高功率电阻器设计和测试技巧有助于延长产品寿命

了解选择不同材料和制造工艺的影响可以将标准高功率贴片电阻元件与为真正高可靠性应用设计和测试的元件区分开来。高可靠性和长寿命这两个产品属性往往结合在一起，两者都可以通过精心选择用于设计和制造高频组件的材料来增强。一个 250-W 终端将作为一个示例，展示如何遵循正确的设计指南以及高功率测试方法的标准化如何帮助选择可靠、持久的高功率组件的材料。

加速寿命测试，其中组件经受各种可能不可避免地导致其失效的操作条件，可以深入了解如何使其下一次设计迭代更加稳健和可靠。为了更好地理解可能终限制产品可靠性的设计和工艺问题，特别是对于高功率、法兰安装的衰减器、电阻器和终端，开发了 1000 小时循环老化方法来解决灾难性故障。

在设计阶段，以下建议适用于高功率电阻器件（大功率贴片电阻）：审查和理解客户的规格；知道*大工作频率、*大 VSWR 以及全额定功率下的*低和较高工作温度；了解脉冲信号要求，包括脉冲宽度和占空比；了解功率降额规格；并了解功率和温度循环要求。

在设计和开发满足特定客户要求的高功率电阻元件时，材料的选择至关重要，这不同于薄膜电阻型号。一个出发点是决定哪种陶瓷材料可以作为构建块材料来满足客户的电气和热设计要求，以及该设计应该制造为厚膜器件还是薄膜器件。如果是薄膜，它应该基于硝酸钽 (TaN) 或镍铬 (NiCr) 薄膜，通常沉积在氧化铝、氮化铝或氧化铍基板上？此外，如果选择 NiCr 材料，应用（例如高功率脉冲电路）是否需要任何类型的金属增强材料，例如镍？

材料选择还延伸到设备法兰——它应满足各种热要求，例如与为高可靠性组件选择的其他材料良好匹配的热膨胀系数 (CTE)。此外，必须决定法兰电镀材料，例如金属间材料，以及用于将芯片组件连接到法兰安装封装的焊料或钎焊材料。其他材料选择要求涉及是否需要芯片电镀（取决于焊料或钎焊要求）以满足特定应用的要求。

开发高功率无源元件将涉及计算*佳薄膜拓扑结构，以处理所需的功率水平，同时仍满足射频/微波性能规范。它还需要使用现代计算机辅助工程 (CAE) 软件模拟工具根据客户要求对材料堆叠进行热分析和模拟，以及对电气性能进行模拟，例如插入损耗、回波、损耗和驻波比。

除了适当的材料选择外，制造工艺的选择还应基于满足特定组件的设计目标和客户要求。此外，应制定测试程序以支持在产品开发的设计和材料选择阶段设定的性能目标表征组件。设计测试夹具以准确测试制造的组件至关重要。此外，夹具应该能够在整个验证过程中始终如一地提供准确的数据，因为这些数据将决定实现设计目标的成败。所有的测试数据都应该被记录、编译并合并到一份验证报告中，以备将来使用。

验证设计

对于大功率电阻器或终端，有两个主要设计考虑因素会影响组件的长期可靠性：组件承受超过组件材料限制的高温，导致可靠性问题；过高的温度持续足够长的时间会导致组件损坏或完*失效。

对于这样的无源元件，当功率耗散时，通过用于构造元件的陶瓷、焊料、法兰和热化合物的温度梯度，以及这些材料之间的 CTE 不匹配，只要 CTE 显着不同，就会产生机械应力。芯片与法兰的焊接连接会因反复承受应力而产生疲劳裂纹。坚固的设计可以承受由循环打开和关闭引起的任何疲劳，并且不会随着时间的推移而退化和失效。

材料选择对于高可靠性组件至关重要，以避免可能导致故障的热致应力。对于稳态操作，标准材料堆叠通常就足够了。然而，当组件必须处理功率和温度循环时，焊料和法兰材料的选择对于高可靠性至关重要（图 2）。

两个案例被用来探讨材料选择的影响。在*一种情况下，材料堆叠热阻为 0.1580°C/W，250 W 下的 Δt 梯度为 +39.5°C，导致薄膜温度近似为 +139°C。这远低于 +150° 至 +180°C 的行业标准限值。虽然结温 (θ jc) 非常好，材料的 CTE 差异很大，导致机械应力终导致组件故障。在第二种情况下，热阻为 0.2036°C/W，高于*一种情况，薄膜温度约为 +150.9°C。这仍然在优选范围内，但材料堆叠的 CTE 几乎与*一种情况相同。尽管如此，第二个外壳的材料堆叠具有保持更高可靠性和更长使用寿命的优势。

*一种情况的材料堆叠在整个行业中广泛使用，由BeO芯片、铜法兰（镀镍）和Sn-96焊料组成；具有这种材料堆叠的组件在 400 次开/关循环时开始出现故障（再次参见图 2）。第二种情况（表 2）的材料堆叠采用了特殊材料，包括 BeO 芯片、镀金 (Au) 的钨/铜 (Ti/W) 法兰和金/锗 (Au/Ge) 或金-锡 (Au/Sn) 钎焊材料。在第二种情况下，使用材料叠层的组件在 500,000 次开/关循环时开始出现故障——比行业标准高 1250 倍。

在组装大功率器件时，必须在加工阶段考虑焊料空隙。经过多年的研究和测试，半导体行业已经解决了这个问题。已经写了无数篇关于半导体结内温升对可靠性影响的论文。一个简单的经验法则：结温每升高 10°C，可靠性就会下降 50%。尽管这条经验法则适用于半导体，但对于为长寿命而设计的高功率电阻器和终端，也应采用相同的设计方法和工艺方法。