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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

    4 N* R3 Y  x, h' R6 L2 |/ n" \/ |5 W& x% ^

    - F% s5 E2 y2 ~0 E( U- a0 f
    前言

    % }2 Z% o. I9 k5 D9 p; e+ L
    * O' @% C0 F% I. x+ L0 l1 A- [6 Q4 @
    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。
      C( k: ?/ j* w# F2 v4 \# X
    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。
    ! Q' D9 o5 }3 ^0 j
    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。
    9 s1 y: o$ W) h$ v4 |+ a
    3 G  |9 V6 |2 E# `3 Y! Z: y0 f

    2 j3 u* i+ Y2 O" [) R' l
    分析背景
    $ I9 C# Q  A; b! V9 b. N
    " D/ k: B: \) m" L8 p' f
    8 m( r$ B8 d' j9 H* y. C- X+ \
    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。
    : g3 Z1 f! n- X  Q. O
    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

    * R( H# Z: D. v* K! q8 p: {% L/ X4 G) O. ?

      O8 h& J2 z4 O, X9 G
    分析原因

    ' x+ j% r3 @& \" |/ J% a1 N8 u; R
    9 |' E# ?+ v& m: ^/ s& `8 n
    3 I' G5 c# {' X& @; a
    外观观察

    ( q( U) G, P7 ~, q# i# _
    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。

    , Y: O6 ]5 G  B3 V. K& l$ g. i

    : @; A1 n2 f+ w& r/ i
    去除保护层

    7 [2 a2 _/ q8 U  P" N; b7 D, [
    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。
    $ \+ w+ E% L1 S. P1 Q( S

    8 w0 |2 ?9 {5 T$ D4 B: }
    原因探讨
    / Y; M2 d7 m) G1 {7 I9 T
    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。

    ; F7 P, @, I3 Z( Q& u' ]
    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。

    ) @; k/ }3 v9 y  B* P. Y6 W
    & o& j2 O6 z# {/ T* a, E8 G! r/ O. T6 ~3 e9 Y- p8 r: X  u
    机理研究
    " ^8 x; j0 d* _0 R+ l# H
    / y; Z8 ^% ~0 A$ I/ V" i6 w0 f

      a4 j% M5 R" Q' o0 `/ x
    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。

    / n" p" S4 z& z8 @& k
    (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。
    7 y6 D! _: X7 \: e( l9 B5 {
    (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。
    6 D0 z# o2 G$ B  M* e
    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。
    + K# ~. ^" Y" m4 E$ J" _  V  y
    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%RH7 K7 s4 e8 R# m* u
    /0.12MPa/10V/96H
    阻值偏大、开路
    高温、高湿、偏压
    表2
    ! k7 z8 f( `3 t/ ?' r
    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。
    ' i$ [( f8 l0 B
    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。

    6 s- s+ E4 G) Q! I
    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 w8 D  h/ q/ \4 S- p

    " u% A8 S7 ?* S$ P' N' r! |
    杂质污染检测

    1 ]  ~( k4 H" Q0 j
    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。
    8 H. u. J  @$ b8 f3 b0 V
    " h9 q9 T3 u5 I) ~+ a) [
    电阻保护层剖析

    ' y: Q& a5 X% }* m. T: p& y
    保护层外观形貌观察
    ( [2 j& A' l* y; p- [
    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。
    4 \9 p. C* e' ^) H' F2 ?
    / m9 ^" c0 @: c3 s
    电阻保护层表面结构观察
    , ?2 y$ ]0 ~. p* Z: n* i. B
    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 U- r. f5 j+ Z, t
    5 u; b- a+ F1 R4 s" G" O
    电阻保护层内部结构观察
    - P0 v5 D; }, m  G' k1 e
    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。

    ) Y3 u! {, j' R0 o5 S# P
    电阻HAST能力比对

    * q! ?( A% Z! v8 P9 ^8 ~
    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。
    ; A" _( S, V2 g( e: B6 G
    ' X* b% }! f; `' }$ a3 v  c8 A

    / }* f! M, b3 V- R* D
    $ D% c( W+ U7 \& M
    结论

    7 Q/ j* ?, s0 y) D0 ]* P. Y$ q
    ! }' O7 e3 J& a( Z/ r- t5 p, O
    1 \, R; H6 ]- W- [& b9 x% f9 Q% g
    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:
    ) p5 y4 p) G" [1 z& s
    1) 电阻失效的原因为金属层缺失所致。
    ) ^. f% A4 @$ h% l4 F3 f
    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。

    / ^) S2 j- _' m; T
    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。
    * [# e3 L6 S8 n& A$ h
    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。

    ) \5 e3 s; E4 n& w3 G* g
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    发表于 2019-12-4 18:32 | 只看该作者
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