高溫環(huán)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(yōu)化的焊接材料在市場上出現(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)、傳動或剎車系統(tǒng)，以及鉆井、采礦設(shè)備或工業(yè)驅(qū)動裝置等其他應(yīng)用。
然而，還有一些因素會在熱循環(huán)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(shè)計和電鍍質(zhì)量。事實上，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(yōu)化方法，使用了規(guī)定的空氣緩沖器對焊點進行應(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失配會導致焊點的破裂。在端蓋設(shè)計上作進一步的改進能夠?qū)⒑更c上的應(yīng)力減至最小，端蓋與PCB焊盤間的界面在設(shè)計時留出了一定空隙，可以讓焊錫在熱循環(huán)時發(fā)生蠕變。
用這種方法對端接進行優(yōu)化能夠有效地改進無鉛焊點的可靠性，前提條件是能夠?qū)﹄婂兲匦赃M行足夠的控制。這只是能讓設(shè)計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(jié)省空間和成本。
必須克服的一個關(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)標準外形尺寸的小尺寸，在有負載的情況下，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(tǒng)。
改進電阻膜
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。Vishay Draloric/Beyschlag所做的最新研究已經(jīng)找出改進這種基礎(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(wěn)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(wěn)定性(系數(shù)為10)和可靠性。
高溫噴漆系統(tǒng)
Vishay還開發(fā)了一個高溫噴漆系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠在高達175℃的溫度下持續(xù)使用，并在器件的壽命周期內(nèi)實現(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(guī)定的潮濕度等級(高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗)試驗。
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現(xiàn)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(wěn)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(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增強型電阻具有明顯高出一籌的帶負載能力，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展使設(shè)計者在裝配汽車或工業(yè)系統(tǒng)時信心倍增，這些應(yīng)用的目標環(huán)境會碰到持續(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，而不會犧牲焊點的可靠性。但是，對于傳統(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(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到的恒定或更高級別負載下，新電阻能保證在高溫應(yīng)用中的性能，同時還要達到更高的穩(wěn)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(jīng)出現(xiàn)了。
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