温度冲击对贴片电阻在实际应用中的影响及应对方案

       随着汽车电子技术的发展和成熟， 越来越多的由元器件构建成的电控单元被应用于汽车上， 使得汽车更加智能和安全。 但由于汽车的特殊使用工况，特别是非常宽的应用环境温度，使得研发工程师在设计时不得不考虑高低温冲击可能对元器件造成的影响， 本文将对这一问题进行分析并给出一些应对的方案， 供大家参考。

       对于贴片电阻冷热冲击的测试， 业界通常采用AEC-Q200中建议的测试方法， 方法如下：

       低温设定在-55ºC， 高温设定在125ºC， 在每个温度下保持30分钟， 温度切换时间间隔要小于1分钟， 一共要做1000次的循环， 高低温冲击完成后测试阻值并与测试前的初始阻值对比，观察阻值的变化量。 

       通常情况下，上述的高低温冲击测试对阻值造成的变化不大， 不会影响电路的功能，完全可以被客户所接受， 但冷热冲击有可能造成电阻电极焊接处出现裂纹甚至开裂， 会极大的影响最终产品的可靠性， 这是完全不能被接受的， 那为什么会产生这样的现象？ 在设计中又如何避免呢？

       热冲击测试造成裂纹的主要原因来源于应用场景中不同部分CET（热膨胀系数）的差异， 如下图所示。

       当温度剧烈变化时， FR4底板的伸缩要远大于陶瓷基板， 如果这样的变化多次反复，就会造成端部连接材料的疲劳最后导致开裂。但这种冲击对电阻层本身影响不大， 这也是为什么冷热冲击后阻值变化较小的原因。

       下图是1206封装尺寸的电阻在经历2000次的-55C~125C冷热冲击后的图片

         图片来源Vishay Tech.

       众所周知， 物体的热胀冷缩是自然现象无法避免， 那对于这个问题我们该如何来改善和解决呢， 让我们来进一步分析，看看有哪些因素对热胀冷缩的影响起到了促进作用， 以便我们在选择产品时尽量避免他们。

       上图是普通电阻纵切面的电镜扫描图像， 通过分析我们可以了解到下列因素起到了对热胀冷缩影响的促进作用：

       1. 陶瓷基板边缘锋利的转角使得局部的应力增加。

       2. 端部电极层的厚度很薄， 起不到从低CET陶瓷基板到高CET焊锡之间的缓冲作用。

       3. 支撑电阻的焊锡层厚度比较薄，基本上没有能力吸收高低温冲击对材料造成的应力。

       4. 电阻两个电极间的距离比较长， 使得高低温冲击对电阻造成的伸缩幅度比较大。

       通过以上分析， 如果工程师对高低温冲击性能有比较高的要求，（如-55C~125C， 1000次循环），下面是我们建议的一些方案。

       1.尽量选用1206及以下封装的电阻， 或长边电极电阻， 这样可以缩短电极间的距离，减小高低温冲击对体积变化的影响。

       2.由于功率的要求，应用上一定要选择大尺寸的产品时， 可以考虑使用倒装贴片电阻， 结构如下图。

      
        这种产品焊接结构避免了锋利的转角造成的局部应力增加， 支撑的焊锡层也非常厚可以有效地吸收掉高低温冲击造成的应力。

       纵切面的电镜扫描图如下：

       
       3.对于较大功率电阻的选择， 也可以考虑圆柱型MELF电阻，这种产品的圆弧型的转角有效避免了局部应力的增加，焊接结构上有体量较多的焊锡支撑，可以有效的吸收温度冲击带来的应力。 

       
       4.目前也有一些厂家通过在电极层中增加一层柔性物质， 来改善电阻在焊接后承受热冲击影响的能力。

       综上，我们可以了解到热冲击对现场应用中的贴片电阻造成的影响，内在的原因以及推荐的解决方案， 希望对汽车硬件工程师在电路的可靠性设计方面有一些帮助。