片式膜电阻器过电应力失效模式及机理研究

引 言

近年来，屡有针对片式膜电阻器在使用过程中因过电应力[1] 失效的案例，其中 80% 以上与用户选型使用不当有关。因此，有必要开展片式膜电阻器在不同环境条件下进行过电应力试验，研究其过电应力（系指超过电阻器额定电压（额定功率） 的电应力）失效模式及失效机理，为指导用户正确选用片式膜电阻器提供参考，提高片式膜电阻器的使用可靠性。

1 研究过程

1.1 试验步骤

(1 )抽取片式膜电阻器典型代表型号 RM3216型厚膜、薄膜各2个共 4个规格样品，其中：片式厚膜—510Ω、3300Ω，阻值精度 ±1%，额定功率 0.25 W；片式薄膜—470 Ω、3 900 Ω，阻值精度±0.1%，额定功率 0.25 W。

(2) 样品经回流焊接在PCB板上后，用酒精清洗，50℃ 烘干 6小时，备用。

(3) 抽取样品，在常温（25℃ ±5℃）下按短时间过载试验方法[2]，分别施加 2倍、2.5 倍、3倍、3.5 倍、4倍、4.2倍、4.6倍、4.8倍额定电压保持 5S。通过外观检查和数据处理，分析片式膜电阻器过电应力试验后阻值变化趋势，估计片式膜电阻器临界失效（阻值变化率超标）电压、极限失效 [3]（阻值开路或电阻体断裂）电压。

（4）抽取样品，分别在低温（－50℃、－ 70℃）、高温（70℃、 100℃、150℃）及热真空（70℃、6×10-3Pa）条件下，施加临界失效电压。通过数据处理，分析片式膜电阻器过电应力试验后阻值变化趋势。

1.2 试验结果

1.2.1 常温过电应力试验

(1) 试验后外观检查 ：随着试验电压倍率逐渐增大，样品外观形貌随之发生变化，当样品出现极限失效时，其形貌发生显著变化，片式膜电阻器过电应力试验极限失效样品典型形貌在 30 倍显微镜下的变化如图 1 所示。

由图 1 可以看出，当试验电压超过一定阈值后，样品标志颜色随试验电压倍率增加而逐渐变暗甚至发黑 ；玻璃包封层发生焦化、剥落甚至崩裂现象 ；过电应力失效部位均位于样品中部。

(2) 数据处理 ：通过对 4个规格样品过电应力试验数据进行计算、分析处理，绘制样品阻值随试验电压倍率变化的趋势图如图 2所示。

由图 2 可以看出，当试验电压超过一定阈值后，试验电压倍率越大，样品阻值变化越大，导致阻值变化率超标、阻值变大变小、阻值开路、电阻体断裂等致使其失效。其中，片式薄膜电阻器还存在一个阻值显著变小的过电应力区段，相关机理将在后续章节进行分析。

(3) 通过对不同倍率过电应力试验后的样品进行外观检查和数据处理，得出片式膜电阻器临界失效和极限失效的阈值为 ：临界失效电压为 3.5 倍额定电压，极限失效电压为 5 倍额定电压。

1.2.2 低温、高温条件下过电应力试验

将样品分别保持在－ 50℃、－ 70℃、70℃、100℃、150℃环境条件下 30分钟后，对样品施加临界失效电压（即 3.5 倍额定电压）。通过数据处理，分析片式膜电阻器过电应力试验后阻值变化趋势，绘制不同温度条件下过电应力试验后的典型样品阻值变化趋势图如图 3所示。

图 3 不同温度条件下过电应力阻值变化趋势

由图 3 可以看出，当环境温度不超过 70℃时，样品经临界失效过电应力试验后，阻值变化不明显，符合规范要求； 当环境温度高于 70℃时，样品经临界失效过电应力试验后， 阻值出现大幅变化，阻值变化率超出规范要求，样品失效。但是，片式厚膜电阻器阻值呈变大趋势，而片式薄膜电阻器阻值呈变小趋势，相关机理将在后续章节进行分析。

图 3 所述的试验结果也验证了GJB1432B-2009《片式膜固定电阻器通用规范》规定的片式膜固定电阻器额定温度条件为 70℃的合理性。

1.2.3 热真空条件下过电应力试验

将样品保持在 70℃、6×10-3Pa 热真空条件下 30 分钟后， 对样品施加临界失效电压（即3.5 倍额定电压）。通过数据处理， 分析片式膜电阻器过电应力试验后阻值变化趋势，以确定热真空条件对片式膜电阻器耐电应力能力的影响。

试验结果表明，热真空条件下，样品经临界失效电压过电应力试验后，外观形貌和阻值变化率与常温条件下试验结果基本一致，说明热真空条件对片式膜电阻器耐电应力能力影响甚微。

2 机理分析

2.1 阻值变化的机理

片式膜电阻器阻值功能层内部结构示意如图 4 所示。

图 4 中沿导电链的单结电阻可以看成是由导电颗粒的电阻 Rm 和颗粒之间的势垒电阻 Rb 构成。当片式膜电阻器受到过电应力时，内部导电链中较薄的玻璃层（图中 Rb）因局部受热而击穿，局部开路，使电流路径变长，根据公式 R ＝ρL/S

可知，导致电阻器阻值变大。

图 4 片式膜电阻器阻值功能层的内部结构示意图

片式薄膜电阻器在临界失效电压点附近出现的阻值变小以及高温条件下施加临界失效电压后阻值变小的机理在于： 片式薄膜固定电阻器的电阻功能材料为镍铬或铬硅合金，正常情况下，镍铬或铬硅合金呈无序非晶格状态。当片式膜电阻器受到过电应力时，电阻器功能层发热，局部温度上升，镍铬或铬硅合金材料由无序非晶格状态向有序晶格状态转化，形成导电性能良好的晶相，导致电阻器阻值变小，环境温度越高， 阻值变小幅度越大。其后，当试验电压倍率进一步提高，内部导电链中较薄的玻璃层（即图 4 中 Rb）因局部受热而击穿， 局部开路，使电流路径变长，根据 R ＝ρL/S 可知，导致电阻器阻值变大。

2.2 失效部位大多集中在电阻体中部的机理

片式膜电阻器阻值调整示意图如图 5 所示。

图 5 片式膜电阻器调阻前后电场分布示意图

由图 5 可知，片式膜电阻器激光调阻后，其电场分布发生畸变，电阻体中部的电流密度较其他部位大，当片式膜电阻器受到过电应力时，电阻体中部成为电阻体发热中心，且电阻体中部散热路径较长，热阻较大，导致电阻体中部热量聚集， 温度升高，成为最先失效部位。

结 语

通过对片式膜电阻器在不同环境条件下进行过电应力试验，研究其过电应力失效模式及失效机理，得出如下结论：

(1) 随着过电应力倍率增大，片式膜电阻器依次出现阻值变化率超标、阻值开路、电阻体断裂等失效模式。

(2) 片式膜电阻器临界失效和极限失效的电压阈值分别为：临界失效电压为3.5倍额定电压，极限失效电压为5倍额定电压。