引言
片式電阻器又稱(chēng)為片式電阻,也叫表面貼裝電阻,是現代電子設備的重要組成部分。它與其它片式元器(SMC及SMD)一樣,是適用于表面貼裝技術(shù)(SMT)的新一代無(wú)引線(xiàn)或短引線(xiàn)微型電子元件。其引出端的焊接面在同一平面上。片式電阻在電路內的主要作用是降低電壓,分擔一部分電壓即分壓,限流保護電路,分流等,也可以用做時(shí)間電路元件和傳感器等。
片式電阻由基板、電阻膜、保護膜、電極四大部分組成。
基板:基板材料一般使用96%的Al2O3(三氧化二鋁)陶瓷?;緫唧w有良好的電絕緣性,在高溫下具有良好的導熱性、電性能和一定強度的機械性能。
電阻膜:電阻膜是用具有一定電阻率的電阻漿料印刷在陶瓷基本上的,在經(jīng)過(guò)燒結而形成厚膜電阻。電阻漿料一般用RuO2(二氧化釘)。近年來(lái)開(kāi)始使用賤金屬系的電阻漿料,比如氧化系(TaN-Ta)、碳化系(WC-W)和Cu系材料,目的是降低成本。
保護膜:將保護膜覆蓋在電阻膜上,保護膜的主要作用是保護電阻。它一方面起機械保護作用,另一方面使電阻體表面具有絕緣性,避免電阻與鄰近導體接觸而產(chǎn)生故障。保護膜一般是低熔點(diǎn)的玻璃漿料,進(jìn)過(guò)印刷燒結而成。
電極:電極是為了保證電阻器具有良好的可焊性和可靠性,一般采用三層電極結構:內層電極、中間電極、外層電極。內層電極作用:連接電阻體的內部電極。中間電極是鍍鎳層,其阻擋作用,提高電阻散熱,緩沖焊接的熱沖擊。外層電極是錫鉛層,主要作用是使電極具有可焊性。
2 片式電阻失效模式
片式電阻的主要失效模式與失效機理為:
1) 開(kāi)路:主要失效機理為電阻膜燒毀或大面積脫落,基體受力發(fā)生斷裂,引線(xiàn)帽與電阻體發(fā)生脫落。
2) 阻值漂移超規范:電阻膜有缺陷或退化,基體有可移動(dòng)鈉離子,保護涂層不良。
3) 端口斷裂:電阻體焊接時(shí)發(fā)生工藝缺陷,焊點(diǎn)受到雜質(zhì)的污染,端口受到機械應力的損傷。
4) 短路:發(fā)生銀離子的遷移以及電暈放電。
其中開(kāi)路和阻值變大是片式電阻的主要失效模式。
3 失效原因
電阻失效原因可以歸結為焊接、溫度、潮濕、有機物、浪涌靜電、開(kāi)裂等六種。
1) 焊接
面電極在焊料邊緣出現不連續或空洞的原因是在焊接過(guò)程中,靠近端電極的面電極中的Ag 在焊接過(guò)程中大量損耗掉,“熔化”在焊料之中,形成邊緣面電極局部區域的Ag層空洞。在長(cháng)時(shí)間的使用過(guò)程中,由于A(yíng)g 遷移或者被腐蝕,空洞的擴大導致銀層開(kāi)路。
2) 溫度
任何情況,電負荷均會(huì )加速電阻器老化進(jìn)程,并且電負荷對加速電阻器老化的作用比升高溫度的加速老化后果更顯著(zhù),原因是電阻體與引線(xiàn)帽的接觸部分的溫升超過(guò)了電阻體的平均溫升。通常溫度每升高10℃,壽命縮短一半。如果過(guò)負荷使電阻器溫升超過(guò)額定負荷時(shí)溫升50℃,則電阻器的壽命僅為正常情況下壽命的1/32??赏ㄟ^(guò)不到四個(gè)月的加速壽命試驗,即可考核電阻器在10年期間的工作穩定性。
3) 潮濕
在直流負荷作用下,電解作用會(huì )導致電阻器老化。電解發(fā)生在刻槽電阻器槽內,當存在濕氣時(shí),會(huì )發(fā)生激烈的電解。如果電阻膜是碳膜或金屬膜,則主要是電解氧化;如果電阻膜是金屬氧化膜,則主要是電解還原。對于高阻薄膜電阻器,電解作用的后果可使阻值增大,沿槽螺旋的一側可能出現薄膜破壞現象。在潮熱環(huán)境下進(jìn)行直流負荷試驗,可全面考核電阻器基體材料與膜層的抗氧化或抗還原性能,以及保護層的防潮性能。
4) 有機物
有機保護層形成過(guò)程中,放出縮聚作用的揮發(fā)物或溶劑的蒸氣。熱處理過(guò)程使部分揮發(fā)物擴散到電阻體中,引起阻值上升。此過(guò)程可持續1~2年。例如銀電極硫化腐蝕導致開(kāi)路。
5) 浪涌靜電
浪涌和靜電會(huì )使通過(guò)電阻的電流過(guò)大。由于表貼電阻的體積比較小,電阻膜又只是涂敷在瓷體的一個(gè)側面,因此,其散熱面積非常小。尤其在電阻膜的中心部位,由于與傳熱較快的端電極距離較遠,一旦受到大電流的沖擊,瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱不能及時(shí)散出,很容易造成電阻膜在中心部位燒毀,出現熔坑。
6) 開(kāi)裂
導致瓷體開(kāi)裂的原因是多方面的,電阻瓷體材料本身會(huì )有一些很微小的裂紋。電阻安裝時(shí)端頭局部受熱,因熱應力會(huì )產(chǎn)生微裂紋,或使原本存在的微裂紋進(jìn)一步擴展;對于手工焊裝,更易出現端電極局部過(guò)熱情況。在印制板半成品分板過(guò)程中受到機械應力,導致電阻瓷體產(chǎn)生裂紋。
在失效初期,由于裂紋非常微細,或是并未完全斷開(kāi),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作后,由于裂紋逐漸增大或有機物從裂紋進(jìn)入電阻內部,故障表現為電阻阻值變大或開(kāi)路。
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圖6 電阻開(kāi)路
4 解決措施
針對上述電阻的失效模式及失效原因,提高使用貼片電阻的可靠性,可采取以下幾種措施。
1) 三防
采用粘附力強、使用溫度范圍寬、表面電阻高 的三防漆,如南京杜特潤CHEMITECH 260。提高電阻的防潮濕功能,也可防止有機物污染。重點(diǎn)在于選擇合適的三防漆及涂覆方式、涂覆厚度保障。
2) 抗浪涌、靜電設計
靜電和浪涌會(huì )導致電阻電性能損壞,因此在設計中需要采取保護措施。PCB采用四層板設計,形成完整的地平面,增強泄防路徑,同時(shí)端口采用TVS或ESD器件,提高抗浪涌和靜電能力,關(guān)鍵器件的電源等引腳增加1000P小電容到地。
3) PCB拼版設計
PCB設計需滿(mǎn)足IPC標準對電阻器件距離邊緣要求,對器件密集型產(chǎn)品的PCB板,考慮拼版時(shí)鏤空處理,減少在分板時(shí)PCB上電阻器件承受的機械應力。
4) 焊接
嚴格按標準控制電阻在SMT過(guò)程中的焊接時(shí)間及焊接溫度,盡量減少手工焊接貼片電阻。確保焊接過(guò)程中不對電阻造成隱形損傷。
5) 灌封
灌封的作用是防塵、防鹽霧、防霉變、防振動(dòng)等功能,灌封的主要材料是雙組份硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂。其中雙組份硅膠產(chǎn)生的硫化物容易引起電阻硫化。需考慮設計中使用抗硫化電阻,或將灌封層與印制板器件面隔離開(kāi)。
5 結束語(yǔ)
本文對片式電阻的結構、失效模式、失效原因進(jìn)行了分析,同時(shí)提出了改進(jìn)措施,提高了片式電阻使用的可靠性。