提高用于高溫環(huán)境和電負(fù)載的薄膜電阻的性能

Reiner Kuehl

摘要：可提高焊點(diǎn)在高工作溫度下可靠性的無鉛合金非常適用于汽車電子或特殊應(yīng)用。薄膜電阻的端接和結(jié)構(gòu)采用了一些最新的增強(qiáng)技術(shù)，使設(shè)計(jì)者能夠使用這些大批量市場(chǎng)的器件，加上最新的焊錫配方，用更低的成本組裝出在惡劣環(huán)境下工作的設(shè)備。

關(guān)鍵詞：高溫環(huán)境；電負(fù)載；薄膜電阻；Vishay

隨著無鉛技術(shù)的成熟，目前已經(jīng)出現(xiàn)了可以用在高達(dá)140～150℃焊點(diǎn)溫度下的高溫焊錫合金。而且不會(huì)損失可靠性。一個(gè)例子是囊括了材料供應(yīng)商、器件供應(yīng)商和汽車系統(tǒng)開發(fā)商的Innolot項(xiàng)目、該項(xiàng)目成功開發(fā)出了包含SAC合金和用于重載電子設(shè)備組裝的無鹵素焊劑的焊錫膏。

隨著為高工作溫度優(yōu)化的焊接材料在市場(chǎng)上出現(xiàn)，工程師能夠更自由地在更高環(huán)境條件中使用無鉛電子產(chǎn)品。這些條件包括汽車內(nèi)的引擎?zhèn)}(UTH)、傳動(dòng)或剎車系統(tǒng)，以及鉆井、采礦設(shè)備或工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置等其他應(yīng)用。

然而、還有一些因素會(huì)在熱循環(huán)過程中影響焊點(diǎn)的可靠性。這些因素不僅包括焊錫合金的特性，也包括器件端接的設(shè)計(jì)和電鍍質(zhì)量。事實(shí)上，在無鉛焊接中，這些與器件有關(guān)的因素比在SnPb組裝中更加重要。

錫須生長和焊點(diǎn)的破裂是無鉛組裝中引發(fā)故障的主要原因。業(yè)界開發(fā)出了一種被稱為“安全端接”的工藝，這種工藝能夠嚴(yán)格控制鍍的厚度和涂層，還使用了鎳襯層來減輕這些效應(yīng)。例如，鎳襯層能夠阻斷金屬從焊點(diǎn)中浸出，從而保持最佳的金屬化合結(jié)構(gòu)。在安全端接中使用低擴(kuò)散的鎳合金提高了這種阻斷層的整體性。此外，密切控制鍍錫工藝，包括電流密度以及電解液的成分和純度，就能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的鍍錫厚度，從而減少錫須的生長。

在接觸面設(shè)計(jì)上進(jìn)行更多的改進(jìn)能夠進(jìn)一步提高焊點(diǎn)的可靠性。端蓋附屬裝置的優(yōu)化方法，使用了規(guī)定的空氣緩沖器對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力釋放。這種方法能夠有效地解決由于CTE失配產(chǎn)生的應(yīng)力，而CTE失配會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的破裂。在端蓋設(shè)計(jì)上作進(jìn)一步的改進(jìn)能夠?qū)⒑更c(diǎn)上的應(yīng)力減至最小，端蓋與PCB焊盤間的界面在設(shè)計(jì)時(shí)留出了一定空隙，可以讓焊錫在熱循環(huán)時(shí)發(fā)生蠕變。

用這種方法對(duì)端接進(jìn)行優(yōu)化能夠有效地改進(jìn)無鉛焊點(diǎn)的可靠性，前提條件是能夠?qū)﹄婂兲匦赃M(jìn)行足夠的控制。這只是能讓設(shè)計(jì)者采用最新的高溫焊接合金制造出用于更苛刻環(huán)境的系統(tǒng)的因素之一。但是也必須考慮器件本身的熱性能，尤其是涉及到薄膜電阻等大批量市場(chǎng)的器件時(shí)。與繞線電阻或功率密度更低的大尺寸厚膜電阻等相對(duì)較貴的專用器件相比，使用這類器件能夠節(jié)省空間和成本。

必須克服的一個(gè)關(guān)鍵難題與此類器件必須承受的最高中心溫度有關(guān)。對(duì)于最通用的電阻，制造商一般把125℃作為最高溫度，或者最多是155℃。假設(shè)采用0102或0805這樣常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的小尺寸，在有負(fù)載的情況下，電阻內(nèi)散發(fā)的功率足以使已經(jīng)工作在接近150℃的最高焊點(diǎn)溫度下的器件變得過熱。

因此需要對(duì)薄膜電阻進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，才能使其能夠承受更高的膜溫。研究的核心問題是提高薄膜材料的特性，以及制造薄膜貼片電阻時(shí)所采用的電絕緣系統(tǒng)。

改進(jìn)電阻膜

通用薄膜電阻的主要成分是使用鎳鉻技術(shù)的鎳鉻合金器件。VishayDraloric／Beyschlag所做的最新研究已經(jīng)找出改進(jìn)這種基礎(chǔ)化合物的方法，使器件在相同的溫度和濕度范圍內(nèi)具有更高的可靠性。這種方法是向鎳鉻基體中添加了第三種成分，優(yōu)化了基體并使電阻參數(shù)均勻分布。

這種新一代的薄膜使制造商能夠生產(chǎn)出可以承受175℃表面溫度的薄膜電阻，并且在達(dá)到或高于增強(qiáng)型無鉛焊錫合金的最高允許工作溫度155℃時(shí)也很穩(wěn)定。這種新混合物還進(jìn)行了工程處理，具有更高的活化能量，可提高穩(wěn)定性(系數(shù)為10)和可靠性。

高溫噴漆系統(tǒng)

Vishay還開發(fā)了一個(gè)高溫噴漆系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠在高達(dá)175℃的溫度下持續(xù)使用，并在器件的壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)密封和防潮。這種專門開發(fā)的系統(tǒng)充滿了環(huán)氧丙烯酸酯，已經(jīng)發(fā)布并通過了在175℃級(jí)別上限溫度下進(jìn)行的1000小時(shí)存儲(chǔ)的系列試驗(yàn)，通過了HAST 121規(guī)定的潮濕度等級(jí)(高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗(yàn))試驗(yàn)。

通過采用優(yōu)化的端接和新的薄膜技術(shù)及封裝材料，使新一代的薄膜電阻實(shí)現(xiàn)了在以往同等外形尺寸的大批量市場(chǎng)電阻上不曾見過的穩(wěn)定性、可靠性和高負(fù)載。比較最新高溫(HT)MMU0102薄膜電阻(相當(dāng)于0805的外形尺寸)與傳統(tǒng)的MICRO MELF薄膜同等產(chǎn)品，以及相應(yīng)的采用0805和0603封裝的商用電阻的性能，與厚膜技術(shù)相比，HT增強(qiáng)型電阻具有明顯高出一籌的帶負(fù)載能力，在基礎(chǔ)功率密度上要優(yōu)于薄膜技術(shù)。

結(jié)論

在無鉛焊錫合金上取得的最新進(jìn)展使設(shè)計(jì)者在裝配汽車或工業(yè)系統(tǒng)時(shí)信心倍增，這些應(yīng)用的目標(biāo)環(huán)境會(huì)碰到持續(xù)高溫、寬范圍的溫度循環(huán)，以及需要高可靠性。使用這些焊錫，工作溫度可持續(xù)保持在155℃的高溫下，而不會(huì)犧牲焊點(diǎn)的可靠性。但是，對(duì)于傳統(tǒng)的薄膜電阻來說，這種溫度已經(jīng)接近了最高的推薦溫度。即便是相對(duì)較小的負(fù)載電流，歐姆加熱也會(huì)使器件的溫度超過最高推薦溫度，使穩(wěn)定性和可靠性大打折扣。

新型薄膜電阻技術(shù)使用了優(yōu)化的器件端接和高溫材料，在比目前采用無鉛技術(shù)的表面貼裝器件所能達(dá)到的恒定或更高級(jí)別負(fù)載下，新電阻能保證在高溫應(yīng)用中的性能，同時(shí)還要達(dá)到更高的穩(wěn)定性和更小的尺寸。采用MINI-MELF尺寸(0.5W，相當(dāng)于1206尺寸)和矩形芯片尺寸(車用系列，額定溫度為175℃)的類似高溫電阻器件也已經(jīng)出現(xiàn)了。