溫度沖擊對(duì)貼片電阻在實(shí)際應(yīng)用中的影響及應(yīng)對(duì)方案
作者：開(kāi)步睿思 發(fā)表日期：2018-08-08 13:19:14
隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展和成熟， 越來(lái)越多的由元器件構(gòu)建成的電控單元被應(yīng)用于汽車上， 使得汽車更加智能和安全。 但由于汽車的特殊使用工況，特別是非常寬的應(yīng)用環(huán)境溫度，使得研發(fā)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)不得不考慮高低溫沖擊可能對(duì)元器件造成的影響， 本文將對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析并給出一些應(yīng)對(duì)的方案， 供大家參考。
對(duì)于貼片電阻冷熱沖擊的測(cè)試， 業(yè)界通常采用AEC-Q200中建議的測(cè)試方法， 方法如下：低溫設(shè)定在-55oC， 高溫設(shè)定在125oC， 在每個(gè)溫度下保持30分鐘， 溫度切換時(shí)間間隔要小于1分鐘， 一共要做1000次的循環(huán)， 高低溫沖擊完成后測(cè)試阻值并與測(cè)試前的初始阻值對(duì)比，觀察阻值的變化量。
通常情況下，上述的高低溫沖擊測(cè)試對(duì)阻值造成的變化不大， 不會(huì)影響電路的功能，完全可以被客戶所接受， 但冷熱沖擊有可能造成電阻電極焊接處出現(xiàn)裂紋甚至開(kāi)裂， 會(huì)極大的影響最終產(chǎn)品的可靠性， 這是完全不能被接受的， 那為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？ 在設(shè)計(jì)中又如何避免呢？
熱沖擊測(cè)試造成裂紋的主要原因來(lái)源于應(yīng)用場(chǎng)景中不同部分CET（熱膨脹系數(shù)）的差異， 如下圖所示。
當(dāng)溫度劇烈變化時(shí)， FR4底板的伸縮要遠(yuǎn)大于陶瓷基板， 如果這樣的變化多次反復(fù)，就會(huì)造成端部連接材料的疲勞最后導(dǎo)致開(kāi)裂。但這種沖擊對(duì)電阻層本身影響不大， 這也是為什么冷熱沖擊后阻值變化較小的原因。
下圖是1206封裝尺寸的電阻在經(jīng)歷2000次的-55C~125C冷熱沖擊后的圖片
圖片來(lái)源Vishay Tech.
眾所周知， 物體的熱脹冷縮是自然現(xiàn)象無(wú)法避免， 那對(duì)于這個(gè)問(wèn)題我們?cè)撊绾蝸?lái)改善和解決呢， 讓我們來(lái)進(jìn)一步分析，看看有哪些因素對(duì)熱脹冷縮的影響起到了促進(jìn)作用， 以便我們?cè)谶x擇產(chǎn)品時(shí)盡量避免他們。
上圖是普通電阻縱切面的電鏡掃描圖像， 通過(guò)分析我們可以了解到下列因素起到了對(duì)熱脹冷縮影響的促進(jìn)作用：
1. 陶瓷基板邊緣鋒利的轉(zhuǎn)角使得局部的應(yīng)力增加。
2. 端部電極層的厚度很薄， 起不到從低CET陶瓷基板到高CET焊錫之間的緩沖作用。
3. 支撐電阻的焊錫層厚度比較薄，基本上沒(méi)有能力吸收高低溫沖擊對(duì)材料造成的應(yīng)力。
4. 電阻兩個(gè)電極間的距離比較長(zhǎng)， 使得高低溫沖擊對(duì)電阻造成的伸縮幅度比較大。
通過(guò)以上分析， 如果工程師對(duì)高低溫沖擊性能有比較高的要求，（如-55C~125C， 1000次循環(huán)），下面是我們建議的一些方案。
1.盡量選用1206及以下封裝的電阻， 或長(zhǎng)邊電極電阻， 這樣可以縮短電極間的距離，減小高低溫沖擊對(duì)體積變化的影響。
2.由于功率的要求，應(yīng)用上一定要選擇大尺寸的產(chǎn)品時(shí)， 可以考慮使用倒裝貼片電阻， 結(jié)構(gòu)如下圖。
這種產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)避免了鋒利的轉(zhuǎn)角造成的局部應(yīng)力增加， 支撐的焊錫層也非常厚可以有效地吸收掉高低溫沖擊造成的應(yīng)力。縱切面的電鏡掃描圖如下：
3.對(duì)于較大功率電阻的選擇， 也可以考慮圓柱型MELF電阻，這種產(chǎn)品的圓弧型的轉(zhuǎn)角有效避免了局部應(yīng)力的增加，焊接結(jié)構(gòu)上有體量較多的焊錫支撐，可以有效的吸收溫度沖擊帶來(lái)的應(yīng)力。
4.目前也有一些廠家通過(guò)在電極層中增加一層柔性物質(zhì)， 來(lái)改善電阻在焊接后承受熱沖擊影響的能力。
綜上，我們可以了解到熱沖擊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的貼片電阻造成的影響，內(nèi)在的原因以及推薦的解決方案， 希望對(duì)汽車硬件工程師在電路的可靠性設(shè)計(jì)方面有一些幫助。
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