝置作為該電壓量測點之一，而該第二導電凸起電連接至該外部電流量測裝置作為該電流量測點之一，又該第二電極結構的該至少一導電凸起包括一第三導電凸起以及一第四導電凸起，該第三導電凸起電連接至該外部電壓量測裝置作為另一該電壓量測點，而該第四導電凸起電連接至該外部電流量測裝置作為另一該電流量測點。
3. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一、第二、第三、第四導電凸起的頂點共平面。
4. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一電極結構的該第一導電凸起與該第二電極結構的該第三導電凸起間的距離範圍在450到570微米之間，且 該第一電極結構的該第二導電凸起與該第二電極結構的該第四導電凸起間的距離範圍在450到570微米之間。
5. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一電極結構的該第一導電凸起與該第二導電凸起間的距離小於100微米，且該第二電極結構的該第三導電凸起與該第四導電凸起間的距離小於100微米。
6. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一、第二、第三、第四導電凸起中至少有一個凸點直徑範圍在10到40微米之間。
7. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一、第二、第三、第四導電凸起中至少有一個凸點厚度範圍在10到50微米之間。
8. 如請求項2所述的電阻器結構，其中該第一、第二、第三、第四導電凸起均具有平坦頂面。
9. 一種電阻結構，包括：一基板；一電阻層，設置在該基板上；一保護層，覆蓋該電阻層；以及一第一電極結構，設置於該電阻層的第一端上並與之電性接觸，以及一第二電極結構，設置於該電阻層的與該第一端相對的第二端上並與之電性接觸，而第第一電極結構和第二電極結構各具有至少一導電凸起，其中該第一電極結構的該至少一導電凸起和該第二電極結構的該至少一導電凸起皆具有一延伸至該保護層頂面上方的頂面。
10. 一種阻值測量系統，用以量測一電阻器裝置的阻值，該電阻器裝置包括：一包含一電阻層之電阻器本體、一與該電阻層的第一端電性接觸的第一電極結構、以及一與該電阻層的與該第一端相對的第二端電性接觸的第二電極 結構，其中該第一電極結構和該第二電極結構皆分別具有第一組導電凸起和第二組導電凸起，而該阻值測量系統包括：一量測治具，包括四個接線墊，分別用以與該第一電極結構及該第二電極結構的該第一組導電凸點與該第二組導電凸點電性接觸，其中每一個該接線墊的可接觸面積均大於每一與其電性接觸的相對應導電凸起的可接觸面積；一電源裝置，提供一電源；一電壓量測裝置，電連接至該電源裝置、以及該第一電極結構的該第一組導電凸起與該第二電極結構的該第一組導電凸起，並於該電源供電下測量該第一組導電凸起間的電壓值；一電流量測裝置，電連接至該第一電極結構的該第二組導電凸起與該第二電極結構的該第二組導電凸起，並於該電源供電下測量流經該第一電極結構與與該第二電極結構的該第二組導電凸起間的電流值；以及一阻值判讀裝置，電連接至該電壓量測裝置與該電流量測裝置，根據所測得的該電壓值與該電流值得到該電阻器裝置的阻值。