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、機器が使えなくなってしまいます。
今回はチップ抵抗の不具合の代表でもある硫化故障の原因と対策について解説します。
チップ抵抗の硫化とは
銀のアクセサリーを使っていると黒く変色した経験をされた方も多いと思います。
これは銀が硫化して黒くなっているのです。
銀はとても硫化し易い金属です。
昔の貴族の食器は銀製が多いよ。
毒は硫黄（Ｓ）が含まれている場合が多いので、
食事に毒が入っていると硫化して黒く変色することで毒が入っていることを知らせてくれるのです。
チップ抵抗の内部には銀で出来た部位があります。（内部電極といいます）
この内部電極が硫化するとチップ抵抗が断線故障してしまいます。
チップ抵抗の硫化故障とは
硫化して断線故障したチップ抵抗を観察すると
外部電極と保護膜の境界に黒い析出物がモコモコと出ています（写真の赤丸部）
この黒い析出物は硫化銀です。
内部電極の銀が硫化して、硫化銀になって噴出してくるのです。
電気抵抗値も微妙な上昇では済まずに大幅に上昇している場合が多く、
完全に断線している場合も多いです。
チップ抵抗硫化のメカニズム
外部電極は金属であるのに対し、保護膜は樹脂なので、外部電極と保護膜は完全に密着できずに微小な隙間があります。
この微小な隙間の奥には銀でできた内部電極があるので、雰囲気中に硫化ガスがあると微小な隙間から硫化ガスが侵入して内部電極の銀と反応します。
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多い環境で起こります。
硫黄が含まれたガスがある環境は自然由来の環境だけでなく人工的な環境などいろいろとあります。
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。
ゴムが多い場所
→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
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。
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。
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。
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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