引線式電阻器失效分析與研究

作者簡介：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，顧名思義對電流起到阻礙作用。電阻器是電氣、電子設備中用得最多的基本元件之一。主要用于控制和調節電路中的電流和電壓，或用作消耗電能的負載。導體電阻越大表示導體對電流的阻礙就越大，不同的導體電阻一般不同，電阻將會導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。本文主要對自插電阻所出現故障的失效原因及防治手段進行分析和探討，電阻普遍用于業內控制器，相對于傳統的電阻存在面積小，空間利用率高，可靠性高等優點使之應用廣泛。正由于本體面積小，所以在對制造過程及加工工藝要求也會相對增加，因此對電阻器工藝結構上的整改很有必要。

0   引言

電阻器是控制器組件內核心器件，其性能工作狀態直接影響空調的調試及使用。當電阻器出現引腳脫落及值大、值小等性能問題時，直接導致控制器不能正常工作，影響用戶的空調不能正常使用，因此研究電阻器設計、失效分析、失效機理及工作可靠性，提高消費者對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氫化合物在高溫和真空分解使瓷棒表面形成一層導電膜而成的電磁感應元件，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氫化合物在高溫和真空分解使瓷棒表面形成一層導電膜，設計上出現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重，影響產品質量及用戶實際體驗效果，問題急需進行分析研究解決。

2   電阻器失效原因及失效機理分析

產線測試也多次出現電阻引腳脫落及值大、值小等異常，與此同時在復核風管空調內機及外機控制器過程中同樣發現多單通訊及電流檢測故障。排查均為電阻器異常導致，取下反復多方驗證測試阻值不穩定。對比不同廠家故障品，對故障品的性能參數、DPA 測試、電阻量、直流電阻測試等進行測試比對分析，具體分析如下：

2.1 電阻器引腳脫落

電阻器外觀分析：對放大鏡下電阻器樣品核實發現引線焊接點未與電阻本體端帽有效熔接，導致引線與本體剝離，確認為引線脫落（假焊），見圖1。

圖1 電阻器端帽引線脫落（假焊）

1）對比不同廠家正常品極限拉力試驗，見表1。

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

2）焊接電壓試驗

3）失效機理分析

對電阻引腳焊接處斷裂異常經過驗證焊接電壓是影響焊點質量的重要參數之一，生產時主要也是通過調節電壓大小來控制焊點。固定電阻器其電阻引腳焊接方式為電氣點焊, 點焊的電氣原理如圖2 焊接機控制箱)，通過大電容瞬間放電產生的強大電流進行焊接。即鍍錫鐵帽與引出線兩者之間，一端為正極，另一端為負極，兩者在瞬間相碰短路產生高熱量（原理為焦耳- 楞次定律），把鍍錫銅線接頭處加熱到熔化狀態，同時對鍍錫銅線施加一個外力，使鍍錫鐵帽與鍍錫銅線結合成為整體。中間環節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致引腳與端帽脫落的主要原因是引腳與端帽焊接強度不夠在自插后受力松脫，導致此問題產生的原因為點焊設備壓環機構壓力不足、焊接時電壓波動及端帽或者引腳氧化，污染。進一步對不良品核查發現該不良樣品引線脫落的電阻鐵帽端面發黑，有銹蝕且有輕微凹陷，致使生產焊接時銅線截面與鐵帽端面接觸不充分, 此現象是造成引線焊接不強虛焊的根本原因，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，從而進一步發生發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現明顯異常現象，對其阻值測量確認其阻值偏大。

2）經對樣品進行解剖，發現電阻器本體存在凹坑的現象。

3）失效機理分析

從放大樣品來看電阻器本體瓷棒存在凹坑的現象，產生瓷棒凹坑的原因是瓷棒在成型過程中，有雜質混入泥料中被裹入坯體內，坯體在高溫燒結時雜質被燒掉，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、結合力差，當電阻通電使用后，附著不良的部位易形成高阻區，造成發熱，從而使膜層結合力差的部位被剝離脫落，導致電阻值變大的現象。

2.3 電阻器值小異常

1）偏小電阻器樣品外觀檢查未發現明顯異常現象，對其阻值測量確認發現阻值偏小，經對樣品進行解剖，刻槽槽紋正常，膜層也沒有發現脫落現象。

2）失效機理分析

經對樣品進行分析，造成阻值變小的原因是電阻器生產流程中未涂漆的電阻體槽紋與導電帶中間受雜質污染（有異物附著），當電阻涂覆外包封漆后，異物被包封，但此時異物與膜層處于斷開狀態，并不影響阻值，因此無法被生產線檢測儀表剔除。當電阻器通過波峰焊或通電后，槽紋中的異物經熱脹冷縮貼緊在瓷棒，使原被切割分開螺絲狀的導電帶相互被導通，而出現阻值變小。當剝去漆層（含異物）后阻值回復正常。此現象是生產過程操作者對產品防護不到位造成的問題，正常防護程序執行到位完全能夠杜絕該問題。

2.4 電阻器耐壓異常

1）對不同廠家產品進行耐壓試驗，經過比對發現某廠家產品耐壓不合格，在經絕緣耐壓測試500 V 時，6 s 就出現飛弧，不符合耐壓試驗要求，對樣品進行放大鏡下觀察確認是涂層偏瘦且較薄，電阻帽蓋邊緣沒有完全包裹住，故施加絕緣電壓后，帽蓋邊緣出現擊穿。

2）失效機理分析

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，因為這種結構的電阻產品鐵帽部位直徑最大，且帽檐為直角，液態油漆在涂漆過程包裹后會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構所決定的，該批帽檐部位漆層偏薄，主要原因是當天生產過程工人對油漆的稀釋過量，超過稀釋速度的管控要求，導致該批次生產時油漆濃度偏低，涂覆烘干后油漆厚度處于下限（在工人定時補加油漆后油漆濃度恢復正常），當電阻器被錫箔包裹并進行施加電壓時，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）從附表的驗證比對來看焊接電壓是影響焊接質量的重要因素之一，焊接電壓低于標準值時，電壓越低，焊斑越小。電壓偏低時，引線輕微融化，不能與端帽形成足夠強度的合金層，彎曲實驗易出現斷裂的情況。但在電壓達到標準的焊接范圍后，焊點質量可以保證拉力合格而不至于引線焊點處斷開。

2）壓力不足及焊接電壓波動的產生主要是點焊機在焊接電極過程中，由于壓環輪出現磨損產生槽溝（壓環輪是屬消耗性材料，它與電阻帽蓋的不斷磨擦會產生槽溝，見圖3），當槽溝較深時，導致壓環機構壓力不足，使料輪、電阻帽蓋與壓環電極之間接觸不良，造成電壓波動，在焊接時因電壓偏低而出現焊接不良的情況。因此控制好壓環輪的狀態，能有效防止焊接不良而出現引腳脫落的現象。

圖3 壓環輪出現磨損產生槽溝

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

4）落實原料、練泥、成型做好泥料的防護工作，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挑選工藝，主要剔除凹坑、傷痕等不良產品，落實各項防護措施并定期檢查，縮短工序現場的防護措施執行情況的時間。

6）涂裝調漆前將上漆輪上的刮漆片松開，由之前的緊→松調整順序，改為按松→緊調整，從技術上來說就是控制適量的上漆量同時增加專檢人員對漆膜厚度進行把控檢驗，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從而保證產品的可靠性。

4   引線電阻器失效整改總結及意義

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，但往往異常的出現都是隱秘性的、長期性的和關鍵性的。目前的電阻器件趨于小型化，多作用化，對可靠性的依靠就越來越高，不僅考慮電阻器件的使用性，也要考慮實際生產、安裝、維修等情況，針對性地進行實驗驗證從而提高物料的可靠性。物料的可靠性不僅要求內部結構進行研究分析，更要擴散思維對槽紋及膜層等深入研究，多方面入手就能找到突破點，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：

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

[2] 王保良.電容耦合電阻層析成像并行電阻測量原理研究[J].傳感技術學報,2013(5):660-665.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年2月期）