摘要
在高濕度環(huán)境下，貼片薄膜電阻可能因“電化學(xué)腐蝕”導(dǎo)致電阻膜層損傷，進(jìn)而引發(fā)失效。為提升電阻器的耐濕性能，制造商通常采用兩種方法：一是在電阻膜層表面制造保護(hù)膜以隔絕濕氣；二是采用本身不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕的材料制備電阻膜層。

常規(guī)的穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)難以準(zhǔn)確評(píng)估貼片薄膜電阻的耐濕性能，因此一般依據(jù)“雙85測(cè)試”的結(jié)果進(jìn)行判斷。在該測(cè)試中，電阻值變化較小的產(chǎn)品通常表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐濕性能，而變化較大的產(chǎn)品則相對(duì)較差。經(jīng)過(guò)多方面對(duì)比，若需選用高耐濕性的貼片精密薄膜電阻，開(kāi)步電子（睿思RESI）旗下的PTFR系列產(chǎn)品是一個(gè)具備競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。

01 薄膜電阻在高濕環(huán)境下的失效原理

貼片薄膜電阻在高濕環(huán)境下失效是因?yàn)樗魵膺M(jìn)入電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，水汽與電阻膜層材料之間形成了“電化學(xué)腐蝕”中的”電解池“結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致電阻膜層發(fā)生改變。在此我們簡(jiǎn)單介紹一下”電解池“的基本概念。

當(dāng)直流電源的正極和負(fù)極均浸入電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)中時(shí)，與電源正極相連的導(dǎo)體（稱為陽(yáng)極）會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，而與電源負(fù)極相連的導(dǎo)體（稱為陰極）則發(fā)生還原反應(yīng)。其中，與正極連接的部分失電子能力越強(qiáng)，就越容易發(fā)生氧化反應(yīng)?；顫娊饘俚氖щ娮幽芰νǔ?qiáng)于氫氧根離子，因此會(huì)優(yōu)先被氧化，由固態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為可溶于水的金屬離子，造成材料腐蝕。

下圖為常見(jiàn)的貼片薄膜電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)濕氣金屬電阻內(nèi)部后，其微觀結(jié)構(gòu)如下圖所示：

當(dāng)電阻體通電時(shí)，根據(jù)電流方向會(huì)形成圖示的“電解池”結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流持續(xù)加載時(shí)，陽(yáng)極部分的導(dǎo)體被持續(xù)轉(zhuǎn)化為金屬離子，導(dǎo)致導(dǎo)體材料產(chǎn)生缺損，使得流動(dòng)的橫截面積減小，產(chǎn)生例如電阻器的電阻值增大、負(fù)載能力下降等影響，隨著電流的長(zhǎng)時(shí)間加載，陽(yáng)極的電阻膜層被持續(xù)腐蝕直到電阻膜層消失，電阻器斷路失效。

02提升薄膜電阻耐濕能力的方法

提升電阻器耐濕性能的方法可分為兩個(gè)方向：

1、將電阻膜層材料改換為不發(fā)生電化學(xué)腐蝕的材料

（ps：方阻指的是單位面積薄膜的電阻值）

a)當(dāng)前主流薄膜電阻膜層材料及其特性如下表所示。在眾多材料中，氮化鉭（TaN）因其電阻率適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且可通過(guò)在氮?dú)猸h(huán)境中濺射鉭靶材進(jìn)行制備，而被廣泛用于制造高耐濕性能的貼片薄膜電阻。

與以鎳鉻合金為電阻膜層的傳統(tǒng)薄膜電阻相比，氮化鉭薄膜從根本上杜絕了電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但也帶來(lái)了一些局限性，例如電阻值的覆蓋范圍變窄、溫度系數(shù)性能有所下降等。

值得注意的是，目前主流制造商生產(chǎn)的氮化鉭薄膜電阻，普遍采用99.6%純度的高純度氧化鋁陶瓷基板。筆者推測(cè)，其原因可能在于高純度氧化鋁基板表面平整度更佳，不易積聚水汽和污染物，從而有助于提升電阻器在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性。

2.是通過(guò)添加保護(hù)層，將電阻膜層與外界濕氣有效隔離。

目前常用的保護(hù)涂層主要包括以下兩種：

a)氧化物膜：在電阻膜層沉積完成后，通常需通過(guò)熱處理來(lái)提高其穩(wěn)定性。若將電阻置于弱氧化氣氛中進(jìn)行該處理，能在電阻最外層形成一層致密且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬氧化物薄膜，從而提升產(chǎn)品的耐濕性能。然而，氧化物層的厚度不同會(huì)對(duì)電阻性能產(chǎn)生不同且不可逆的影響，因此這一工藝對(duì)制造廠商的技術(shù)水平提出了較高要求。

b)無(wú)機(jī)保護(hù)膜：采用PCVD（化學(xué)氣相沉積）等方法，在電阻膜層表面覆蓋一層致密的無(wú)機(jī)薄膜（以二氧化硅和氮化硅為主）。該薄膜能有效阻隔外界水汽與電阻膜層的接觸，在保留鎳鉻膜層優(yōu)異穩(wěn)定性的同時(shí)，顯著提升電阻器的抗?jié)衲芰Α?/p>

03電阻器耐濕性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

下表是用于測(cè)試電阻器產(chǎn)品耐濕性能的常見(jiàn)方式。值得注意的是，為確保準(zhǔn)確評(píng)估其耐濕性能，應(yīng)使電阻器內(nèi)部存留一定的水汽。若電阻器在滿功率負(fù)載下運(yùn)行，其內(nèi)部溫度過(guò)高，表面及周圍難有水汽殘留，缺乏發(fā)生“電化學(xué)腐蝕”的必要條件，因此“穩(wěn)態(tài)濕熱”測(cè)試往往難以準(zhǔn)確反映其耐濕性能。

相比之下，“雙85測(cè)試”和“耐濕性測(cè)試”均在高溫高濕環(huán)境中進(jìn)行，且加載較低功率或不加載功率，確保了電阻周圍存在一定水汽，從而能夠更真實(shí)地評(píng)估耐濕性能。為此，對(duì)可靠性要求極高的標(biāo)準(zhǔn)——如“AEC-Q200”和“MIL-PRF-55342”——均將這兩項(xiàng)測(cè)試作為評(píng)估電阻器耐濕性能的重要依據(jù)。

在同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，通常通過(guò)比較電阻器在試驗(yàn)前后的阻值變化率來(lái)評(píng)判其耐濕性能的優(yōu)劣：電阻值變化率越小，表明耐濕性能越強(qiáng)；變化率越大，則耐濕性能越弱。

04各貼片薄膜電阻實(shí)際耐濕性能對(duì)比

這里我們對(duì)不同廠家的貼片薄膜電阻的耐濕性能進(jìn)行對(duì)比，下表中數(shù)據(jù)均摘自各產(chǎn)品的規(guī)格書(shū)：

下圖為開(kāi)步電子的PTFR系列產(chǎn)品在“雙85測(cè)試”中的長(zhǎng)時(shí)間性能表現(xiàn)情況，從圖中可以看到發(fā)現(xiàn)PTFR系列產(chǎn)品在該測(cè)試條件下測(cè)試10000h后，電阻值的變化范圍仍舊在±0.1%以內(nèi)，結(jié)合此前對(duì)比的各薄膜電阻在”雙85測(cè)試“中的測(cè)試結(jié)果，我們可以判斷開(kāi)步電子旗下的PTFR系列產(chǎn)品的耐濕性能極佳，在高濕度的條件下的長(zhǎng)期使用性能表現(xiàn)極其穩(wěn)定，因此，當(dāng)需要選擇一款高耐濕性能的貼片精密電阻或產(chǎn)品使用環(huán)境有高濕度風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，開(kāi)步電子的PTFR系列是一個(gè)極其可靠的選擇。

審核編輯 黃宇