高溫環境和電負載的薄膜電阻的保護
2012-07-27
隨著為高工作溫度優化的焊接材料在市場上出現，工程師能夠更自由地在更高環境條件中使用無鉛電子產品。這些條件包括汽車內的引擎倉(UTH)、傳動或剎車系統，以及鉆井、采礦設備或工業驅動裝置等其他應用。
然而，還有一些因素會在熱循環過程中影響焊點的可靠性。這些因素不僅包括焊錫合金的特性，也包括器件端接的設計和電鍍質量。事實上，在無鉛焊接中，這些與器件有關的因素比在SnPb組裝中更加重要。
錫須生長和焊點的破裂是無鉛組裝中引發故障的主要原因。業界開發出了一種被稱為“安全端接”的工藝，這種工藝能夠嚴格控制鍍的厚度和涂層，還使用了鎳襯層來減輕這些效應。例如，鎳襯層能夠阻斷金屬從焊點中浸出，從而保持最佳的金屬化合結構。在安全端接中使用低擴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，就能夠實現最優的鍍錫厚度，從而減少錫須的生長。
在接觸面設計上進行更多的改進能夠進一步提高焊點的可靠性。端蓋附屬裝置的優化方法，使用了規定的空氣緩沖器對焊點進行應力釋放。這種方法能夠有效地解決由于CTE失配產生的應力，而CTE失配會導致焊點的破裂。在端蓋設計上作進一步的改進能夠將焊點上的應力減至最小，端蓋與PCB焊盤間的界面在設計時留出了一定空隙，可以讓焊錫在熱循環時發生蠕變。
用這種方法對端接進行優化能夠有效地改進無鉛焊點的可靠性，前提條件是能夠對電鍍特性進行足夠的控制。這只是能讓設計者采用最新的高溫焊接合金制造出用于更苛刻環境的系統的因素之一。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的器件時。與繞線電阻或功率密度更低的大尺寸厚膜電阻等相對較貴的專用器件相比，使用這類器件能夠節省空間和成本。
必須克服的一個關鍵難題與此類器件必須承受的最高中心溫度有關。對于最通用的電阻，制造商一般把125℃作為最高溫度，或者最多是155℃。假設采用0102或 0805這樣常用的工業標準外形尺寸的小尺寸，在有負載的情況下，電阻內散發的功率足以使已經工作在接近150 ℃的最高焊點溫度下的器件變得過熱。
因此需要對薄膜電阻進行進一步的改進，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所采用的電絕緣系統。
改進電阻膜
通用薄膜電阻的主要成分是使用鎳鉻技術的鎳鉻合金器件。Vishay Draloric/Beyschlag所做的最新研究已經找出改進這種基礎化合物的方法，使器件在相同的溫度和濕度范圍內具有更高的可靠性。這種方法是向鎳鉻基體中添加了第三種成分，優化了基體并使電阻參數均勻分布。
這種新一代的薄膜使制造商能夠生產出可以承受175℃表面溫度的薄膜電阻，并且在達到或高于增強型無鉛焊錫合金的最高允許工作溫度155 ℃時也很穩定。這種新混合物還進行了工程處理，具有更高的活化能量，可提高穩定性(系數為10)和可靠性。
高溫噴漆系統
Vishay還開發了一個高溫噴漆系統，這個系統能夠在高達175℃的溫度下持續使用，并在器件的壽命周期內實現密封和防潮。這種專門開發的系統充滿了環氧丙烯酸酯，已經發布并通過了在175℃級別上限溫度下進行的1000小時存儲的系列試驗，通過了HAST 121規定的潮濕度等級(高加速溫度和濕度應力試驗)試驗。
通過采用優化的端接和新的薄膜技術及封裝材料，使新一代的薄膜電阻實現了在以往同等外形尺寸的大批量市場電阻上不曾見過的穩定性、可靠性和高負載。比較最新高溫(HT) MMU0102薄膜電阻(相當于0805的外形尺寸)與傳統的MICRO_MELF薄膜同等產品，以及相應的采用0805和0603封裝的商用電阻的性能，與厚膜技術相比，HT增強型電阻具有明顯高出一籌的帶負載能力，在基礎功率密度上要優于薄膜技術。
結論
在無鉛焊錫合金上取得的最新進展使設計者在裝配汽車或工業系統時信心倍增，這些應用的目標環境會碰到持續高溫、寬范圍的溫度循環，以及需要高可靠性。使用這些焊錫，工作溫度可持續保持在155℃的高溫下，而不會犧牲焊點的可靠性。但是，對于傳統的薄膜電阻來說，這種溫度已經接近了最高的推薦溫度。即便是相對較小的負載電流，歐姆加熱也會使器件的溫度超過最高推薦溫度，使穩定性和可靠性大打折扣。
新型薄膜電阻技術使用了優化的器件端接和高溫材料，在比目前采用無鉛技術的表面貼裝器件所能達到的恒定或更高級別負載下，新電阻能保證在高溫應用中的性能，同時還要達到更高的穩定性和更小的尺寸。采用MINI-MELF尺寸(0.5W，相當于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出現了。
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