片式膜電阻器過電應(yīng)力失效模式及機(jī)理研究

引 言

近年來，屢有針對片式膜電阻器在使用過程中因過電應(yīng)力[1] 失效的案例，其中 80% 以上與用戶選型使用不當(dāng)有關(guān)。因此，有必要開展片式膜電阻器在不同環(huán)境條件下進(jìn)行過電應(yīng)力試驗(yàn)，研究其過電應(yīng)力（系指超過電阻器額定電壓（額定功率） 的電應(yīng)力）失效模式及失效機(jī)理，為指導(dǎo)用戶正確選用片式膜電阻器提供參考，提高片式膜電阻器的使用可靠性。

1 研究過程

1.1 試驗(yàn)步驟

(1 )抽取片式膜電阻器典型代表型號 RM3216型厚膜、薄膜各2個(gè)共 4個(gè)規(guī)格樣品，其中：片式厚膜—510Ω、3300Ω，阻值精度 ±1%，額定功率 0.25 W；片式薄膜—470 Ω、3 900 Ω，阻值精度±0.1%，額定功率 0.25 W。

(2) 樣品經(jīng)回流焊接在PCB板上后，用酒精清洗，50℃ 烘干 6小時(shí)，備用。

(3) 抽取樣品，在常溫（25℃ ±5℃）下按短時(shí)間過載試驗(yàn)方法[2]，分別施加 2倍、2.5 倍、3倍、3.5 倍、4倍、4.2倍、4.6倍、4.8倍額定電壓保持 5S。通過外觀檢查和數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應(yīng)力試驗(yàn)后阻值變化趨勢，估計(jì)片式膜電阻器臨界失效（阻值變化率超標(biāo)）電壓、極限失效 [3]（阻值開路或電阻體斷裂）電壓。

（4）抽取樣品，分別在低溫（－50℃、－ 70℃）、高溫（70℃、 100℃、150℃）及熱真空（70℃、6×10-3Pa）條件下，施加臨界失效電壓。通過數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應(yīng)力試驗(yàn)后阻值變化趨勢。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 常溫過電應(yīng)力試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)后外觀檢查 ：隨著試驗(yàn)電壓倍率逐漸增大，樣品外觀形貌隨之發(fā)生變化，當(dāng)樣品出現(xiàn)極限失效時(shí)，其形貌發(fā)生顯著變化，片式膜電阻器過電應(yīng)力試驗(yàn)極限失效樣品典型形貌在 30 倍顯微鏡下的變化如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過一定閾值后，樣品標(biāo)志顏色隨試驗(yàn)電壓倍率增加而逐漸變暗甚至發(fā)黑 ；玻璃包封層發(fā)生焦化、剝落甚至崩裂現(xiàn)象 ；過電應(yīng)力失效部位均位于樣品中部。

(2) 數(shù)據(jù)處理 ：通過對 4個(gè)規(guī)格樣品過電應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析處理，繪制樣品阻值隨試驗(yàn)電壓倍率變化的趨勢圖如圖 2所示。

由圖 2 可以看出，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過一定閾值后，試驗(yàn)電壓倍率越大，樣品阻值變化越大，導(dǎo)致阻值變化率超標(biāo)、阻值變大變小、阻值開路、電阻體斷裂等致使其失效。其中，片式薄膜電阻器還存在一個(gè)阻值顯著變小的過電應(yīng)力區(qū)段，相關(guān)機(jī)理將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行分析。

(3) 通過對不同倍率過電應(yīng)力試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行外觀檢查和數(shù)據(jù)處理，得出片式膜電阻器臨界失效和極限失效的閾值為 ：臨界失效電壓為 3.5 倍額定電壓，極限失效電壓為 5 倍額定電壓。

1.2.2 低溫、高溫條件下過電應(yīng)力試驗(yàn)

將樣品分別保持在－ 50℃、－ 70℃、70℃、100℃、150℃環(huán)境條件下 30分鐘后，對樣品施加臨界失效電壓（即 3.5 倍額定電壓）。通過數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應(yīng)力試驗(yàn)后阻值變化趨勢，繪制不同溫度條件下過電應(yīng)力試驗(yàn)后的典型樣品阻值變化趨勢圖如圖 3所示。

圖 3 不同溫度條件下過電應(yīng)力阻值變化趨勢

由圖 3 可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度不超過 70℃時(shí)，樣品經(jīng)臨界失效過電應(yīng)力試驗(yàn)后，阻值變化不明顯，符合規(guī)范要求； 當(dāng)環(huán)境溫度高于 70℃時(shí)，樣品經(jīng)臨界失效過電應(yīng)力試驗(yàn)后， 阻值出現(xiàn)大幅變化，阻值變化率超出規(guī)范要求，樣品失效。但是，片式厚膜電阻器阻值呈變大趨勢，而片式薄膜電阻器阻值呈變小趨勢，相關(guān)機(jī)理將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行分析。

圖 3 所述的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了GJB1432B-2009《片式膜固定電阻器通用規(guī)范》規(guī)定的片式膜固定電阻器額定溫度條件為 70℃的合理性。

1.2.3 熱真空條件下過電應(yīng)力試驗(yàn)

將樣品保持在 70℃、6×10-3Pa 熱真空條件下 30 分鐘后， 對樣品施加臨界失效電壓（即3.5 倍額定電壓）。通過數(shù)據(jù)處理， 分析片式膜電阻器過電應(yīng)力試驗(yàn)后阻值變化趨勢，以確定熱真空條件對片式膜電阻器耐電應(yīng)力能力的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，熱真空條件下，樣品經(jīng)臨界失效電壓過電應(yīng)力試驗(yàn)后，外觀形貌和阻值變化率與常溫條件下試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明熱真空條件對片式膜電阻器耐電應(yīng)力能力影響甚微。

2 機(jī)理分析

2.1 阻值變化的機(jī)理

片式膜電阻器阻值功能層內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖 4 所示。

圖 4 中沿導(dǎo)電鏈的單結(jié)電阻可以看成是由導(dǎo)電顆粒的電阻 Rm 和顆粒之間的勢壘電阻 Rb 構(gòu)成。當(dāng)片式膜電阻器受到過電應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部導(dǎo)電鏈中較薄的玻璃層（圖中 Rb）因局部受熱而擊穿，局部開路，使電流路徑變長，根據(jù)公式 R ＝ρL/S

可知，導(dǎo)致電阻器阻值變大。

圖 4 片式膜電阻器阻值功能層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

片式薄膜電阻器在臨界失效電壓點(diǎn)附近出現(xiàn)的阻值變小以及高溫條件下施加臨界失效電壓后阻值變小的機(jī)理在于： 片式薄膜固定電阻器的電阻功能材料為鎳鉻或鉻硅合金，正常情況下，鎳鉻或鉻硅合金呈無序非晶格狀態(tài)。當(dāng)片式膜電阻器受到過電應(yīng)力時(shí)，電阻器功能層發(fā)熱，局部溫度上升，鎳鉻或鉻硅合金材料由無序非晶格狀態(tài)向有序晶格狀態(tài)轉(zhuǎn)化，形成導(dǎo)電性能良好的晶相，導(dǎo)致電阻器阻值變小，環(huán)境溫度越高， 阻值變小幅度越大。其后，當(dāng)試驗(yàn)電壓倍率進(jìn)一步提高，內(nèi)部導(dǎo)電鏈中較薄的玻璃層（即圖 4 中 Rb）因局部受熱而擊穿， 局部開路，使電流路徑變長，根據(jù) R ＝ρL/S 可知，導(dǎo)致電阻器阻值變大。

2.2 失效部位大多集中在電阻體中部的機(jī)理

片式膜電阻器阻值調(diào)整示意圖如圖 5 所示。

圖 5 片式膜電阻器調(diào)阻前后電場分布示意圖

由圖 5 可知，片式膜電阻器激光調(diào)阻后，其電場分布發(fā)生畸變，電阻體中部的電流密度較其他部位大，當(dāng)片式膜電阻器受到過電應(yīng)力時(shí)，電阻體中部成為電阻體發(fā)熱中心，且電阻體中部散熱路徑較長，熱阻較大，導(dǎo)致電阻體中部熱量聚集， 溫度升高，成為最先失效部位。

結(jié) 語

通過對片式膜電阻器在不同環(huán)境條件下進(jìn)行過電應(yīng)力試驗(yàn)，研究其過電應(yīng)力失效模式及失效機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1) 隨著過電應(yīng)力倍率增大，片式膜電阻器依次出現(xiàn)阻值變化率超標(biāo)、阻值開路、電阻體斷裂等失效模式。

(2) 片式膜電阻器臨界失效和極限失效的電壓閾值分別為：臨界失效電壓為3.5倍額定電壓，極限失效電壓為5倍額定電壓。