引 言

近年來，屢有針對片式膜電阻器在使用過程中因過電應力[1] 失效的案例，其中 80% 以上與用戶選型使用不當有關。因此，有必要開展片式膜電阻器在不同環(huán)境條件下進行過電應力試驗，研究其過電應力（系指超過電阻器額定電壓（額定功率） 的電應力）失效模式及失效機理，為指導用戶正確選用片式膜電阻器提供參考，提高片式膜電阻器的使用可靠性。

1 研究過程

1.1 試驗步驟

(1 )抽取片式膜電阻器典型代表型號 RM3216型厚膜、薄膜各2個共 4個規(guī)格樣品，其中：片式厚膜—510Ω、3300Ω，阻值精度 ±1%，額定功率 0.25 W；片式薄膜—470 Ω、3 900 Ω，阻值精度±0.1%，額定功率 0.25 W。

(2) 樣品經(jīng)回流焊接在PCB板上后，用酒精清洗，50℃ 烘干 6小時，備用。

(3) 抽取樣品，在常溫（25℃ ±5℃）下按短時間過載試驗方法[2]，分別施加 2倍、2.5 倍、3倍、3.5 倍、4倍、4.2倍、4.6倍、4.8倍額定電壓保持 5S。通過外觀檢查和數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應力試驗后阻值變化趨勢，估計片式膜電阻器臨界失效（阻值變化率超標）電壓、極限失效 [3]（阻值開路或電阻體斷裂）電壓。

（4）抽取樣品，分別在低溫（－50℃、－ 70℃）、高溫（70℃、 100℃、150℃）及熱真空（70℃、6×10-3Pa）條件下，施加臨界失效電壓。通過數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應力試驗后阻值變化趨勢。

1.2 試驗結果

1.2.1 常溫過電應力試驗

(1) 試驗后外觀檢查 ：隨著試驗電壓倍率逐漸增大，樣品外觀形貌隨之發(fā)生變化，當樣品出現(xiàn)極限失效時，其形貌發(fā)生顯著變化，片式膜電阻器過電應力試驗極限失效樣品典型形貌在 30 倍顯微鏡下的變化如圖 1 所示。

由圖 1 可以看出，當試驗電壓超過一定閾值后，樣品標志顏色隨試驗電壓倍率增加而逐漸變暗甚至發(fā)黑 ；玻璃包封層發(fā)生焦化、剝落甚至崩裂現(xiàn)象 ；過電應力失效部位均位于樣品中部。

(2) 數(shù)據(jù)處理 ：通過對 4個規(guī)格樣品過電應力試驗數(shù)據(jù)進行計算、分析處理，繪制樣品阻值隨試驗電壓倍率變化的趨勢圖如圖 2所示。

由圖 2 可以看出，當試驗電壓超過一定閾值后，試驗電壓倍率越大，樣品阻值變化越大，導致阻值變化率超標、阻值變大變小、阻值開路、電阻體斷裂等致使其失效。其中，片式薄膜電阻器還存在一個阻值顯著變小的過電應力區(qū)段，相關機理將在后續(xù)章節(jié)進行分析。

(3) 通過對不同倍率過電應力試驗后的樣品進行外觀檢查和數(shù)據(jù)處理，得出片式膜電阻器臨界失效和極限失效的閾值為 ：臨界失效電壓為 3.5 倍額定電壓，極限失效電壓為 5 倍額定電壓。

1.2.2 低溫、高溫條件下過電應力試驗

將樣品分別保持在－ 50℃、－ 70℃、70℃、100℃、150℃環(huán)境條件下 30分鐘后，對樣品施加臨界失效電壓（即 3.5 倍額定電壓）。通過數(shù)據(jù)處理，分析片式膜電阻器過電應力試驗后阻值變化趨勢，繪制不同溫度條件下過電應力試驗后的典型樣品阻值變化趨勢圖如圖 3所示。

圖 3 不同溫度條件下過電應力阻值變化趨勢

由圖 3 可以看出，當環(huán)境溫度不超過 70℃時，樣品經(jīng)臨界失效過電應力試驗后，阻值變化不明顯，符合規(guī)范要求； 當環(huán)境溫度高于 70℃時，樣品經(jīng)臨界失效過電應力試驗后， 阻值出現(xiàn)大幅變化，阻值變化率超出規(guī)范要求，樣品失效。但是，片式厚膜電阻器阻值呈變大趨勢，而片式薄膜電阻器阻值呈變小趨勢，相關機理將在后續(xù)章節(jié)進行分析。

圖 3 所述的試驗結果也驗證了GJB1432B-2009《片式膜固定電阻器通用規(guī)范》規(guī)定的片式膜固定電阻器額定溫度條件為 70℃的合理性。

1.2.3 熱真空條件下過電應力試驗

將樣品保持在 70℃、6×10-3Pa 熱真空條件下 30 分鐘后， 對樣品施加臨界失效電壓（即3.5 倍額定電壓）。通過數(shù)據(jù)處理， 分析片式膜電阻器過電應力試驗后阻值變化趨勢，以確定熱真空條件對片式膜電阻器耐電應力能力的影響。

試驗結果表明，熱真空條件下，樣品經(jīng)臨界失效電壓過電應力試驗后，外觀形貌和阻值變化率與常溫條件下試驗結果基本一致，說明熱真空條件對片式膜電阻器耐電應力能力影響甚微。

2 機理分析

2.1 阻值變化的機理

片式膜電阻器阻值功能層內部結構示意如圖 4 所示。

圖 4 中沿導電鏈的單結電阻可以看成是由導電顆粒的電阻 Rm 和顆粒之間的勢壘電阻 Rb 構成。當片式膜電阻器受到過電應力時，內部導電鏈中較薄的玻璃層（圖中 Rb）因局部受熱而擊穿，局部開路，使電流路徑變長，根據(jù)公式 R ＝ρL/S

可知，導致電阻器阻值變大。

圖 4 片式膜電阻器阻值功能層的內部結構示意圖

片式薄膜電阻器在臨界失效電壓點附近出現(xiàn)的阻值變小以及高溫條件下施加臨界失效電壓后阻值變小的機理在于： 片式薄膜固定電阻器的電阻功能材料為鎳鉻或鉻硅合金，正常情況下，鎳鉻或鉻硅合金呈無序非晶格狀態(tài)。當片式膜電阻器受到過電應力時，電阻器功能層發(fā)熱，局部溫度上升，鎳鉻或鉻硅合金材料由無序非晶格狀態(tài)向有序晶格狀態(tài)轉化，形成導電性能良好的晶相，導致電阻器阻值變小，環(huán)境溫度越高， 阻值變小幅度越大。其后，當試驗電壓倍率進一步提高，內部導電鏈中較薄的玻璃層（即圖 4 中 Rb）因局部受熱而擊穿， 局部開路，使電流路徑變長，根據(jù) R ＝ρL/S 可知，導致電阻器阻值變大。

2.2 失效部位大多集中在電阻體中部的機理

片式膜電阻器阻值調整示意圖如圖 5 所示。

圖 5 片式膜電阻器調阻前后電場分布示意圖

由圖 5 可知，片式膜電阻器激光調阻后，其電場分布發(fā)生畸變，電阻體中部的電流密度較其他部位大，當片式膜電阻器受到過電應力時，電阻體中部成為電阻體發(fā)熱中心，且電阻體中部散熱路徑較長，熱阻較大，導致電阻體中部熱量聚集， 溫度升高，成為最先失效部位。

結 語

通過對片式膜電阻器在不同環(huán)境條件下進行過電應力試驗，研究其過電應力失效模式及失效機理，得出如下結論：

(1) 隨著過電應力倍率增大，片式膜電阻器依次出現(xiàn)阻值變化率超標、阻值開路、電阻體斷裂等失效模式。

(2) 片式膜電阻器臨界失效和極限失效的電壓閾值分別為：臨界失效電壓為3.5倍額定電壓，極限失效電壓為5倍額定電壓。