RTV材料对片式电阻器的电化学影响分析

石谨宁 王春修 周道明 邓少华

（长城电源技术有限公司 广东省深圳市 518108）

RTV 硅胶是液体硅橡胶的主要产品之一，能在宽温度范围长期使用，具有优良的电气绝缘性能和化学稳定性，能够耐水、耐臭氧、耐气候老化，对多种金属和非金属材料有良好的粘接性[1]。在电子产品中常用单组分RTV 硅胶进行密封、粘合、固定及防震。未固化前的RTV 硅胶呈液体状，几乎无流动性，但实际操作中有向周围粘附的可能性。本文提供了开关电源应用中RTV 胶覆盖表贴式片式电阻器的失效案例，通过考察RTV 硅胶材料成分和表贴式片式电阻器的组成结构，分析了RTV 硅胶的吸附特性对片式电阻器的电化学影响。

1 失效样品分析

1.1 样品概述

某主输出为12V 的工业通信电源，使用2年8 个月时间后陆续出现无输出、电源指示灯异常现象；经过初步分析定位，失效器件为输出12V 反馈环路的分压电阻，其阻值发生异常变大后导致误差放大器反相输入端电压偏低，最终使电源异常进入保护状态。

1.2 测量分析

失效电阻为表贴片式电阻器，3 颗电阻串联使用作为反馈环路分压的上偏电阻。电阻表面被RTV 胶所覆盖。经测量失效样品阻值，其中一颗电阻（R630）的阻值已超出规格值，其余两颗均在规格范围内。失效电阻样品如图1 所示。

图1：失效电阻样品

1.3 元素成分分析

如图2 所示，失效电阻经EDS 元素定量分析，在电阻的端电极和保护层的交接处有探测到Ag2S。说明该失效样品的导电层银金属出现了硫化腐蚀，生成了电阻率高的硫化银，最终导致电阻阻值异常增大。

图2：EDS 成分谱图

2 失效机理分析

2.1 片式电阻器结构

如图3 所示。该失效电阻为AC 型片式电阻器，其主要的功能结构有四个部分。第一部分为电阻体，提供电阻器的目标阻值，达到电阻功能的作用。第二部分为三层电极结构：第一层为内电极，使用纯银或者银钯作为导电层与电阻体搭接，起到连通电阻体与外界线路的作用，片式膜固定电阻器出现硫化腐蚀是内电极层材料银遭到腐蚀[2]；第二层镍层，作为阻挡层隔绝外界环境，保护内电极的作用；第三层为焊接锡铅层，便于锡焊安装。第三部分为封装介质层，通常采用保护玻璃釉或者环氧树脂类作为封装材料。第四部分载体，采用96 %氧化铝陶瓷基板作为电阻器的载体[3]。

图3：某AC 型片式电阻器组成结构

2.2 硫化银失效机理

通过电阻的内部结构组成以及元素分布，分析形成硫化银腐蚀的化学反应机理，主要是在低电势发生氧化反应，高电势发生还原反应：

（1）空气中的S 参与到反应中形成 Ag2S，这种金属材料和周围环境发生的化学反应可以称为银腐蚀；

（2）硫化银进一步发展成针状的单斜硫晶体；

（3）硫离子、氢离子和空气中的水气不断发生反应，侵蚀Ag层，从而继续生长出硫化银。如图4 所示。

图4：硫化银的生长示意图

3 材料分析

3.1 硫元素的来源分析

与失效电阻同一线路中的其他两颗电阻，表面也同样覆盖了RTV 硅胶。针对电阻及紧贴电阻表面的RTV 硅胶进行了EDS 成分扫描。根据表面元素分布，发现RTV 胶表层并无Ag 元素分布，表层的S 元素的分布与失效电阻基本一致，RTV 胶表面还检测到疏松分布的Cl 元素，未失效的电阻表面也有S 元素分布。而无RTV 硅胶的电阻表面无特殊危害元素。因此证实了S 元素的来源与RTV胶的覆盖有关系。如图5 所示。

图5：RTV 胶表面及电阻表面成分扫描

3.2 RTV胶的吸附特性

RTV 硅胶为有机绝缘材料，图6 为某单组分RTV 胶的化学成分表。

图6：某RTV 胶成分表

聚二甲基硅氧烷也叫硅酮，是以Si-O 键为主链，硅原子上直接连接有机基的有机-无机化合物，是RTV 硅胶的主要成分，具有良好的憎水性，但是当硅橡胶材料表面受到破坏时，会表现出一定的亲水性[4]，这种破坏一般来自电场作用。在高湿度环境下，硅酮中的Si-O 键能够与水分子反应，导致主链断裂，产生硅醇化合物，亲水基团增加，硅橡胶的疏水性暂时丧失。当大量生成硅烷醇和硅烷醇类化合物时，会再次发生缩合反应，导致硅橡胶表面亲水基团的还原和疏水性的恢复.因此在中低湿度条件下，硅橡胶有一定的吸湿性。

成分中占40%的氢氧化铝材料主要用来提升硅胶的硬度和提供阻燃性。活性氢氧化铝材料用作阻燃剂，以提高耐电弧性和耐漏电性。当电弧烧灼材料表面时，局部材料表面的湿度显著提高，氢氧化铝迅速分解出结晶水并吸收大量的热量，从而降低材料表面的温度[5]。氢氧化铝中含有OH键，能够与氯离子等酸根离子缓慢反应，对电子产品中的金属导体或元器件造成危害。

二氧化硅在工业上用途非常广泛，常被用于催化剂活性成分、吸附剂等，在橡胶中用于改色、改性。研究表明橡胶中添加少量的气相二氧化硅后，产品的强度、耐磨性和抗老化性等性能均超过原有属性。硅橡胶中的二氧化硅材料骨架是以硅原子为中心、氧原子为顶点的Si-O 四面体在空间不太规则地堆积而成的无定形体，堆积时胶体粒子间的空洞即为硅胶的孔隙[6]。这种多孔网络结构可以抑制胶体流动，加快固化速度，提高粘结效果，二氧化硅由于特殊的孔结构也具有良好的吸附性。在扫描电镜下观察固化后的RTV硅胶，放大1000 倍以上能够明显看到比较明显的孔洞结构。如图7 所示。

图7：某RTV 胶固化后的显微成像图

3.3 RTV胶对电阻的影响

由RTV 硅胶的成分可以看出，硅胶本身不含有硫和氯等危害元素。硅胶中的Si-O 键多孔结构，有一定的吸附作用。能够吸附空气中的硫化物、氯化物等，并使这些物质残留在孔洞结构中。

当RTV 胶灌注在电阻表面时，在电场的作用下硅胶孔洞中残留的硫化物和氯化物电离出危害离子，通过电阻保护层的交接孔隙进入电阻面电极与银发生反应形成硫化银，并且循环反应使电极上端的银逐渐被消耗，反应出的硫化银电阻率高，逐渐使电阻变大并最终形成开路。

在电子产品的制程应用中，应避免使RTV 胶粘附到表贴片式电阻表面。或选用含保护层的抗硫化电阻。如下为某AF 型抗硫化电阻的内部结构，与普通AC 结构电阻相比，在表面端电极上增加了一层C3 层防护，能够有效地阻止S 等危害元素和端电极内的银层发生腐蚀反应。某AF 抗硫化电阻如图8 所示。

图8：某AF 抗硫化电阻

4 结论

RTV 硅胶成分中含有氢氧化铝、二氧化硅等无机材料，其特殊的孔洞结构能吸附并残留空气中的硫化物、氯化物等。受电场和湿度作用，这些残留物能够电离出对电子产品具有危害性的离子。氯离子能够腐蚀氢氧化铝，使RTV 材料硬度和绝缘性受到影响，进一步加速电离作用。表贴片式电阻银导电层与硫离子易发生电化学反应，导致银层受到腐蚀而发生阻抗变化。制程中应避免使RTV胶粘附到表贴片式电阻表面，如有必要应选用含保护层的抗硫化电阻，使电子产品在长时间应用下具有良好的可靠性。