片狀電阻硫化失效機理及應用可靠性研究

作者 崔斌 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

摘要：空調控制器主板在售后使用1-3年后出現的報PL故障，經(jīng)過(guò)失效品分析及大量數據統計，大部分電阻失效集中在控制器外電路的直流母線(xiàn)電壓檢測電路片狀電阻位置，電阻表現為值大、開(kāi)路失效，通過(guò)對售后返回大量的電阻失效分析和電阻硫化實(shí)驗驗證，采用掃描電鏡、能譜分析等手段研究了厚膜片式電阻器的硫化現象和失效機理。分析研究結果顯示，片狀電阻端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物通過(guò)灌封硅膠吸附進(jìn)入到片狀電阻內電極，導致內電極涂覆銀層的銀被硫化，生成電導率低的硫化銀，使電阻的阻值變大甚至呈現開(kāi)路狀態(tài)。經(jīng)大量的方案分析驗證最終確定從器件本身提高器件的應用可靠性的可行方案，有效解決了電阻硫化失效問(wèn)題。

引言

　　片狀電阻已經(jīng)成為當下電子電路最常用的貼裝元件之一，但是片狀電阻容易出現硫化失效，電阻失效對應控制器已經(jīng)使用有一定時(shí)間， 電阻硫化失效后表現為阻值很大或開(kāi)路，芯片口檢測電壓信號很小，無(wú)法精確判斷母線(xiàn)電壓實(shí)際大小，主板失效，最終將導致空調無(wú)法工作。對售后大量失效品深入分析研究及快速解決片狀電阻失效尤為重要，研究電阻失效原因及失效機理，采取有效改善預防措施，具有非常重要的意義。

1 片狀電阻失效原因及硫化失效產(chǎn)生原理

　　片狀電阻有三層電極結構，面電極是銀電極，中間電極是鎳鍍層，外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬導電體，二次保護包裹層是非金屬不導電體，交界線(xiàn)區域電鍍層很薄或未形成導電層，從而產(chǎn)生空隙或是縫隙，特別是當絲網(wǎng)印刷漏印二次保護層邊界不整齊，基體二次保護與電極鍍層之間交接處是最弱點(diǎn)，侵入過(guò)程如圖1所示，外界含硫腐蝕氣體通過(guò)二次保護層與電極之間的交界處滲透到面電極，與其化合使面電極的銀產(chǎn)生硫化生成化合物Ag₂S，由于A(yíng)g₂S(高阻率)導電率低使電阻失去導電能力失效。

1.1 片狀電阻值大及開(kāi)路失效分析

1.1.1 器件外貌微觀(guān)

　　使用高倍放大鏡查看失效器件外觀(guān)，在端頭位置查看有黑色膠狀物質(zhì)，本文就此現象及電阻出現值大失效原因進(jìn)行了分析研究。

1.1.2 電鏡掃描分析

　　對阻值偏大或是開(kāi)路失效品進(jìn)行電鏡掃描與能譜分析，分析結果顯示電阻本體與電極交界處有硫化物，即外觀(guān)看到的膠狀物質(zhì)。

1.1.3 硫化電阻能譜分析

　　經(jīng)過(guò)對電阻外觀(guān)進(jìn)行查看發(fā)現本體與電極結合處有黑色膠狀物質(zhì)，經(jīng)過(guò)對電阻進(jìn)行能譜分析，結果判定導致電阻失效物質(zhì)中均檢測出含有硫化成分，電阻是因為硫化失效導致。其中，兩個(gè)失效品能譜圖及測試數據如圖2和圖3。

1.1.4 失效品DPA研磨分析

　　片狀電阻經(jīng)DPA金相分析確認是硫化造成，做DPA金相研磨。

2 電路設計核查與對比分析

　　失效片狀電阻應用于我司變頻空調外機主板上，內機主板數據統計沒(méi)有出現過(guò)電阻失效，R203電阻在該電路中起下拉分壓作用，用于檢測直流母線(xiàn)電壓大小，起過(guò)欠壓保護作用。電阻應用電路原理圖如圖4所示。

　　同一電路不同機型實(shí)際應用電路設計結構及使用器件差異對比發(fā)現，除電阻尺寸不同外其他無(wú)差異，不同機型主板對應R203位置使用電阻信息對比如表1所示，電阻功率選型設計均能滿(mǎn)足需求。

　　電阻尺寸差異影響電阻硫化失效概率，尺寸越大電阻硫化失效的概率越低，硫化失效持續時(shí)間越長(cháng)，經(jīng)過(guò)試驗證明結論是正確的。對風(fēng)華高科電阻進(jìn)行了硫化實(shí)驗驗證，0603封裝尺寸電阻抗硫化能力較差。經(jīng)過(guò)65天的實(shí)驗電阻硫化嚴重失效，0805卻沒(méi)有失效。

3 電阻硫化實(shí)驗驗證分析

　　為研究片狀電阻在不同條件下的硫化失效情況，重點(diǎn)驗證片狀電阻在受應力彎曲及電阻有無(wú)密封的條件下硫化能力，設計如下實(shí)驗：取七組電阻，不同方式預處理后放入盛有硫磺粉的密封容器中，置于85度的環(huán)境下進(jìn)行長(cháng)期實(shí)驗，每周取出測試一次并記錄對應的電阻值，電阻硫化失效測試數據匯總見(jiàn)表2。

　　實(shí)驗結果:涂覆硅膠的制品出現失效時(shí)，其它相同彎曲狀態(tài)下使用高溫膠紙密封及不密封處理的物料阻值依然正常。說(shuō)明涂覆硅膠對于電阻起不到防硫化作用并且還有一定的加速電阻硫化效果。

　　在相同的情況下，彎曲變形量大的物料出現開(kāi)路失效較不彎曲與彎曲變形量小的物料開(kāi)路失效的數量多，說(shuō)明當電阻在受到較大彎曲應力的情況下會(huì )增加端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，更易出現失效問(wèn)題。

　　通過(guò)實(shí)驗說(shuō)明在物料的使用過(guò)程中需要避免其受到較大彎曲應力的影響，同時(shí)現有變頻機型對片狀器件使用硅膠覆蓋的情況下對其防硫化起不到作用，反而加速器件硫化，需要尋找新型密封膠用以對板面器件形成更加有效的防護。