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HAST在贴片薄膜电阻失效分析中的应用

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-11-29 15:39
  • 签到天数: 4 天

    [LV.2]偶尔看看I

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    1#
    发表于 2019-12-4 18:15 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x

    2 L7 A/ v4 U! k7 A, K1 V6 [( ^6 L+ z8 a) {

    * O" w7 O/ t$ z
    前言

    / X: K" B# T/ S0 i. p
    ' y/ s( W6 o4 |4 r! d# A  N9 \9 t9 x6 m8 O1 Y, r) C
    电阻器作为运用最广泛的电子元器件之一,在电子设备中使用数量很大,因而电阻器失效导致设备故障的比率也相当高。特别是贴片精密薄膜电阻(以下简称电阻),因其工艺及结构的特点,近年来因湿热导致阻值漂移甚至开路的案例越来越多,厘清失效原因及机理,已成为迫切需要研究的课题。而传统的40℃、90%RH和85℃、85%RH的温/湿度偏压试验方法(THB)需要花上千小时,已不能满足当今高时效性的需求。

    3 V; h! v' Y. F- z# Q/ l2 b
    PCT高压蒸煮试验有结露现象,不能加偏压,故需要进一步改进加速试验。HAST就是为代替传统的温度/湿度试验而开发的方法,目前在微电路及半导体分析中已得到广泛的应用。

    9 A5 g- L. R# I1 h( v7 r! s) C
    本文将HAST应用于电阻失效机理的研究和耐湿热性能的评估中,展示了HAST在电阻失效分析中的实践应用,为电阻的工艺改进及可靠性检验提供了一套快速、有效的测试方法,对电阻品质的改善与提升具有一定的指导意义。
    . E4 A/ T+ l$ Q6 f) V8 T" H

    * b) W2 A  W+ I6 q$ N: _' A1 }: C, e4 C# Q6 s+ \) ^
    分析背景

    7 k9 n; z  @; E8 T# |/ Y& X7 V2 N2 i6 B: P9 {$ O+ w* U1 |

    4 ?$ p$ |7 S5 c) ?
    某产品客户端失效,经测试发现为电阻开路所致。电阻规格:348KΩ±0.1%,额定功率:0.1W。电阻命名如表1。
      e9 [" L1 f1 a" _6 J
    厂商
    A
    B
    电阻
    不良品
    正常品
    同批次
    未使用品
    同料号
    比对品
    命名
    A-NG
    A-OK
    A-原材
    B-原材

    : z% p  i0 J2 g( q0 ~0 y; D9 v2 M. m( a  ^- T/ a+ P5 T
    * X0 |- {+ H* w* P
    分析原因
      M4 w- M# U' N' Z8 W% p

    / K( U" _/ ?+ Q- E  G# {
    3 V, E! I+ C" |0 |' ~+ A
    外观观察

    1 i' o" B" U. C) j3 A! ?
    先用实体显微镜(Olympus SZ61TR)对电阻保护层进行外观观察,如图1红色框起处,A-NG陶瓷基体外露,保护层未覆盖至边缘。再用SEM(Hitachi S-3400N)对A-NG、A-OK边缘保护层形貌进行放大观察,如图1a、1b所示,A-NG保护层边缘疏松粗糙。

    ( r% `+ K& W' w7 \! E" x

    9 n! k) M% Q- R# @, d
    去除保护层
    , Z! q5 [7 b3 h; ?* I6 I- G0 I
    先用有机溶剂去除电阻保护层,再用金相显微镜(Olympus BX51M)进行观察。如图2a黄框所示,A-NG边缘位置金属膜缺失,用万用表对缺失膜两端进行电性确认显示开路,故电阻失效的原因为金属膜缺失所致。如图2b所示,A-OK金属膜完整,未见明显异常。
    9 @  V+ p8 c2 s2 W$ i) X

    " T9 z9 \( F# ]" v5 x
    原因探讨
    / A4 ]) v+ C! E0 N' g, \8 m% i
    电阻是导体的一种基本性质,与导体的材料、长度、横截面积和温度有关。当阻值为R时,可用公式R=ρL/S表示,其中L、S分别表示导体的长度和截面积;ρ表示导体的电阻率,对某一电阻器而言,L、ρ是已经确定的,阻值随着S的变化而改变。金属膜缺失使电阻S变小,从而导致电阻阻值偏大或开路。

    . O0 a) {' m$ M1 P- X% ]' b% |' g0 ?
    金属膜缺失原因主要有:
    (1)使用过程中过电应力致使金属膜熔损。(2)因湿热、环境或电流(电压)等因素,使原本存在的金属膜遭受电解反应而破坏、消失,此现象称之为电蚀。
    9 I3 `# y- l( _- u! D
    " i& {; e6 a* Q; H- c

    ( U! \: L& a+ F
    机理研究
      |7 x7 c" f2 ^! `4 U
    8 Z5 H3 ^0 D/ N9 E9 O$ y5 q
    5 [: b# p2 _% H3 U( F& p  P& B
    为进一步厘清失效真因和机理,模拟不同条件下的失效现象,论证失效机理。
    1 B8 T1 u; w, F7 x! O( L3 ]9 b
    (1) EOS试验
    采用直流电源供应器(Chroma 62024P-600-8)进行测试,测试电压分别为600V、1000V,持续时间(5±1)s。
    ) q$ m! F, W% `1 y+ R0 R: a: V
    (2) HAST试验
    采用高加速寿命试验箱(Hirayama PC-422R8D)进行测试,测试条件:温度130℃、湿度85%RH、真空度0.12MPa、偏压10V、时间96H。测试标准:JESD22-A110E。HAST的目的为评估电阻在高温、高湿、偏压的加速因子下,保护层与金属膜对湿气腐蚀抵抗的能力,并可缩短器件的寿命试验时间。
    . t3 ]; {1 ]# H3 U9 `
    试验条件及结果见表2,EOS、HAST试验后电阻均出现阻值偏大或开路的现象。

    + {4 N) J+ Y; H, ]
    试验
    实验条件
    实验结果
    影响因素
    EOS
    600V
    阻值偏大
    过电应力
    1000V
    开路
    过电应力
    HAST
    130℃/85%RH
    & a% l" J( ?) i. u1 ?/0.12MPa/10V/96H
    阻值偏大、开路
    高温、高湿、偏压
    表2
    % n- x$ Y% p6 x; z
    图3为试验不良品去除保护层图片,如图3a、3b所示,EOS试验不良品金属膜均有不同程度的熔损,电压越大膜熔损越严重,阻值变化越大甚至开路,此现象与A-NG金属膜缺失现象不同。如图3c所示,HAST试验不良品可见电阻边缘位置金属膜缺失,与A-NG失效现象一致,失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。

    ) X) B) ?" N4 I; f- O
    电蚀失效主要以薄膜电阻为主,常见的失效机理有2种:(1)在金属膜沉积后,印刷保护层之前这段时间有杂质污染,成品通电时造成电蚀。(2)保护层有外伤或覆盖不好,杂质和水汽进入导致电蚀。

    - w+ f0 j* L: H1 N$ b: J5 u
    为进一步研究失效机理,寻求改善方向,对以上2种失效机理进行深入探讨,选取A-原材、B-原材进行结构分析与比对。图4为电阻的结构图,电阻的金属膜是以Ni-Cr合金溅镀沉积而成的薄膜,基板为氧化铝,保护层材料为环氧树脂。
    0 e( z# X! D: E- ^+ n  e

    5 r- R8 n( l8 d- }+ g! c; L) {
    杂质污染检测

    9 A/ @% f2 k1 X9 [" K" o6 \
    当陶瓷基体及金属膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质时,电解作用加快,阻值迅速增加,失效速度加快。为验证A-NG金属膜表面有无杂质污染,对去除保护层后的金属膜进行EDX(HORIBA EX-250)成分分析,如图5a、5b分别为缺失膜与正常膜区域的元素检测结果,后者可见金属膜Ni、Cr元素,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。

    % }- r1 s' a; ?8 Q. m3 q& ~

    6 ]4 f2 V2 m& s9 G- I) e! m3 {0 L2 u
    电阻保护层剖析

    ( V1 j4 B/ \4 W; K8 W% g
    保护层外观形貌观察

    9 K  r5 s+ a# k9 T, r
    用SEM对A-原材、B-原材保护层形貌进行观察,如图6a红色箭头所示,A-原材保护层表面有大量孔洞。如图6b所示,B-原材保护层表面均匀致密。

    ' l: g& o$ L. U, [; A
    $ v/ ^& N5 c  r# P$ K4 Q
    电阻保护层表面结构观察
    7 F3 \, c' q6 ?, v8 V& p
    金属膜缺失位于边缘位置,对电阻去除正面端电极后观察其边缘结构。如图7a红色框所示,A-原材边缘陶瓷基材外露。比对可知:A-原材、B-原材保护层边缘结构设计不同,后者边缘保护更充分。

    0 K2 w  f2 l& H

    ; c4 S: c3 M: Q* F8 ^, m# ]
    电阻保护层内部结构观察
    . C5 y- e* D2 h" A0 Y
    对电阻进行微切片制样,用SEM观察保护层内部微观结构,再进行EDS成分分析。如图8a,A-原材保护层中间与两端厚度差异明显,中间局部可达62.64um,两端厚度在10.58um~19.19um之间,内部填充物颗粒粗大,其主要成份为C、O、Mg、Si。如图8b,B-原材保护层相对较薄,中间与两端无明显差异,厚度约为32.75um,可见不同组分的两层结构,填充物颗粒细小,其主要成份分别为C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比对可知:A-原材保护层边缘薄,且填充颗粒粗大,水汽易侵入,与失效发生在边缘位置的现象相符。B-原材保护层结构致密,且两层结构可更好的保护金属膜免遭湿气的侵入。

    ( i5 S: `7 l. @; C  k
    电阻HAST能力比对

    4 {4 e2 G7 a6 _( G. c" h2 x6 t
    选取A-原材、B-原材各10pcs进行HAST试验,比对不同厂商电阻耐湿热能力。把电阻焊接在测试板上,然后插入HAST试验箱,设置条件:130℃/85%RH/
    0.12MPa/10V/96H。规格要求试验前后电阻的阻值变化率(ΔR/R)≤±(0.5%+0.05Ω)。测试结果如图9所示,A-原材ΔR/R皆超出规格,其中1pcs测试开路,B-原材ΔR/R皆满足规格要求。测试结果表明,A-原材耐湿热能力差,其结果与保护层比对结果相对应。A-原材保护层存在孔洞及边缘保护不到位等缺陷,在高温、高湿的环境条件下,金属膜容易被湿气侵入,在电负荷作用下发生电蚀,从而导致阻值漂移或开路。

    / C, \+ q. J% ~$ N( `/ n( ]4 O- I! S4 N

      S+ q' W3 o) ]' x/ j* x
    ' ?+ G5 N! ^3 S4 X- y$ e, C2 q# a7 \6 ~/ |
    结论

    + e! N2 I/ B& J$ T! \' p( L6 b& z4 p% M- i! ~
    2 d) D# o8 G, @5 X# ~
    本文从电阻失效分析着手,通过试验模拟探寻失效机理,并通过不同厂家电阻比对寻求改善方向,得出如下结论:
    : _- I4 [% m1 {/ @; }! C
    1) 电阻失效的原因为金属层缺失所致。
    - P5 v+ l- t! Q/ Q- E1 U3 p) v2 b
    2) EOS、HAST试验结果显示:A-NG失效现象与HAST试验失效样品一致。失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。

    7 o0 @8 q: ^- f3 Z
    3) 对A-NG缺失膜与正常膜区域成份进行检测,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。
    , M+ Z3 z, j) l
    4) 对比A、B厂商电阻,A厂商电阻保护层存在空洞及边缘保护不到位等缺陷,容易被湿气侵入。通过HAST比对电阻耐湿热能力,进一步印证以上结论。为有效的提高电阻的耐湿热性能,建议从电阻保护层的工艺、厚度以及材质方面加以改善:a.选择填充颗粒细小的材料,减少湿气进入通道;b.调整保护层的厚度,使中间与边缘厚度相对均匀;c.使用耐湿热的保护材料。

    4 _1 \3 |- R6 t6 }8 s% N( ^  P. G
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    发表于 2019-12-4 18:32 | 只看该作者
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