电阻器的失效模式和机理

对于固定电阻器,其主要失效模式有开路、电参数漂移等;而对于电位器,其主要失效模式有开路、电参数漂移、噪声增大等。其主要失效机理和因素有以下几个方面。

1.电阻体的不均匀发热

(1)轴向发热不均匀:电阻器两端帽盖不是发热体,通过引线传导散热却是捷径,因此造成近引线的两端温度要比电阻体沿长度方向的中部温度低。

(2)径向发热不均匀:电阻体产生的热量首先沿半径方向(厚度方向)传导到电阻体的表层,再通过保护层向周围环境散热。

(3)刻槽电阻器的不均匀发热:在刻槽电阻器中,发热主要集中在刻槽的电阻膜层内,两端未刻槽部分负荷功耗很小,刻槽时形成的槽旋宽度不均匀,以及刻槽后电阻膜截面积的减小使得电阻膜的内在缺陷影响增大,使电阻器局部过热现象加重。

(4)电阻体结构不均匀:各种类型的电阻体,在制造过程中由于工艺因素不可避免地存在着电阻体结构上的不一致性,造成电阻膜各部分阻值分布的不均匀,导致负荷分布的不均匀,形成局部过热。

2.额定电压

根据额定功耗计算出的电压称为电阻器的额定电压。当加到电阻器两端的电压不断升高,超过额定电压时会发生击穿现象,导致电阻器阻值不可逆的增大,严重时还会烧毁膜层以致开路。

3.电阻器的老化

电阻器的老化是由于导电材料、黏结剂及接触部分逐渐产生不可逆变化的结果,老化过程是在工作条件和环境条件下,电阻器的电阻发生各种物理和化学的形成过程的综合。

(1)导电材料结构的变化。

薄膜电阻器中,用沉积方法制得的导电膜是不完整的晶体结构,存在一定程度的无定型结构。在储存和工作条件下,导电膜的无定型体以一定的速度趋于结晶化。导电膜的结晶化一般使电阻值降低,这种过程是很缓慢的,影响也很小。

(2)电阻合金在冷加工过程中因机械应力而使内部结构发生应变。

拉制的线径越细或碾压的箔材越薄,则所受到的应力也越大。合金线在制造线阻的绕线过程中也会产生应力,绕线时的拉力越大则产生的应力也越大。电阻体中残余的内应力在长期的存放或工作过程中会慢慢消除,同时电阻值也发生变化。

(3)吸附和解吸。

非绕线电阻器的电阻体内总含有少量的气体,或吸附在结晶体的棱边,或吸附在导电颗粒和黏结剂中。虽然所吸附的气体量非常少,但是吸附气体构成了晶体间的间隙,减弱了导电颗粒间的接触,因此对电阻值有明显影响。同时,电阻器在制造和工作时温度和气压不同,是造成电阻值变化的原因之一。由于吸附和解吸过程首先发生在电阻体的外层,所以对薄膜电阻器的影响较大。

(4)氧化。

电阻器电阻体的氧化将使电阻值增大,是造成电阻器老化的最主要因素。除了贵金属及合金制成的电阻体外,其他材料都会受到空气中氧的破坏。氧化作用是长期作用的,当其他因素的影响逐渐减弱后,氧化作用将成为主要因素。

温度越高、湿度越大,氧化作用越强。氧化从电阻体表面开始逐渐延伸到内部。对于薄膜层的电阻器,氧化作用尤为明显。对于精密电阻器和高阻值电阻器,防止氧化的根本措施是密封保护。密封材料应采用无机材料,如金属、陶瓷、玻璃等。有机保护层,如塑料、涂漆、灌封等,都不能完成防止透湿和透气,对氧化和吸附作用只能起延缓作用,而且必须考虑有机保护层可能引起一些新的老化因素的影响。

(5)黏结剂的老化。

对于有机合成型电阻器,有机黏结剂的老化是影响电阻器稳定性的主要因素。有机黏结剂主要是合成树脂,在电阻器的制造过程中,合成树脂经热处理转变为高聚合度的热固性聚合物。

引起聚合物老化的主要因素是氧化。氧化生成的游离基引起聚合物分子键的铰链,从而使聚合物进一步固化、变脆,丧失弹性和发生机械破坏。黏结剂的固化使电阻器体积收缩,导电颗粒之间的接触压力增大,接触电阻变小,使电阻值减小。但黏结剂的机械破坏也会使电阻值增大。通常,黏结剂的固化发生在前,机械破坏发生在后,所以有机合成型电阻器的电阻值呈现出:在开始阶段有些下降,然后转为增大,且有不断增大的趋势。

由于聚合物的老化与温度、光照密切相关,所以在高温环境和强烈光线照射下,合成电阻器会加速老化。

(6)保护层的影响。

有机材料的保护层经常放出挥发物或溶剂蒸气。在热处理过程中,挥发物的一部分会扩散到电阻体中,引起阻值增大。当表面涂层还未完全干燥时,这种挥发物向电阻体扩散的过程还会持续一段时间。电阻器制成后,在一段时间内被电阻体吸附的挥发物又逐渐向外排出,这是一个缓慢的过程。同时,保护层的进一步固化会对导电膜造成附加压力,也影响电阻器的老化。

(7)接触部分的老化。

对于低阻值电阻器,接触部分的接触电阻改变对阻值的影响最显著。接触电阻受各种因素的影响而发生变化。薄膜电阻器的老化主要是氧化作用;合成型电阻器的老化主要是黏结剂老化的作用;帽盖弹性疲劳,弹力变小也是因为接触电阻发生了变化,接触电阻通常随时间的延长而变大。

(8)电负荷下的老化。

对电阻器施加负荷会加速其老化过程。一般加负荷引起的加速老化比升高环境温度引起的加速老化要大。因为在电负荷下,电阻器内部结构缺陷和不均匀性造成的局部温升会超过电阻器的平均发热温升。

在直流负荷下,电解作用会损坏薄膜电阻器。电解发生在刻槽电阻器的槽间。如果电阻基体为含有碱金属离子的陶瓷或玻璃材料,则离子在槽间电场的作用下移动。在潮湿环境下,此过程进行得更为剧烈。

电解的破坏作用包括氧化和还原两个方面。在阳极一侧使薄膜氧化,在阴极一侧使薄膜还原。对于碳膜、金属膜电阻,主要是氧化的破坏;对于金属氧化膜电阻,主要是还原的破坏。

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