RTV材料對(duì)片式電阻器的電化學(xué)影響分析

石謹(jǐn)寧 王春修 周道明 鄧少華

（長(zhǎng)城電源技術(shù)有限公司 廣東省深圳市 518108）

RTV 硅膠是液體硅橡膠的主要產(chǎn)品之一，能在寬溫度范圍長(zhǎng)期使用，具有優(yōu)良的電氣絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐水、耐臭氧、耐氣候老化，對(duì)多種金屬和非金屬材料有良好的粘接性[1]。在電子產(chǎn)品中常用單組分RTV 硅膠進(jìn)行密封、粘合、固定及防震。未固化前的RTV 硅膠呈液體狀，幾乎無(wú)流動(dòng)性，但實(shí)際操作中有向周圍粘附的可能性。本文提供了開關(guān)電源應(yīng)用中RTV 膠覆蓋表貼式片式電阻器的失效案例，通過(guò)考察RTV 硅膠材料成分和表貼式片式電阻器的組成結(jié)構(gòu)，分析了RTV 硅膠的吸附特性對(duì)片式電阻器的電化學(xué)影響。

1 失效樣品分析

1.1 樣品概述

某主輸出為12V 的工業(yè)通信電源，使用2年8 個(gè)月時(shí)間后陸續(xù)出現(xiàn)無(wú)輸出、電源指示燈異常現(xiàn)象；經(jīng)過(guò)初步分析定位，失效器件為輸出12V 反饋環(huán)路的分壓電阻，其阻值發(fā)生異常變大后導(dǎo)致誤差放大器反相輸入端電壓偏低，最終使電源異常進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

1.2 測(cè)量分析

失效電阻為表貼片式電阻器，3 顆電阻串聯(lián)使用作為反饋環(huán)路分壓的上偏電阻。電阻表面被RTV 膠所覆蓋。經(jīng)測(cè)量失效樣品阻值，其中一顆電阻（R630）的阻值已超出規(guī)格值，其余兩顆均在規(guī)格范圍內(nèi)。失效電阻樣品如圖1 所示。

圖1：失效電阻樣品

1.3 元素成分分析

如圖2 所示，失效電阻經(jīng)EDS 元素定量分析，在電阻的端電極和保護(hù)層的交接處有探測(cè)到Ag2S。說(shuō)明該失效樣品的導(dǎo)電層銀金屬出現(xiàn)了硫化腐蝕，生成了電阻率高的硫化銀，最終導(dǎo)致電阻阻值異常增大。

圖2：EDS 成分譜圖

2 失效機(jī)理分析

2.1 片式電阻器結(jié)構(gòu)

如圖3 所示。該失效電阻為AC 型片式電阻器，其主要的功能結(jié)構(gòu)有四個(gè)部分。第一部分為電阻體，提供電阻器的目標(biāo)阻值，達(dá)到電阻功能的作用。第二部分為三層電極結(jié)構(gòu)：第一層為內(nèi)電極，使用純銀或者銀鈀作為導(dǎo)電層與電阻體搭接，起到連通電阻體與外界線路的作用，片式膜固定電阻器出現(xiàn)硫化腐蝕是內(nèi)電極層材料銀遭到腐蝕[2]；第二層鎳層，作為阻擋層隔絕外界環(huán)境，保護(hù)內(nèi)電極的作用；第三層為焊接錫鉛層，便于錫焊安裝。第三部分為封裝介質(zhì)層，通常采用保護(hù)玻璃釉或者環(huán)氧樹脂類作為封裝材料。第四部分載體，采用96 %氧化鋁陶瓷基板作為電阻器的載體[3]。

圖3：某AC 型片式電阻器組成結(jié)構(gòu)

2.2 硫化銀失效機(jī)理

通過(guò)電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成以及元素分布，分析形成硫化銀腐蝕的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，主要是在低電勢(shì)發(fā)生氧化反應(yīng)，高電勢(shì)發(fā)生還原反應(yīng)：

（1）空氣中的S 參與到反應(yīng)中形成 Ag2S，這種金屬材料和周圍環(huán)境發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可以稱為銀腐蝕；

（2）硫化銀進(jìn)一步發(fā)展成針狀的單斜硫晶體；

（3）硫離子、氫離子和空氣中的水氣不斷發(fā)生反應(yīng)，侵蝕Ag層，從而繼續(xù)生長(zhǎng)出硫化銀。如圖4 所示。

圖4：硫化銀的生長(zhǎng)示意圖

3 材料分析

3.1 硫元素的來(lái)源分析

與失效電阻同一線路中的其他兩顆電阻，表面也同樣覆蓋了RTV 硅膠。針對(duì)電阻及緊貼電阻表面的RTV 硅膠進(jìn)行了EDS 成分掃描。根據(jù)表面元素分布，發(fā)現(xiàn)RTV 膠表層并無(wú)Ag 元素分布，表層的S 元素的分布與失效電阻基本一致，RTV 膠表面還檢測(cè)到疏松分布的Cl 元素，未失效的電阻表面也有S 元素分布。而無(wú)RTV 硅膠的電阻表面無(wú)特殊危害元素。因此證實(shí)了S 元素的來(lái)源與RTV膠的覆蓋有關(guān)系。如圖5 所示。

圖5：RTV 膠表面及電阻表面成分掃描

3.2 RTV膠的吸附特性

RTV 硅膠為有機(jī)絕緣材料，圖6 為某單組分RTV 膠的化學(xué)成分表。

圖6：某RTV 膠成分表

聚二甲基硅氧烷也叫硅酮，是以Si-O 鍵為主鏈，硅原子上直接連接有機(jī)基的有機(jī)-無(wú)機(jī)化合物，是RTV 硅膠的主要成分，具有良好的憎水性，但是當(dāng)硅橡膠材料表面受到破壞時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一定的親水性[4]，這種破壞一般來(lái)自電場(chǎng)作用。在高濕度環(huán)境下，硅酮中的Si-O 鍵能夠與水分子反應(yīng)，導(dǎo)致主鏈斷裂，產(chǎn)生硅醇化合物，親水基團(tuán)增加，硅橡膠的疏水性暫時(shí)喪失。當(dāng)大量生成硅烷醇和硅烷醇類化合物時(shí)，會(huì)再次發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致硅橡膠表面親水基團(tuán)的還原和疏水性的恢復(fù).因此在中低濕度條件下，硅橡膠有一定的吸濕性。

成分中占40%的氫氧化鋁材料主要用來(lái)提升硅膠的硬度和提供阻燃性?；钚詺溲趸X材料用作阻燃劑，以提高耐電弧性和耐漏電性。當(dāng)電弧燒灼材料表面時(shí)，局部材料表面的濕度顯著提高，氫氧化鋁迅速分解出結(jié)晶水并吸收大量的熱量，從而降低材料表面的溫度[5]。氫氧化鋁中含有OH鍵，能夠與氯離子等酸根離子緩慢反應(yīng)，對(duì)電子產(chǎn)品中的金屬導(dǎo)體或元器件造成危害。

二氧化硅在工業(yè)上用途非常廣泛，常被用于催化劑活性成分、吸附劑等，在橡膠中用于改色、改性。研究表明橡膠中添加少量的氣相二氧化硅后，產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性等性能均超過(guò)原有屬性。硅橡膠中的二氧化硅材料骨架是以硅原子為中心、氧原子為頂點(diǎn)的Si-O 四面體在空間不太規(guī)則地堆積而成的無(wú)定形體，堆積時(shí)膠體粒子間的空洞即為硅膠的孔隙[6]。這種多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以抑制膠體流動(dòng)，加快固化速度，提高粘結(jié)效果，二氧化硅由于特殊的孔結(jié)構(gòu)也具有良好的吸附性。在掃描電鏡下觀察固化后的RTV硅膠，放大1000 倍以上能夠明顯看到比較明顯的孔洞結(jié)構(gòu)。如圖7 所示。

圖7：某RTV 膠固化后的顯微成像圖

3.3 RTV膠對(duì)電阻的影響

由RTV 硅膠的成分可以看出，硅膠本身不含有硫和氯等危害元素。硅膠中的Si-O 鍵多孔結(jié)構(gòu)，有一定的吸附作用。能夠吸附空氣中的硫化物、氯化物等，并使這些物質(zhì)殘留在孔洞結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)RTV 膠灌注在電阻表面時(shí)，在電場(chǎng)的作用下硅膠孔洞中殘留的硫化物和氯化物電離出危害離子，通過(guò)電阻保護(hù)層的交接孔隙進(jìn)入電阻面電極與銀發(fā)生反應(yīng)形成硫化銀，并且循環(huán)反應(yīng)使電極上端的銀逐漸被消耗，反應(yīng)出的硫化銀電阻率高，逐漸使電阻變大并最終形成開路。

在電子產(chǎn)品的制程應(yīng)用中，應(yīng)避免使RTV 膠粘附到表貼片式電阻表面?；蜻x用含保護(hù)層的抗硫化電阻。如下為某AF 型抗硫化電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與普通AC 結(jié)構(gòu)電阻相比，在表面端電極上增加了一層C3 層防護(hù)，能夠有效地阻止S 等危害元素和端電極內(nèi)的銀層發(fā)生腐蝕反應(yīng)。某AF 抗硫化電阻如圖8 所示。

圖8：某AF 抗硫化電阻

4 結(jié)論

RTV 硅膠成分中含有氫氧化鋁、二氧化硅等無(wú)機(jī)材料，其特殊的孔洞結(jié)構(gòu)能吸附并殘留空氣中的硫化物、氯化物等。受電場(chǎng)和濕度作用，這些殘留物能夠電離出對(duì)電子產(chǎn)品具有危害性的離子。氯離子能夠腐蝕氫氧化鋁，使RTV 材料硬度和絕緣性受到影響，進(jìn)一步加速電離作用。表貼片式電阻銀導(dǎo)電層與硫離子易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致銀層受到腐蝕而發(fā)生阻抗變化。制程中應(yīng)避免使RTV膠粘附到表貼片式電阻表面，如有必要應(yīng)選用含保護(hù)層的抗硫化電阻，使電子產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用下具有良好的可靠性。