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电子片式电阻失效分析及改进措施

引言

片式电阻器又称为片式电阻,也叫表面贴装电阻,是现代电子设备的重要组成部分。它与其它片式元器(SMC及SMD)一样,是适用于表面贴装技术(SMT)的新一代无引线或短引线微型电子元件。其引出端的焊接面在同一平面上。片式电阻在电路内的主要作用是降低电压,分担一部分电压即分压,限流保护电路,分流等,也可以用做时间电路元件和传感器等。

片式电阻由基板、电阻膜、保护膜、电极四大部分组成。

基板:基板材料一般使用96%的Al2O3(三氧化二铝)陶瓷。基本应具体有良好的电绝缘性,在高温下具有良好的导热性、电性能和一定强度的机械性能。

电阻膜:电阻膜是用具有一定电阻率的电阻浆料印刷在陶瓷基本上的,在经过烧结而形成厚膜电阻。电阻浆料一般用RuO2(二氧化钉)。近年来开始使用贱金属系的电阻浆料,比如氧化系(TaN-Ta)、碳化系(WC-W)和Cu系材料,目的是降低成本。

保护膜:将保护膜覆盖在电阻膜上,保护膜的主要作用是保护电阻。它一方面起机械保护作用,另一方面使电阻体表面具有绝缘性,避免电阻与邻近导体接触而产生故障。保护膜一般是低熔点的玻璃浆料,进过印刷烧结而成。

电极:电极是为了保证电阻器具有良好的可焊性和可靠性,一般采用三层电极结构:内层电极、中间电极、外层电极。内层电极作用:连接电阻体的内部电极。中间电极是镀镍层,其阻挡作用,提高电阻散热,缓冲焊接的热冲击。外层电极是锡铅层,主要作用是使电极具有可焊性。

2 片式电阻失效模式

片式电阻的主要失效模式与失效机理为:

1) 开路:主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落,基体受力发生断裂,引线帽与电阻体发生脱落。

2) 阻值漂移超规范:电阻膜有缺陷或退化,基体有可移动钠离子,保护涂层不良。

3) 端口断裂:电阻体焊接时发生工艺缺陷,焊点受到杂质的污染,端口受到机械应力的损伤。

4) 短路:发生银离子的迁移以及电晕放电。

其中开路和阻值变大是片式电阻的主要失效模式。

3 失效原因

电阻失效原因可以归结为焊接、温度、潮湿、有机物、浪涌静电、开裂等六种。

1) 焊接

面电极在焊料边缘出现不连续或空洞的原因是在焊接过程中,靠近端电极的面电极中的Ag 在焊接过程中大量损耗掉,“熔化”在焊料之中,形成边缘面电极局部区域的Ag层空洞。在长时间的使用过程中,由于Ag 迁移或者被腐蚀,空洞的扩大导致银层开路。

2) 温度

任何情况,电负荷均会加速电阻器老化进程,并且电负荷对加速电阻器老化的作用比升高温度的加速老化后果更显著,原因是电阻体与引线帽的接触部分的温升超过了电阻体的平均温升。通常温度每升高10℃,寿命缩短一半。如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃,则电阻器的寿命仅为正常情况下寿命的1/32。可通过不到四个月的加速寿命试验,即可考核电阻器在10年期间的工作稳定性。

3) 潮湿

在直流负荷作用下,电解作用会导致电阻器老化。电解发生在刻槽电阻器槽内,当存在湿气时,会发生激烈的电解。如果电阻膜是碳膜或金属膜,则主要是电解氧化;如果电阻膜是金属氧化膜,则主要是电解还原。对于高阻薄膜电阻器,电解作用的后果可使阻值增大,沿槽螺旋的一侧可能出现薄膜破坏现象。在潮热环境下进行直流负荷试验,可全面考核电阻器基体材料与膜层的抗氧化或抗还原性能,以及保护层的防潮性能。

4) 有机物

有机保护层形成过程中,放出缩聚作用的挥发物或溶剂的蒸气。热处理过程使部分挥发物扩散到电阻体中,引起阻值上升。此过程可持续1~2年。例如银电极硫化腐蚀导致开路。

5) 浪涌静电

浪涌和静电会使通过电阻的电流过大。由于表贴电阻的体积比较小,电阻膜又只是涂敷在瓷体的一个侧面,因此,其散热面积非常小。尤其在电阻膜的中心部位,由于与传热较快的端电极距离较远,一旦受到大电流的冲击,瞬时产生大量的热不能及时散出,很容易造成电阻膜在中心部位烧毁,出现熔坑。

6) 开裂

导致瓷体开裂的原因是多方面的,电阻瓷体材料本身会有一些很微小的裂纹。电阻安装时端头局部受热,因热应力会产生微裂纹,或使原本存在的微裂纹进一步扩展;对于手工焊装,更易出现端电极局部过热情况。在印制板半成品分板过程中受到机械应力,导致电阻瓷体产生裂纹。

在失效初期,由于裂纹非常微细,或是并未完全断开,经过一段时间工作后,由于裂纹逐渐增大或有机物从裂纹进入电阻内部,故障表现为电阻阻值变大或开路。

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图6 电阻开路

4 解决措施

针对上述电阻的失效模式及失效原因,提高使用贴片电阻的可靠性,可采取以下几种措施。

1) 三防

采用粘附力强、使用温度范围宽、表面电阻高 的三防漆,如南京杜特润CHEMITECH 260。提高电阻的防潮湿功能,也可防止有机物污染。重点在于选择合适的三防漆及涂覆方式、涂覆厚度保障。

2) 抗浪涌、静电设计

静电和浪涌会导致电阻电性能损坏,因此在设计中需要采取保护措施。PCB采用四层板设计,形成完整的地平面,增强泄防路径,同时端口采用TVS或ESD器件,提高抗浪涌和静电能力,关键器件的电源等引脚增加1000P小电容到地。

3) PCB拼版设计

PCB设计需满足IPC标准对电阻器件距离边缘要求,对器件密集型产品的PCB板,考虑拼版时镂空处理,减少在分板时PCB上电阻器件承受的机械应力。

4) 焊接

严格按标准控制电阻在SMT过程中的焊接时间及焊接温度,尽量减少手工焊接贴片电阻。确保焊接过程中不对电阻造成隐形损伤。

5) 灌封

灌封的作用是防尘、防盐雾、防霉变、防振动等功能,灌封的主要材料是双组份硅胶或环氧树脂。其中双组份硅胶产生的硫化物容易引起电阻硫化。需考虑设计中使用抗硫化电阻,或将灌封层与印制板器件面隔离开。

5 结束语

本文对片式电阻的结构、失效模式、失效原因进行了分析,同时提出了改进措施,提高了片式电阻使用的可靠性。


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