淺談線繞保險電阻失效模式分析

安徽省昌盛電子有限公司 陳 林 姚志國 劉 同

淺談線繞保險電阻失效模式分析

安徽省昌盛電子有限公司 陳 林 姚志國 劉 同

本文闡述了在線路中作為保險電阻使用的線繞電阻的失效模式分析。

線繞電阻；保險電阻；失效模式分析；短路；浪涌；熔斷

線繞保險電阻器，大量使用在日常生活中常見的光源、開關(guān)電源模塊內(nèi)，顧名思義，此類應(yīng)用在線路初級用作保護(hù)性功能的線繞電阻被直接稱為保險電阻，是一個保護(hù)元件。作用為在過流，過壓時直接熔斷保護(hù)線路及其他元件，而在遇見較大的開機浪涌，雷擊浪涌等脈沖的情況下，又能較好的吸收，達(dá)到保護(hù)線路和后端元件的效果。

圖1 該線路F1選用即為保險絲電阻

既然作為保護(hù)元件，在應(yīng)用線路中或使用環(huán)境中出現(xiàn)異常時，該元件的使命即為首先失效保護(hù)線路。而引起保險電阻失效的異常變化萬千，如何讓失效的電阻說話，告訴我們隱藏的線路異?；颦h(huán)境異常及電阻自身質(zhì)量異常，就成為我們以下需要探索的內(nèi)容。

要分析失效，需要先了解線繞保險電阻的結(jié)構(gòu)和工藝流程。線繞保險電阻的結(jié)構(gòu)由瓷棒，帽蓋，引線，合金絲和涂層組成。其中瓷棒為電阻器的載體，材料為絕緣的陶瓷，作用為導(dǎo)熱散熱，帽蓋為壓合在瓷棒兩端的兩個帽，材料為鍍錫鐵材，作用為兩個電極。引線為兩個帽蓋電極的延伸，材料為鍍錫銅線，作用為形成插件焊接的引腳。合金絲為產(chǎn)生阻值的材料，材質(zhì)為有一定阻值的金屬材料，涂層為絕緣的外保護(hù)層，材質(zhì)為有機硅樹脂，作用為使合金絲絕緣并保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具體請見圖2：

圖2 線繞保險電阻的結(jié)構(gòu)

線繞保險電阻的生產(chǎn)工藝為：壓帽→碰焊→繞線→電老化→涂覆→測試→包裝入庫。在制程中，如果材料，工藝管控不良，會在成品上出現(xiàn)以下問題：

壓帽工段，作業(yè)內(nèi)容為將左右兩個帽蓋壓合在瓷棒上形成緊配合：

1.尺寸工藝：a.帽蓋和瓷棒尺寸不良，會出現(xiàn)壓帽松動，成品電阻插件后脫帽。b.壓帽機設(shè)備故障，導(dǎo)致壓帽不到位，導(dǎo)致成品電阻插件后脫帽。

2.材料：a.棒體含鋁量不足，導(dǎo)致成品使用時功率不足。b.帽蓋鍍錫不良或厚度過薄，導(dǎo)致后道焊接引線工序出現(xiàn)假焊現(xiàn)象或焊穿帽蓋現(xiàn)象。

焊接工段，作業(yè)內(nèi)容為將兩段引線焊接在左右兩個帽蓋上：

1.尺寸工藝：a.引線尺寸不足，成品電阻在應(yīng)用中會因引線受力不夠而斷裂。b.設(shè)備焊接電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致引線與帽蓋焊接不牢，導(dǎo)致成品電阻在插件時出現(xiàn)引線脫落現(xiàn)象。

2.材料：a.引線材料延展性或強度不夠，導(dǎo)致成品使用時斷裂。

繞線工段，作業(yè)內(nèi)容為將帶有阻值的各類合金絲通過點焊的方式，繞制在瓷棒上，左右兩端焊接在帽蓋上形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

1.選型：a.選型錯誤導(dǎo)致合金絲耐受浪涌電流過低，在應(yīng)用中會因上電浪涌沖擊或電網(wǎng)波動浪涌失效。b.選型錯誤導(dǎo)致合金絲熔斷過快或過慢，在應(yīng)用中出現(xiàn)正常使用時保險電阻即熔斷或遇到異常電流時無法熔斷。c.選型錯誤導(dǎo)致合金絲繞制過密集，在高壓時出現(xiàn)匝間短路早期失效。

2.材料：材料延展性不足或強度不夠，制成品在涂覆后，因涂料固化收縮的應(yīng)力損傷甚至拉斷合金絲，導(dǎo)致電阻失效。

涂覆工段，作業(yè)內(nèi)容為將繞線電阻體表面涂覆一層有機硅樹脂保護(hù)層，以保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

1.尺寸：a.涂覆過厚導(dǎo)致應(yīng)用中無法安裝，b.涂覆過薄導(dǎo)致應(yīng)用中耐壓不夠及抗浪涌性能不良

2.材料：a.涂層材料耐壓不夠?qū)е码娮杞^緣耐壓不良,b.涂層材料硬度不夠?qū)е码娮钁?yīng)用中涂層脫落。

以上，是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的不良延續(xù)在成品上會出現(xiàn)的問題，但是在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題往往是多面的，糾纏的，那么如何讓失效的電阻說話，告訴我們真實的失效原因，找到應(yīng)用失效與制程失效之間的區(qū)別呢？讓我們從以下兩個個案例進(jìn)入進(jìn)行切實分析：

▇案例一：1萬只電阻在客戶上機使用組裝完畢后，1000只電阻發(fā)生引腳斷腳現(xiàn)象。

圖3 案例一實物圖

這起失效的不良原因，曾經(jīng)自然而然被歸類為產(chǎn)品焊接不良，即為碰焊工序作業(yè)時，因電網(wǎng)波動引起焊接電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致引線虛焊，在使用中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

但是再進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯绻麨殡娮韬附庸ば蚣俸?，其異常表現(xiàn)為引線與帽蓋的焊接點不牢，應(yīng)用發(fā)生失效時，焊接點會與帽蓋脫落，帽蓋斷面為一凹痕。如下圖。而此失效，我們刮去了焊點邊的涂層，焊點還完好的保留在帽蓋上。那么自然，并非因產(chǎn)品假焊導(dǎo)致的應(yīng)用失效，我們進(jìn)一步分析了所有失效電阻，發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1.電阻是在超聲波壓殼后上電老化時發(fā)現(xiàn)的，超聲波壓殼前因電路板不上電，電阻包裹在硅膠中無法確認(rèn)是否失效。

2.在安裝電阻的基板上，電阻左側(cè)，右側(cè)安裝點均有引線脫落現(xiàn)象，以電阻色環(huán)方向為判定標(biāo)準(zhǔn)，電阻兩端引線均有出現(xiàn)斷裂脫落現(xiàn)象，且斷面為撕裂狀，無該點引線受傷痕跡。

3.電阻引線斷裂點及周圍未發(fā)現(xiàn)引線有外傷痕跡。

因為電阻并非生產(chǎn)過程中的假焊導(dǎo)致引線斷裂，那么在應(yīng)用中必然有外力干涉導(dǎo)致引線斷裂。從而我們建立了以下驗證邏輯思路：

1.驗證電阻引線技術(shù)性能參數(shù)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，材料是否不良。

2.確認(rèn)引線斷裂點位置在電阻制程和應(yīng)用制程中是否有機械外力干涉。

3.對應(yīng)用中插件工序進(jìn)行模擬生產(chǎn)，確認(rèn)插件后電阻引線是否有斷裂現(xiàn)象，對波峰焊工序進(jìn)行模擬生產(chǎn)，確認(rèn)波峰焊工序后電阻引線是否有斷裂現(xiàn)象，對超聲壓殼工序進(jìn)行模擬生產(chǎn)，確認(rèn)超聲壓殼工序后是否有引線斷裂現(xiàn)象。

通過以上驗證，我們最終發(fā)現(xiàn)：電阻引線符合國家各項標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用制程中也沒有斷裂點早期受傷現(xiàn)象，而應(yīng)用中的斷裂，僅在超聲壓殼工序出現(xiàn)。因此我們判定，超聲壓殼工序的能量過大，作用于電阻上，產(chǎn)生共振，導(dǎo)致引線斷裂。而改善對策為：1.增加電阻引線線徑，加強其對超聲波振動的耐受能力，防止應(yīng)用引線斷裂。2.降低超聲波壓殼能量，防止殘波作用于電阻導(dǎo)致引線斷裂。

▇案例二：1萬只1W-4.7R電阻在客戶上機使用組裝完畢后，上電時發(fā)現(xiàn)百余只電阻異常失效，更換電阻后線路板恢復(fù)正常。

圖4 案例二實物圖

這起失效的不良原因，自然而然被歸類為電阻合金絲受傷或瓷棒材料導(dǎo)致的功率不足引發(fā)電阻燒毀導(dǎo)致的失效。

再進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，首先我們觀察了該電阻，該電阻應(yīng)用于10W功率線路中，經(jīng)測試，該電阻已經(jīng)失效，而因為其擁有防爆性能，所以表面無任何現(xiàn)象，解剖后合金絲已經(jīng)粉化斷裂，經(jīng)進(jìn)行X光分析，合金絲多段炸裂。所以我們建立了以下驗證邏輯思路：

1.驗證棒體，合金絲等直接關(guān)系上電沖擊性能的材料是否使用錯誤或者下偏差等現(xiàn)象，功率是否滿足設(shè)計要求。

2.對成品安裝的10W線路進(jìn)行抓取沖擊電流，并計算輸入能量值和產(chǎn)品設(shè)計能量值。

3.驗證線路內(nèi)電容ESR及電容箔間是否有短路點等明顯異常。

4.進(jìn)行沖擊失效和短路失效現(xiàn)象模擬。

5.線路板是否存在因錫渣，受潮等現(xiàn)象導(dǎo)致的瞬間短路現(xiàn)象，引起電阻失效保護(hù)線路。

通過以上驗證，我們發(fā)現(xiàn)：（1）該保險電阻的材料，工藝沒有任何異常，功率滿足設(shè)計要求；（2）該10W正常線路輸入沖擊電流為40A最大，經(jīng)計算起輸入I2T參數(shù)為0.496A2S，經(jīng)對該電阻進(jìn)行10/700us波形驗證，其可以耐受60.9A瞬間電流，電阻耐受I2T參數(shù)為1.298A2S，輸入為電阻耐受的38.2%，符合設(shè)計要求；（3）電容的ESR經(jīng)測試小于4R，符合規(guī)格技術(shù)參數(shù)。箔間清潔無疵點等短路點。

接著，我們又針對電阻進(jìn)行了兩種失效模擬，第一種為更換加大電容，從40A沖擊電流提升至80A-700us，將電阻沖擊燒毀，第二種為模擬短路線路，將220V交流電壓瞬間加在電阻兩端，為電阻瞬間失效，兩種失效現(xiàn)象如圖5所示：

圖5-1 沖擊失效電阻

圖5-2 短路失效電阻

從圖5所示可以看出，沖擊失效的現(xiàn)象為電阻內(nèi)部合金絲僅和帽蓋連接點處有斷裂，即為能量并未達(dá)到將電阻合金絲全部熔斷炸裂的等級，而短路失效則因能量過大，時間過長，將電阻合金絲完全熔毀，其現(xiàn)象與失效保險電阻一致。

最終，我們排查了線路板，在線路板內(nèi)找到了受潮爬電及打火痕跡，確認(rèn)此次保險電阻失效，為線路內(nèi)部異常打火導(dǎo)致的瞬間短路引起。

通過以上保險電阻結(jié)構(gòu)，工藝的了解及案例的分析，讓我們對線繞保險電阻的失效模式有了初步的了解和分析的能力，質(zhì)量分析源于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠^察和思考，及對元件和應(yīng)用的理解與掌握，更重要的是，如何規(guī)避，如何預(yù)防，讓無論是元件本身還是應(yīng)用的質(zhì)量問題，不再發(fā)生。

[1]GB/T 5729-2003電子設(shè)備用固定電阻器 第一部分：總規(guī)范idt IEC 60115-1：2001

[2]GB 5732-85電子設(shè)備用固定電阻器 第四部分：分規(guī)范：功率型電阻器 idt IEC 115-4-1982

[3]Q/ATK034-2001 RXF21型抗浪涌線繞電阻器 評定水平E．