溫度沖擊對貼片電阻在實際應(yīng)用中的影響及應(yīng)對方案

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展和成熟， 越來越多的由元器件構(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)計時不得不考慮高低溫沖擊可能對元器件造成的影響， 本文將對這一問題進(jìn)行分析并給出一些應(yīng)對的方案， 供大家參考。

對于貼片電阻冷熱沖擊的測試， 業(yè)界通常采用AEC-Q200中建議的測試方法， 方法如下：

低溫設(shè)定在-55oC， 高溫設(shè)定在125oC， 在每個溫度下保持30分鐘， 溫度切換時間間隔要小于1分鐘， 一共要做1000次的循環(huán)， 高低溫沖擊完成后測試阻值并與測試前的初始阻值對比，觀察阻值的變化量。

通常情況下，上述的高低溫沖擊測試對阻值造成的變化不大， 不會影響電路的功能，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)裂紋甚至開裂， 會極大的影響最終產(chǎn)品的可靠性， 這是完全不能被接受的， 那為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？ 在設(shè)計中又如何避免呢？

熱沖擊測試造成裂紋的主要原因來源于應(yīng)用場景中不同部分CET（熱膨脹系數(shù)）的差異， 如下圖所示。

當(dāng)溫度劇烈變化時， 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)，就會造成端部連接材料的疲勞最后導(dǎo)致開裂。但這種沖擊對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

圖片來源Vishay Tech.

眾所周知， 物體的熱脹冷縮是自然現(xiàn)象無法避免， 那對于這個問題我們該如何來改善和解決呢， 讓我們來進(jìn)一步分析，看看有哪些因素對熱脹冷縮的影響起到了促進(jìn)作用， 以便我們在選擇產(chǎn)品時盡量避免他們。

上圖是普通電阻縱切面的電鏡掃描圖像， 通過分析我們可以了解到下列因素起到了對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，基本上沒有能力吸收高低溫沖擊對材料造成的應(yīng)力。

4. 電阻兩個電極間的距離比較長， 使得高低溫沖擊對電阻造成的伸縮幅度比較大。

通過以上分析， 如果工程師對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， 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的應(yīng)力。

4.目前也有一些廠家通過在電極層中增加一層柔性物質(zhì)， 來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現(xiàn)場應(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， 希望對汽車硬件工程師在電路的可靠性設(shè)計方面有一些幫助。