電阻器常見的失效模式與失效機理


電阻器常見的失效模式與失效機理

2021-02-20 硬體十萬個爲什麼

失效模式:各種失效的現象及其表現的形式。

失效機理:是導致失效的物理、化學、熱力學或其他過程。

1、電阻器的主要失效模式與失效機理爲

1) 開路:主要失效機理爲電阻膜燒毀或大面積脫落,基體斷裂,引線帽與電阻體脫落。

2) 阻值漂移超規範:電阻膜有缺陷或退化,基體有可動鈉離子,保護塗層不良。

3) 引線斷裂:電阻體焊接工藝缺陷,焊點汙染,引線機械應力損傷。

4) 短路:銀的遷移,電暈放電。

2、失效模式占失效總比例表

(1)、線繞電阻

失效模式

占失效總比例

開路

90%

阻值漂移

2%

引線斷裂

7%

其它

1%

(2)、非線繞電阻

失效模式

占失效總比例

開路

49%

阻值漂移

22%

引線斷裂

17%

其它

7%

3、失效機理分析

電阻器失效機理是多方面的,工作條件或環境條件下所發生的各種理化過程是引起電阻器老化的原因。

(1)、導電材料的結構變化

薄膜電阻器的導電膜層一般用汽相澱積方法獲得,在一定程度上存在無定型結構。按熱力學觀點,無定型結構均有結晶化趨勢。在工作條件或環境條件下,導電膜層中的無定型結構均以一定的速度趨向結晶化,也即導電材料內部結構趨於緻密化,能常會引起電阻值的下降。結晶化速度隨溫度升高而加快。

電阻線或電阻膜在製備過程中都會承受機械應力,使其內部結構發生畸變,線徑愈小或膜層愈薄,應力影響愈顯著。一般可採用熱處理方法消除內應力,殘餘內應力則可能在長時間使用過程中逐步消除,電阻器的阻值則可能因此發生變化。

結晶化過程和內應力清除過程均隨時間推移而減緩,但不可能在電阻器使用期間終止。可以認爲在電阻器工作期內這兩個過程以近似恆定的速度進行。與它們有關的阻值變化約占原阻值的千分之幾。

電負荷高溫老化:任何情況,電負荷均會加速電阻器老化進程,並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後果更顯著,原因是電阻體與引線帽接觸部分的溫升超過了電阻體的平均溫升。通常溫度每升高10℃,壽命縮短一半。如果過負荷使電阻器溫升超過額定負荷時溫升50℃,則電阻器的壽命僅爲正常情況下壽命的1/32。可通過不到四個月的加速壽命試驗,即可考核電阻器在10年期間的工作穩定性。

直流負荷—電解作用:直流負荷作用下,電解作用導致電阻器老化。電解發生在刻槽電阻器槽內,電阻基體所含的鹼金屬離子在槽間電場中位移,產生離子電流。溼氣存在時,電解過程更爲劇烈。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。對於高阻薄膜電阻器,電解作用的後果可使阻值增大,沿槽螺旋的一側可能出現薄膜破壞現象。在潮熱環境下進行直流負荷試驗,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。

(2)、硫化

有一批現場儀表在某化工廠使用一年後,儀表紛紛出現故障。經分析發現儀表中使用的厚膜貼片電阻阻值變大了,甚至變成開路了。把失效的電阻放到顯微鏡下觀察,可以發現電阻電極邊緣出現了黑色結晶物質,進一步分析成分發現,黑色物質是硫化銀晶體。原來電阻被來自空氣中的硫給腐蝕了。

(3)氣體吸附與解吸

膜式電阻器的電阻膜在晶粒邊界上,或導電顆粒和黏結劑部分,總可能吸附非常少量的氣體,它們構成了晶粒之間的中間層,阻礙了導電顆粒之間的接觸,從而明顯影響阻值。

合成膜電阻器是在常壓下製成,在真空或低氣壓工作時,將解吸部分附氣體,改善了導電顆粒之間的接觸,使阻值下降。同樣,在真空中製成的熱分解碳膜電阻器直接在正常環境條件下工作時,將因氣壓升高而吸附部分氣體,使阻值增大。如果將未刻的半成品預置在常壓下適當時間,則會提高電阻器成品的阻值穩定性。

溫度和氣壓是影響氣體吸附與解吸的主要環境因素。對於物理吸附,降溫可增加平衡吸附量,升溫則反之。由於氣體吸附與解吸發生在電阻體的表面。所以對膜式電阻器的影響較爲顯著。阻值變化可達1%~2%。

4)氧化

氧化是長期起作用的因素(與吸附不同),氧化過程是由電阻體表面開始,逐步向內部深入。除了貴金屬與合金薄膜電阻外,其他材料的電阻體均會受到空氣中氧的影響。氧化的結果是阻值增大。電阻膜層愈薄,氧化影響就更明顯。

防止氧化的根本措施是密封(金屬、陶瓷、玻璃等無機材料)。採用有機材料(塑料、樹脂等)塗覆或灌封,不能完全防止保護層透溼或透氣,雖能起到延緩氧化或吸附氣體的作用,但也會帶來與有機保護層有關的些新的老化因素。

(4)、有機保護層的影響

有機保護層形成過程中,放出縮聚作用的揮發物或溶劑蒸氣。熱處理過程使部分揮發物擴散到電阻體中,引起阻值上升。此過程雖可持續1~2年,但顯著影響阻值的時間約爲2~8個月,爲了保證成品的阻值穩定性,把產品在庫房中擱置一段時間再出廠是比較適宜的。

(5)機械損傷

電阻的可靠很大程度上取決於電阻器的機械性能。電阻體、引線帽和引出線等均應具有足夠的機械強度,基體缺陷、引線帽損壞或引線斷裂均可導致電阻器失效。

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