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準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。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準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*佳薄膜拓撲結(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)代計算機輔助工程 (CAE) 軟件模擬工具根據(jù)客戶要求對材料堆疊進行熱分析和模擬，以及對電氣性能進行模擬，例如插入損耗、回波、損耗和駐波比。

除了適當?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)定的性能目標表征組件。設(shè)計測試夾具以準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確的數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)將決定實現(xiàn)設(shè)計目標的成敗。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，標準材料堆疊通常就足夠了。然而，當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。這遠低于 +150° 至 +180°C 的行業(yè)標準限值。雖然結(jié)溫 (θ jc) 非常好，材料的 CTE 差異很大，導(dǎo)致機械應(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)標準高 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。