高功率電阻器設(shè)計和測試技巧有助于延長產(chǎn)品壽命

了解選擇不同材料和制造工藝的影響可以將標(biāo)準(zhǔn)高功率貼片電阻元件與為真正高可靠性應(yīng)用設(shè)計和測試的元件區(qū)分開來。高可靠性和長壽命這兩個產(chǎn)品屬性往往結(jié)合在一起，兩者都可以通過精心選擇用于設(shè)計和制造高頻組件的材料來增強(qiáng)。一個 250-W 終端將作為一個示例，展示如何遵循正確的設(shè)計指南以及高功率測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化如何幫助選擇可靠、持久的高功率組件的材料。

加速壽命測試，其中組件經(jīng)受各種可能不可避免地導(dǎo)致其失效的操作條件，可以深入了解如何使其下一次設(shè)計迭代更加穩(wěn)健和可靠。為了更好地理解可能終限制產(chǎn)品可靠性的設(shè)計和工藝問題，特別是對于高功率、法蘭安裝的衰減器、電阻器和終端，開發(fā)了 1000 小時循環(huán)老化方法來解決災(zāi)難性故障。

在設(shè)計階段，以下建議適用于高功率電阻器件（大功率貼片電阻）：審查和理解客戶的規(guī)格；知道*大工作頻率、*大 VSWR 以及全額定功率下的*低和較高工作溫度；了解脈沖信號要求，包括脈沖寬度和占空比；了解功率降額規(guī)格；并了解功率和溫度循環(huán)要求。

在設(shè)計和開發(fā)滿足特定客戶要求的高功率電阻元件時，材料的選擇至關(guān)重要，這不同于薄膜電阻型號。一個出發(fā)點(diǎn)是決定哪種陶瓷材料可以作為構(gòu)建塊材料來滿足客戶的電氣和熱設(shè)計要求，以及該設(shè)計應(yīng)該制造為厚膜器件還是薄膜器件。如果是薄膜，它應(yīng)該基于硝酸鉭 (TaN) 或鎳鉻 (NiCr) 薄膜，通常沉積在氧化鋁、氮化鋁或氧化鈹基板上？此外，如果選擇 NiCr 材料，應(yīng)用（例如高功率脈沖電路）是否需要任何類型的金屬增強(qiáng)材料，例如鎳？

材料選擇還延伸到設(shè)備法蘭——它應(yīng)滿足各種熱要求，例如與為高可靠性組件選擇的其他材料良好匹配的熱膨脹系數(shù) (CTE)。此外，必須決定法蘭電鍍材料，例如金屬間材料，以及用于將芯片組件連接到法蘭安裝封裝的焊料或釬焊材料。其他材料選擇要求涉及是否需要芯片電鍍（取決于焊料或釬焊要求）以滿足特定應(yīng)用的要求。

開發(fā)高功率無源元件將涉及計算*佳薄膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以處理所需的功率水平，同時仍滿足射頻/微波性能規(guī)范。它還需要使用現(xiàn)代計算機(jī)輔助工程 (CAE) 軟件模擬工具根據(jù)客戶要求對材料堆疊進(jìn)行熱分析和模擬，以及對電氣性能進(jìn)行模擬，例如插入損耗、回波、損耗和駐波比。

除了適當(dāng)?shù)牟牧线x擇外，制造工藝的選擇還應(yīng)基于滿足特定組件的設(shè)計目標(biāo)和客戶要求。此外，應(yīng)制定測試程序以支持在產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計和材料選擇階段設(shè)定的性能目標(biāo)表征組件。設(shè)計測試夾具以準(zhǔn)確測試制造的組件至關(guān)重要。此外，夾具應(yīng)該能夠在整個驗證過程中始終如一地提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)將決定實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的成敗。所有的測試數(shù)據(jù)都應(yīng)該被記錄、編譯并合并到一份驗證報告中，以備將來使用。

驗證設(shè)計

對于大功率電阻器或終端，有兩個主要設(shè)計考慮因素會影響組件的長期可靠性：組件承受超過組件材料限制的高溫，導(dǎo)致可靠性問題；過高的溫度持續(xù)足夠長的時間會導(dǎo)致組件損壞或完*失效。

對于這樣的無源元件，當(dāng)功率耗散時，通過用于構(gòu)造元件的陶瓷、焊料、法蘭和熱化合物的溫度梯度，以及這些材料之間的 CTE 不匹配，只要 CTE 顯著不同，就會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。芯片與法蘭的焊接連接會因反復(fù)承受應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞裂紋。堅固的設(shè)計可以承受由循環(huán)打開和關(guān)閉引起的任何疲勞，并且不會隨著時間的推移而退化和失效。

材料選擇對于高可靠性組件至關(guān)重要，以避免可能導(dǎo)致故障的熱致應(yīng)力。對于穩(wěn)態(tài)操作，標(biāo)準(zhǔn)材料堆疊通常就足夠了。然而，當(dāng)組件必須處理功率和溫度循環(huán)時，焊料和法蘭材料的選擇對于高可靠性至關(guān)重要（圖 2）。

兩個案例被用來探討材料選擇的影響。在*一種情況下，材料堆疊熱阻為 0.1580°C/W，250 W 下的 Δt 梯度為 +39.5°C，導(dǎo)致薄膜溫度近似為 +139°C。這遠(yuǎn)低于 +150° 至 +180°C 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值。雖然結(jié)溫 (θ jc) 非常好，材料的 CTE 差異很大，導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力終導(dǎo)致組件故障。在第二種情況下，熱阻為 0.2036°C/W，高于*一種情況，薄膜溫度約為 +150.9°C。這仍然在優(yōu)選范圍內(nèi)，但材料堆疊的 CTE 幾乎與*一種情況相同。盡管如此，第二個外殼的材料堆疊具有保持更高可靠性和更長使用壽命的優(yōu)勢。

*一種情況的材料堆疊在整個行業(yè)中廣泛使用，由BeO芯片、銅法蘭（鍍鎳）和Sn-96焊料組成；具有這種材料堆疊的組件在 400 次開/關(guān)循環(huán)時開始出現(xiàn)故障（再次參見圖 2）。第二種情況（表 2）的材料堆疊采用了特殊材料，包括 BeO 芯片、鍍金 (Au) 的鎢/銅 (Ti/W) 法蘭和金/鍺 (Au/Ge) 或金-錫 (Au/Sn) 釬焊材料。在第二種情況下，使用材料疊層的組件在 500,000 次開/關(guān)循環(huán)時開始出現(xiàn)故障——比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高 1250 倍。

在組裝大功率器件時，必須在加工階段考慮焊料空隙。經(jīng)過多年的研究和測試，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)解決了這個問題。已經(jīng)寫了無數(shù)篇關(guān)于半導(dǎo)體結(jié)內(nèi)溫升對可靠性影響的論文。一個簡單的經(jīng)驗法則：結(jié)溫每升高 10°C，可靠性就會下降 50%。盡管這條經(jīng)驗法則適用于半導(dǎo)體，但對于為長壽命而設(shè)計的高功率電阻器和終端，也應(yīng)采用相同的設(shè)計方法和工藝方法。