新型环保线绕电阻器的应用特性及可靠性分析

0 引言

随着电子技术的迅速发展，电阻器作为电子元件中的一个基本组成部分仍在不断发展。由于采用新技术和自动化生产，电阻器无论从生产规模和质量方面都达到了新水平。目前我国内地有300～400家企业生产电阻，电阻产量约为3 000亿只，约占全球产量的30％，随着消费电子产品、GPS模块和数字机顶盒的需求上升，内地的电阻产业将稳步成长，产量还将进一步增长。同时在技术上不仅能做出精度高达0.001％的稳定可靠的电阻器，而且具有小体积且能适应集成电路需要的电阻网络已经广泛得到应用。此外，随着市场上对产品环保意识的增强，大多数厂商都开始接受欧盟的环保规定。因此，环保型电阻就成为内地电阻厂商的研发重点，其中ISO14001认证是一个风向标。

1 电阻器的发展

电阻器可分为非线绕电阻器和线绕电阻器。非线绕电阻器具有良好的高频性能，因而在高精密应用方面占有主导地位。例如薄膜式电阻、块状电阻等都已在家用电器、集成电路中得到广泛应用，微型化电阻、片式电阻、电阻网络等随着手机、MP3、汽车产业的需求，也在不断发展并呈增长性需求趋势。

线绕电阻器是一种历史悠久的品种，目前在大功率和高精密方面保持着重要地位。目前，线绕电阻器也在日新月异地发展着新型产品，例如线绕熔断电阻器、大功率削磁线绕电阻、耐雷电冲击线绕电阻、水冷线绕电阻等许多品种的大功率线绕电阻器，在功率上已经达到2 000 W以上。结构上已经延伸至泄放电阻箱、负载电阻柜等领域。陕西华星线绕电阻有限公司已于2002年通过了ISO14001认证，该公司还计划通过TL16949认证。为了重点开发适应国内外需求的无污染型环保产品，该公司已设计出新型环保线绕电阻器，功率由14～200 W，结构也有2、3引线和4引线等多种。

2 新型环保线绕电阻器的主要特性

新型环保线绕电阻的生产过程是严格按照ISO9001质量管理体系和ISO14001环境管理体系的程序文件进行工艺控制的。该产品被覆层采用高温电绝缘无机涂料进行涂覆(包封)。一般的电阻则采用有机或含有树脂成份的涂料进行涂覆。在汽车或在大功率家电上使用该产品时，负荷功率下的电阻体发热会导致涂料中的有毒有害气体产生，从而对人体造成伤害或对环境产生污染。

高温电绝缘无机涂料成份主要由硅酸盐粉料、无机颜料、无机粘结剂和各种助剂组成，稀释剂为水。其特点是具有较强的粘结度、可耐600℃以上高温和800℃的热冲击，且具有阻燃性，其耐热震性可达到300℃～室温10次，而包封层不开裂，同时在高温下应无有毒、有害物质放出。
新型环保型线绕电阻的引线采用镀镍铜材，基体采用A75优质硬质陶瓷材料，电阻丝采用进口线材。

3 新型电阻的可靠性

所谓可靠性，就是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。本文将可靠性用可靠度来定量地描述。可靠度的定义是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率，用R表示。产品在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能，即发生失效的概率称为累积失效概率，用F表示。可靠度与累积失效概率之和成为必然事件的概率为1，即：

产品在一定时间内的可靠度和累积失效概率可以通过大量试验来确定。例如取N个产品进行试验，若在规定时间内有n个失效，则：

其中n，F，R均为时间t的函数。
这是把单位时间内失效的产品数与试验总数之比称为失效密度f(t)，它也是时间t的函数：

其中，△n(t)是在t～t+△t时间内失效的产品数，这样，f(t)在0～t时间内的积分应等于：



失效密度用来反映产品在全部工作时间失效的分布情况。产品工作到t时刻后，在单位时间内失效的概率称为失效率λ(t)，可用下式表示：



失效率比失效密度能更确切地反映产品出现失效的可能性，它是标志产品可靠性的常用数量特征之一。失效率越低，可靠性越高。失效率可用％／103小时作单位。对高可靠性产品可用10-9／小时作单位，称为非特。
 
电阻器产品在正常条件下使用的失效可分为三种类型，即早期失效、偶然失效和耗损失效。图1所示是电阻器失效率与时间的关系曲线。从曲线上可看出三种失效的三个阶段。由于偶然失效出现在产品可靠工作的时期，研究这一时期的失效因素有重要意义。要提高产品的可靠性，必须加强产品对各种"应力"所能耐受的强度。这里所谓的"应力"是指对产品功能有影响的各种因素，如温度、电压电流、机械力等。

3.1 加速早期失效以提高可靠性

早期失效出现在产品开始工作后的较早时期，其特点是失效率高，且失效率随时间增加迅速下降。早期失效由制造工艺缺陷、原料缺陷、设备故障、质量检验不严等因素造成。

首先，对原材料和工艺的严格检验，同时加强产品的质量管理可对工艺制造过程中导致的早期失效产品进行有效控制。

其次可采用脉冲直流功率负荷的老化筛选方法来提高产品的可靠性。在脉冲负荷情况下，由于瞬时负荷较大，功率集中在一个短时间内发生，它对电阻器的作用比连续负荷更为强烈。事实上，导电元件的瞬时过热是最重要的。从热的观点看，电阻器可分为主动部分和被动部分，主动部分为电阻丝，被动部分为被加热部分如基体、保护层和引出线等。在脉冲持续时间内，主动部分产生的热量来不及分散到被动部分，会使主动部分迅速升温，然后在脉冲时间内，主动部分积蓄的热量会向被动部分传送，从而使温度逐渐回到一个稳定值。图2所示是主动部分的温度变化曲线。

主动部分在脉冲持续时间τi内的温升△ti可表示为：

其中：α为主动与被动部分交界处的散热系数；S为主动部分与被动部分交界处的面积；c为主动部分的比热；m为主动部分的质量；αS/cm为主动部分的温度时间常数；t为室温；t1为脉冲起始温度；为峰值功率下的主动部分温度：为峰值功率。

以上分析考虑了主动部分的热容量(cm)在脉冲功率的作用下吸收热量使自身的温度上升的情况，实际上，由于散热(αS)作用，这个过程符合于一个指数规律，时间常数αS/cm表明了这个指数规律的特征。

脉冲负荷时电阻器的失效机理可分为以下几种情况：

(1) 在峰值功率作用下，电阻器中导电元件瞬时过热会造成(例如原料有缺陷、电阻丝花
线、并线、间距不均匀等缺陷)电阻器断线、阻值漂移或严重老化。

(2) 在峰值电压下，基体上缠绕的电阻丝电流密度过大或过热，会造成(例如电阻丝有损坏或受机械损伤、米阻值不稳定等缺陷)电阻器阻值无穷大、阻值漂移或损坏，这种情况通常在高阻时发生。 (3) 在峰值电流作用下，引线与电阻丝焊接部分的电流密度过大或过热，会造成(例如电阻丝与引线的焊接虚焊、搭线等缺陷)电阻器断线、阻值无穷大或电阻器损坏，这种情况通常在低阻时发生。

脉冲老练的目的一是剔除有内在缺陷的器件，二是可使电阻器的性能更加稳定。

3.2 降低偶然失效来提高可靠性

偶然失效可出现在整个工作期间，其特点是失效率低且近似为常数。偶然失效可看作是在某一时刻电阻器中所累积的"应力"超过了本身所能耐受的强度所造成的。线绕电阻在绕制过程中由于电阻丝比较细。当拉力较大时，容易被拉长而发生不均匀的塑性变形。当拉力小于屈服应力时，电阻丝不发生塑性变形而产生弹性变形，电阻丝中保持着拉应力，这个应力在长期使用过程中会影响阻值的稳定性，另外，紧绕的绕组受骨架热膨胀失配的影响也较大。

采用热老化处理可使电阻丝在绕制过程中受的应力及其它不稳定因素在热处理过程中提前恢复，从而使阻值达到稳定。当然，热老化温度一般低于电阻丝被覆层或骨架材料所能耐受的最高温度，老化时间通常为24～48小时。

图3所示为卡玛线在不同拉力下绕制后，在190℃温度热老化过程中阻值随时间的变化曲线。拉力越大，阻值在热老化时的变化也越大，这说明热处理是消除应力影响的有效措施。

3.3 耗损失效

耗损失效一般出现在产品的使用后期，其特点是失效率随时间的增加而上升。耗损失效主要是由于产品的老化和疲劳造成的。

4 结束语

新型环保线绕电阻器主要用来在低频交流电路中发挥降压、分流、负载、反馈、转能、匹配等作用，或在电源电路中起到吸收器和分压器的作用，也可用作震荡回路和变压器内衰减调整及脉冲形成电路中的分流器。此外，也可用于整流器中滤波级电容器的放电和消火花。同时可广泛应用于家电、医疗设备、汽车行业、铁路、航空、军用设备仪器等领域。