新型環(huán)保線繞電阻器的應(yīng)用特性及可靠性分析

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電阻器作為電子元件中的一個(gè)基本組成部分仍在不斷發(fā)展。由于采用新技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)，電阻器無論從生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量方面都達(dá)到了新水平。目前我國(guó)內(nèi)地有300～400家企業(yè)生產(chǎn)電阻，電阻產(chǎn)量約為3 000億只，約占全球產(chǎn)量的30％，隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品、GPS模塊和數(shù)字機(jī)頂盒的需求上升，內(nèi)地的電阻產(chǎn)業(yè)將穩(wěn)步成長(zhǎng)，產(chǎn)量還將進(jìn)一步增長(zhǎng)。同時(shí)在技術(shù)上不僅能做出精度高達(dá)0.001％的穩(wěn)定可靠的電阻器，而且具有小體積且能適應(yīng)集成電路需要的電阻網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛得到應(yīng)用。此外，隨著市場(chǎng)上對(duì)產(chǎn)品環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，大多數(shù)廠商都開始接受歐盟的環(huán)保規(guī)定。因此，環(huán)保型電阻就成為內(nèi)地電阻廠商的研發(fā)重點(diǎn)，其中ISO14001認(rèn)證是一個(gè)風(fēng)向標(biāo)。

1 電阻器的發(fā)展

電阻器可分為非線繞電阻器和線繞電阻器。非線繞電阻器具有良好的高頻性能，因而在高精密應(yīng)用方面占有主導(dǎo)地位。例如薄膜式電阻、塊狀電阻等都已在家用電器、集成電路中得到廣泛應(yīng)用，微型化電阻、片式電阻、電阻網(wǎng)絡(luò)等隨著手機(jī)、MP3、汽車產(chǎn)業(yè)的需求，也在不斷發(fā)展并呈增長(zhǎng)性需求趨勢(shì)。

線繞電阻器是一種歷史悠久的品種，目前在大功率和高精密方面保持著重要地位。目前，線繞電阻器也在日新月異地發(fā)展著新型產(chǎn)品，例如線繞熔斷電阻器、大功率削磁線繞電阻、耐雷電沖擊線繞電阻、水冷線繞電阻等許多品種的大功率線繞電阻器，在功率上已經(jīng)達(dá)到2 000 W以上。結(jié)構(gòu)上已經(jīng)延伸至泄放電阻箱、負(fù)載電阻柜等領(lǐng)域。陜西華星線繞電阻有限公司已于2002年通過了ISO14001認(rèn)證，該公司還計(jì)劃通過TL16949認(rèn)證。為了重點(diǎn)開發(fā)適應(yīng)國(guó)內(nèi)外需求的無污染型環(huán)保產(chǎn)品，該公司已設(shè)計(jì)出新型環(huán)保線繞電阻器，功率由14～200 W，結(jié)構(gòu)也有2、3引線和4引線等多種。

2 新型環(huán)保線繞電阻器的主要特性

新型環(huán)保線繞電阻的生產(chǎn)過程是嚴(yán)格按照ISO9001質(zhì)量管理體系和ISO14001環(huán)境管理體系的程序文件進(jìn)行工藝控制的。該產(chǎn)品被覆層采用高溫電絕緣無機(jī)涂料進(jìn)行涂覆(包封)。一般的電阻則采用有機(jī)或含有樹脂成份的涂料進(jìn)行涂覆。在汽車或在大功率家電上使用該產(chǎn)品時(shí)，負(fù)荷功率下的電阻體發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致涂料中的有毒有害氣體產(chǎn)生，從而對(duì)人體造成傷害或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生污染。

高溫電絕緣無機(jī)涂料成份主要由硅酸鹽粉料、無機(jī)顏料、無機(jī)粘結(jié)劑和各種助劑組成，稀釋劑為水。其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的粘結(jié)度、可耐600℃以上高溫和800℃的熱沖擊，且具有阻燃性，其耐熱震性可達(dá)到300℃～室溫10次，而包封層不開裂，同時(shí)在高溫下應(yīng)無有毒、有害物質(zhì)放出。
新型環(huán)保型線繞電阻的引線采用鍍鎳銅材，基體采用A75優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)陶瓷材料，電阻絲采用進(jìn)口線材。

3 新型電阻的可靠性

所謂可靠性，就是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。本文將可靠性用可靠度來定量地描述?？煽慷鹊亩x是產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，用R表示。產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)喪失規(guī)定功能，即發(fā)生失效的概率稱為累積失效概率，用F表示?？煽慷扰c累積失效概率之和成為必然事件的概率為1，即：

產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)的可靠度和累積失效概率可以通過大量試驗(yàn)來確定。例如取N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有n個(gè)失效，則：

其中n，F(xiàn)，R均為時(shí)間t的函數(shù)。
這是把單位時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)與試驗(yàn)總數(shù)之比稱為失效密度f(t)，它也是時(shí)間t的函數(shù)：

其中，△n(t)是在t～t+△t時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)，這樣，f(t)在0～t時(shí)間內(nèi)的積分應(yīng)等于：



失效密度用來反映產(chǎn)品在全部工作時(shí)間失效的分布情況。產(chǎn)品工作到t時(shí)刻后，在單位時(shí)間內(nèi)失效的概率稱為失效率λ(t)，可用下式表示：



失效率比失效密度能更確切地反映產(chǎn)品出現(xiàn)失效的可能性，它是標(biāo)志產(chǎn)品可靠性的常用數(shù)量特征之一。失效率越低，可靠性越高。失效率可用％／103小時(shí)作單位。對(duì)高可靠性產(chǎn)品可用10-9／小時(shí)作單位，稱為非特。

電阻器產(chǎn)品在正常條件下使用的失效可分為三種類型，即早期失效、偶然失效和耗損失效。圖1所示是電阻器失效率與時(shí)間的關(guān)系曲線。從曲線上可看出三種失效的三個(gè)階段。由于偶然失效出現(xiàn)在產(chǎn)品可靠工作的時(shí)期，研究這一時(shí)期的失效因素有重要意義。要提高產(chǎn)品的可靠性，必須加強(qiáng)產(chǎn)品對(duì)各種"應(yīng)力"所能耐受的強(qiáng)度。這里所謂的"應(yīng)力"是指對(duì)產(chǎn)品功能有影響的各種因素，如溫度、電壓電流、機(jī)械力等。

3.1 加速早期失效以提高可靠性

早期失效出現(xiàn)在產(chǎn)品開始工作后的較早時(shí)期，其特點(diǎn)是失效率高，且失效率隨時(shí)間增加迅速下降。早期失效由制造工藝缺陷、原料缺陷、設(shè)備故障、質(zhì)量檢驗(yàn)不嚴(yán)等因素造成。

首先，對(duì)原材料和工藝的嚴(yán)格檢驗(yàn)，同時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品的質(zhì)量管理可對(duì)工藝制造過程中導(dǎo)致的早期失效產(chǎn)品進(jìn)行有效控制。

其次可采用脈沖直流功率負(fù)荷的老化篩選方法來提高產(chǎn)品的可靠性。在脈沖負(fù)荷情況下，由于瞬時(shí)負(fù)荷較大，功率集中在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，它對(duì)電阻器的作用比連續(xù)負(fù)荷更為強(qiáng)烈。事實(shí)上，導(dǎo)電元件的瞬時(shí)過熱是最重要的。從熱的觀點(diǎn)看，電阻器可分為主動(dòng)部分和被動(dòng)部分，主動(dòng)部分為電阻絲，被動(dòng)部分為被加熱部分如基體、保護(hù)層和引出線等。在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，主動(dòng)部分產(chǎn)生的熱量來不及分散到被動(dòng)部分，會(huì)使主動(dòng)部分迅速升溫，然后在脈沖時(shí)間內(nèi)，主動(dòng)部分積蓄的熱量會(huì)向被動(dòng)部分傳送，從而使溫度逐漸回到一個(gè)穩(wěn)定值。圖2所示是主動(dòng)部分的溫度變化曲線。

主動(dòng)部分在脈沖持續(xù)時(shí)間τi內(nèi)的溫升△ti可表示為：

其中：α為主動(dòng)與被動(dòng)部分交界處的散熱系數(shù)；S為主動(dòng)部分與被動(dòng)部分交界處的面積；c為主動(dòng)部分的比熱；m為主動(dòng)部分的質(zhì)量；αS/cm為主動(dòng)部分的溫度時(shí)間常數(shù)；t為室溫；t1為脈沖起始溫度；為峰值功率下的主動(dòng)部分溫度：為峰值功率。

以上分析考慮了主動(dòng)部分的熱容量(cm)在脈沖功率的作用下吸收熱量使自身的溫度上升的情況，實(shí)際上，由于散熱(αS)作用，這個(gè)過程符合于一個(gè)指數(shù)規(guī)律，時(shí)間常數(shù)αS/cm表明了這個(gè)指數(shù)規(guī)律的特征。

脈沖負(fù)荷時(shí)電阻器的失效機(jī)理可分為以下幾種情況：

(1) 在峰值功率作用下，電阻器中導(dǎo)電元件瞬時(shí)過熱會(huì)造成(例如原料有缺陷、電阻絲花
線、并線、間距不均勻等缺陷)電阻器斷線、阻值漂移或嚴(yán)重老化。

(2) 在峰值電壓下，基體上纏繞的電阻絲電流密度過大或過熱，會(huì)造成(例如電阻絲有損壞或受機(jī)械損傷、米阻值不穩(wěn)定等缺陷)電阻器阻值無窮大、阻值漂移或損壞，這種情況通常在高阻時(shí)發(fā)生。 (3) 在峰值電流作用下，引線與電阻絲焊接部分的電流密度過大或過熱，會(huì)造成(例如電阻絲與引線的焊接虛焊、搭線等缺陷)電阻器斷線、阻值無窮大或電阻器損壞，這種情況通常在低阻時(shí)發(fā)生。

脈沖老練的目的一是剔除有內(nèi)在缺陷的器件，二是可使電阻器的性能更加穩(wěn)定。

3.2 降低偶然失效來提高可靠性

偶然失效可出現(xiàn)在整個(gè)工作期間，其特點(diǎn)是失效率低且近似為常數(shù)。偶然失效可看作是在某一時(shí)刻電阻器中所累積的"應(yīng)力"超過了本身所能耐受的強(qiáng)度所造成的。線繞電阻在繞制過程中由于電阻絲比較細(xì)。當(dāng)拉力較大時(shí)，容易被拉長(zhǎng)而發(fā)生不均勻的塑性變形。當(dāng)拉力小于屈服應(yīng)力時(shí)，電阻絲不發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生彈性變形，電阻絲中保持著拉應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)影響阻值的穩(wěn)定性，另外，緊繞的繞組受骨架熱膨脹失配的影響也較大。

采用熱老化處理可使電阻絲在繞制過程中受的應(yīng)力及其它不穩(wěn)定因素在熱處理過程中提前恢復(fù)，從而使阻值達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)然，熱老化溫度一般低于電阻絲被覆層或骨架材料所能耐受的最高溫度，老化時(shí)間通常為24～48小時(shí)。

圖3所示為卡瑪線在不同拉力下繞制后，在190℃溫度熱老化過程中阻值隨時(shí)間的變化曲線。拉力越大，阻值在熱老化時(shí)的變化也越大，這說明熱處理是消除應(yīng)力影響的有效措施。

3.3 耗損失效

耗損失效一般出現(xiàn)在產(chǎn)品的使用后期，其特點(diǎn)是失效率隨時(shí)間的增加而上升。耗損失效主要是由于產(chǎn)品的老化和疲勞造成的。

4 結(jié)束語

新型環(huán)保線繞電阻器主要用來在低頻交流電路中發(fā)揮降壓、分流、負(fù)載、反饋、轉(zhuǎn)能、匹配等作用，或在電源電路中起到吸收器和分壓器的作用，也可用作震蕩回路和變壓器內(nèi)衰減調(diào)整及脈沖形成電路中的分流器。此外，也可用于整流器中濾波級(jí)電容器的放電和消火花。同時(shí)可廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療設(shè)備、汽車行業(yè)、鐵路、航空、軍用設(shè)備儀器等領(lǐng)域。