全浸式液汽相变冷却方式下，开关电源贴片电阻为什么失效？
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随着电力电子技术的发展，开关电源作为供电装置广泛应用于通信、能源、航空航天等领域，高功率密度、高可靠性是其发展方向。因过热问题引发故障继而导致可靠性降低成为开关电源功率密度提升的瓶颈。全浸式液汽相变冷却技术冷却效率高、安全可靠，是实现开关电源高效散热的新途径。对于全浸式液汽相变冷却开关电源，相变冷却的工作介质与电源器件直接接触，电源中与高电压相连的贴片电阻发生了阻值上升甚至断路现象，影响开关电源的稳定运行。
中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员温英科、阮琳，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文，通过宏观信号监测和微观材料分析手段，得到了工作介质环境下贴片电阻失效的外部影响因素及内在机理，明确了可在工作介质环境下稳定工作的贴片电阻结构特征。研究成果可为全浸式液汽相变冷却开关电源提供器件选型及设计指导，对提高全浸式液汽相变冷却开关电源运行可靠性，完善液汽相变冷却技术应用于电力电子装备的理论体系具有重要的理论意义及应用价值。
随着开关电源高频化、小型化，其发热问题变得不可忽视。传统冷却技术中存在空冷（自然对流，强迫风冷）散热能力有限、强迫水冷散热系统复杂、可靠性低的现状，开关电源迫切需要一种冷却能力强、安全可靠、维护方便的冷却方式。
与空冷、水冷依靠冷却介质吸收显热带走热量的方式截然不同，全浸式液汽相变冷却技术利用高绝缘、低沸点的有机工质（下文简称工作介质）受热沸腾时的汽化潜热带走热量，其冷却能力远高于传统冷却方式。
作为一种安全、高效的散热方式，液汽相变冷却技术已经成功应用于发电设备、低压电器设备以及大科学仪器等装置，目前已经在电力电子设备中实现示范应用，有望在开关电源冷却领域成功应用，实现开关电源高效散热、高功率密度和高可靠性的目标。
全浸式液汽相变冷却开关电源，电源模块直接浸没于工作介质中，不仅具有稳态温升低、稳态温度分布均匀的优点，且电源在开机过程中温度变化率低，关机过程中无瞬间温度过冲，减小了温度变化带来的热冲击和热应力。此外，全浸式液汽相变冷却开关电源无需特殊的风道设计，在器件布局灵活性及缩小电源体积、提高电源功率密度方面有较大优势。
然而，由于工作介质直接与电源器件接触，实际应用中，某型号全浸式液汽相变冷却开关电源运行一段时间后（约20～30天），出现母线电压上升的问题，如图1所示。
图1 全浸式液汽相变冷却开关电源母线电压上升
依据电路反馈控制原理，母线电压上升是由于母线电压采样值偏低导致，而母线电压采样值偏低是由于采样电路中采样电阻阻值变化引起的。通过对故障电源母线电压采样电路进行故障诊断发现，母线电压采样电路中与母线电压相连的贴片电阻发生了阻值上升甚至断路现象，通过更换采样电阻，此类故障得以修复。此外，电源中与高压直接相连的电路如PFC、LLC MOS管的尖峰吸收电路，辅助电源取电电路等部分的贴片电阻均不同程度地出现了类似故障。
中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员，利用两种贴片电阻构成三种电压采样电路在不同电压等级下于空气中及工作介质中持续工作，利用采样电压信号观测及扫描电镜微观分析的手段研究了工作介质环境下贴片电阻失效的外部因素及内在机理，分析了可在工作介质环境下稳定工作的贴片电阻的结构特点。
图2 贴片电阻结构示意图
图3 贴片电阻实验台架
图14 实验用贴片电阻放大图
工作介质环境下，贴片电阻失效率随其工作端电压增加而增加，工作介质环境及较高的端电压是其失效的外部因素；银电极与氯离子反应生成低电导率的氯化银，是导致贴片电阻失效的内在原因。在贴片电阻选型过程中，增加电阻外电极与电阻保护层交叠面积，可避免氯离子对贴片电阻银电极的腐蚀。
此外，在全浸式液汽相变冷却开关电源产品工艺设计时，从焊接、电连接到封装结构多个环节尽量控制含氯元素材料的使用，从而提高贴片电阻在工作介质环境下的工作可靠性。为提高全浸式液汽相变冷却开关电源运行可靠性提供了理论分析依据及技术支撑。