片状电阻硫化失效机理及应用可靠性研究

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摘要：空调控制器主板在售后使用1-3年后出现的报PL故障，经过失效品分析及大量数据统计，大部分电阻失效集中在控制器外电路的直流母线电压检测电路片状电阻位置，电阻表现为值大、开路失效，通过对售后返回大量的电阻失效分析和电阻硫化实验验证，采用扫描电镜、能谱分析等手段研究了厚膜片式电阻器的硫化现象和失效机理。分析研究结果显示，片状电阻端电极和二次保护包覆层之间存在缝隙，空气中的硫化物通过灌封硅胶吸附进入到片状电阻内电极，导致内电极涂覆银层的银被硫化，生成电导率低的硫化银，使电阻的阻值变大甚至呈现开路状态。经大量的方案分析验证最终确定从器件本身提高器件的应用可靠性的可行方案，有效解决了电阻硫化失效问题。

引言

　　片状电阻已经成为当下电子电路最常用的贴装元件之一，但是片状电阻容易出现硫化失效，电阻失效对应控制器已经使用有一定时间， 电阻硫化失效后表现为阻值很大或开路，芯片口检测电压信号很小，无法精确判断母线电压实际大小，主板失效，最终将导致空调无法工作。对售后大量失效品深入分析研究及快速解决片状电阻失效尤为重要，研究电阻失效原因及失效机理，采取有效改善预防措施，具有非常重要的意义。

1 片状电阻失效原因及硫化失效产生原理

　　片状电阻有三层电极结构，面电极是银电极，中间电极是镍镀层，外部电极是锡镀层。面电极材料是金属导电体，二次保护包裹层是非金属不导电体，交界线区域电镀层很薄或未形成导电层，从而产生空隙或是缝隙，特别是当丝网印刷漏印二次保护层边界不整齐，基体二次保护与电极镀层之间交接处是最弱点，侵入过程如图1所示，外界含硫腐蚀气体通过二次保护层与电极之间的交界处渗透到面电极，与其化合使面电极的银产生硫化生成化合物Ag2S，由于Ag2S(高阻率)导电率低使电阻失去导电能力失效。

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1.1 片状电阻值大及开路失效分析

1.1.1 器件外貌微观

　　使用高倍放大镜查看失效器件外观，在端头位置查看有黑色胶状物质，本文就此现象及电阻出现值大失效原因进行了分析研究。

1.1.2 电镜扫描分析

　　对阻值偏大或是开路失效品进行电镜扫描与能谱分析，分析结果显示电阻本体与电极交界处有硫化物，即外观看到的胶状物质。

1.1.3 硫化电阻能谱分析

　　经过对电阻外观进行查看发现本体与电极结合处有黑色胶状物质，经过对电阻进行能谱分析，结果判定导致电阻失效物质中均检测出含有硫化成分，电阻是因为硫化失效导致。其中，两个失效品能谱图及测试数据如图2和图3。

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1.1.4 失效品DPA研磨分析

　　片状电阻经DPA金相分析确认是硫化造成，做DPA金相研磨。

2 电路设计核查与对比分析

　　失效片状电阻应用于我司变频空调外机主板上，内机主板数据统计没有出现过电阻失效，R203电阻在该电路中起下拉分压作用，用于检测直流母线电压大小，起过欠压保护作用。电阻应用电路原理图如图4所示。

　　同一电路不同机型实际应用电路设计结构及使用器件差异对比发现，除电阻尺寸不同外其他无差异，不同机型主板对应R203位置使用电阻信息对比如表1所示，电阻功率选型设计均能满足需求。

　　电阻尺寸差异影响电阻硫化失效概率，尺寸越大电阻硫化失效的概率越低，硫化失效持续时间越长，经过试验证明结论是正确的。对风华高科电阻进行了硫化实验验证，0603封装尺寸电阻抗硫化能力较差。经过65天的实验电阻硫化严重失效，0805却没有失效。

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3 电阻硫化实验验证分析

　　为研究片状电阻在不同条件下的硫化失效情况，重点验证片状电阻在受应力弯曲及电阻有无密封的条件下硫化能力，设计如下实验：取七组电阻，不同方式预处理后放入盛有硫磺粉的密封容器中，置于85度的环境下进行长期实验，每周取出测试一次并记录对应的电阻值，电阻硫化失效测试数据汇总见表2。

　　实验结果:涂覆硅胶的制品出现失效时，其它相同弯曲状态下使用高温胶纸密封及不密封处理的物料阻值依然正常。说明涂覆硅胶对于电阻起不到防硫化作用并且还有一定的加速电阻硫化效果。

　　在相同的情况下，弯曲变形量大的物料出现开路失效较不弯曲与弯曲变形量小的物料开路失效的数量多，说明当电阻在受到较大弯曲应力的情况下会增加端电极和二次保护包覆层之间存在缝隙，更易出现失效问题。

　　通过实验说明在物料的使用过程中需要避免其受到较大弯曲应力的影响，同时现有变频机型对片状器件使用硅胶覆盖的情况下对其防硫化起不到作用，反而加速器件硫化，需要寻找新型密封胶用以对板面器件形成更加有效的防护。

通过对片状电阻失效机理分析及相关实验验证可以看到，电阻硫化失效受到外界影响因素很多，通过实验发现有以下几种影响因素，识别影响因素采取有效管控措施。

4.1 机械应力影响

　　R203电阻位置在生产过程或装配电器盒后存在机械应力，致使二次保护层与外电极镀层间缝隙变大，加速外界含硫腐蚀性气体通过二次保护层与电极镀层之间的交界处渗透到面电极，使面电极的Ag被硫化，生成了化合物Ag2S 或Ag2SO3而失去导电能力，在阻值上表现出“开路”或“阻值增大”的失效现象。R121和R146位置应力较小，在短期内未出现硫化失效。试验验证也证明电阻硫化失效受机械应力影响。

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4.2 封装差异及本体尺寸差异

　　片状电阻本身封装差异。因外电极镀层与二次保护层搭接长度不可控，搭接长度长的，抗硫化能力好，搭接长度短的，抗硫化能力差，具体差异见图5。R203位置电阻可能抗硫化能力较差，易出现硫化。 电阻本体尺寸越大，电阻抗硫化失效持续时间越长。

4.3 硅胶附硫效应

　　核实售后复核搜集故障品，硫化失效电阻R203丝印靠近主芯片，涂覆硅胶较多，R121、R146靠近高频变压器，实际没有涂覆硅胶。经过实验验证硅胶有附硫效应，会吸附硫化气体，加速硫化，外加机械应力，进一步加速硫化速度。

4.4 控制器装配环境影响

　　控制器下方即是压缩机及管路件，压缩机使用隔音棉、管路件使用阻尼块等经过检测均含有硫元素，需要对空调内部含有的物料进行识别，脱硫去除物质中的硫。

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5 片状电阻硫化失效解决方案

5.1 采用三防胶工艺

　　在PCB板器件本体均匀涂覆三防胶形成有效保护膜，可以隔绝空气，防止电阻硫化。我司使用日本信越三防胶(日本信越三防胶性能参数如表3)，有效解决电阻硫化失效问题。

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5.2 使用抗硫化电阻

5.2.1 抗硫化电阻方案一

　　通过延长二次保护包裹层设计尺寸，同时让底层电极覆盖二次保护，大到一定尺寸，电镀时镍层与锡层均容易覆盖二次保护层，避免二次保护层边缘暴露在空气中与硫化气体化合反应，提高电阻抗硫化能力。具体方案设计如图6。

5.2.2 抗硫化电阻方案二

　　采取溅射镍-铬阻隔层，阻隔层设计将银电极四周及银电极与二次保护层搭接处全部保护起来，有效阻隔含硫气体侵蚀银电极。具体方案设计如图7所示。

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5.3 采用高钯含量或是附金面电极电阻

　　电阻底层电极采取高钯电极浆，金浆，钯含量根据实际应用情况及价格选取，一般钯含量小于5%，也有10%。钯和金的稳定性很好，不会受硫化气体影响，可以有效降低银离子迁移及电阻硫化失效产生。

6 整改总结及意义

　　片状电阻在过程无失效，在售后使用2年后出现大量硫化失效，经过对电阻失效采用扫描电镜、能谱分析等手段研究，确定电阻硫化现象、失效机理。分析研究结果：片状电阻端电极和二次保护包覆层之间存在缝隙，空气中的硫化物通过灌封硅胶吸附进入到片状电阻内电极，导致内电极涂覆银层的银被硫化，生成电导率低的硫化银，使电阻的阻值变大，甚至开路状态。

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　　可见电阻硫化失效是一个长期逐步渐进失效过程，非过程质量控制可以解决。只有提前预防，提高器件应用环境与工作可靠性。经大量的方案分析验证确定A公司最终的执行方案，信越三防胶+罗姆抗硫化电阻，有效解决电阻硫化失效，经过实际应用取得显著效果。该方案在其他电子制造领域同样值得借鉴。

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器件本身提高器件的应用可靠性的可行方案，有效解决了电阻硫化失效问题。