チップ抵抗の硫化故障とは? 分かりやすく解説しました

電子回路になくてはならない小さな部品『チップ抵抗』

こんな小さな部品でも故障してしまうと、電子回路が正常に機能しなくなり、電子回路で制御している機器も使えなくなってしまう場合もあり、小さな部品だからと侮るなかれ。

 

走る園児
走る園児

今回はチップ抵抗で起こっている不具合事例の紹介とその原因と対策について解説します。

チップ抵抗の不具合事例

硫化(抵抗値増加→断線)

銀のアクセサリーが使っているとだんだん黒く変色する経験をされた方は多いと思います。

これは銀が硫化とよばれる腐食が起こっているのです。

銀は金属の中でも非常に硫化し易い金属です。

チップ抵抗の内部電極には銀が使われているので、硫化腐食を引き起こす硫化ガスなどがある環境では簡単に硫化故障してしまいます。

チップ抵抗の硫化故障とは、チップ抵抗の内部にある銀でできた電極が硫化し硫化銀になります。

硫化銀は銀よりも電気抵抗が高いので、硫化が進むに伴い抵抗値が高まり、最終的には断線してしまいす。

 

チップ抵抗硫化のメカニズム

チップ抵抗の抵抗値が高くなっていたり、断線している場合には、保護膜と外部電極の境界をじっくりと観察してみてください。

もし、境界に黒い異物がある場合は硫化故障している可能性が高いです。

この境界にある黒い異物は硫化銀です。

硫化銀はチップ抵抗内部にある内部電極の銀と環境中の硫黄とが反応して生成されたものです。

内部電極の銀と硫黄が反応するに伴い、徐々に内部電極の銀が消費され、内部電極が細ることで抵抗値の増加が生じます。

そして、さらに内部電極の銀が消費されることで、吹き出す硫化銀は大きくなり、内部電極は消費され尽くされ消失し断線に至ります。

これがチップ抵抗の硫化により抵抗増から断線になるメカニズムです。

硫化しやすい環境

硫化とは硫黄と金属が化合することをいい、硫黄が含まれたガスが空気に含まれている環境が硫化しやすい環境になります。

硫黄が含まれたガスがある環境は様々あります。

走る園児
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代表的な硫化しやすい環境を紹介します。

温泉地

温泉地にいくとゆで卵の腐った臭いのような温泉臭がしますが、この温泉臭の正体は硫化水素ガスです。

硫化水素は銀に対して強い硫化作用があります。

銀製の指輪やネックレスを身に着けたまま温泉に入ると、温泉から出る硫化水素と銀が反応(硫化)して黒く変色する経験をされた方も多いと思います。

温泉に入らなくても温泉地は硫化水素の濃度が高いのでチップ抵抗には厳しい環境なのです。

ゴム

→タイヤなどのゴム製品を多く置いていると場所や少量でも電子回路の近くにゴムがある場合は要注意です。

タイヤをはじめゴムは弾力がありますが、単なるゴムには弾力がありません。

ゴムは硫黄を加え混錬し加熱することで初めて弾力が生まれます。

つまり、ゴムには硫黄が大量に含まれいるのでゴムからは硫黄ガスが出ており、ゴムの近くは硫化しやすい環境です。

チップ抵抗が短期間に硫化故障した場合、近くにゴム部品があることが結構多いです。

段ボールや紙類

段ボールや紙はパルプから作られており、パルプは木材から作られています。

木材をパルプに加工する過程において、硫黄化合(硫化ナトリウム、亜硫酸ナトリウム)を多量に用いるので、紙や段ボールには硫黄が残留しています。

この残留した硫黄は段ボールや紙からは徐々にガス化して排出されているのです。

この硫黄ガスは新しい紙ほど多く排出され、経年により少しずつ排出量は少なくなっていきます。

走る園児
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新しい段ボール箱は高濃度の硫黄ガスが溜まりやすいので銀製品を保管しないようにしましょう。

アメリカ、カナダ、インドネシアなどの国は、古紙回収して段ボールを製造するよりも、新たに木を伐採して段ボール使った方が安価になるので、古紙回収機構が整備されていないこれらの国で製造された段ボール箱を使うときは特に注意が必要です。

中国は古紙を輸入して段ボールを製造しているので日本の段ボールと同程度の硫黄ガスと思われます。

羊毛、毛髪

ドライヤーで髪を乾かしているときに、抜けた髪がドライヤーのヒータに付いて髪が焦げることがありますが、その時のひどく臭いにおいがするのを経験された方も多いと思います。

髪の毛を燃やすと臭い理由は、髪に硫黄が多く含まれているからです。

生物の髪や爪、皮膚はケラチンといわれる硫黄を含んだタンパク質で構成されています。

ウールのセータは羊毛でできていますので、多く硫黄が含まれていますので、羊毛のセータと銀のアクセサリーを一緒に保管していると銀のアクセサリーが硫化して黒く変色してしまう場合があります。

対策

チップ抵抗の硫化故障について解説しました。

身の回りの便利な電子機器にはほぼ間違いなくチップ抵抗が使われています。

とても小さなシンプルな部品ですが、これが壊れると電子機器本体も故障に至る重要な部品です。

チップ抵抗は硫黄ガス(主に硫化水素)に弱く、硫化ガスが多い環境でチップ抵抗が使われている電子機器は使わないことが一般ユーザーが唯一できる対策ですが、エンジニアは硫化ガスが多い環境でも簡単には硫化しないように強化する対策も選択肢にあります。

走る園児
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エンジニア向けのチップ抵抗が硫化しにくい対策を紹介します。

耐硫化チップ抵抗を使う

チップ抵抗が硫化故障し易いことはチップ抵抗メーカも認識しているので、硫化しにくいチップ抵抗(耐硫化チップ抵抗)も販売しています。

耐硫化チップ抵抗には大きく2つの種類があります。

スキマを作らないタイプ

チップ抵抗の硫化はチップ抵抗内部にある内部電極の銀に硫黄ガスが接触することで初めて硫化が起こります。

硫化ガスが内部電極(銀)まで通る道は、保護膜と外部電極(Sn、Ni)の界面が広がることで出来るスキマです。

このスキマが無ければ、硫黄ガスは内部電極(銀)に接触することは出来ないので硫化しません。

保護膜と外部電極(Sn、Ni)の界面が広がってスキマができる原理は、双方の熱膨張係数が異なるためです。

樹脂である保護膜と金属である外部電極の熱膨張係数は大きく異なるため、雰囲気温度の変化や通電による発熱によって、どうしてもスキマができてしまいます。

そこで耐硫化チップ抵抗には保護膜と外部電極の界面に双方の熱膨張係数の中間くらいの熱膨張係数の樹脂を挟んでいます。

この中間の熱膨張係数の樹脂があることでスキマができることを防止して、硫化ガスが内部電極に接触しないように工夫されているのです。

硫化しにくい内部電極材料のタイプ

内部電極は銀で作られているために硫化して硫化銀が生成されます。

このタイプの耐硫化チップ抵抗は、内部電極を硫化しにくい材料に変更しています。

具体的には銀とパラジウムの合金、または金の内部電極を使っています。

これらの耐硫化チップ抵抗は非常に強力な耐硫化チップ抵抗なので、厳しい硫化環境で電子機器を使う場合や、絶対に硫化故障が起こるとマズイ場合に選択するとよいです。

デメリットは高価な貴金属を使うので高額になってしまいます。

 

以上

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