淺談線繞保險電阻失效模式分析

安徽省昌盛電子有限公司 陳 林 姚志國 劉 同

淺談線繞保險電阻失效模式分析

安徽省昌盛電子有限公司 陳 林 姚志國 劉 同

本文闡述了在線路中作為保險電阻使用的線繞電阻的失效模式分析。

線繞電阻；保險電阻；失效模式分析；短路；浪涌；熔斷

線繞保險電阻器，大量使用在日常生活中常見的光源、開關電源模塊內，顧名思義，此類應用在線路初級用作保護性功能的線繞電阻被直接稱為保險電阻，是一個保護元件。作用為在過流，過壓時直接熔斷保護線路及其他元件，而在遇見較大的開機浪涌，雷擊浪涌等脈沖的情況下，又能較好的吸收，達到保護線路和后端元件的效果。

圖1 該線路F1選用即為保險絲電阻

既然作為保護元件，在應用線路中或使用環境中出現異常時，該元件的使命即為首先失效保護線路。而引起保險電阻失效的異常變化萬千，如何讓失效的電阻說話，告訴我們隱藏的線路異常或環境異常及電阻自身質量異常，就成為我們以下需要探索的內容。

要分析失效，需要先了解線繞保險電阻的結構和工藝流程。線繞保險電阻的結構由瓷棒，帽蓋，引線，合金絲和涂層組成。其中瓷棒為電阻器的載體，材料為絕緣的陶瓷，作用為導熱散熱，帽蓋為壓合在瓷棒兩端的兩個帽，材料為鍍錫鐵材，作用為兩個電極。引線為兩個帽蓋電極的延伸，材料為鍍錫銅線，作用為形成插件焊接的引腳。合金絲為產生阻值的材料，材質為有一定阻值的金屬材料，涂層為絕緣的外保護層，材質為有機硅樹脂，作用為使合金絲絕緣并保護內部結構。具體請見圖2：

圖2 線繞保險電阻的結構

線繞保險電阻的生產工藝為：壓帽→碰焊→繞線→電老化→涂覆→測試→包裝入庫。在制程中，如果材料，工藝管控不良，會在成品上出現以下問題：

壓帽工段，作業內容為將左右兩個帽蓋壓合在瓷棒上形成緊配合：

1.尺寸工藝：a.帽蓋和瓷棒尺寸不良，會出現壓帽松動，成品電阻插件后脫帽。b.壓帽機設備故障，導致壓帽不到位，導致成品電阻插件后脫帽。

2.材料：a.棒體含鋁量不足，導致成品使用時功率不足。b.帽蓋鍍錫不良或厚度過薄，導致后道焊接引線工序出現假焊現象或焊穿帽蓋現象。

焊接工段，作業內容為將兩段引線焊接在左右兩個帽蓋上：

1.尺寸工藝：a.引線尺寸不足，成品電阻在應用中會因引線受力不夠而斷裂。b.設備焊接電壓不穩，導致引線與帽蓋焊接不牢，導致成品電阻在插件時出現引線脫落現象。

2.材料：a.引線材料延展性或強度不夠，導致成品使用時斷裂。

繞線工段，作業內容為將帶有阻值的各類合金絲通過點焊的方式，繞制在瓷棒上，左右兩端焊接在帽蓋上形成串聯結構。

1.選型：a.選型錯誤導致合金絲耐受浪涌電流過低，在應用中會因上電浪涌沖擊或電網波動浪涌失效。b.選型錯誤導致合金絲熔斷過快或過慢，在應用中出現正常使用時保險電阻即熔斷或遇到異常電流時無法熔斷。c.選型錯誤導致合金絲繞制過密集，在高壓時出現匝間短路早期失效。

2.材料：材料延展性不足或強度不夠，制成品在涂覆后，因涂料固化收縮的應力損傷甚至拉斷合金絲，導致電阻失效。

涂覆工段，作業內容為將繞線電阻體表面涂覆一層有機硅樹脂保護層，以保護內部結構：

1.尺寸：a.涂覆過厚導致應用中無法安裝，b.涂覆過薄導致應用中耐壓不夠及抗浪涌性能不良

2.材料：a.涂層材料耐壓不夠導致電阻絕緣耐壓不良,b.涂層材料硬度不夠導致電阻應用中涂層脫落。

以上，是產品生產過程中的不良延續在成品上會出現的問題，但是在應用中出現的問題往往是多面的，糾纏的，那么如何讓失效的電阻說話，告訴我們真實的失效原因，找到應用失效與制程失效之間的區別呢？讓我們從以下兩個個案例進入進行切實分析：

▇案例一：1萬只電阻在客戶上機使用組裝完畢后，1000只電阻發生引腳斷腳現象。

圖3 案例一實物圖

這起失效的不良原因，曾經自然而然被歸類為產品焊接不良，即為碰焊工序作業時，因電網波動引起焊接電壓不穩，導致引線虛焊，在使用中出現斷裂現象。

但是再進一步嚴謹的分析，如果為電阻焊接工序假焊，其異常表現為引線與帽蓋的焊接點不牢，應用發生失效時，焊接點會與帽蓋脫落，帽蓋斷面為一凹痕。如下圖。而此失效，我們刮去了焊點邊的涂層，焊點還完好的保留在帽蓋上。那么自然，并非因產品假焊導致的應用失效，我們進一步分析了所有失效電阻，發現以下現象：

1.電阻是在超聲波壓殼后上電老化時發現的，超聲波壓殼前因電路板不上電，電阻包裹在硅膠中無法確認是否失效。

2.在安裝電阻的基板上，電阻左側，右側安裝點均有引線脫落現象，以電阻色環方向為判定標準，電阻兩端引線均有出現斷裂脫落現象，且斷面為撕裂狀，無該點引線受傷痕跡。

3.電阻引線斷裂點及周圍未發現引線有外傷痕跡。

因為電阻并非生產過程中的假焊導致引線斷裂，那么在應用中必然有外力干涉導致引線斷裂。從而我們建立了以下驗證邏輯思路：

1.驗證電阻引線技術性能參數是否滿足國家標準，材料是否不良。

2.確認引線斷裂點位置在電阻制程和應用制程中是否有機械外力干涉。

3.對應用中插件工序進行模擬生產，確認插件后電阻引線是否有斷裂現象，對波峰焊工序進行模擬生產，確認波峰焊工序后電阻引線是否有斷裂現象，對超聲壓殼工序進行模擬生產，確認超聲壓殼工序后是否有引線斷裂現象。

通過以上驗證，我們最終發現：電阻引線符合國家各項標準，應用制程中也沒有斷裂點早期受傷現象，而應用中的斷裂，僅在超聲壓殼工序出現。因此我們判定，超聲壓殼工序的能量過大，作用于電阻上，產生共振，導致引線斷裂。而改善對策為：1.增加電阻引線線徑，加強其對超聲波振動的耐受能力，防止應用引線斷裂。2.降低超聲波壓殼能量，防止殘波作用于電阻導致引線斷裂。

▇案例二：1萬只1W-4.7R電阻在客戶上機使用組裝完畢后，上電時發現百余只電阻異常失效，更換電阻后線路板恢復正常。

圖4 案例二實物圖

這起失效的不良原因，自然而然被歸類為電阻合金絲受傷或瓷棒材料導致的功率不足引發電阻燒毀導致的失效。

再進一步嚴謹的分析，首先我們觀察了該電阻，該電阻應用于10W功率線路中，經測試，該電阻已經失效，而因為其擁有防爆性能，所以表面無任何現象，解剖后合金絲已經粉化斷裂，經進行X光分析，合金絲多段炸裂。所以我們建立了以下驗證邏輯思路：

1.驗證棒體，合金絲等直接關系上電沖擊性能的材料是否使用錯誤或者下偏差等現象，功率是否滿足設計要求。

2.對成品安裝的10W線路進行抓取沖擊電流，并計算輸入能量值和產品設計能量值。

3.驗證線路內電容ESR及電容箔間是否有短路點等明顯異常。

4.進行沖擊失效和短路失效現象模擬。

5.線路板是否存在因錫渣，受潮等現象導致的瞬間短路現象，引起電阻失效保護線路。

通過以上驗證，我們發現：（1）該保險電阻的材料，工藝沒有任何異常，功率滿足設計要求；（2）該10W正常線路輸入沖擊電流為40A最大，經計算起輸入I2T參數為0.496A2S，經對該電阻進行10/700us波形驗證，其可以耐受60.9A瞬間電流，電阻耐受I2T參數為1.298A2S，輸入為電阻耐受的38.2%，符合設計要求；（3）電容的ESR經測試小于4R，符合規格技術參數。箔間清潔無疵點等短路點。

接著，我們又針對電阻進行了兩種失效模擬，第一種為更換加大電容，從40A沖擊電流提升至80A-700us，將電阻沖擊燒毀，第二種為模擬短路線路，將220V交流電壓瞬間加在電阻兩端，為電阻瞬間失效，兩種失效現象如圖5所示：

圖5-1 沖擊失效電阻

圖5-2 短路失效電阻

從圖5所示可以看出，沖擊失效的現象為電阻內部合金絲僅和帽蓋連接點處有斷裂，即為能量并未達到將電阻合金絲全部熔斷炸裂的等級，而短路失效則因能量過大，時間過長，將電阻合金絲完全熔毀，其現象與失效保險電阻一致。

最終，我們排查了線路板，在線路板內找到了受潮爬電及打火痕跡，確認此次保險電阻失效，為線路內部異常打火導致的瞬間短路引起。

通過以上保險電阻結構，工藝的了解及案例的分析，讓我們對線繞保險電阻的失效模式有了初步的了解和分析的能力，質量分析源于嚴謹的觀察和思考，及對元件和應用的理解與掌握，更重要的是，如何規避，如何預防，讓無論是元件本身還是應用的質量問題，不再發生。

[1]GB/T 5729-2003電子設備用固定電阻器 第一部分：總規范idt IEC 60115-1：2001

[2]GB 5732-85電子設備用固定電阻器 第四部分：分規范：功率型電阻器 idt IEC 115-4-1982

[3]Q/ATK034-2001 RXF21型抗浪涌線繞電阻器 評定水平E．