提高用于高温环境和电负载的薄膜电阻的性能

Reiner Kuehl

摘要：可提高焊点在高工作温度下可靠性的无铅合金非常适用于汽车电子或特殊应用。薄膜电阻的端接和结构采用了一些最新的增强技术，使设计者能够使用这些大批量市场的器件，加上最新的焊锡配方，用更低的成本组装出在恶劣环境下工作的设备。

关键词：高温环境；电负载；薄膜电阻；Vishay

随着无铅技术的成熟，目前已经出现了可以用在高达140～150℃焊点温度下的高温焊锡合金。而且不会损失可靠性。一个例子是囊括了材料供应商、器件供应商和汽车系统开发商的Innolot项目、该项目成功开发出了包含SAC合金和用于重载电子设备组装的无卤素焊剂的焊锡膏。

随着为高工作温度优化的焊接材料在市场上出现，工程师能够更自由地在更高环境条件中使用无铅电子产品。这些条件包括汽车内的引擎仓(UTH)、传动或刹车系统，以及钻井、采矿设备或工业驱动装置等其他应用。

然而、还有一些因素会在热循环过程中影响焊点的可靠性。这些因素不仅包括焊锡合金的特性，也包括器件端接的设计和电镀质量。事实上，在无铅焊接中，这些与器件有关的因素比在SnPb组装中更加重要。

锡须生长和焊点的破裂是无铅组装中引发故障的主要原因。业界开发出了一种被称为“安全端接”的工艺，这种工艺能够严格控制镀的厚度和涂层，还使用了镍衬层来减轻这些效应。例如，镍衬层能够阻断金属从焊点中浸出，从而保持最佳的金属化合结构。在安全端接中使用低扩散的镍合金提高了这种阻断层的整体性。此外，密切控制镀锡工艺，包括电流密度以及电解液的成分和纯度，就能够实现最优的镀锡厚度，从而减少锡须的生长。

在接触面设计上进行更多的改进能够进一步提高焊点的可靠性。端盖附属装置的优化方法，使用了规定的空气缓冲器对焊点进行应力释放。这种方法能够有效地解决由于CTE失配产生的应力，而CTE失配会导致焊点的破裂。在端盖设计上作进一步的改进能够将焊点上的应力减至最小，端盖与PCB焊盘间的界面在设计时留出了一定空隙，可以让焊锡在热循环时发生蠕变。

用这种方法对端接进行优化能够有效地改进无铅焊点的可靠性，前提条件是能够对电镀特性进行足够的控制。这只是能让设计者采用最新的高温焊接合金制造出用于更苛刻环境的系统的因素之一。但是也必须考虑器件本身的热性能，尤其是涉及到薄膜电阻等大批量市场的器件时。与绕线电阻或功率密度更低的大尺寸厚膜电阻等相对较贵的专用器件相比，使用这类器件能够节省空间和成本。

必须克服的一个关键难题与此类器件必须承受的最高中心温度有关。对于最通用的电阻，制造商一般把125℃作为最高温度，或者最多是155℃。假设采用0102或0805这样常用的工业标准外形尺寸的小尺寸，在有负载的情况下，电阻内散发的功率足以使已经工作在接近150℃的最高焊点温度下的器件变得过热。

因此需要对薄膜电阻进行进一步的改进，才能使其能够承受更高的膜温。研究的核心问题是提高薄膜材料的特性，以及制造薄膜贴片电阻时所采用的电绝缘系统。

改进电阻膜

通用薄膜电阻的主要成分是使用镍铬技术的镍铬合金器件。VishayDraloric／Beyschlag所做的最新研究已经找出改进这种基础化合物的方法，使器件在相同的温度和湿度范围内具有更高的可靠性。这种方法是向镍铬基体中添加了第三种成分，优化了基体并使电阻参数均匀分布。

这种新一代的薄膜使制造商能够生产出可以承受175℃表面温度的薄膜电阻，并且在达到或高于增强型无铅焊锡合金的最高允许工作温度155℃时也很稳定。这种新混合物还进行了工程处理，具有更高的活化能量，可提高稳定性(系数为10)和可靠性。

高温喷漆系统

Vishay还开发了一个高温喷漆系统，这个系统能够在高达175℃的温度下持续使用，并在器件的寿命周期内实现密封和防潮。这种专门开发的系统充满了环氧丙烯酸酯，已经发布并通过了在175℃级别上限温度下进行的1000小时存储的系列试验，通过了HAST 121规定的潮湿度等级(高加速温度和湿度应力试验)试验。

通过采用优化的端接和新的薄膜技术及封装材料，使新一代的薄膜电阻实现了在以往同等外形尺寸的大批量市场电阻上不曾见过的稳定性、可靠性和高负载。比较最新高温(HT)MMU0102薄膜电阻(相当于0805的外形尺寸)与传统的MICRO MELF薄膜同等产品，以及相应的采用0805和0603封装的商用电阻的性能，与厚膜技术相比，HT增强型电阻具有明显高出一筹的带负载能力，在基础功率密度上要优于薄膜技术。

结论

在无铅焊锡合金上取得的最新进展使设计者在装配汽车或工业系统时信心倍增，这些应用的目标环境会碰到持续高温、宽范围的温度循环，以及需要高可靠性。使用这些焊锡，工作温度可持续保持在155℃的高温下，而不会牺牲焊点的可靠性。但是，对于传统的薄膜电阻来说，这种温度已经接近了最高的推荐温度。即便是相对较小的负载电流，欧姆加热也会使器件的温度超过最高推荐温度，使稳定性和可靠性大打折扣。

新型薄膜电阻技术使用了优化的器件端接和高温材料，在比目前采用无铅技术的表面贴装器件所能达到的恒定或更高级别负载下，新电阻能保证在高温应用中的性能，同时还要达到更高的稳定性和更小的尺寸。采用MINI-MELF尺寸(0.5W，相当于1206尺寸)和矩形芯片尺寸(车用系列，额定温度为175℃)的类似高温电阻器件也已经出现了。