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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。
9 U0 [, j: G+ L+ b, o+ mPCT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。 * V& J0 g. p+ J/ f
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。
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分析背景 2 o; ?* r, W7 o7 X% J8 B8 G
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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。 # {+ F# ?/ n6 B, U
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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# t. r ^2 }1 t) `7 e3 ~ ?- P分析原因 # \7 [+ H" _5 S6 P7 O; t
) ~% |" \% X4 e7 H6 R6 K- c' V9 ]8 t/ r; G. m9 m8 M1 o
外观观察
- f$ _+ s" O$ z" @' j1 T- t( U% R* j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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去除保护层
" \6 |& g7 N; t5 N# O$ P/ ^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。 ! x# S- x4 b: ` E
( j" h/ G: K$ y6 h z& U7 a原因探讨
6 m k# p5 m1 f' y7 y( P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。 ' y0 z2 X @% e7 x& [9 b& P
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。
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机理研究
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2 a) E2 s* _- {, a' y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。 7 z& d0 B, g7 T1 ~
（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。 2 k" i6 M. S# \$ Y8 K: n
（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。 % ~/ L( F; m& o% u
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 U# X9 o0 N( e/ Y1 o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%RH8 t% G; Q( E: R. Z- D
/0.12MPa/10V/96H | 阻值偏大、开路 | 高温、高湿、偏压 |
表2
7 g' G& ]# m8 T# P. [7 c4 ]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。 $ a. \% p! S2 A7 ?1 `4 D
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。 # t3 Z6 M0 U0 o- {4 A% [, P0 p# k
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。 9 t+ ]/ M3 W( h$ e' ]9 r. |
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杂质污染检测
+ N; L/ y* X4 O+ 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。 5 H7 @& \6 L! T8 x. D# n
: e# q+ j) d! F; U9 ^电阻保护层剖析 8 K: C w$ N9 M, l# S
保护层外观形貌观察
( }. M- A) k; k% Y9 \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。 . ?) D2 `% I! e, h% `( H8 I- J% l
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电阻保护层表面结构观察 9 k, K( F: l5 e0 q; \& 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。
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电阻保护层内部结构观察 8 \9 v- k. U3 E6 I
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。
6 c; o0 ^5 `" t3 H7 F8 C8 _3 `: @/ F 电阻HAST能力比对 : J5 k+ ?; D2 ?! ~+ d. w
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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3 [4 D3 J- j3 g0 F( F结论 , O9 i0 g" R# D$ |/ f
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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： " X. A( F% ^ F( G1 N
1） 电阻失效的原因为金属层缺失所致。 # m f: z- U2 |' r
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。
8 @' ? Y+ ]. {1 x3） 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。
. R1 f! C0 C. l/ T1 m% x1 s$ f4） 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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发表于 2019-12-4 18:15
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