您當(dāng)前的位置：檢測(cè)資訊 > 科研開(kāi)發(fā)
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-10-19 12:01
陶瓷貼片電阻，作為現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的基礎(chǔ)無(wú)源元件，以其體積小、重量輕、高頻性能好、安裝密度高、機(jī)械強(qiáng)度佳和自動(dòng)化生產(chǎn)程度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制乃至航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。其可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的壽命與穩(wěn)定性。然而，在實(shí)際的生產(chǎn)、組裝和使用過(guò)程中，陶瓷貼片電阻，特別是其陶瓷基體，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂（Cracking）甚至完全斷裂的失效模式。這種失效通常會(huì)導(dǎo)致電阻值漂移直至開(kāi)路，造成電路功能失常，給企業(yè)帶來(lái)巨大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。因此，深入剖析其開(kāi)裂的內(nèi)在原因，并建立一套科學(xué)、系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系，對(duì)于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制具有至關(guān)重要的意義。
本文將分為兩大部分，首先詳盡闡述導(dǎo)致陶瓷貼片電阻開(kāi)裂的六大類主要原因及其機(jī)理，隨后系統(tǒng)介紹評(píng)估其可靠性的多種方法與流程。
陶瓷貼片電阻的結(jié)構(gòu)主要由氧化鋁（Al?O?）或類似材料的陶瓷基板、電阻膜（如釕氧化物）、內(nèi)部電極、保護(hù)玻璃釉層和外部電極（端頭）構(gòu)成。其開(kāi)裂失效往往是多種應(yīng)力共同作用、超過(guò)材料強(qiáng)度極限的結(jié)果。究其根源，可從機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、制造缺陷、材料本身及電路設(shè)計(jì)等多個(gè)維度進(jìn)行探究。
1. 機(jī)械應(yīng)力（Mechanical Stress）
這是導(dǎo)致貼片電阻開(kāi)裂最常見(jiàn)的原因之一，主要發(fā)生在PCB的制造和組裝階段。
PCB彎曲與扭曲（Board Flexure and Twisting）： 在現(xiàn)代電子組裝中，為了節(jié)省空間，PCB常被設(shè)計(jì)成不規(guī)則形狀或帶有卡槽，在生產(chǎn)線傳送帶上傳送、或在波峰焊、回流焊過(guò)程中，由于支撐不當(dāng)，板子可能會(huì)因自身重量或熱脹冷縮而發(fā)生彎曲（Bow）和扭曲（Twist）。貼片電阻作為剛性元件，其陶瓷基體脆性高、延展性差，無(wú)法跟隨PCB的彈性形變，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)陶瓷的抗折強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生垂直于電阻長(zhǎng)度的裂紋（通常位于電阻體中部的下方），嚴(yán)重時(shí)直接斷裂。板子尺寸越大、厚度越薄，越容易發(fā)生此問(wèn)題。
安裝與操作不當(dāng)（Improper Handling）： 在生產(chǎn)過(guò)程中，諸如不正確的拾取與放置（Pick-and-Place）、測(cè)試探針的壓力過(guò)大、安裝散熱器時(shí)對(duì)元件產(chǎn)生擠壓、甚至在后續(xù)工序中板子的堆疊碰撞等，都可能對(duì)電阻體造成局部沖擊應(yīng)力，形成微裂紋。這些微裂紋在后續(xù)的熱應(yīng)力或振動(dòng)環(huán)境中會(huì)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致失效。
應(yīng)力來(lái)自于焊點(diǎn)（Solder Joint Stress）： 如果PCB的焊盤設(shè)計(jì)與電阻端頭尺寸不匹配（例如焊盤過(guò)大），過(guò)多的焊料在冷卻凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的收縮應(yīng)力。此外，如果元件兩端焊料量不對(duì)稱（一端多一端少），則會(huì)形成“墓碑效應(yīng)”（Tombstoning）的應(yīng)力條件，雖然通常導(dǎo)致立碑，但也可能引起電阻體一側(cè)的應(yīng)力集中而開(kāi)裂。
2. 熱應(yīng)力（Thermal Stress）
由于陶瓷基板、電阻材料、玻璃釉、焊料和PCB基材（通常是FR-4）之間存在熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）的失配，溫度變化是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的另一個(gè)主要根源。
CTE失配（CTE Mismatch）： 陶瓷材料（如氧化鋁）的CTE通常較低（約6-7 ppm/°C），而FR-4 PCB的CTE在X-Y方向較高（約14-18 ppm/°C），在Z軸方向甚至可高達(dá)50-60 ppm/°C。在回流焊、波峰焊或設(shè)備工作時(shí)的功率循環(huán)中，元件會(huì)經(jīng)歷劇烈的溫度變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，PCB的膨脹程度遠(yuǎn)大于陶瓷電阻，但由于兩者通過(guò)焊點(diǎn)連接，PCB的膨脹會(huì)被電阻抑制，從而對(duì)電阻產(chǎn)生張應(yīng)力；冷卻時(shí)則相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種周期性的應(yīng)力疲勞是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的關(guān)鍵因素，裂紋多從電阻端頭下方開(kāi)始，向電阻體中心延伸。
過(guò)熱沖擊（Thermal Shock）： 如果元件在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷極端的溫度變化（例如，從室溫突然進(jìn)入260°C以上的回流焊爐，或維修時(shí)局部高溫加熱），各部分材料因熱惰性來(lái)不及均勻膨脹/收縮，會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)部熱梯度應(yīng)力，極易引發(fā)開(kāi)裂。這對(duì)于大尺寸（如1210, 2010, 2512及以上）的電阻尤為致命。
功率過(guò)載（Power Overload）： 當(dāng)電阻工作時(shí)承受的功率超過(guò)其額定功率時(shí)，電阻體會(huì)因焦耳熱而自身發(fā)熱，溫度急劇升高。其內(nèi)部中心溫度最高，向兩端電極散熱，形成溫度梯度。這種不均勻的熱場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部熱應(yīng)力，如果散熱設(shè)計(jì)不良（如PCB銅箔面積太?。?，持續(xù)過(guò)熱可能直接導(dǎo)致陶瓷基體因熱應(yīng)力而破裂。
3. 制造與工藝缺陷（Manufacturing and Process Defects）
元件本身的制造質(zhì)量是可靠性的基礎(chǔ)，任何內(nèi)在缺陷都是潛在的失效起點(diǎn)。
陶瓷基體內(nèi)部缺陷： 在陶瓷基板的燒結(jié)過(guò)程中，如果工藝控制不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部氣孔、微裂紋或雜質(zhì) inclusions。這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在外部應(yīng)力作用下，裂紋很容易從這些薄弱點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展。
電極與陶瓷結(jié)合不良： 端頭電極與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度至關(guān)重要。如果金屬化層制備工藝不佳（如燒結(jié)溫度不當(dāng)、金屬漿料成分問(wèn)題），導(dǎo)致結(jié)合界面存在缺陷，則會(huì)削弱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并在此界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，易于開(kāi)裂。
激光調(diào)阻微損傷： 為了將電阻值精確調(diào)整到目標(biāo)阻值，制造商使用激光對(duì)電阻膜進(jìn)行修刻。激光能量控制不當(dāng)可能會(huì)對(duì)下方的陶瓷基板造成微小的熱損傷或微裂紋，這些損傷在后續(xù)應(yīng)力的作用下會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
4. 材料與設(shè)計(jì)因素（Material and Design Factors）
陶瓷材料的選擇： 不同等級(jí)的氧化鋁陶瓷其機(jī)械強(qiáng)度和熱性能有差異。低成本電阻可能使用純度較低或性能較差的陶瓷材料，其抗折強(qiáng)度和熱沖擊性能自然較差。
電阻尺寸： 如前所述，尺寸越大的電阻（如2512），因其跨越的距離更長(zhǎng)，對(duì)PCB彎曲和CTE失配更為敏感，更容易開(kāi)裂。
電路板布局設(shè)計(jì)： PCB設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果將電阻放置在PCB的高應(yīng)力區(qū)，如板邊、連接器附近、螺絲孔周圍或拼板（Panel）的V-Cut槽附近，這些區(qū)域在加工和組裝過(guò)程中本身就容易發(fā)生形變，從而極大地增加了電阻承受的機(jī)械應(yīng)力。
5. 焊接工藝問(wèn)題（Soldering Process Issues）
冷卻速率過(guò)快： 回流焊后，如果冷卻速率過(guò)快，焊料凝固過(guò)程過(guò)于劇烈，會(huì)加劇因CTE失配產(chǎn)生的應(yīng)力，增加開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。
多次回流： 對(duì)于雙面貼裝PCB，元件需要經(jīng)歷兩次回流焊過(guò)程。反復(fù)的熱循環(huán)會(huì)累積熱機(jī)械疲勞應(yīng)力，降低元件的抗裂能力。
6. 外部環(huán)境應(yīng)力（Environmental Stress）
振動(dòng)與沖擊： 在汽車電子、航空航天或某些工業(yè)環(huán)境中，設(shè)備會(huì)持續(xù)承受振動(dòng)或偶爾的機(jī)械沖擊。這種動(dòng)態(tài)載荷會(huì)加速已有微裂紋的擴(kuò)展，或直接導(dǎo)致脆性陶瓷斷裂。
綜上所述，陶瓷貼片電阻的開(kāi)裂絕非單一因素所致，而是機(jī)械、熱、材料、工藝和環(huán)境應(yīng)力共同作用的復(fù)雜結(jié)果， often呈現(xiàn)為“熱-機(jī)械”耦合失效模式。
為了確保陶瓷貼片電阻在最終產(chǎn)品中的長(zhǎng)期可靠性，必須建立一套從元件篩選、工藝驗(yàn)證到系統(tǒng)測(cè)試的完整評(píng)估體系。評(píng)估方法可分為非破壞性檢驗(yàn)、破壞性物理分析（DPA）和加速壽命試驗(yàn)（ALT）三大類。
1. 非破壞性檢驗(yàn)（Non-Destructive Inspection）
外觀檢查（Visual Inspection）： 使用光學(xué)顯微鏡或體視顯微鏡（通常放大10-40倍）對(duì)組裝后的PCB進(jìn)行100%檢查或抽樣檢查，是發(fā)現(xiàn)明顯裂紋、缺口和破損的最直接方法。裂紋通常表現(xiàn)為電阻體表面細(xì)小的線狀痕跡。
自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI - Automated Optical Inspection）： 在生產(chǎn)線上，利用AOI設(shè)備可以高效、快速地檢測(cè)元件是否存在錯(cuò)件、漏件、立碑以及明顯的破損和裂紋。
電性能測(cè)試（Electrical Testing）： 通過(guò)在線測(cè)試儀（ICT - In-Circuit Test）或功能測(cè)試（FCT - Functional Circuit Test）測(cè)量電阻的實(shí)際阻值。雖然開(kāi)路故障很容易被發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于微裂紋導(dǎo)致的阻值輕微漂移，可能需要更精密的測(cè)量才能發(fā)現(xiàn)，這通常不是批量生產(chǎn)測(cè)試的重點(diǎn)。
2. 破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis, DPA）
當(dāng)失效發(fā)生后，或需要對(duì)元件質(zhì)量進(jìn)行深入監(jiān)控時(shí)，DPA是分析根本原因的金標(biāo)準(zhǔn)。
X射線檢查（X-ray Inspection）： 對(duì)于隱藏在樹(shù)脂涂層或元件下方的裂紋，外觀檢查無(wú)能為力。微聚焦X射線成像系統(tǒng)可以無(wú)損地檢測(cè)元件內(nèi)部的裂紋、空洞、分層等缺陷。裂紋在X-ray圖像中通常表現(xiàn)為一條透明的細(xì)線。
超聲掃描顯微鏡（SAT - Scanning Acoustic Tomography）： 又稱C模式掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM），是分析封裝內(nèi)部缺陷（如分層、裂紋、空洞）的頂級(jí)手段。它利用超聲波在不同材料界面反射的特性成像，能非常清晰地顯示出陶瓷基體內(nèi)部、電極與陶瓷結(jié)合界面的裂紋和分層，是進(jìn)行失效分析的利器。
橫截面分析（Cross-Sectioning）： 這是最徹底的分析方法。將失效的電阻連同PCB一起用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，然后進(jìn)行研磨、拋光，露出需要觀察的截面，最后在金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察。SEM能提供極高的分辨率，可以觀察到微米甚至納米級(jí)別的裂紋起源、擴(kuò)展路徑以及斷口的形貌特征（如解理面、疲勞輝紋等），從而準(zhǔn)確判斷失效模式是機(jī)械過(guò)應(yīng)力、熱疲勞還是制造缺陷。
能譜分析（EDS/EDX）： 配合SEM使用，可以對(duì)斷口表面的微小區(qū)域進(jìn)行元素成分分析，幫助判斷是否有污染、雜質(zhì)或焊接材料滲透，為查找污染源提供線索。
3. 加速壽命試驗(yàn)（Accelerated Life Testing, ALT）
為了在短時(shí)間內(nèi)評(píng)估電阻的長(zhǎng)期可靠性，需要模擬甚至加劇其在生命周期內(nèi)可能遇到的各種應(yīng)力條件，進(jìn)行加速試驗(yàn)。常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和方法包括：
溫度循環(huán)試驗(yàn)（Temperature Cycling, TC）： 依據(jù)JESD22-A104等標(biāo)準(zhǔn)。將樣品（通常是組裝在PCB上的電阻）置于高低溫箱中，在兩種極端溫度（如-55°C 至 +125°C）之間進(jìn)行反復(fù)循環(huán)。通過(guò)極端的溫度變化來(lái)加速因CTE失配導(dǎo)致的熱機(jī)械疲勞，誘發(fā)開(kāi)裂。試驗(yàn)后測(cè)量阻值變化并利用SAT或X-ray檢查內(nèi)部是否產(chǎn)生裂紋。這是評(píng)估抗熱應(yīng)力開(kāi)裂最核心的試驗(yàn)。
熱沖擊試驗(yàn)（Thermal Shock, TS）： 依據(jù)JESD22-A106等標(biāo)準(zhǔn)。與溫度循環(huán)類似，但轉(zhuǎn)換時(shí)間更短（通常＜10秒），溫度變化更為劇烈（例如在0°C冰水和100°C沸水槽中交替浸泡），對(duì)元件的熱沖擊能力考驗(yàn)更為嚴(yán)酷。
高溫高濕偏壓測(cè)試（Highly Accelerated Stress Test, HAST）/高壓蒸煮（PCT）： 依據(jù)JESD22-A110等標(biāo)準(zhǔn)。在高溫（如130°C）、高濕（如85%RH）和高氣壓條件下進(jìn)行，主要用于評(píng)估潮濕氣體會(huì)否沿微裂紋侵入導(dǎo)致電極腐蝕或絕緣惡化，但也能暴露原有的結(jié)構(gòu)缺陷。
機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)：
彎曲試驗(yàn)（Bend Test）： 依據(jù)IPC-9701等標(biāo)準(zhǔn)。將組裝好的PCB固定在專用治具上，施加可控的撓度使其彎曲，監(jiān)測(cè)電阻的阻值在彎曲過(guò)程中的變化，以確定其抗PCB彎曲的能力。
振動(dòng)試驗(yàn)（Vibration Test）： 依據(jù)MIL-STD-883或JESD22-B103等標(biāo)準(zhǔn)。模擬運(yùn)輸或工作環(huán)境中的振動(dòng)條件，檢查電阻能否承受持續(xù)的機(jī)械振動(dòng)而不損壞。
高溫工作壽命試驗(yàn)（High Temperature Operating Life, HTOL）： 在高溫環(huán)境下（通常高于額定溫度）對(duì)電阻施加額定功率，通過(guò)電熱應(yīng)力的疊加來(lái)加速其失效過(guò)程，評(píng)估其在長(zhǎng)期通電工作下的可靠性。
4. 數(shù)據(jù)分析與可靠性建模
通過(guò)上述加速試驗(yàn)獲得失效數(shù)據(jù)（失效時(shí)間、失效模式）后，需要運(yùn)用可靠性工程的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
威布爾分析（Weibull Analysis）： 是分析壽命數(shù)據(jù)最常用的工具。通過(guò)繪制威布爾分布圖，可以確定失效的分布特征（早期失效、隨機(jī)失效或耗損失效），計(jì)算特征壽命和形狀參數(shù)，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品在正常使用條件下的失效率（如FIT）和平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）。
加速模型（Acceleration Model）： 最常用的是阿倫尼斯模型（Arrhenius Model），用于量化溫度對(duì)失效速率的影響。通過(guò)不同溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出在正常使用溫度下的壽命。
基于以上分析和評(píng)估，我們可以提出一系列有效的預(yù)防措施：
優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)： 避免將大尺寸電阻放置在板邊、連接器、螺絲孔等機(jī)械高應(yīng)力區(qū)。增加板厚或添加加強(qiáng)筋以提高抗彎強(qiáng)度。
優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì)： 嚴(yán)格按照元器件手冊(cè)推薦的設(shè)計(jì)尺寸，避免焊盤過(guò)大或過(guò)小。
改善組裝工藝： 優(yōu)化回流焊溫度曲線，避免過(guò)快的升溫和冷卻速率。確保PCB在傳送過(guò)程中得到良好支撐，減少變形。
控制板彎板翹： 在回流焊爐中使用中央支撐，防止PCB因過(guò)熱而下垂。
選擇高可靠性元件： 對(duì)于嚴(yán)苛環(huán)境（如汽車、軍工），選擇抗彎曲和抗熱沖擊能力更強(qiáng)的產(chǎn)品，例如使用具有更高強(qiáng)度陶瓷或特殊端頭結(jié)構(gòu)的電阻。
加強(qiáng)來(lái)料檢驗(yàn)與過(guò)程監(jiān)控： 利用X-ray或SAT對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用的元器件進(jìn)行抽樣DPA，并對(duì)組裝后的PCBA進(jìn)行100% AOI和AXI檢查。
陶瓷貼片電阻的開(kāi)裂是一個(gè)多因素驅(qū)動(dòng)的可靠性問(wèn)題，其根源可追溯至設(shè)計(jì)、材料、制造工藝和應(yīng)用環(huán)境的每一個(gè)環(huán)節(jié)。機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是其最主要的誘因，而內(nèi)在的制造缺陷則顯著降低了其承受這些應(yīng)力的能力。因此，絕不能孤立地看待這一問(wèn)題。
對(duì)其可靠性的評(píng)估，必須采用系統(tǒng)性的思維和方法，構(gòu)建一個(gè)包含非破壞性篩選、破壞性物理分析和加速壽命試驗(yàn)三位一體的完整體系。通過(guò)溫度循環(huán)、彎曲試驗(yàn)等加速應(yīng)力手段主動(dòng)暴露缺陷，再借助SAT、SEM等先進(jìn)工具進(jìn)行精細(xì)化的失效分析，最終找到問(wèn)題的根本原因（Root Cause）。并在此基礎(chǔ)上，將分析結(jié)果反饋至設(shè)計(jì)、選型和制造流程中，形成閉環(huán)的質(zhì)量控制，從而從根本上提升電子產(chǎn)品的整體可靠性與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
在電子產(chǎn)品日益追求小型化、高功率密度和惡劣環(huán)境適用性的今天，對(duì)陶瓷貼片電阻這類基礎(chǔ)元件失效機(jī)理的深入理解和對(duì)其可靠性的精準(zhǔn)把控，無(wú)疑是確保產(chǎn)品成功的關(guān)鍵基石。
來(lái)源：可靠性工程學(xué)
關(guān)于我們 聯(lián)系我們 營(yíng)業(yè)執(zhí)照 全國(guó)服務(wù)電話：400-818-0021 嘉峪檢測(cè)版權(quán)所有 備案號(hào)：京ICP備14047019號(hào)-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
