電阻器作為運(yùn)用泛的電子元器件之一，在電子設(shè)備中使用數(shù)量很大，因而電阻器失效導(dǎo)致設(shè)備故障的比率也相當(dāng)高。特別是貼片精密薄膜電阻(以下簡(jiǎn)稱電阻)，因其工藝及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，近年來(lái)因濕熱導(dǎo)致阻值漂移甚至開路的案例越來(lái)越多，厘清失效原因及機(jī)理，已成為迫切需要研究的課題。而傳統(tǒng)的40℃、90%rh和85℃、85%rh的溫/濕度偏壓試驗(yàn)方法(thb)需要花上千小時(shí)，已不能滿足當(dāng)今高時(shí)效性的需求。
pct高壓蒸煮試驗(yàn)有結(jié)露現(xiàn)象，不能加偏壓，故需要進(jìn)一步改進(jìn)加速試驗(yàn)。hast就是為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度/濕度試驗(yàn)而開發(fā)的方法，目前在微電路及半導(dǎo)體分析中已得到廣泛的應(yīng)用。
本文將hast應(yīng)用于電阻失效機(jī)理的研究和耐濕熱性能的評(píng)估中，展示了hast在電阻失效分析中的實(shí)踐應(yīng)用，為電阻的工藝改進(jìn)及可靠性檢驗(yàn)提供了一套快速、有效的測(cè)試方法，對(duì)電阻品質(zhì)的改善與提升具有一定的指導(dǎo)意義。
分析背景
某產(chǎn)品客戶端失效，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)為電阻開路所致。電阻規(guī)格：348kω±0.1%，額定功率：0.1w。電阻命名如表1。
廠商 a b
電阻 不良品 正常品 同批次
未使用品
同料號(hào)
比對(duì)品
命名 a-ng a-ok a-原材 b-原材
分析原因
外觀觀察
先用實(shí)體顯微鏡(olympus sz61tr)對(duì)電阻保護(hù)層進(jìn)行外觀觀察，如圖1紅色框起處，a-ng陶瓷基體外露，保護(hù)層未覆蓋至邊緣。再用sem(hitachi s-3400n)對(duì)a-ng、a-ok邊緣保護(hù)層形貌進(jìn)行放大觀察，如圖1a、1b所示，a-ng保護(hù)層邊緣疏松粗糙。
去除保護(hù)層
先用有機(jī)溶劑去除電阻保護(hù)層，再用金相顯微鏡(olympus bx51m)進(jìn)行觀察。如圖2a黃框所示，a-ng邊緣位置金屬膜缺失，用萬(wàn)用表對(duì)缺失膜兩端進(jìn)行電性確認(rèn)顯示開路，故電阻失效的原因?yàn)榻饘倌と笔?。如圖2b所示，a-ok金屬膜完整，未見(jiàn)明顯異常。
原因探討
電阻是導(dǎo)體的一種基本性質(zhì)，與導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積和溫度有關(guān)。當(dāng)阻值為r時(shí)，可用公式r=ρl/s表示，其中l(wèi)、s分別表示導(dǎo)體的長(zhǎng)度和截面積;ρ表示導(dǎo)體的電阻率，對(duì)某一電阻器而言，l、ρ是已經(jīng)確定的，阻值隨著s的變化而改變。金屬膜缺失使電阻s變小，從而導(dǎo)致電阻阻值偏大或開路。
金屬膜缺失原因主要有：
(1)使用過(guò)程中過(guò)電應(yīng)力致使金屬膜熔損。(2)因濕熱、環(huán)境或電流(電壓)等因素，使原本存在的金屬膜遭受電解反應(yīng)而破壞、消失，此現(xiàn)象稱之為電蝕。
機(jī)理研究
為進(jìn)一步厘清失效真因和機(jī)理，模擬不同條件下的失效現(xiàn)象，論證失效機(jī)理。
(1) eos試驗(yàn)
采用直流電源供應(yīng)器(chroma 62024p-600-8)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓分別為600v、1000v，持續(xù)時(shí)間(5±1)s。
(2) hast試驗(yàn)
采用高加速壽命試驗(yàn)箱(hirayama pc-422r8d)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件：溫度130℃、濕度85%rh、真空度0.12mpa、偏壓10v、時(shí)間96h。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：jesd22-a110e。hast的目的為評(píng)估電阻在高溫、高濕、偏壓的加速因子下，保護(hù)層與金屬膜對(duì)濕氣腐蝕抵抗的能力，并可縮短器件的壽命試驗(yàn)時(shí)間。
試驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表2，eos、hast試驗(yàn)后電阻均出現(xiàn)阻值偏大或開路的現(xiàn)象。
試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)條件 試驗(yàn)結(jié)果 影響因素
eos 600v 阻值偏大 過(guò)電應(yīng)力
1000v 開路 過(guò)電應(yīng)力
hast 130℃/85%rh
/0.12mpa/10v/96h
阻值偏大、開路 高溫、高濕、偏壓
圖3為試驗(yàn)不良品去除保護(hù)層圖片，如圖3a、3b所示，eos試驗(yàn)不良品金屬膜均有不同程度的熔損，電壓越大膜熔損越嚴(yán)重，阻值變化越大甚至開路，此現(xiàn)象與a-ng金屬膜缺失現(xiàn)象不同。如圖3c所示，hast試驗(yàn)不良品可見(jiàn)電阻邊緣位置金屬膜缺失，與a-ng失效現(xiàn)象一致，失效機(jī)理為電阻在高溫、高濕、直流負(fù)荷的作用下發(fā)生電蝕。
電蝕失效主要以薄膜電阻為主，常見(jiàn)的失效機(jī)理有2種：(1)在金屬膜沉積后，印刷保護(hù)層之前這段時(shí)間有雜質(zhì)污染，成品通電時(shí)造成電蝕。(2)保護(hù)層有外傷或覆蓋不好，雜質(zhì)和水汽進(jìn)入導(dǎo)致電蝕。
為進(jìn)一步研究失效機(jī)理，尋求改善方向，對(duì)以上2種失效機(jī)理進(jìn)行深入探討，選取a-原材、b-原材進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與比對(duì)。圖4為電阻的結(jié)構(gòu)圖，電阻的金屬膜是以ni-cr合金濺鍍沉積而成的薄膜，基板為氧化鋁，保護(hù)層材料為環(huán)氧樹脂。
雜質(zhì)污染檢測(cè)
當(dāng)陶瓷基體及金屬膜中含有k+、na+、ca2+、cl-等雜質(zhì)時(shí)，電解作用加快，阻值迅速增加，失效速度加快。為驗(yàn)證a-ng金屬膜表面有無(wú)雜質(zhì)污染，對(duì)去除保護(hù)層后的金屬膜進(jìn)行edx(horiba ex-250)成分分析，如圖5a、5b分別為缺失膜與正常膜區(qū)域的元素檢測(cè)結(jié)果，后者可見(jiàn)金屬膜ni、cr元素，未發(fā)現(xiàn)k+、na+、ca2+、cl-等雜質(zhì)元素，排除金屬膜表面雜質(zhì)污染導(dǎo)致電蝕的猜測(cè)。
電阻保護(hù)層剖析
保護(hù)層外觀形貌觀察
用sem對(duì)a-原材、b-原材保護(hù)層形貌進(jìn)行觀察，如圖6a紅色箭頭所示，a-原材保護(hù)層表面有大量孔洞。如圖6b所示，b-原材保護(hù)層表面均勻致密。
電阻保護(hù)層表面結(jié)構(gòu)觀察
金屬膜缺失位于邊緣位置，對(duì)電阻去除正面端電極后觀察其邊緣結(jié)構(gòu)。如圖7a紅色框所示，a-原材邊緣陶瓷基材外露。比對(duì)可知：a-原材、b-原材保護(hù)層邊緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，后者邊緣保護(hù)更充分。
電阻保護(hù)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察
對(duì)電阻進(jìn)行微切片制樣，用sem觀察保護(hù)層內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行eds成分分析。如圖8a，a-原材保護(hù)層中間與兩端厚度差異明顯，中間局部可達(dá)62.64um，兩端厚度在10.58um~19.19um之間，內(nèi)部填充物顆粒粗大，其主要成份為c、o、mg、si。如圖8b，b-原材保護(hù)層相對(duì)較薄，中間與兩端無(wú)明顯差異，厚度約為32.75um，可見(jiàn)不同組分的兩層結(jié)構(gòu)，填充物顆粒細(xì)小，其主要成份分別為c、o、al、si和c、o、mg、al、si、cr、mn、cu。比對(duì)可知：a-原材保護(hù)層邊緣薄，且填充顆粒粗大，水汽易侵入，與失效發(fā)生在邊緣位置的現(xiàn)象相符。b-原材保護(hù)層結(jié)構(gòu)致密，且兩層結(jié)構(gòu)可更好的保護(hù)金屬膜免遭濕氣的侵入。
電阻hast能力比對(duì)
選取a-原材、b-原材各10pcs進(jìn)行hast試驗(yàn)，比對(duì)不同廠商電阻耐濕熱能力。把電阻焊接在測(cè)試板上，然后插入hast試驗(yàn)箱，設(shè)置條件：130℃/85%rh/
0.12mpa/10v/96h。規(guī)格要求試驗(yàn)前后電阻的阻值變化率(δr/r)≤±(0.5%+0.05ω)。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，a-原材δr/r皆超出規(guī)格，其中1pcs測(cè)試開路，b-原材δr/r皆滿足規(guī)格要求。測(cè)試結(jié)果表明，a-原材耐濕熱能力差，其結(jié)果與保護(hù)層比對(duì)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。a-原材保護(hù)層存在孔洞及邊緣保護(hù)不到位等缺陷，在高溫、高濕的環(huán)境條件下，金屬膜容易被濕氣侵入，在電負(fù)荷作用下發(fā)生電蝕，從而導(dǎo)致阻值漂移或開路。
本文從電阻失效分析著手，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M探尋失效機(jī)理，并通過(guò)不同廠家電阻比對(duì)尋求改善方向，得出如下結(jié)論：
結(jié)論
1) 電阻失效的原因?yàn)榻饘賹尤笔隆?br>2) eos、hast試驗(yàn)結(jié)果顯示：a-ng失效現(xiàn)象與hast試驗(yàn)失效樣品一致。失效機(jī)理為電阻在高溫、高濕、直流負(fù)荷的作用下發(fā)生電蝕。
3) 對(duì)a-ng缺失膜與正常膜區(qū)域成份進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)k+、na+、ca2+、cl-等雜質(zhì)元素，排除金屬膜表面雜質(zhì)污染導(dǎo)致電蝕的猜測(cè)。
4) 對(duì)比a、b廠商電阻，a廠商電阻保護(hù)層存在空洞及邊緣保護(hù)不到位等缺陷，容易被濕氣侵入。通過(guò)hast比對(duì)電阻耐濕熱能力，進(jìn)一步印證以上結(jié)論。為有效的提高電阻的耐濕熱性能，建議從電阻保護(hù)層的工藝、厚度以及材質(zhì)方面加以改善：a.選擇填充顆粒細(xì)小的材料，減少濕氣進(jìn)入通道;b.調(diào)整保護(hù)層的厚度，使中間與邊緣厚度相對(duì)均勻;c.使用耐濕熱的保護(hù)材料。