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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

    - A' g9 ]0 I+ i/ u
    & R& r& A7 B& z2 _: Q% O' `9 d; f
    前言
    # _, o& Z( ~0 `, A, Q
    5 `& x' C( F+ z" g& d: U
    $ v1 \8 @0 E$ t* Z5 }  q
    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) P5 P0 m
    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。

    ( _  ^, z0 T1 H1 C! v: S( w
    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。
    6 a$ i; _* x" v4 }0 p' D7 i8 T

    : L2 w7 `% ]0 v5 e
    ! @7 n1 t) E1 c) K
    分析背景

    3 ^  H5 Z1 @$ W( O( E9 u
    0 E, E7 y# Q' j# e3 _! Q) A/ }/ P  @, [, u# `  _$ P
    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。

    6 ?8 S% ^( ~5 ]7 Q
    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
    , j5 n) h+ k1 U" m7 p
    - V" N- i+ N0 f
    * `2 t! m6 x+ V: P: t
    分析原因

    ' W# j& I- R6 \+ I- L
    # U# k; g: O9 I$ _/ p8 M! F( A7 _, R9 Z6 c  F
    外观观察
    9 m, x& _% f$ \3 Y/ Y# _6 W) A0 N. o% k
    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。
    . p7 W" \+ d" L2 z8 q( K" y& l4 k
    * y! g/ F1 I6 y/ G7 H% Q# S
    去除保护层

    ' y$ ^" S2 G7 a" \; [' p) G9 x6 }, f
    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。
    $ S% x. `! r% h$ F4 y3 x; O/ ^

    - ?' f5 x/ B+ y2 _  {
    原因探讨
    % s1 m7 U- e2 {% ^- A" 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。

    3 m+ c; \8 S4 L* i# \; h5 s
    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。

    % H; k6 t0 x0 D! D! \" P& D# f, }
    & O6 |$ o) D* D# v1 L, }$ {! ]. W$ }4 P7 r9 h
    机理研究
    # ^4 j/ z, W1 G( b6 Z
    + e0 G+ C  }2 g8 d2 S8 H# |" K

    ( l7 w4 G% B8 l* j( H, d" w8 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。

    9 D4 `8 G* v6 v% 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。
    : S' Z7 y4 L$ Y
    (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。
    4 K2 c1 {: b+ ^' t& a
    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。
    7 h% b% I, ?2 z) ^8 ?6 T
    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
    ' x+ m/ o4 f0 _0 C, M/0.12MPa/10V/96H
    阻值偏大、开路
    高温、高湿、偏压
    表2
    ) V+ m7 }, J$ P. Z4 E( g
    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。

    $ u0 Q$ f0 r" P' g' j0 B) ^+ S  U* w2 ~
    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。
    ! i0 K% C, ]% v( \; d- \6 L
    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。
    1 ~- W' C! @. R9 ]6 z9 ?/ o
    2 m% B) d6 @) q+ T7 v
    杂质污染检测
    , d! j  z8 `, f* F9 Q
    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。
    - c6 K; z7 ^2 m0 j

    3 @3 E, j- A2 V
    电阻保护层剖析
    ( g" ^; m6 ]* P, \9 D( q! G
    保护层外观形貌观察

    # v8 ~% b$ p, }- ]% A9 h3 J* `# [
    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。
    - `" E0 D. h8 t" U: O) N

    ; [# r6 E  i0 L7 y8 E, U
    电阻保护层表面结构观察

    % T, V9 y4 _# W( z
    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。
    ' l0 R/ c5 R) u* m

    ' ~2 m7 @1 z0 o2 i* L
    电阻保护层内部结构观察
    ; {4 l. i) S; Z7 ~" O# N" ?1 J
    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。
      x. t4 ^! [: z0 T
    电阻HAST能力比对
    + P" H+ o9 L" _8 _3 K
    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。
    8 _7 w5 f! k6 @% G2 M

    . w/ k  O6 d1 I. w. u- q  Y: B! J% f9 }; Q) k

    ; n; G  b8 L0 m- D( S1 C# k
    结论

    9 z+ N1 j3 ?3 r# w1 ~" c/ P/ U# T: _
    ; O! b) c# y4 x
    5 ?! v  J3 M" ^$ S# \5 g7 d$ C3 Z% p
    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:

    ) p7 P8 X7 v+ h2 r0 y( w" `
    1) 电阻失效的原因为金属层缺失所致。
    4 w1 x3 u1 p: `
    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。

    ! y' l1 q6 P9 s& ]$ r) P1 ~
    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。
    / q! i" f$ \$ m  T
    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。
    1 m6 [" ]2 j6 [# O. C- \% y2 D
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