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失效的中文解：失去原有的效力。在各種工程中，部件失去原有設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能稱為失效。失效簡單地說就是“壞了”，但是“壞了”也有很多種情況。失效的情況包括以下幾個(gè)方面。

 

（1）完全喪失原定功能。

 

（2）部分功能喪失。

 

（3）關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化。

 

（4）有嚴(yán)重?fù)p傷或隱患，繼續(xù)使用會(huì)失去可靠性及安全性。

 

 

 

下面介紹一下失效模式和失效機(jī)理的概念。

 

（1）失效模式：各種失效的現(xiàn)象及其表現(xiàn)的形式。

 

（2）失效機(jī)理：是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程。

 

1）電阻器的主要失效模式

 

電阻的主要失效模式有：開路、阻值漂移超規(guī)范、引線斷裂和短路。（1）開路：主要失效機(jī)理為電阻膜燒毀或大面積脫落，基體斷裂，引線帽與電阻體脫落。

 

（2）阻值漂移超規(guī)范：電阻膜有缺陷或退化，基體有可動(dòng)鈉離子，保護(hù)涂層不良。

 

（3）引線斷裂：電阻體焊接工藝缺陷，焊點(diǎn)污染，引線機(jī)械應(yīng)力損傷。

 

（4）短路：銀的遷移，電暈放電。

 

2）不同種類電阻器的失效模式占失效總比例表

 

（1）線繞電阻。

 

繞線電阻器的失效模式占比如表16.1所示

 

表 16.1繞線電阻器失效模式占比

 

注意：以上失效比例為統(tǒng)計(jì)值，僅作為參考數(shù)據(jù)。失效比例與使用場景、使用方法、環(huán)境參數(shù)都有關(guān)。所以，不同公司、不同產(chǎn)品、不同的采購來源都會(huì)影響最后的結(jié)果。

 

（2）非線繞電阻。

 

非繞線電阻器的失效模式占比如表16.2所示

 

表 16.2非繞線電阻器失效模式占比

 

3）電阻器的失效機(jī)理分析

 

電阻器失效機(jī)理是多方面的，工作條件或環(huán)境條件下所發(fā)生的各種理化過程是引起電阻器失效的原因。接下來從導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)變化、硫化、氣體吸附與解吸、氧化、有機(jī)保護(hù)層的影響和機(jī)械損傷6個(gè)方面來介紹。

 

（1）導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)變化。

 

①結(jié)晶化：薄膜電阻器的導(dǎo)電膜層一般用氣相淀積方法獲得，在一定程度上存在無定型結(jié)構(gòu)。按熱力學(xué)觀點(diǎn)，無定型結(jié)構(gòu)均有結(jié)晶化趨勢。在工作條件或環(huán)境條件下，導(dǎo)電膜層中的無定型結(jié)構(gòu)均以一定的速度趨向結(jié)晶化，也即導(dǎo)電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于致密化，常會(huì)引起電阻值的下降。結(jié)晶化速度隨溫度升高而加快。

 

②內(nèi)應(yīng)力：電阻線或電阻膜在制備過程中都會(huì)承受機(jī)械應(yīng)力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，線徑越小或膜層越薄，應(yīng)力影響越顯著。一般可采用熱處理方法消除內(nèi)應(yīng)力，殘余內(nèi)應(yīng)力則可能在長時(shí)間使用過程中逐步消除，電阻器的阻值則可能因此發(fā)生變化。

 

結(jié)晶化過程和內(nèi)應(yīng)力清除過程均隨時(shí)間推移而減緩，但不可能在電阻器使用期間終止?？梢哉J(rèn)為在電阻器工作期內(nèi)這兩個(gè)過程以近似恒定的速度進(jìn)行。與它們有關(guān)的阻值變化約占原阻值的千分之幾。

 

③電負(fù)荷高溫老化：任何情況，電負(fù)荷均會(huì)加速電阻器老化進(jìn)程，并且電負(fù)荷對加速電阻器老化的作用比升高溫度的加速老化后果更顯著，原因是電阻體與引線帽接觸部分的溫升超過了電阻體的平均溫升。通常溫度每升高10℃，壽命縮短一半。如果過負(fù)荷使電阻器溫升超過額定負(fù)荷時(shí)溫升50℃，則電阻器的壽命僅為正常情況下壽命的1/32。可通過不到四個(gè)月的加速壽命試驗(yàn)，即可考核電阻器在10年期間的工作穩(wěn)定性。

 

 

 

④直流負(fù)荷—電解作用：直流負(fù)荷作用下，電解作用導(dǎo)致電阻器老化。電解發(fā)生在刻槽電阻器槽內(nèi)，電阻基體所含的堿金屬離子在槽間電場中位移，產(chǎn)生離子電流。濕氣存在時(shí)，電解過程更為劇烈。如果電阻膜是碳膜或金屬膜，則主要是電解氧化；如果電阻膜是金屬氧化膜，則主要是電解還原。對于高阻薄膜電阻器，電解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一側(cè)可能出現(xiàn)薄膜破壞現(xiàn)象。在潮熱環(huán)境下進(jìn)行直流負(fù)荷試驗(yàn)，可全面考核電阻器基體材料與膜層的抗氧化或抗還原性能，以及保護(hù)層的防潮性能。

 

（2）硫化。

 

厚膜貼片電阻器的內(nèi)部電極采用了銀 (Ag)，如果有硫黃成分氣體從保護(hù)膜和電鍍層之間的縫隙侵入，就會(huì)發(fā)生硫化反應(yīng)，慢慢地生成硫化銀 (Ag2S)。由于硫化銀不導(dǎo)電，所以隨著電阻被硫化，電阻值逐漸增大，直至最終成為開路。電阻硫化之后，在電阻的電極內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)硫化銀結(jié)晶。

 

 

 

電阻硫化失效

 

 

 

（3）氣體吸附與解吸。

 

膜式電阻器的電阻膜在晶粒邊界上，或?qū)щ婎w粒和黏結(jié)劑部分，總可能吸附非常少量的氣體，它們構(gòu)成了晶粒之間的中間層，阻礙了導(dǎo)電顆粒之間的接觸，從而明顯影響阻值。

 

合成膜電阻器是在常壓下制成，在真空或低氣壓工作時(shí)，將因氣壓降低而解吸部分氣體，從而改變導(dǎo)電顆粒之間的接觸，使阻值下降。同樣，在真空中制成的熱分解碳膜電阻器直接在正常環(huán)境條件下工作時(shí)，將因氣壓升高而吸附部分氣體，使阻值增大。如果將未刻的半成品預(yù)置在常壓下適當(dāng)時(shí)間，則會(huì)提高電阻器成品的阻值穩(wěn)定性。

 

溫度和氣壓是影響氣體吸附與解吸的主要環(huán)境因素。對于物理吸附，降溫可增加平衡吸附量，升溫則反之。由于氣體吸附與解吸發(fā)生在電阻體的表面。所以，對膜式電阻器的影響較為顯著。阻值變化可達(dá)1%~2%。

 

（4）氧化。

 

氧化是長期起作用的因素（與吸附不同），氧化過程是由電阻體表面開始，逐步向內(nèi)部深入。除了貴金屬與合金薄膜電阻外，其他材料的電阻體均會(huì)受到空氣中氧的影響。氧化的結(jié)果是阻值增大。電阻膜層越薄，氧化影響就越明顯。

 

防止氧化的根本措施是密封（金屬、陶瓷、玻璃等無機(jī)材料）。采用有機(jī)材料（塑料、樹脂等）涂覆或灌封，不能完全防止保護(hù)層透濕或透氣，雖能起到延緩氧化或吸附氣體的作用，但也會(huì)帶來與有機(jī)保護(hù)層有關(guān)的些新的老化因素。

 

（5）有機(jī)保護(hù)層的影響。

 

在電阻制造時(shí)，有機(jī)保護(hù)層形成過程中，放出縮聚作用的揮發(fā)物或溶劑蒸氣。熱處理過程使部分揮發(fā)物擴(kuò)散到電阻體中，引起阻值上升。此過程雖可持續(xù)1~2年，但顯著影響阻值的時(shí)間約為2~8個(gè)月，為了保證成品的阻值穩(wěn)定性，把產(chǎn)品在庫房中擱置一段時(shí)間再出廠是比較適宜的。

 

（6）機(jī)械損傷。

 

電阻的可靠很大程度上取決于電阻器的機(jī)械性能。電阻體、引線帽和引出線等均應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，基體缺陷、引線帽損壞或引線斷裂均可導(dǎo)致電阻器失效。

 

（7）電應(yīng)力