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* O" w7 O/ t$ z前言
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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 bPCT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
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分析背景
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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 |
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分析原因 M4 w- M# U' N' Z8 W% p
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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。
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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
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( U! \: L& a+ F机理研究 |7 x7 c" f2 ^! `4 U
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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。
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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。
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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。
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; 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。
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结论
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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 Z3) 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。
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