贴片薄膜电阻如何实现优秀的耐湿性能

摘要
在高湿度环境下，贴片薄膜电阻可能因“电化学腐蚀”导致电阻膜层损伤，进而引发失效。为提升电阻器的耐湿性能，制造商通常采用两种方法：一是在电阻膜层表面制造保护膜以隔绝湿气；二是采用本身不易发生电化学腐蚀的材料制备电阻膜层。

常规的稳态湿热试验难以准确评估贴片薄膜电阻的耐湿性能，因此一般依据“双85测试”的结果进行判断。在该测试中，电阻值变化较小的产品通常表现出更优异的耐湿性能，而变化较大的产品则相对较差。经过多方面对比，若需选用高耐湿性的贴片精密薄膜电阻，开步电子（睿思RESI）旗下的PTFR系列产品是一个具备竞争力的选择。

01 薄膜电阻在高湿环境下的失效原理

贴片薄膜电阻在高湿环境下失效是因为水蒸气进入电阻内部结构后，水汽与电阻膜层材料之间形成了“电化学腐蚀”中的”电解池“结构，从而导致电阻膜层发生改变。在此我们简单介绍一下”电解池“的基本概念。

当直流电源的正极和负极均浸入电解质溶液或熔融电解质中时，与电源正极相连的导体（称为阳极）会发生氧化反应，而与电源负极相连的导体（称为阴极）则发生还原反应。其中，与正极连接的部分失电子能力越强，就越容易发生氧化反应。活泼金属的失电子能力通常强于氢氧根离子，因此会优先被氧化，由固态金属转化为可溶于水的金属离子，造成材料腐蚀。

下图为常见的贴片薄膜电阻的内部结构示意图。当湿气金属电阻内部后，其微观结构如下图所示：

当电阻体通电时，根据电流方向会形成图示的“电解池”结构，当电流持续加载时，阳极部分的导体被持续转化为金属离子，导致导体材料产生缺损，使得流动的横截面积减小，产生例如电阻器的电阻值增大、负载能力下降等影响，随着电流的长时间加载，阳极的电阻膜层被持续腐蚀直到电阻膜层消失，电阻器断路失效。

02提升薄膜电阻耐湿能力的方法

提升电阻器耐湿性能的方法可分为两个方向：

1、将电阻膜层材料改换为不发生电化学腐蚀的材料

（ps：方阻指的是单位面积薄膜的电阻值）

a)当前主流薄膜电阻膜层材料及其特性如下表所示。在众多材料中，氮化钽（TaN）因其电阻率适中、化学性质稳定，并且可通过在氮气环境中溅射钽靶材进行制备，而被广泛用于制造高耐湿性能的贴片薄膜电阻。

与以镍铬合金为电阻膜层的传统薄膜电阻相比，氮化钽薄膜从根本上杜绝了电化学腐蚀的风险，但也带来了一些局限性，例如电阻值的覆盖范围变窄、温度系数性能有所下降等。

值得注意的是，目前主流制造商生产的氮化钽薄膜电阻，普遍采用99.6%纯度的高纯度氧化铝陶瓷基板。笔者推测，其原因可能在于高纯度氧化铝基板表面平整度更佳，不易积聚水汽和污染物，从而有助于提升电阻器在潮湿环境中的稳定性。

电阻膜层材料	方阻（Ω/sq）	特性
氮钽薄膜	10~150	极好的抗湿气能力
硅铬薄膜	500~1500	适合实现小尺寸大阻值
镍铬薄膜	20~350	极好的TCR特性

2.是通过添加保护层，将电阻膜层与外界湿气有效隔离。

目前常用的保护涂层主要包括以下两种：

a)氧化物膜：在电阻膜层沉积完成后，通常需通过热处理来提高其稳定性。若将电阻置于弱氧化气氛中进行该处理，能在电阻最外层形成一层致密且化学性质稳定的金属氧化物薄膜，从而提升产品的耐湿性能。然而，氧化物层的厚度不同会对电阻性能产生不同且不可逆的影响，因此这一工艺对制造厂商的技术水平提出了较高要求。

b)无机保护膜：采用PCVD（化学气相沉积）等方法，在电阻膜层表面覆盖一层致密的无机薄膜（以二氧化硅和氮化硅为主）。该薄膜能有效阻隔外界水汽与电阻膜层的接触，在保留镍铬膜层优异稳定性的同时，显著提升电阻器的抗湿能力。

03电阻器耐湿性能的评估标准

下表是用于测试电阻器产品耐湿性能的常见方式。值得注意的是，为确保准确评估其耐湿性能，应使电阻器内部存留一定的水汽。若电阻器在满功率负载下运行，其内部温度过高，表面及周围难有水汽残留，缺乏发生“电化学腐蚀”的必要条件，因此“稳态湿热”测试往往难以准确反映其耐湿性能。

相比之下，“双85测试”和“耐湿性测试”均在高温高湿环境中进行，且加载较低功率或不加载功率，确保了电阻周围存在一定水汽，从而能够更真实地评估耐湿性能。为此，对可靠性要求极高的标准——如“AEC-Q200”和“MIL-PRF-55342”——均将这两项测试作为评估电阻器耐湿性能的重要依据。

在同一测试标准下，通常通过比较电阻器在试验前后的阻值变化率来评判其耐湿性能的优劣：电阻值变化率越小，表明耐湿性能越强；变化率越大，则耐湿性能越弱。

测试名	测试内容	测试标准
Damp Heat with Load/稳态湿热	在40±2℃，90~95%相对湿度的环境下，加载额定功率，通电90min，断电30min，共1000h。	IEC-60115-1 4.24
Biased Humidity/双85测试	在85℃，85%相对湿度的环境下，持续加载1/10额定功率共1000h。	AEC-Q200 Test 7
Moisture Resistance/耐湿性测试	95%RH，在25℃与65℃不加载静置8h，十天内循环3次。	MIL-PRF-55342

04各贴片薄膜电阻实际耐湿性能对比

这里我们对不同厂家的贴片薄膜电阻的耐湿性能进行对比，下表中数据均摘自各产品的规格书：

系列	品牌属地	膜层技术	测试内容	结果
PTFR	中国大陆	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.05%
AT	中国大陆	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.2%
AR-A	中国台湾	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.1%
RN73H	日本	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.1%
ERAA	日本	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.1%
RNCE	美国	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.1%
CRT-A	美国	镍铬薄膜	双85测试	△R≤±0.1%

下图为开步电子的PTFR系列产品在“双85测试”中的长时间性能表现情况，从图中可以看到发现PTFR系列产品在该测试条件下测试10000h后，电阻值的变化范围仍旧在±0.1%以内，结合此前对比的各薄膜电阻在”双85测试“中的测试结果，我们可以判断开步电子旗下的PTFR系列产品的耐湿性能极佳，在高湿度的条件下的长期使用性能表现极其稳定，因此，当需要选择一款高耐湿性能的贴片精密电阻或产品使用环境有高湿度风险时，开步电子的PTFR系列是一个极其可靠的选择。

审核编辑 黄宇