RMK片式膜电阻在真空下的过电特性研究.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期近年来，由于微电子技术的进步、轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的出现，小卫星迅速发展，被广泛应用于民用通信、遥感、技术验证等领域16。为了提高整星供电效率，越来越多的小卫星采用集中供电7的策略直接为单机产品提供二次电源，这种模式可以方便对整星供电进行统一管理，共享所有单机电源的设计余量。单机产品不再适合使用熔断丝进行电源保护，因为熔断丝阻抗比较小，单机在发生短路故障时会产生瞬间的大电流，导致电源电压下拉，将对同一供电线路上的其他单机产生影响，对整星来说有可能发生严重故障，此时使用限流电阻代替熔断丝就成为必要的设计手段。对于小卫星来说，其星载产品必然也使用小型化设计，星上产品内部电路板的限流电阻最常见的是 RMK3216型片式膜固定电阻，本文通过试验对该类型电阻进行真空环境下的过流研究。鉴于在限流电阻出现过流时，电阻本体的温度会急剧增加，此时的环境温度与之相比可以忽略不计。RMK 类型电阻不是辐照敏感器件，并且辐照对器件材料的影响是一个缓慢的过程，对本研究没有太大影响。另外，电阻膜层被夹在玻璃保护层和基板之间，有无重DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.003引用格式：付明睿，张金保，刘琦，等.RMK片式膜电阻在真空下的过电特性研究J.现代电子技术，2023，46（18）：1518.RMK片式膜电阻在真空下的过电特性研究付明睿，张金保，刘 琦，关 彬，刘一武（北京控制工程研究所，北京 100190）摘 要：为了提高小卫星的供电效率，越来越多的微小卫星的电源使用集中二次供电方式。为防止单机产品电源短路后出现大电流，影响同一母线上其他单机，使用限流电阻替代熔断器已成为集中供电模式下单机供电安全的发展方向。文中将理论与试验相结合，在真空环境条件下，通过开展 RMK片式膜电阻的过电应力试验，研究该类型小阻值电阻通过的电流超出额定值时的阻抗特性。结果表明，当片式膜电阻的过电流值为额定电流的6倍以上时，该大电流在1 s内可以使电阻从几欧姆的阻值急剧上升至几千欧姆，从而达到保护卫星供配电系统的目的。另外，降低产品短路大电流的过流时间，可以防止电路板严重烧毁，避免引起其他类型的二次故障。关键词：RMK片式膜电阻；过电特性；真空环境；卫星集中供电；限流电阻；过流中图分类号：TN967.234；V19 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18001504Overcurrent characteristics of RMK chip film resistor in vacuumFU Mingrui,ZHANG Jinbao,LIU Qi,GUAN Bin,LIU Yiwu(Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China)Abstract：In order to improve the power supply efficiency of small satellites,the way of centralized secondary power supply is applied to more and more micro satellites.As the occurrence of large current after shortcircuit of single product can affect other single machines on the same bus,using current limiting resistors instead of fuses has become a development direction for the safety of single machine power supply in centralized power supply mode.In combination of theory and experiment,the impedance characteristics of small resistance resistor when the current passing through it exceeds the rated value are studied by conducting overcurrent stress tests on RMK chip film resistors under the vacuum environment conditions.The results show that when the overcurrent value of chip film resistor is more than 6 times of the rated current,the resistance can rise sharply from a few ohms to several thousand ohms within 1 s,so as to achieve the purpose of protecting the satellite power supply and distribution system.Reducing the overcurrent time of shortcircuit high current can prevent serious burning of the circuit board and avoid causing other types of secondary faults.Keywords：RMK chip film resistor;overcurrent characteristics;vacuum environment;satellite centralized power supply;current limiting resistor;overcurrent收稿日期：20230214 修回日期：20230327基金项目：装发共用技术（41417060102）1515现代电子技术2023年第46卷力对电阻膜层的形貌影响不大。1 研究过程1.1 试验步骤1）抽 取 几 个 阻 值 类 型 的 片 式 固 定 膜 电 阻，RMK32161/4W2J、RMK32161/4W10J、RMK32161/4W39J。2）样品焊接在专门设计的电路板上，按照实际产品的设计状态，采用多个电阻并联的模式，按照某型号的实际配置 39 的电阻每 4 个并联，10 的电阻每3个进行并联，2 的电阻每2个进行并联。3）将6位半的数字万用表34410A串联进入电流闭环，以50 ms的采样率实时地将电流采集到计算机中。4）由于电阻在过流状态下会急剧发热，电阻本身温度可能增加几百甚至上千度，所以试验的环境温度并不重要。为了模拟空间环境，试验在真空环境下进行，避免了空气中的氧气对高温电阻的氧化。5）根据某型号的电源余量完成39 电阻的1.73 A（额 定 电 流 的 5.4 倍，简 称 电 流 倍 率 为 5.4）、1.32 A（4.1 倍）的过流测试，以及 10 电阻的 3.6 A（7.6倍）的过流测试、2 电阻的 2.5 A（3.5倍）的过流测试。为了保证研究的完整性，增加 10 电阻的 3 A（6.3倍）的过流测试和2 电阻的3.5 A（4.9倍）的过流测试。1.2 试验结果1）试验过程中未出现电流变大（阻值变小）的现象。2）随着电流倍率的逐渐增加，电阻出现阻值急剧增大（短路电流急剧下降）的时间越来越短，如图 1 所示。由表1所示的不同电流倍率下电阻熔断时间可知，3.5 倍额定电流的 1 000 s 到 7.6 倍额定电流时减小到0.25 s，该时间是供电系统承受过流引起的额外功耗的时间。图1 电流倍率和电阻急剧变大时间曲线3）倍率越低的过载电流对电路板的烧蚀越严重，4.1倍率的电流过载电路板形貌如图 2所示。当过电流较小时，由于烧蚀时间长，热量有足够时间传导至电路板，而电路板的导热系数不是很高，以致于电路板局部过热，导致电路板烧蚀严重；过电流较大时，电流急剧变小的烧蚀时间短，电路板烧蚀较轻，其对比如图3所示。表1 不同电流倍率下电阻的熔断时间序号123456状态2个2 并联4个39 并联2个2 并联4个39 并联3个10 并联3个10 并联过流倍率3.54.14.95.46.37.6电流急剧变小时间T/s1 00054.45.82.50.50.25充分冷却阻值/10.954.451.2105.464.974.1图2 4.1倍率电流过载电路板形貌图3 5.4倍率电流过载电路板形貌2 机理分析2.1 片式膜电阻构成如图4所示，片式膜电阻器由基片、电阻膜层、玻璃16第18期保护层和电极等部分构成8。基片是起支撑作用的骨架，其物理化学性能对电阻器的电性能有很大影响，基片要有良好的绝缘性能、良好的热导率，热膨胀系数尽可能与电阻膜层一致。RMK3216基片采用96%氧化铝陶瓷基片。电阻膜层是厚膜电阻器最核心的部分，RMK3216 电阻采用二氧化钌电阻浆料烧结而成，钌系电阻浆不仅性能稳定，烧结时不受还原气氛条件影响，而且电阻温度系数低、阻值范围广，阻值重现性好。图4 厚膜电阻基本结构示意图玻璃保护层烧结在电阻膜层外部，可以使电阻膜层免受机械磨损，并防止有害气体及酸碱类物质向电阻膜层扩散。玻璃保护层一般由硼硅酸铅玻璃系材料制成，它与电阻膜层热膨胀系数接近，附着性能良好。厚膜电阻器采用内电极和端电极相结合的结构，这样既保证外接电路与电阻膜层有良好的解除，又确保电极对陶瓷基片有很强的结合力，防止采用波峰焊时元件脱落。2.2 电阻的主要生产工艺厚膜电阻器主要由端电极、电阻膜、玻璃保护膜基片等组成，主要生产工艺为印刷、烧结、激光调阻、分割等。其中烧结包括升温、保温和降温 3个阶段，使膜层牢固地粘合在基片上，并具有所要求的电性能。激光调阻机发出高能激光，瞬间产生高温，把电阻膜层部分蒸发掉，使有效导电面积减小，电阻值增大，达到规定的阻值精度。2.3 电阻膜层的微观结构及导电机理本文所述 RMK3216 型电阻的电阻浆料是以 RuO2为导电相，加上玻璃釉粉和粘结剂制成的。RuO2是钌最 稳 定 的 四 价 氧 化 物，呈 蓝 黑 色，是 具 有 金 红 石结 构 的 半导体氧化物，性能非常稳定，在空气中加热到1 000 也不发生化学变化，不溶于多种玻璃釉料，在烧结中几乎不分解出气体，是厚膜电阻器一种良好的电阻材料。钌系厚膜电阻器实质上是一个复杂的三维导电网络，该导电网络是由许多微小串联或并联的导电链组成的，而导电链本身又由许多小导电颗粒组成。导电颗粒之间既不都是纯粹的颗粒接触状态，也不都是被较厚的玻璃层所隔开，更不是完全凝聚而形成的连续导电膜，而是介于“纯粹颗粒接触”与“完全凝聚”之间的一种“部分凝聚接触”状态，可以采用G.E.Pike提出的“隧道位垒导电模型”对其导电机理进行解释9。将RuO2导电链路网络简化成为一条导电颗粒连接而成的导电链结构，如图5所示。图5 电阻膜层中的导电链示意图导电颗粒有两种不同的接触状态：其一是导电颗粒导电颗粒的接触，称为直接接触；其二是导电颗粒玻璃导电颗粒的接触，称为夹层接触。由此可以得出局部导电链电阻R的表达式：R=Rg+Rc+Rb2.4 阻值变化机理1）阻值变小。激光调阻过程中，利用激光瞬时产生的高温使电阻膜层表面汽化，调阻后留下的痕迹（一般为 L 形刻槽）是不规则的，痕迹的边缘会存在微裂纹10。微裂纹的存在减小了电阻膜层中的有效导电面积，使得电阻膜层局部电性能变差，从而影响整个电阻器的性能。电阻进行调阻后一般要进行适当的热处理（一般温度为150），来消除电阻膜层的内应力。在热处理保温过程中，电阻膜层中的微粒获得能量，并发生微小移动，引起电阻膜层整体松弛，在减小电阻膜层内应力的同时也在一定程度上修复微裂纹。电阻膜层微裂纹得到修复后，尤其是垂直电流方向的微裂纹得到修复，使膜层的有效导电面积增大，电阻阻值会有小幅下降。当过流倍率不是很大时，电阻发热类似于对电阻进行“热处理”操作，由于在电阻正常的生产过程的热处理不可能完全修复激光调阻造成的微裂痕，如图 6a）所示，总会有一些遗留，因此在这种过流情况下，意外对电阻造成的二次“热处理”，有可能进一步对电阻膜层的微裂痕进行再次修复，如图 6b）所示，从而导致电阻的导电性能小幅增强，阻值变小。根据激光调阻经验，这种热处理对于电阻影响很小，一般在1%左右5。图6 热处理前或后加电压由于该特性对于每个电阻的离散性很大，采用多个付明睿，等：RMK片式膜电阻在真空下的过电特性研究17现代电子技术2023年第46卷电阻并联的设计模式，可以最大程度地避免遇到并联电阻同时变小的情况。在限流电阻并联设计时，即使遇到某一个电阻阻值变小的情况，也会使阻值的降低幅度变小。两个电阻并联时其中一个阻值降低 1%时，则并联电阻的阻值下降为 0.5%，如果是 3 个电阻并联时其中一个阻值降低1%时，则并联电阻的阻值下降为0.7%。2）阻值变大。当过流的倍率较大时，过流电阻在较短的时间内产生很大的热量，会直接导致电阻膜层断裂，例如在 6.3和 7.6倍率的过流试验中，几乎在通电瞬间，大电流就由过流值直接降到 0 A 附近，在此时立即断电，使用万用表测量电阻阻值，均为几十k。充分冷却后，将并联电阻依次解焊，3 个原本 10 的电阻阻值为 70.5、2 k、18 k，说明在温度降低后，电阻膜层裂痕有不同程度的触碰，导致恢复部分导电能力。综上可以推断导致电阻膜层断裂的原因为热膨胀不均匀。根据试验后的电阻外表来看，电阻表面的玻璃均有或多或少的裂痕甚至表面有烧焦痕迹，但是电阻的氧化铝基材并没有损坏，甚至色泽都没有改变。这是由于氧化铝的熔点为 2 054，而过流过程中没有达到这么高的温度。根据电阻的选材原则，基片的膨胀系数要在-55125 范围内，与电阻膜层的温度最为接近，在此范围内氧 化 铝 的 热 膨 胀 系 数 为 5.53 ppm/，而 25300 时为 6.7 ppm/，25700 时为 7.7 ppm/。可见随着温度升高，氧化铝的膨胀系数越来越大，所以在电阻过流温度升高后基片和电阻膜层的温度系数不再匹配，基片的膨胀将会使电阻膜层和表层的保护玻璃受到拉力。根据隧道位垒导电模型，当电阻膜层受到拉应力时，导电颗粒的接触压力减小，导致导电颗粒的直接接触电阻增大，并且导电网络的一些导电链将出现断裂或局部拉长，电阻膜层的总体电阻值增大11。如果拉力变化剧烈，则可能在短时间内将电阻膜和保护玻璃拉断。如果拉力缓慢增加，则阻值会缓慢增加，同时由于热量的积累导致电阻膜和保护玻璃被灼烧，直至电阻失效。3 结 论综合本文研究，单机产品的限流电阻采用多个并联的形式，可以最大程度地降低限流电阻阻值变小的程度，增加过流值对额定电流的倍率可以避开阻值降低的区域，也可以在小倍率限流设计中，将集中供电系统的设计余量增加 1%。在单机出现短路故障时，为使短路大电流在 1 s内解除，尽量将过流倍率设计在 6倍率以上。当然也可以根据星载集中供电的电源能力，为单机产品设计合适的限流电阻，或者根据成熟单机的供电接口与整星的安全策略，反相设计合适的集中供电系统。卫星产品在设计限流电阻时，尽量将过流（负载短路电流）设计在6倍额定电流以上，可以减小过流的时间，防止电路板严重烧毁，从而避免引起其他类型的二次故障。注：本文通讯作者为张金保。参考文献1 赵筱琢.卫星通讯的近期发展与前景展望J.中国战略新兴产业，2018（32）：43.2 于晓晶，韩威，马秀梅，等.卫星微波辐射资料同化在新疆降水预报中的应用初探J.暴雨灾害，2018，37（4）：337346.3 郑小松，李立，张雨，等.高分七号卫星数据处理与传输分系统设计与验证J.航天器工程，2020，29（3）：7481.4 侯锐，张驰，苗峻，等.基于蝙蝠飞行的仿生智能卫星编队管理策略J.空间控制技术与应用，2020，46（2）：2228.5 陈夏，黄佳.微纳卫星导航通信一体化系统设计与实现J.现代电子技术，2019，42（1）：58.6 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