一种嵌入式电阻器宇航适用性研究

毛喜平，张延伟，张红旗，王智彬，孔鹏

（中国空间技术研究院，北京　100094）



一种嵌入式电阻器宇航适用性研究

毛喜平，张延伟，张红旗，王智彬，孔鹏

（中国空间技术研究院，北京100094）

为了满足航天电子产品小型化的发展需求，对某商用印制板的嵌入式电阻器的宇航适用性进行了研究。通过结构分析和一系列的评估试验，发现了该嵌入式电阻器的优缺点，并给出了其宇航适用性的初步结论。

嵌入式电阻器；结构分析；评估试验；宇航适用性

0　引言

随着电子产品朝着小型化方向的飞速发展，电子产品中采用PCB内部嵌入元件的技术也在迅猛地发展。据报道，与通过SMT设计所得到的PCB相比，采用嵌入技术所得到的PCB的面积可以缩小40%［1-2］。高密度印刷电路板，通常都是采用丝网印刷技术，将厚膜电阻器印制在电路板层间，从而能够节省电路板表面宝贵的空间，为安装更多的元器件提供可能。这种技术使得产品具有尺寸小、重量轻和集成度高的优点，从而可以更好地满足宇航应用的要求。宇航应用除了要求产品的阻值要满足精度要求外，还要求产品应具有良好的温度稳定性和机械强度。

本文选取了一种具有典型结构的印制板嵌入式电阻器，从宇航应用的角度对其结构进行了分析，针对结构分析中发现的产品结构上的薄弱点和进一步的评估建议，并结合宇航应用的实际而制定了评估试验方案，通过一系列的评估试验，给出了该种嵌入式电阻器的宇航适用性的初步结论。

1　嵌入式电阻器技术

1.1嵌入式电阻器的现状

嵌入无源元件的概念在20世纪60年代就已经出现，70年代初开始应用NiP和NiCr层制作内埋薄层电阻。目前，嵌入薄膜电阻和材料已发展得较为成熟，生产与嵌入式电阻器相关的产品的代表公司有DuPont电子技术、Ohmega、Ticer、She1dah1、W.L. CORE&ASSOCIATE和Georgia技术研究所等［3］。

根据目前的生产工艺，可以将嵌入式平面电阻产品分为厚膜电阻和薄膜电阻两种。厚膜电阻成本低、阻值大，方块阻值可以达到10～1 000 kΩ；但在恶劣的环境下，其稳定性差、电阻温度系数（TCR）高。薄膜电阻在较高温度和湿度的条件下具有较好的稳定性、TCR低，但其阻值很小。结合薄膜和厚膜电阻技术，几乎可以制造出所有常用阻值范围内的电阻［2-5］。电阻值范围小时使用薄膜电阻可以大量地减小面积，同时获得精确的阻值；使用厚膜电阻可以获得较大的阻值，但公差相对较大。

1.2嵌入式电阻器的优势和劣势分析

嵌入式元件最大的优势是其能够节省电路板表面的安装空间，同时，由于元件嵌入在电路板内部，因而其受环境变化的影响相对较小，稳固性更高；另外，嵌入式避免了普通安装元器件的焊点，缩短了布线长度，从而消除了寄生电感和电容，提升了PCB的频率特性［6］。虽然嵌入式电阻器具有上述优势，但是其依旧存在一些问题，主要包括断裂分层和各种嵌入元件的稳定性问题。

因为嵌入元件通常需要采用多层叠构设计，而不同材料之间的温度系数不匹配将会产生较大的热应力，从而容易造成嵌入元件产生分层现象，进而影响电阻器的稳定性和可靠性。

嵌入式电阻器的阻值大幅度地上升对聚合厚膜电阻的稳定性具有影响。其中一个关键因素是电阻材料和其沉积的导线表面间的结合情况，当电阻宽度小于1.5 mm时，碳膏和碳银膏与铜端面间的结合力在某些区域会非常差，以致于经受热冲击之后电阻和铜导线间的互连会出现断裂。某电阻器经温循之后的SEM图片如图1所示，从图1可以看出，经温循之后导体层和电阻层接触面间会出现一些小裂纹，而这些裂纹会造成阻值可逆或不可逆的增长［1］。

图1　温循之后的裂纹

另外，与分立式元件不同的是，有缺陷的嵌入式元件无法替换，这意味着即使是一个小元件出现问题也会造成整个线路板报废，如何保证阻值的长期稳定性是嵌入式电阻器技术一直想要解决的问题。

2　某型嵌入式电阻器的结构分析

2.1外观与结构

本文研究的某型嵌入式电阻器表面为金属铜箔，可见定位孔与元件接插孔，其外观如图2所示。

图2　某型嵌入式电阻器的外观实物图及结构图

其中，标称值为60 Ω的嵌入式电阻器的n-n’（n=1～10）之间的标称阻值均为60 Ω；标称值为15 Ω的嵌入式电阻器的n-n’（n=1～10）之间的标称阻值均为15 Ω。

2.2材料与内部结构

结合X射线照片和剖面分析可知，该PCB的内置嵌入式电阻器是采用4层厚度为40 μm的铜箔制成的，铜箔之间采用玻璃纤维编织布增强树脂基复合材料连接，其中1、2层与3、4层铜箔之间的间距均为200 μm，2、3铜箔之间的间距为900 μm。

第二层铜箔刻蚀形成铜线，与两端的通孔相连，铜线在中间断开，其中15 Ω电阻内铜线为直线，铜线两端通孔位于PCB两侧，内有一处断点；60 Ω电阻内铜线为折线，铜线两端通孔位于PCB同侧，内有两处断点。在铜线断开处使用电阻粘剂连接，形成电阻体，电阻体的表面包覆有保护膜层。

对电阻体进行成分分析发现，其主要成分为C，还有少量的Si、O，可以认为该电阻粘剂为掺有传导性碳粉的树脂。X射线和剖面照片分别如图3和图4所示。

图3　15 Ω铜线直排电阻和60 Ω铜线折排电阻的X射线形貌图

图4　15 Ω铜线直排电阻器和电阻体的部面图

经分析发现，15 Ω铜线直排与60 Ω折排电阻器只是铜线的走向与通孔的排布方式不同，其余的结构设计及所用的材料均相同。

2.3结构分析结果

通过对该型嵌入式电阻器的结构、材料和工艺等进行分析，发现其不存在宇航禁、限用问题或其他重大可靠性隐患，但宇航应用前还需进一步地对其开展如下评估工作。

a）由于该电阻器的电阻体层位于PCB的内部，无法对其进行精确的调阻，因此该电阻器的精度较低，只能应用于精度要求不高的项目。

b）由于电阻体为掺碳粉形成的树脂，因而在温度应力的作用下存在由于电阻件发生变形而影响电阻值的隐患，建议对该电阻的温度稳定性进行考核评估。

c）由于树脂基电阻体内埋置于PCB内，因而存在由于PCB受力变形而导致电阻本体变形开裂或者与铜线连接开裂断开的隐患，进而会影响电阻体本体的电阻或与铜线的接触电阻，因此需要对该电阻器在外部翘曲等机械力应力下的阻值稳定性进行评估。

3　评估试验及结果分析

针对结构分析发现的问题和宇航应用的要求，开展了针对性的测试和评价试验。

3.1电阻器阻值测试结果及分析

对每种规格各3块电路板上的电阻器全部进行了测试，结果表明，15 Ω的电阻器的阻值偏差范围在-15.1%～14.5%之间，60 Ω的电阻器的阻值偏差范围在-7.8%～5.7%之间。可见该嵌入式电阻器的精度确实较低，尤其是阻值较小的产品的精度会更低，只能应用于精度满足要求的项目，在选用时必须注意。

3.2电阻器温度特性分析

温度特性是电阻器的重要指标，一般厚膜片式电阻器和金属膜电阻器的温度特性在±100×10-6/℃左右；而片式薄膜电阻器的温度特性更好，可以达到±25×10-6/℃左右。

两种规格的嵌入式电阻器的温度特性试验结果如下所述。

a）15 Ω的电阻器

1）-55℃下电阻器的温度系数最大为-1130.7×10-6/℃，最小为-371.4×10-6/℃；

2）125℃下电阻器的温度系数最大为-551.6×10-6/℃，最小为14.8×10-6/℃。

b）60 Ω的电阻器

1）-55℃下电阻器的温度系数最大为-610.0×10-6/℃，最小为-330.9×10-6/℃；

2）125℃下电阻器的温度系数最大为-216.7× 10-6/℃，最小为-48.2×10-6/℃。

可见，两种规格的嵌入式电阻器在-55℃下的温度特性值较大，其最小值也比片式厚膜电阻器的大2～3倍，在低温应用时应予以注意。相比之下，其在高温下具有相对良好的稳定性，温度系数的最小值可达14.8×10-6/℃，可与片式薄膜电阻器的温度特性相比拟；但是，由于该产品不能进行调阻，且未进行过筛选，因而其在高温下的温度特性的离散性较大。

3.3耐温度冲击性能分析

在对电阻器进行结构分析时，发现其在温度应力作用下存在由于电阻体发生变形而影响电阻值的隐患，因而建议对该电阻器的温度稳定性进行考核评估。因此，设计了温度冲击评估试验，温度冲击评估试验既可以对嵌入式电阻体本身的稳定性进行评估，又可以对埋层材料与电阻器本体的材料温度应力的匹配性，以及内外部金属连接的整体的有效稳定性进行评估。

两种规格的电阻器按GJB 360B-2009的方法107条件进行了 （-55℃，+85℃）的温冲试验，初始循环10次后增加循环次数，以50次递增进行试验，直至完成210次循环为止；试验的过程中需测试并记录电阻值，并且需计算出电阻的变化率。

试验表明，随着温度冲击次数的增多，阻值基本越来越稳定，两种电阻器的阻值变化越来越小，由此可见，温冲对于电阻器的阻值具有一定的稳定作用，这也是电阻器会将温度冲击作为一项筛选试验项目的原因。

15 Ω的电阻器经过210次温冲后的阻值变化最大为-2.78%，60 Ω的电阻器经过210次温冲后的阻值变化最大为-0.76%。试验表明，该种掺碳粉树脂形成的电阻体本身具有良好的温度稳定性，内外部金属连接同样具有良好的温度稳定性；同时，经过210次温度冲击后，产品的外观未见分层、脱皮或翘曲等现象，说明铜箔、埋层材料与电阻器本体材料的温度应力匹配性较好。

总之，试验表明该型电阻器具有较强的耐温度冲击能力，同时也表明温冲对该型电阻器阻值具有一定的稳定作用。

3.4耐弯曲性能分析

通过对电阻器进行结构分析，发现有必要对电阻器在外部翘曲等机械应力下的阻值的稳定性进行评估，因此，参考片式瓷介电容器弯曲试验为该电阻器设计了耐弯曲试验，试验方法如图5所示。

从印制板上裁下单个电阻器，焊线引出阻值，将单个电阻器压在印制板和试验工装上。在单个电阻器中心施力，以1 mm/s的弯曲速率分别将电阻器弯曲1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm、5 mm，并测量电阻器的阻值，计算阻值的变化率。试验截止条件为：电阻器弯曲5 mm或其阻值变化率大于或等于20%。

电阻值随弯曲深度的变化而变化的情况如图6所示。

图5　片式电容器的弯曲试验工装

图6　阻值随弯曲深度的变化而变化的曲线图

由图6可以看出，阻值随着弯曲深度的增加呈线性减少，其最大变化率为-11.60%。结合该型嵌入式电阻器的结构和材料分析的结果发现，产生上述现象的原因是，在工装逐渐地下压的过程中，工装对电阻膜层也在逐渐地施加压力，导致膜层越发致密，电阻率减小，因而表现为阻值逐渐地减小。试验完成后，将单个电阻器从工装上取下，测量阻值，发现其基本上能恢复初始阻值，表明该型嵌入式电阻器具有较强的耐弯曲能力。

3.5耐湿性能分析

除了根据结构分析的结果对该型电阻器的温度特性、耐温度冲击性能和耐弯曲性能进行了分析外，本文还根据型号运输和储存的要求，对其进行了耐湿试验，以考察该种嵌入式电阻器在高温高湿条件下耐潮湿劣化影响的能力。按GJB 360B-2009的方法106进行了耐湿试验，试验后，发现产品表面没有外观缺陷，15 Ω的产品的阻值变化范围在-0.21%～0.69%之间，60 Ω的产品的阻值变化范围在0.15%～1.22%之间，可见，铜箔之间的玻璃纤维编织布增强树脂基复合材料具有较好的耐湿性能，对嵌入其中的电阻体具有很好的保护作用，体现了嵌入式的优点。

3.6耐焊接性能分析

由于是通孔安装，因而该类型嵌入式电阻器在应用时一般通过手工烙铁焊接技术进行焊接，因此，按照 GJB 360B-2009的方法210试验条件A烙焊法 （350℃±10℃，4～5 s）在印制板的电阻器引出端进行耐焊接热试验。

试验后，15 Ω的产品的阻值变化范围在-0.04%～0.32%之间，60 Ω的产品的阻值变化范围在± 0.05%之间，证明产品的耐焊接能力良好。结果表明，表面大面积的铜箔、过孔和内部铜连线均是热的良导体，而埋层材料的熔点远远高于360℃，且是热的绝缘体，可以对嵌入其中的电阻体本身起到很好的保护作用，也体现了嵌入式的优点。因此，该型嵌入式电阻器具有较好的耐焊接热能力。

4　结束语

通过对某型嵌入式电阻器进行结构分析，发现了其在宇航应用前需要进行评估的各个方面，通过相应的试验证明了该型电阻器具有阻值精度低、高温下阻值稳定性较好等特点，同时也证明了其具有较好的耐温度冲击能力和耐机械弯曲的能力。此外，试验还证明了该电阻器具有良好的耐湿性能和耐焊接热性能，体现了嵌入式的优点。

总之，尽管该型电阻器存在阻值精度低、无法单独地更换嵌入的电阻体等缺点，但是，通过结构分析和针对性评估试验发现，其不存在任何影响宇航应用的重大问题。因此，鉴于嵌入式电阻器具有各种优点，认为该嵌入式电阻器通过适当的筛选和考核后仍具有较好的宇航应用前景。

［1］李春甫.网印内埋电阻——网印与电子技术 ［J］.网印工业，2007（4）：10-14.

［2］姜雪飞，刘东，欧植夫.埋嵌平面电阻印制板阻值控制方法研究 ［J］.印制电路信息，2012（6）：38-42.

［3］吴小龙，梁少文.印制电路板内埋薄膜电阻和聚合厚膜电阻的可靠性初步评估 ［J］.印制电路信息，2013（6）：41-46.

［4］徐杰栋，刘晓阳.埋入式电容、电阻技术之探讨 ［J］.印制电路信息，2005（8）：45-53.

［5］陈长生，江倩，伊净，等.埋入电阻式多层印制板的研制 ［C］//第六届全国印制电路学术年会，2000.

［6］杨维生.高频多层印制板平面埋电阻技术应用研究 ［C］//第九届全国印制电路学术年会，2012.

Research on the Aerospace Applicability of an Embedded Resisor

MAO Xi-ping，ZHANG Yan-wei，ZHANG Hong-qi，WANG Zhi-bin，KONG Peng
（China Academy of Space Techno1ogy，Beijing 100094，China）

In order to meet the deve1opment needs of the miniaturization of aerospace e1ectronic products，the aerospace app1icabi1ity of the embedded resistor of a commercia1 PCB is studied. Based on the structura1 ana1ysis and a series of eva1uation tests，the advantages and disadvantages of the embedded resistor are found，and the preliminary conclusions of the aerospace applicability of the embedded resistor are given.

embedded resistor；structura1 ana1ysis；eva1uation test；aerospace app1icabi1ity

TM 54

A

1672-5468（2016）03-0023-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.005

2016-01-02

2016-04-05

毛喜平 （1977-），女，黑龙江宁安人，中国空间技术研究院宇航物资保障事业部工程师，硕士，从事型号元器件的质量保证工作。