【热循环条件下金属膜电阻器性能退化表征】 金属膜电阻
近些年来，航天技术得到了飞速的发展，我国研制成功了神舟系列飞船以及一系列的应用卫星，这些空间飞行器中通常要使用数以万计的电子元器件。航天器在轨道上运行时会遇到各种空间环境， 其中热环境是影响航天器寿命的一个重要因素。航天器在轨运行反复进出地球阴影，环境温度交替变化。在循环的温度作用下，由于材料的各组成相的热膨胀系数和弹性模量不同，变温引起的材料的热变形总要受到来自于材料内部或外部的某种约束作用，使材料中的一些相或某些区域产生循环的热应力及应变。长期的经受这种热循环作用这种组织损伤就会不断积累，最终导致材料发生蠕变、几何尺寸变化、热疲劳、裂纹等，对电子元器件来说，就会因此造成失效。电阻器是电子与整机中使用最多的基本元件之一，统计表明，电阻器在一般电子产品中要占到全部元器件总数的50%以上。本文是对星载电子设备中的金属膜电阻器在模拟空间热循环电性能的退化规律进行研究。
1. 研究对象及方法本文选用EE系列1/8型阻值分别为100Ω和120Ω精密金属膜电阻器，精度±0.1%，温度系数±10PPM/℃。采用热循环模拟设备，试样加热方式为碘钨灯加热；冷却方式为喷液氮冷却；采用热电偶测量试样表面温度。试验条件为：初始温度20℃，升降温速率±1℃/s，上下限温度±100℃，下限保温时间60s，上限保温80s，周期540s，循环次数1000次。热循环温度随时间变化曲线如图1所示。
试验结束后利用QUANTA—200型扫描电镜(SEM)及能谱分析对金属膜电阻器失效形式进行观察和分析，并建立了金属膜电阻器横截面二维有限元模型，分析了电阻器各结构层热应力分布规律。
2. 热循环次数对电阻值变化率的影响规律在热循环循环过程中，每隔100次热循环在室温20℃时测量金属膜电阻器的电阻值。图2给出了标称阻值为120Ω电阻器，其室温电阻值平均变化率随循环次数（时间）的变化曲线。可见，120欧金属膜电阻器平均阻值变化率随循环次数增加不断变大，整体可分为两个阶段，在800次热循环之前，阻值漂移较小，阻值变化率增长缓慢。当循环进行到800次以后，阻值漂移突然增大，并且随着循环次数的增加，阻值变化率快速增长，表现为电阻器短期失效。定义此临界循环次数为阈值K，在这里即K=800。对金属膜电阻器阻值变化率随循环次数变化规率曲线进行数值拟合，发现跟其跟指数拟合曲线非常吻合，变化规律符合下式：
(1)
式中A=0.23，t=131.57，C=0.74，N为循环次数(时间)。对于100Ω金属膜电阻器，其阻值变化率随循环次数变化关系同样有这种基本规律。其阈值为K=400。400次热循环之前，阻值漂移较小，阻值变化率增长缓慢。当循环400次以后，阻值漂移突然增大，并且随着循环次数的增加，阻值变化率增长幅度越来越快，越来越大，其变化规律符合：
(2)
式中A=21.35，t=268.10，C=-53.80，N为循环次数(时间)，所以，金属膜电阻器热循环过程中阻值变化率随循环次数（循环时间）变化曲线整体可分为两个阶段，循环过程中存在一个循环次数阈值K，循环次数小于此阈值时，阻值变化率随循环次数增加而呈缓慢增长趋势，当循环次数超过此阈值时，阻值漂移幅度突然增大，并且随着循环次数的增加，阻值变化率快速增长，表现为电阻器短期失效，其规律符合：
(3)
式中ΔRR0为阻值变化率，N为循环次数或循环时间，t是与金属膜电阻器的质量及可靠性联系非常密切的一个量，由材料性能决定；A、C为常数。金属膜电阻器的可靠使用阶段应控制在N小于t的阶段。
3. 金属膜电阻热应力模拟分析金属膜电阻器热循环过程存在一个循环次数阈值K当循环次数超过此阈值时，阻值漂移幅度突然增大，并且随着循环次数的增加，阻值变化率快速增长，表现为电阻器短期失效。1000次热循环结束后对失效金属膜电阻器进行失分析。
热循环温度场对金属膜电阻器的组织结构和性能产生了很大的影响[5]。其原因在于金属膜内部各组成部分材料的弹性模量和热膨胀系数有很大差别，在热循环温度场的作用下，电阻器某些区域产生交变的热应力和应变，在长期的这种交变应力和应变作用下，造成材料疲劳和蠕变[6]，引起材料内部组织结构将发生变化，导致裂纹、孔洞等组织缺陷的萌生，最终随着这些缺陷的长大电阻器失效。而对于热循环温度场产生的这种交变的应力和应变，很难对其进行定量的分析，故利用有限元分析方法，对热循环过程中金属膜电阻器中的热应力分布进行模拟分析，以说明热应力对其结构损伤形式的影响。
图3根据金属膜电阻器横断面各层结构，并考虑到其对称性，只取其四分之一，建立金属膜电阻器横断面结构二维有限元模型。从心部向外各层依次为：氧化铝基体、Ni-Cr合金导电膜、环氧漆绝缘材料、环氧封装涂层。其物理性能参数见表1。
整个有限元模型共有609个节点，用四边形四节点单元将截面分割成560个单元。假设单元材料的物理性能符合表2-4中的指标，并假定单元的物理性能不随温度而变化。有限元分析的热循环加载条件与热循环试验制度二相同，选取零热应力应变的参考温度为20℃。有限元分析采用美国MSC公司的MARC-2003软件，模拟分析进行到完成第二个热循环周期，共1080秒。图4 是待分析的典型节点位置及编号，其中节点547在陶瓷基体中，节点316靠近金属膜和封装层界面位置，节点1处在封装层，且远离金属膜和封装层界面位置。
从图5可见，当热循环从室温20℃开始降温，进行20秒后（此时温度为0℃）金属膜电阻器内部因温度改变开始出现错配应力。随着热循环温度的继续降低，错配等效应力继续增大。120秒时（此时温度为-100℃，为下限极限温度）等效应力达到极大值。低温保温结束后，在升温阶段，随着温度的升高，等效应力逐渐减小，当温度升至20℃时等效应力减小到零，随后错配应力开始反向，等效应力又随着温度的升高逐渐增大，直至热循环进行到380秒时（此时温度为100℃，为上限温度）等效应力又达到另一极大值。保温结束后，在降温阶段随着温度的降低，等效应力逐渐减小。当热循环进行到540秒时，温度再次恢复至室温20℃，等效应力几乎回到原来零状态，这样就完成了一个热循环周期。在这一个热循环周期中等效应力一共出现两次极大值，分别在热循环温度达到上下限温度时刻。并且可以发现热循环过程中在靠近金属膜和封装层界面位置处的等效应力始终保持最大。图6给出了在两个热循环周期内典型节点1、316和547上等效应力与时间和温度关系。可见，从室温20℃开始降温，三个典型节点上的等效应力逐渐增大。在达到下限温度时，等效应力出现极大值。低温保温结束后在升温阶段，各节点上的等效应力随着时间的继续进行，温度的升高而逐渐减小。在温度升至20℃时，其等效应力均减小到零。随着温度的继续升高，等效应力又逐渐增大。当温度达到上限温度时，其等效应力又出现另一极大值。高温保温结束后在降温阶段，各节点上的等效应力随着时间的继续和温度的降低而逐渐减小。在温度再次降至室温20℃时，各节点上的等效应力也减小到零。在此周期热循环过程中，可以发现，靠近金属膜和封装层界面位置的节点316的等效应力最大，可达25MPa。其次为陶瓷基体中的节点547处的等效应力较大，最高可达21MPa。在封装层外表面位置的节点1处其等效应力最小。