一種嵌入式電阻器宇航適用性研究

毛喜平，張延偉，張紅旗，王智彬，孔鵬

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京　100094）

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一種嵌入式電阻器宇航適用性研究

毛喜平，張延偉，張紅旗，王智彬，孔鵬

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094）

為了滿足航天電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展需求，對(duì)某商用印制板的嵌入式電阻器的宇航適用性進(jìn)行了研究。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和一系列的評(píng)估試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了該嵌入式電阻器的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了其宇航適用性的初步結(jié)論。

嵌入式電阻器；結(jié)構(gòu)分析；評(píng)估試驗(yàn)；宇航適用性

0　引言

隨著電子產(chǎn)品朝著小型化方向的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品中采用PCB內(nèi)部嵌入元件的技術(shù)也在迅猛地發(fā)展。據(jù)報(bào)道，與通過(guò)SMT設(shè)計(jì)所得到的PCB相比，采用嵌入技術(shù)所得到的PCB的面積可以縮小40%［1-2］。高密度印刷電路板，通常都是采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將厚膜電阻器印制在電路板層間，從而能夠節(jié)省電路板表面寶貴的空間，為安裝更多的元器件提供可能。這種技術(shù)使得產(chǎn)品具有尺寸小、重量輕和集成度高的優(yōu)點(diǎn)，從而可以更好地滿足宇航應(yīng)用的要求。宇航應(yīng)用除了要求產(chǎn)品的阻值要滿足精度要求外，還要求產(chǎn)品應(yīng)具有良好的溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

本文選取了一種具有典型結(jié)構(gòu)的印制板嵌入式電阻器，從宇航應(yīng)用的角度對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，針對(duì)結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的薄弱點(diǎn)和進(jìn)一步的評(píng)估建議，并結(jié)合宇航應(yīng)用的實(shí)際而制定了評(píng)估試驗(yàn)方案，通過(guò)一系列的評(píng)估試驗(yàn)，給出了該種嵌入式電阻器的宇航適用性的初步結(jié)論。

1　嵌入式電阻器技術(shù)

1.1嵌入式電阻器的現(xiàn)狀

嵌入無(wú)源元件的概念在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，70年代初開(kāi)始應(yīng)用NiP和NiCr層制作內(nèi)埋薄層電阻。目前，嵌入薄膜電阻和材料已發(fā)展得較為成熟，生產(chǎn)與嵌入式電阻器相關(guān)的產(chǎn)品的代表公司有DuPont電子技術(shù)、Ohmega、Ticer、She1dah1、W.L. CORE&ASSOCIATE和Georgia技術(shù)研究所等［3］。

根據(jù)目前的生產(chǎn)工藝，可以將嵌入式平面電阻產(chǎn)品分為厚膜電阻和薄膜電阻兩種。厚膜電阻成本低、阻值大，方塊阻值可以達(dá)到10～1 000 kΩ；但在惡劣的環(huán)境下，其穩(wěn)定性差、電阻溫度系數(shù)（TCR）高。薄膜電阻在較高溫度和濕度的條件下具有較好的穩(wěn)定性、TCR低，但其阻值很小。結(jié)合薄膜和厚膜電阻技術(shù)，幾乎可以制造出所有常用阻值范圍內(nèi)的電阻［2-5］。電阻值范圍小時(shí)使用薄膜電阻可以大量地減小面積，同時(shí)獲得精確的阻值；使用厚膜電阻可以獲得較大的阻值，但公差相對(duì)較大。

1.2嵌入式電阻器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)分析

嵌入式元件最大的優(yōu)勢(shì)是其能夠節(jié)省電路板表面的安裝空間，同時(shí)，由于元件嵌入在電路板內(nèi)部，因而其受環(huán)境變化的影響相對(duì)較小，穩(wěn)固性更高；另外，嵌入式避免了普通安裝元器件的焊點(diǎn)，縮短了布線長(zhǎng)度，從而消除了寄生電感和電容，提升了PCB的頻率特性［6］。雖然嵌入式電阻器具有上述優(yōu)勢(shì)，但是其依舊存在一些問(wèn)題，主要包括斷裂分層和各種嵌入元件的穩(wěn)定性問(wèn)題。

因?yàn)榍度朐ǔＰ枰捎枚鄬盈B構(gòu)設(shè)計(jì)，而不同材料之間的溫度系數(shù)不匹配將會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而容易造成嵌入元件產(chǎn)生分層現(xiàn)象，進(jìn)而影響電阻器的穩(wěn)定性和可靠性。

嵌入式電阻器的阻值大幅度地上升對(duì)聚合厚膜電阻的穩(wěn)定性具有影響。其中一個(gè)關(guān)鍵因素是電阻材料和其沉積的導(dǎo)線表面間的結(jié)合情況，當(dāng)電阻寬度小于1.5 mm時(shí)，碳膏和碳銀膏與銅端面間的結(jié)合力在某些區(qū)域會(huì)非常差，以致于經(jīng)受熱沖擊之后電阻和銅導(dǎo)線間的互連會(huì)出現(xiàn)斷裂。某電阻器經(jīng)溫循之后的SEM圖片如圖1所示，從圖1可以看出，經(jīng)溫循之后導(dǎo)體層和電阻層接觸面間會(huì)出現(xiàn)一些小裂紋，而這些裂紋會(huì)造成阻值可逆或不可逆的增長(zhǎng)［1］。

圖1　溫循之后的裂紋

另外，與分立式元件不同的是，有缺陷的嵌入式元件無(wú)法替換，這意味著即使是一個(gè)小元件出現(xiàn)問(wèn)題也會(huì)造成整個(gè)線路板報(bào)廢，如何保證阻值的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是嵌入式電阻器技術(shù)一直想要解決的問(wèn)題。

2　某型嵌入式電阻器的結(jié)構(gòu)分析

2.1外觀與結(jié)構(gòu)

本文研究的某型嵌入式電阻器表面為金屬銅箔，可見(jiàn)定位孔與元件接插孔，其外觀如圖2所示。

圖2　某型嵌入式電阻器的外觀實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)圖

其中，標(biāo)稱值為60 Ω的嵌入式電阻器的n-n’（n=1～10）之間的標(biāo)稱阻值均為60 Ω；標(biāo)稱值為15 Ω的嵌入式電阻器的n-n’（n=1～10）之間的標(biāo)稱阻值均為15 Ω。

2.2材料與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

結(jié)合X射線照片和剖面分析可知，該P(yáng)CB的內(nèi)置嵌入式電阻器是采用4層厚度為40 μm的銅箔制成的，銅箔之間采用玻璃纖維編織布增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料連接，其中1、2層與3、4層銅箔之間的間距均為200 μm，2、3銅箔之間的間距為900 μm。

第二層銅箔刻蝕形成銅線，與兩端的通孔相連，銅線在中間斷開(kāi)，其中15 Ω電阻內(nèi)銅線為直線，銅線兩端通孔位于PCB兩側(cè)，內(nèi)有一處斷點(diǎn)；60 Ω電阻內(nèi)銅線為折線，銅線兩端通孔位于PCB同側(cè)，內(nèi)有兩處斷點(diǎn)。在銅線斷開(kāi)處使用電阻粘劑連接，形成電阻體，電阻體的表面包覆有保護(hù)膜層。

對(duì)電阻體進(jìn)行成分分析發(fā)現(xiàn)，其主要成分為C，還有少量的Si、O，可以認(rèn)為該電阻粘劑為摻有傳導(dǎo)性碳粉的樹(shù)脂。X射線和剖面照片分別如圖3和圖4所示。

圖3　15 Ω銅線直排電阻和60 Ω銅線折排電阻的X射線形貌圖

圖4　15 Ω銅線直排電阻器和電阻體的部面圖

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，15 Ω銅線直排與60 Ω折排電阻器只是銅線的走向與通孔的排布方式不同，其余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及所用的材料均相同。

2.3結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)該型嵌入式電阻器的結(jié)構(gòu)、材料和工藝等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其不存在宇航禁、限用問(wèn)題或其他重大可靠性隱患，但宇航應(yīng)用前還需進(jìn)一步地對(duì)其開(kāi)展如下評(píng)估工作。

a）由于該電阻器的電阻體層位于PCB的內(nèi)部，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行精確的調(diào)阻，因此該電阻器的精度較低，只能應(yīng)用于精度要求不高的項(xiàng)目。

b）由于電阻體為摻碳粉形成的樹(shù)脂，因而在溫度應(yīng)力的作用下存在由于電阻件發(fā)生變形而影響電阻值的隱患，建議對(duì)該電阻的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行考核評(píng)估。

c）由于樹(shù)脂基電阻體內(nèi)埋置于PCB內(nèi)，因而存在由于PCB受力變形而導(dǎo)致電阻本體變形開(kāi)裂或者與銅線連接開(kāi)裂斷開(kāi)的隱患，進(jìn)而會(huì)影響電阻體本體的電阻或與銅線的接觸電阻，因此需要對(duì)該電阻器在外部翹曲等機(jī)械力應(yīng)力下的阻值穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

3　評(píng)估試驗(yàn)及結(jié)果分析

針對(duì)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和宇航應(yīng)用的要求，開(kāi)展了針對(duì)性的測(cè)試和評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

3.1電阻器阻值測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)每種規(guī)格各3塊電路板上的電阻器全部進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，15 Ω的電阻器的阻值偏差范圍在-15.1%～14.5%之間，60 Ω的電阻器的阻值偏差范圍在-7.8%～5.7%之間。可見(jiàn)該嵌入式電阻器的精度確實(shí)較低，尤其是阻值較小的產(chǎn)品的精度會(huì)更低，只能應(yīng)用于精度滿足要求的項(xiàng)目，在選用時(shí)必須注意。

3.2電阻器溫度特性分析

溫度特性是電阻器的重要指標(biāo)，一般厚膜片式電阻器和金屬膜電阻器的溫度特性在±100×10-6/℃左右；而片式薄膜電阻器的溫度特性更好，可以達(dá)到±25×10-6/℃左右。

兩種規(guī)格的嵌入式電阻器的溫度特性試驗(yàn)結(jié)果如下所述。

a）15 Ω的電阻器

1）-55℃下電阻器的溫度系數(shù)最大為-1130.7×10-6/℃，最小為-371.4×10-6/℃；

2）125℃下電阻器的溫度系數(shù)最大為-551.6×10-6/℃，最小為14.8×10-6/℃。

b）60 Ω的電阻器

1）-55℃下電阻器的溫度系數(shù)最大為-610.0×10-6/℃，最小為-330.9×10-6/℃；

2）125℃下電阻器的溫度系數(shù)最大為-216.7× 10-6/℃，最小為-48.2×10-6/℃。

可見(jiàn)，兩種規(guī)格的嵌入式電阻器在-55℃下的溫度特性值較大，其最小值也比片式厚膜電阻器的大2～3倍，在低溫應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。相比之下，其在高溫下具有相對(duì)良好的穩(wěn)定性，溫度系數(shù)的最小值可達(dá)14.8×10-6/℃，可與片式薄膜電阻器的溫度特性相比擬；但是，由于該產(chǎn)品不能進(jìn)行調(diào)阻，且未進(jìn)行過(guò)篩選，因而其在高溫下的溫度特性的離散性較大。

3.3耐溫度沖擊性能分析

在對(duì)電阻器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其在溫度應(yīng)力作用下存在由于電阻體發(fā)生變形而影響電阻值的隱患，因而建議對(duì)該電阻器的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行考核評(píng)估。因此，設(shè)計(jì)了溫度沖擊評(píng)估試驗(yàn)，溫度沖擊評(píng)估試驗(yàn)既可以對(duì)嵌入式電阻體本身的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，又可以對(duì)埋層材料與電阻器本體的材料溫度應(yīng)力的匹配性，以及內(nèi)外部金屬連接的整體的有效穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

兩種規(guī)格的電阻器按GJB 360B-2009的方法107條件進(jìn)行了 （-55℃，+85℃）的溫沖試驗(yàn)，初始循環(huán)10次后增加循環(huán)次數(shù)，以50次遞增進(jìn)行試驗(yàn)，直至完成210次循環(huán)為止；試驗(yàn)的過(guò)程中需測(cè)試并記錄電阻值，并且需計(jì)算出電阻的變化率。

試驗(yàn)表明，隨著溫度沖擊次數(shù)的增多，阻值基本越來(lái)越穩(wěn)定，兩種電阻器的阻值變化越來(lái)越小，由此可見(jiàn)，溫沖對(duì)于電阻器的阻值具有一定的穩(wěn)定作用，這也是電阻器會(huì)將溫度沖擊作為一項(xiàng)篩選試驗(yàn)項(xiàng)目的原因。

15 Ω的電阻器經(jīng)過(guò)210次溫沖后的阻值變化最大為-2.78%，60 Ω的電阻器經(jīng)過(guò)210次溫沖后的阻值變化最大為-0.76%。試驗(yàn)表明，該種摻碳粉樹(shù)脂形成的電阻體本身具有良好的溫度穩(wěn)定性，內(nèi)外部金屬連接同樣具有良好的溫度穩(wěn)定性；同時(shí)，經(jīng)過(guò)210次溫度沖擊后，產(chǎn)品的外觀未見(jiàn)分層、脫皮或翹曲等現(xiàn)象，說(shuō)明銅箔、埋層材料與電阻器本體材料的溫度應(yīng)力匹配性較好。

總之，試驗(yàn)表明該型電阻器具有較強(qiáng)的耐溫度沖擊能力，同時(shí)也表明溫沖對(duì)該型電阻器阻值具有一定的穩(wěn)定作用。

3.4耐彎曲性能分析

通過(guò)對(duì)電阻器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)有必要對(duì)電阻器在外部翹曲等機(jī)械應(yīng)力下的阻值的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，因此，參考片式瓷介電容器彎曲試驗(yàn)為該電阻器設(shè)計(jì)了耐彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如圖5所示。

從印制板上裁下單個(gè)電阻器，焊線引出阻值，將單個(gè)電阻器壓在印制板和試驗(yàn)工裝上。在單個(gè)電阻器中心施力，以1 mm/s的彎曲速率分別將電阻器彎曲1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm、5 mm，并測(cè)量電阻器的阻值，計(jì)算阻值的變化率。試驗(yàn)截止條件為：電阻器彎曲5 mm或其阻值變化率大于或等于20%。

電阻值隨彎曲深度的變化而變化的情況如圖6所示。

圖5　片式電容器的彎曲試驗(yàn)工裝

圖6　阻值隨彎曲深度的變化而變化的曲線圖

由圖6可以看出，阻值隨著彎曲深度的增加呈線性減少，其最大變化率為-11.60%。結(jié)合該型嵌入式電阻器的結(jié)構(gòu)和材料分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，在工裝逐漸地下壓的過(guò)程中，工裝對(duì)電阻膜層也在逐漸地施加壓力，導(dǎo)致膜層越發(fā)致密，電阻率減小，因而表現(xiàn)為阻值逐漸地減小。試驗(yàn)完成后，將單個(gè)電阻器從工裝上取下，測(cè)量阻值，發(fā)現(xiàn)其基本上能恢復(fù)初始阻值，表明該型嵌入式電阻器具有較強(qiáng)的耐彎曲能力。

3.5耐濕性能分析

除了根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果對(duì)該型電阻器的溫度特性、耐溫度沖擊性能和耐彎曲性能進(jìn)行了分析外，本文還根據(jù)型號(hào)運(yùn)輸和儲(chǔ)存的要求，對(duì)其進(jìn)行了耐濕試驗(yàn)，以考察該種嵌入式電阻器在高溫高濕條件下耐潮濕劣化影響的能力。按GJB 360B-2009的方法106進(jìn)行了耐濕試驗(yàn)，試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品表面沒(méi)有外觀缺陷，15 Ω的產(chǎn)品的阻值變化范圍在-0.21%～0.69%之間，60 Ω的產(chǎn)品的阻值變化范圍在0.15%～1.22%之間，可見(jiàn)，銅箔之間的玻璃纖維編織布增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較好的耐濕性能，對(duì)嵌入其中的電阻體具有很好的保護(hù)作用，體現(xiàn)了嵌入式的優(yōu)點(diǎn)。

3.6耐焊接性能分析

由于是通孔安裝，因而該類型嵌入式電阻器在應(yīng)用時(shí)一般通過(guò)手工烙鐵焊接技術(shù)進(jìn)行焊接，因此，按照 GJB 360B-2009的方法210試驗(yàn)條件A烙焊法 （350℃±10℃，4～5 s）在印制板的電阻器引出端進(jìn)行耐焊接熱試驗(yàn)。

試驗(yàn)后，15 Ω的產(chǎn)品的阻值變化范圍在-0.04%～0.32%之間，60 Ω的產(chǎn)品的阻值變化范圍在± 0.05%之間，證明產(chǎn)品的耐焊接能力良好。結(jié)果表明，表面大面積的銅箔、過(guò)孔和內(nèi)部銅連線均是熱的良導(dǎo)體，而埋層材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于360℃，且是熱的絕緣體，可以對(duì)嵌入其中的電阻體本身起到很好的保護(hù)作用，也體現(xiàn)了嵌入式的優(yōu)點(diǎn)。因此，該型嵌入式電阻器具有較好的耐焊接熱能力。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型嵌入式電阻器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了其在宇航應(yīng)用前需要進(jìn)行評(píng)估的各個(gè)方面，通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)證明了該型電阻器具有阻值精度低、高溫下阻值穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，同時(shí)也證明了其具有較好的耐溫度沖擊能力和耐機(jī)械彎曲的能力。此外，試驗(yàn)還證明了該電阻器具有良好的耐濕性能和耐焊接熱性能，體現(xiàn)了嵌入式的優(yōu)點(diǎn)。

總之，盡管該型電阻器存在阻值精度低、無(wú)法單獨(dú)地更換嵌入的電阻體等缺點(diǎn)，但是，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和針對(duì)性評(píng)估試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其不存在任何影響宇航應(yīng)用的重大問(wèn)題。因此，鑒于嵌入式電阻器具有各種優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為該嵌入式電阻器通過(guò)適當(dāng)?shù)暮Y選和考核后仍具有較好的宇航應(yīng)用前景。

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Research on the Aerospace Applicability of an Embedded Resisor

MAO Xi-ping，ZHANG Yan-wei，ZHANG Hong-qi，WANG Zhi-bin，KONG Peng
（China Academy of Space Techno1ogy，Beijing 100094，China）

In order to meet the deve1opment needs of the miniaturization of aerospace e1ectronic products，the aerospace app1icabi1ity of the embedded resistor of a commercia1 PCB is studied. Based on the structura1 ana1ysis and a series of eva1uation tests，the advantages and disadvantages of the embedded resistor are found，and the preliminary conclusions of the aerospace applicability of the embedded resistor are given.

embedded resistor；structura1 ana1ysis；eva1uation test；aerospace app1icabi1ity

TM 54

A

1672-5468（2016）03-0023-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.005

2016-01-02

2016-04-05

毛喜平 （1977-），女，黑龍江寧安人，中國(guó)空間技術(shù)研究院宇航物資保障事業(yè)部工程師，碩士，從事型號(hào)元器件的質(zhì)量保證工作。