不同保护层结构TO塑封电阻器的过载性能_喻振宁.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology222023年1月第44卷第1期摘要：TO塑封电阻器主要用于耗散脉冲能量，其可靠性的高低会影响电子系统的稳定运行。根据TO247和TO263两种典型封装结构建立了过载时等效电阻模型，通过采用低温或中温包封浆料与硅胶等材料，制备了四种保护层结构，并对11 000 的典型阻值进行直流过载试验。研究结果表明：当施加电压约为1.5倍额定电压时，保护层结构为中温包封层和硅胶层的电阻器过载后变为开路失效模式，其可靠性优于其他三种产生短路失效模式的电阻器，理论模型推导与试验结果一致。该研究对TO功率器件的制造和应用具有一定的指导意义。关键词：过载性能；保护层结构；电阻模型；TO塑封电阻中图分类号：TN6文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0022-04Abstract:TO plastic sealed resistor is mainly used to dissipate pulse energy,and its reliability will affect the stable operation of electronic system.Based on TO247 and TO263 typical packaging structures,the equivalent resistance model under overload is established.Four kinds of protective layer resistors are prepared by using low or medium temperature coating paste and silica gel materials,and DC overload tests are carried out on typical resistance values of 11 000.The results show that when the voltage is about 1.5 times of rated voltage,the resistors with medium-temperature cladding layer and silica gel layer become open circuit failure mode after overload,and their reliability is better than the other three kinds of resistors with short circuit failure mode.The theoretical model deduced is consistent with the test results.This research has certain guiding signifi cance for the manufacture and application of TO power devices.Keywords:overload performance;protective-layer structure;resistance model;TO plastic sealing resistors Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0022-04不同保护层结构TO塑封电阻器的过载性能Influence of Protective Layer Structure on Overload Failure of TO-plastic Resistors喻振宁，朱沙，李淼，庞锦标，谢强YU Zhenning,ZHU Sha,LI Miao,PANG Jinbiao,XIE Qiang（中国振华集团云科电子有限公司，贵阳 550018）(Yunke Electronics Co.,Ltd.,China Zhenhua Group,Guiyang 550018,China)0 引言晶体管外形（Transistor Outline，TO）封装电阻器主要应用于电力电子、电源模块、射频功放等电路系统中，配备合适的散热装置，可使整机系统向小型化、轻量化方向大力发展。该电阻器基于片式膜电阻器发展而来，对片式厚膜功率电阻器开展的相关研究表明，在承受电脉冲能量后，片式厚膜电阻器的失效模式为三类：1）电阻膜层烧毁；2）基板碎裂；3）电阻器和基板焊点的疲劳裂纹。每种失效模式都与特定的脉冲持续时间范围相关1。给片式电阻器施加不同倍数的额定电压，其阻值先变小后变大，与电阻器规格和阻值无关，并且阻值越基金项目：工业和信息化部工业强基项目（0 7 1 4-E MT C-0 2-0 0 8 6 9）。作者简介：喻振宁（1 9 9 0-），男，硕士，工程师，主要从事电子元器件的研发工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.006第44卷第1期23高，出现阻值拐点时所对应的电压倍数越大。当施加电压继续升高，电流开始向绝缘电阻减小的地方集中，所引起的热量将导致电阻体发生破坏，阻值继续升高，直至开路2。当塑封电阻器经受过电应力或热应力影响3-4，即对电阻器施加持续的较大电压、电流或热应力时，塑封壳体碳化，封装器件的整体失效5-6。在对金属-聚合物界面的失效问题的研究7-8中，分别观察了金属-聚合物的界面分层和界面断裂过程，发现温度对界面分层的萌生与扩展具有明显的促进作用，而界面处预留的裂纹缺陷对环氧树脂粘接的影响显著。通过试验与建模仿真研究表明：温度、湿度以及电场等多物理场耦合效应不仅对封装材料的性能影响显著，且可明显加速封装失效，其中金属与聚合物界面是封装失效最易形成的区域9。因TO塑封电阻器过载性能研究资料不多，本文针对典型类型TO247和TO263塑封电阻器，主要研究了四种保护层结构TO塑封电阻器的过载性能。1 典型T O 塑封电阻器结构分析TO247电阻器和TO263电阻器，其结构主要由陶瓷基板、电阻膜层、电阻保护层、塑封壳体、引脚和散热底板组成，外形如图1所示，根据其主体结构特点，过载时等效电阻模型如图2所示。图1 典型T O 电阻器外形结构图3 T O 2 4 7 电阻器过载试验图2 T O 电阻器过载等效模型（a）T 0 2 4 7 电阻器 （b）T 0 2 6 3 电阻器TO电阻器过载时等效阻值R为：（1）式中：r1是电阻膜层的阻值；r2是电阻包封层的等效阻值；r3为接触包封层塑封壳体的等效阻值。2 试验2.1 电阻器制备通过丝网印刷制备电阻膜层和包封层，电阻膜层选用正温度系数钌系浆料，850 烧结成型。用于保护电阻膜层的低温包封层为200 固化的介质浆料，固化后电阻率1010 cm。用于保护电阻膜层的中温包封层为600 固化的介质浆料，固化后电阻率1016 cm。位于包封层之上的硅胶层具有良好的电绝缘性，电气强度15 kV/mm。塑封壳体为热塑性树脂材料，负荷变性温度约330，电阻率51015 cm。基于以上材料和工艺制作了典型阻值为1、10、100、1 000 的样品。四种电阻器保护层结构分别为：1）低温包封层、无硅胶和塑封壳体；2）低温包封层、硅胶层和塑封壳体；3）中温包封层、无硅胶和塑封壳体；4）中温包封层、硅胶层和塑封壳体。2.2 过载性能测试设定TO247电阻器的额定功率P为100 W，TO263电阻器的额定功率为35 W，参考GJB360B-2009中短时过载试验的要求，具体试验方法为：在TO塑封电阻器底部安装区域涂覆导热硅脂，使用螺钉或紧固压块将电阻器固定在散热器上，安装力矩不大于0.9 Nm。根据电阻器初始阻值，在电阻器上施加数倍的额定电压U，持续时间51 s或当阻值稳定时停止试验，待电阻器冷却至室温后测试阻值，如图3所示为TO247封装电阻器试验安装方式，TO263电阻器参考执行。额定电压按照欧姆定律进行计算：（2）3 结果与分析对上述四种保护层结构的四种阻值、16种规格电阻器各制备20只，按照试验方案分别施加不同倍数的额定电压。3.1 试验数据分析根据试验数据，四种保护层结构电阻器过载后阻值变化趋势如图4和图5所示。前三种保护层结构TO247和TO263的电阻器阻值均随施加电压的增加而变大，施加电压约为1.4U时阻值变化至最大值，当施加电压约为1.5U时，电阻器阻值突然降低，呈短路失效模式。前三种保护层结构电阻器施加1.5U过载试验后塑封壳体有烧焦情况，观察到试验后电阻器陶瓷底部有贯穿的裂纹，裂纹分布无规则。通过X-ray扫描，观察到电阻器过载试验后电阻膜层存在贯穿的裂纹，沿着裂纹周围喻振宁，等：不同保护层结构T O 塑封电阻器的过载性能2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology24（c）中温包封无硅胶T O 2 4 7 电阻器过载阻值变化情况（c）中温包封无硅胶T O 2 6 3 电阻器过载阻值变化情况（c）低温包封无硅胶T O 2 4 7 电阻器过载阻值变化情况（c）低温包封无硅胶T O 2 6 3 电阻器过载阻值变化情况（d）中温包封有硅胶T O 2 4 7 电阻器过载阻值变化情况（d）中温包封有硅胶T O 2 6 3 电阻器过载阻值变化情况（d）低温包封有硅胶T O 2 4 7 电阻器过载阻值变化情况（d）低温包封有硅胶T O 2 6 3 电阻器过载阻值变化情况图4 四种保护层结构T O 2 4 7 电阻器过载阻值变化情况图5 四种保护层结构T O 2 6 3 电阻器过载阻值变化情况(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%(R/R)/%试验电压/V试验电压/V试验电压/V试验电压/V试验电压/V试验电压/V试验电压/V试验电压/V和电阻膜中心区域的烧蚀痕迹较为明显，图6(a)为前三种保护层结构TO247和TO263电阻器试验前X-ray检测图，这三种保护层结构电阻器1.5U过载后X-ray检测图均如图6(b)所示，电阻膜层区域烧蚀痕迹明显，电阻器试验后阻值均为0.510 不等。器试验后陶瓷基板存在贯穿裂纹，裂纹附近有贯穿的烧蚀痕迹；有的电阻器试验后无明显裂纹，但电阻膜层也有贯穿的烧蚀痕迹，如图7所示。图6 前三种保护层结构电阻器过载前后X-r a y 扫描图（a）（b）图7 第四种保护层结构电阻器过载后X-r a y 扫描对试验后失效电阻器不同保护层部位测试阻值，塑封壳体烧焦部位和低温包封层测试阻值为15，电阻膜层、中温包封层和硅胶层均未测试到阻值。第四种保护层结构电阻器的阻值随施加电压的增加而变大，施加电压约为1.4U时阻值变化至最大值，当施加电压约为1.5U时，电阻器呈开路的失效模式。1.5U过载试验后，塑封壳体、保护层未测试到阻值，试验后电阻器外观无烧焦情况。有的电阻3.2 过载失效机理分析根据试验中电阻器的制作工艺特点，电阻膜层、包封层和塑封壳体的材料固化温度依次降低，即材料变性临界温度点具有依次降低的特性。电阻器过载试验中实测电阻器内部温度为700800，本文所使用包封浆料电阻率至少为1010 cm，塑封材料电阻率是51015 cm，正常工况下均是绝缘材料，本身不具备导电性，当包封层和塑封壳体接触到短时功率能量后，温度会使材料原子排列发生变化，因不同保护层结构耐温特点不同，温度对其影响电阻率的变化程度也不同。包封层受高温后首先发生的是分解，进而烧焦发生碳化，材料碳化过程中原子在空间重新排列，形成无定型碳，最终形成类似石墨一样的层状晶体结构，温度越高，持续时间越长，形成的石墨化程度也就越高，结构越完善，导电能力就越强，电阻率越小。对于第一种和第三种保护层结构的电阻器，随着施加电压升至1.4U，积累的能量造成电阻膜层温升增加，由于电阻膜为正温度特性，r1变大，同时，观察到包封层和塑封体未出现碳化现象，r2和r3仍趋近于无穷大，则