引線式電阻器失效分析與研究

作者簡(jiǎn)介：趙宇翔，男，助理工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析。

編者按：電阻也稱電阻器，顧名思義對(duì)電流起到阻礙作用。電阻器是電氣、電子設(shè)備中用得最多的基本元件之一。主要用于控制和調(diào)節(jié)電路中的電流和電壓，或用作消耗電能的負(fù)載。導(dǎo)體電阻越大表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙就越大，不同的導(dǎo)體電阻一般不同，電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小電子流通量就越大，反之亦然。它與半導(dǎo)體或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等。本文主要對(duì)自插電阻所出現(xiàn)故障的失效原因及防治手段進(jìn)行分析和探討，電阻普遍用于業(yè)內(nèi)控制器，相對(duì)于傳統(tǒng)的電阻存在面積小，空間利用率高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)使之應(yīng)用廣泛。正由于本體面積小，所以在對(duì)制造過程及加工工藝要求也會(huì)相對(duì)增加，因此對(duì)電阻器工藝結(jié)構(gòu)上的整改很有必要。

0   引言

電阻器是控制器組件內(nèi)核心器件，其性能工作狀態(tài)直接影響空調(diào)的調(diào)試及使用。當(dāng)電阻器出現(xiàn)引腳脫落及值大、值小等性能問題時(shí)，直接導(dǎo)致控制器不能正常工作，影響用戶的空調(diào)不能正常使用，因此研究電阻器設(shè)計(jì)、失效分析、失效機(jī)理及工作可靠性，提高消費(fèi)者對(duì)品牌的滿意度具有十分重要的意義。

1   事件背景

電阻器通常是用氣態(tài)氫化合物在高溫和真空分解使瓷棒表面形成一層導(dǎo)電膜而成的電磁感應(yīng)元件，主要用在濾波、振蕩、延遲等電路中。因電阻器主要制作工藝是氣態(tài)氫化合物在高溫和真空分解使瓷棒表面形成一層導(dǎo)電膜，設(shè)計(jì)上出現(xiàn)問題極易造成電阻異常從而造成控制器失效。過程和售后控制器失效嚴(yán)重，影響產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果，問題急需進(jìn)行分析研究解決。

2   電阻器失效原因及失效機(jī)理分析

產(chǎn)線測(cè)試也多次出現(xiàn)電阻引腳脫落及值大、值小等異常，與此同時(shí)在復(fù)核風(fēng)管空調(diào)內(nèi)機(jī)及外機(jī)控制器過程中同樣發(fā)現(xiàn)多單通訊及電流檢測(cè)故障。排查均為電阻器異常導(dǎo)致，取下反復(fù)多方驗(yàn)證測(cè)試阻值不穩(wěn)定。對(duì)比不同廠家故障品，對(duì)故障品的性能參數(shù)、DPA 測(cè)試、電阻量、直流電阻測(cè)試等進(jìn)行測(cè)試比對(duì)分析，具體分析如下：

2.1 電阻器引腳脫落

電阻器外觀分析：對(duì)放大鏡下電阻器樣品核實(shí)發(fā)現(xiàn)引線焊接點(diǎn)未與電阻本體端帽有效熔接，導(dǎo)致引線與本體剝離，確認(rèn)為引線脫落（假焊），見圖1。

圖1 電阻器端帽引線脫落（假焊）

1）對(duì)比不同廠家正常品極限拉力試驗(yàn)，見表1。

拉力：固定試驗(yàn)樣品主體，使引出端處于試驗(yàn)樣品正常使用位置，按表2 規(guī)定的拉力值，沿軸向施加到引出端上，并作用在離開試驗(yàn)樣品主體的方向，該拉力應(yīng)該逐漸施加（沒有任何沖擊），然后保持10±1 s。

2）焊接電壓試驗(yàn)

3）失效機(jī)理分析

對(duì)電阻引腳焊接處斷裂異常經(jīng)過驗(yàn)證焊接電壓是影響焊點(diǎn)質(zhì)量的重要參數(shù)之一，生產(chǎn)時(shí)主要也是通過調(diào)節(jié)電壓大小來控制焊點(diǎn)。固定電阻器其電阻引腳焊接方式為電氣點(diǎn)焊, 點(diǎn)焊的電氣原理如圖2 焊接機(jī)控制箱)，通過大電容瞬間放電產(chǎn)生的強(qiáng)大電流進(jìn)行焊接。即鍍錫鐵帽與引出線兩者之間，一端為正極，另一端為負(fù)極，兩者在瞬間相碰短路產(chǎn)生高熱量（原理為焦耳- 楞次定律），把鍍錫銅線接頭處加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)對(duì)鍍錫銅線施加一個(gè)外力，使鍍錫鐵帽與鍍錫銅線結(jié)合成為整體。中間環(huán)節(jié)無需外加助焊劑及金屬材料效率高，但是其弊端缺陷存在易導(dǎo)致引腳與端帽脫落的主要原因是引腳與端帽焊接強(qiáng)度不夠在自插后受力松脫，導(dǎo)致此問題產(chǎn)生的原因?yàn)辄c(diǎn)焊設(shè)備壓環(huán)機(jī)構(gòu)壓力不足、焊接時(shí)電壓波動(dòng)及端帽或者引腳氧化，污染。進(jìn)一步對(duì)不良品核查發(fā)現(xiàn)該不良樣品引線脫落的電阻鐵帽端面發(fā)黑，有銹蝕且有輕微凹陷，致使生產(chǎn)焊接時(shí)銅線截面與鐵帽端面接觸不充分, 此現(xiàn)象是造成引線焊接不強(qiáng)虛焊的根本原因，且電阻引線為鍍錫純銅線，因電阻本體端帽不平有凹陷而使引線端面( 即截面) 不能與本體鐵帽端面充分熔接，從而進(jìn)一步發(fā)生發(fā)黑氧化直至引線脫落。

2.2 電阻器阻值大異常

1）阻值偏大電阻器樣品外觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象，對(duì)其阻值測(cè)量確認(rèn)其阻值偏大。

2）經(jīng)對(duì)樣品進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)電阻器本體存在凹坑的現(xiàn)象。

3）失效機(jī)理分析

從放大樣品來看電阻器本體瓷棒存在凹坑的現(xiàn)象，產(chǎn)生瓷棒凹坑的原因是瓷棒在成型過程中，有雜質(zhì)混入泥料中被裹入坯體內(nèi)，坯體在高溫?zé)Y(jié)時(shí)雜質(zhì)被燒掉，從而在瓷棒表面形成凹坑。由于該樣品本身存在缺陷（凹坑），致使被膜該部位膜層附著不良、結(jié)合力差，當(dāng)電阻通電使用后，附著不良的部位易形成高阻區(qū)，造成發(fā)熱，從而使膜層結(jié)合力差的部位被剝離脫落，導(dǎo)致電阻值變大的現(xiàn)象。

2.3 電阻器值小異常

1）偏小電阻器樣品外觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象，對(duì)其阻值測(cè)量確認(rèn)發(fā)現(xiàn)阻值偏小，經(jīng)對(duì)樣品進(jìn)行解剖，刻槽槽紋正常，膜層也沒有發(fā)現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

2）失效機(jī)理分析

經(jīng)對(duì)樣品進(jìn)行分析，造成阻值變小的原因是電阻器生產(chǎn)流程中未涂漆的電阻體槽紋與導(dǎo)電帶中間受雜質(zhì)污染（有異物附著），當(dāng)電阻涂覆外包封漆后，異物被包封，但此時(shí)異物與膜層處于斷開狀態(tài)，并不影響阻值，因此無法被生產(chǎn)線檢測(cè)儀表剔除。當(dāng)電阻器通過波峰焊或通電后，槽紋中的異物經(jīng)熱脹冷縮貼緊在瓷棒，使原被切割分開螺絲狀的導(dǎo)電帶相互被導(dǎo)通，而出現(xiàn)阻值變小。當(dāng)剝?nèi)テ釋樱ê愇铮┖笞柚祷貜?fù)正常。此現(xiàn)象是生產(chǎn)過程操作者對(duì)產(chǎn)品防護(hù)不到位造成的問題，正常防護(hù)程序執(zhí)行到位完全能夠杜絕該問題。

2.4 電阻器耐壓異常

1）對(duì)不同廠家產(chǎn)品進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，經(jīng)過比對(duì)發(fā)現(xiàn)某廠家產(chǎn)品耐壓不合格，在經(jīng)絕緣耐壓測(cè)試500 V 時(shí)，6 s 就出現(xiàn)飛弧，不符合耐壓試驗(yàn)要求，對(duì)樣品進(jìn)行放大鏡下觀察確認(rèn)是涂層偏瘦且較薄，電阻帽蓋邊緣沒有完全包裹住，故施加絕緣電壓后，帽蓋邊緣出現(xiàn)擊穿。

2）失效機(jī)理分析

從不良品擊穿的形貌分析，電阻器擊穿的部位都在電阻體帽檐部位，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的電阻產(chǎn)品鐵帽部位直徑最大，且帽檐為直角，液態(tài)油漆在涂漆過程包裹后會(huì)從帽檐流到其他部位，正常情況下每顆電阻的帽檐部位都是最薄的部位，這是柱狀電阻的物理結(jié)構(gòu)所決定的，該批帽檐部位漆層偏薄，主要原因是當(dāng)天生產(chǎn)過程工人對(duì)油漆的稀釋過量，超過稀釋速度的管控要求，導(dǎo)致該批次生產(chǎn)時(shí)油漆濃度偏低，涂覆烘干后油漆厚度處于下限（在工人定時(shí)補(bǔ)加油漆后油漆濃度恢復(fù)正常），當(dāng)電阻器被錫箔包裹并進(jìn)行施加電壓時(shí)，帽檐較薄弱的部位被擊穿。

3   電阻器可靠性提升解決方案

1）從附表的驗(yàn)證比對(duì)來看焊接電壓是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一，焊接電壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，電壓越低，焊斑越小。電壓偏低時(shí)，引線輕微融化，不能與端帽形成足夠強(qiáng)度的合金層，彎曲實(shí)驗(yàn)易出現(xiàn)斷裂的情況。但在電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的焊接范圍后，焊點(diǎn)質(zhì)量可以保證拉力合格而不至于引線焊點(diǎn)處斷開。

2）壓力不足及焊接電壓波動(dòng)的產(chǎn)生主要是點(diǎn)焊機(jī)在焊接電極過程中，由于壓環(huán)輪出現(xiàn)磨損產(chǎn)生槽溝（壓環(huán)輪是屬消耗性材料，它與電阻帽蓋的不斷磨擦?xí)a(chǎn)生槽溝，見圖3），當(dāng)槽溝較深時(shí)，導(dǎo)致壓環(huán)機(jī)構(gòu)壓力不足，使料輪、電阻帽蓋與壓環(huán)電極之間接觸不良，造成電壓波動(dòng)，在焊接時(shí)因電壓偏低而出現(xiàn)焊接不良的情況。因此控制好壓環(huán)輪的狀態(tài)，能有效防止焊接不良而出現(xiàn)引腳脫落的現(xiàn)象。

圖3 壓環(huán)輪出現(xiàn)磨損產(chǎn)生槽溝

3）氧化、污染主要是工件氧化或者污染后使得焊接強(qiáng)度變差，受力容易脫落。因此電阻焊前的工件清理，無論是點(diǎn)焊還是縫焊在焊前必須進(jìn)行工件表面清理，以保證焊接頭質(zhì)量穩(wěn)定，清理方法分機(jī)械清理和化學(xué)清理兩種。

4）落實(shí)原料、練泥、成型做好泥料的防護(hù)工作，防止泥料受污染，禁止將掉地泥料歸入正常料中。

5）增加著膜前瓷棒吸藍(lán)挑選工藝，主要剔除凹坑、傷痕等不良產(chǎn)品，落實(shí)各項(xiàng)防護(hù)措施并定期檢查，縮短工序現(xiàn)場(chǎng)的防護(hù)措施執(zhí)行情況的時(shí)間。

6）涂裝調(diào)漆前將上漆輪上的刮漆片松開，由之前的緊→松調(diào)整順序，改為按松→緊調(diào)整，從技術(shù)上來說就是控制適量的上漆量同時(shí)增加專檢人員對(duì)漆膜厚度進(jìn)行把控檢驗(yàn)，從源頭上控制因漆膜不足造成的涂層覆蓋不良，可大大有效提高物料的耐壓等級(jí)從而保證產(chǎn)品的可靠性。

4   引線電阻器失效整改總結(jié)及意義

電阻器在日常的使用中并不能像其它核心功率電子元器件一樣得到很高的重視，但往往異常的出現(xiàn)都是隱秘性的、長(zhǎng)期性的和關(guān)鍵性的。目前的電阻器件趨于小型化，多作用化，對(duì)可靠性的依靠就越來越高，不僅考慮電阻器件的使用性，也要考慮實(shí)際生產(chǎn)、安裝、維修等情況，針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證從而提高物料的可靠性。物料的可靠性不僅要求內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，更要擴(kuò)散思維對(duì)槽紋及膜層等深入研究，多方面入手就能找到突破點(diǎn)，從而全面提升電阻器在不同外界因素影響下工作的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程海正.基于微電阻測(cè)試技術(shù)的曲軸疲勞損傷表征研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）