變頻空調片狀電阻銀遷移值小的失效分析與研究

　　Failure analysis and Research on small silver transfer value of frequency conversion airconditioner chip resistor

　　王少輝 項永金格力電器（合肥）有限公司，（安徽 合肥 230088）

　　摘要：家用變頻空調外機控制器主板在售后使用2～4年時(shí)間后報E6通訊故障，經(jīng)過(guò)對失效品分析為片狀電阻值小導致。對大量售后失效數據統計，發(fā)現片狀電阻失效集中在通訊電路與開(kāi)關(guān)電源母線(xiàn)電壓檢測電路。測量片狀電阻阻值無(wú)固定點(diǎn)，與標稱(chēng)阻值差異較大。通過(guò)對售后返回失效片狀電阻分析，采用高配放大鏡、能譜分析等手段研究了片狀電阻銀遷移現象和失效機理。分析研究結果顯示，片狀電阻端電極含有銀金屬，銀金屬被腐蝕遷移導通造成阻值變小。本文從片狀電阻銀遷移的失效機理、器件本身、器件實(shí)際應用環(huán)境、電路可靠性等方面進(jìn)行全面分析改善，有效解決了電阻銀遷移失效問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：變頻空調 片狀電阻 銀遷移失效 直流梯度電壓 可靠性

　　0 引言

　　片狀電阻以體積小、重量輕、電性能穩定、可靠性高等特性，已經(jīng)成為電子電路最常用的貼裝元件之一，是大多數電子產(chǎn)品的必需品，被廣泛應用于手提電腦、主機板、手機及各類(lèi)家用電器產(chǎn)品中。片狀電阻出現銀遷移值小失效，導致開(kāi)關(guān)芯片、以及光耦反饋口檢測電壓信號過(guò)大，主板電路功能失效，最終導致空調整機無(wú)法工作。對應失效控制器主板已在售后使用一段時(shí)間，使用時(shí)間較長(cháng)，失效電阻阻值變化無(wú)規律，通過(guò)對售后大量失效品的深入分析研究，快速研究電阻失效原因及失效機理，采取有效的措施，具有非常重要的意義。

　　1 事件背景

　　變頻空調使用片狀電阻在售后實(shí)際工作中故障較突出，可靠性較差，值小就是其中故障之一，均是使用2-4年之內失效非常突出，經(jīng)過(guò)數據統計使用時(shí)間越久，故障失效數越多，嚴重影響變頻空調售后故障率，具體片狀電阻值小失效原因，以及失效機理急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 片狀銀遷移值小失效原因及失效機理分析

　　片狀電阻值小失效主要集中在變頻外機主板通訊電路與開(kāi)關(guān)電源母線(xiàn)電壓反饋電路，且使用時(shí)間較長(cháng)，經(jīng)分析產(chǎn)品使用后阻值變小的原因是“Ag 遷移”現象，由于“Ag 遷移”后部份電阻體被Ag 金屬導通造成阻值變小。銀遷移(Silver Migration)現象是指在存在直流電壓梯度的潮濕環(huán)境中，水分子滲入含銀導體表面電解形成氫離子和氫氧根離子。銀離子的遷移會(huì )造成無(wú)電氣連接的導體間形成旁路，造成絕緣下降乃至短路。

　　2.1片狀電阻失效原因及銀遷移失效產(chǎn)生原理

　　片狀電阻有三層電極結構，片狀電阻的產(chǎn)品結構如圖1所示，面電極是銀電極，中間電極是鎳鍍層，外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬銀導電體，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，外界水汽、粉塵通過(guò)二次保護層與電極之間的交界處滲透到面電極，在電場(chǎng)的作用下，銀離子從高電位向低電位遷移，并形成絮狀或枝蔓狀擴展，在高低電位相連的邊界上形成黑色氧化銀。通過(guò)著(zhù)名的水滴實(shí)驗完全可以清楚的看到銀遷移現象。水滴實(shí)驗十分簡(jiǎn)單，在相鄰很近的含銀的到體檢滴上水滴，同時(shí)加上直流梯度電壓就可以觀(guān)察到銀離子的遷移現象。片狀電阻面電極銀遷移生成化合物Ag2O，由于A(yíng)g2O（低阻率）導電率高使面電極之間本體連接，從而出現阻值變小。

　　銀的表面遷移是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程。當銀在高濕條件和外加電場(chǎng)下與絕緣體接觸,它以離子的形式離開(kāi)初始位置并重新沉積到另一個(gè)地方。電解遷移可以被看作三個(gè)步驟包括:電解、離子遷移和電沉積。銀離子的遷移機制可以解釋如下:

　　a.潮濕環(huán)境中的水分在外加電場(chǎng)下被離子化:Ag→Ag+(1)

　　H2O→H++OH-(2)

　　b.氫離子遷移到陰極釋放出氫氣,氫氧根離子與銀離子在陽(yáng)極相遇并形成膠體沉淀:Ag++ OH- →AgOH (3)

　　c.AgOH不穩定,在陽(yáng)極端分解成黑色Ag2O沉淀:2AgOH→A g2 O+H 2 O (4)

　　d.發(fā)生水合反應:A g2 O+H 2 O→2AgOH→2Ag++2OH-(5)

　　2.2片狀電阻值小失效分析

　　2.2.1廠(chǎng)家出廠(chǎng)阻值篩選分析

　　片狀電阻產(chǎn)品在編帶包裝時(shí)，原生產(chǎn)廠(chǎng)家均經(jīng)兩臺阻值測試儀分別進(jìn)行阻值測試，阻值合格的產(chǎn)品才可以包裝到卷盤(pán)上，在精度方面實(shí)際生產(chǎn)應用都有測試，測試可控。統計失效數據如表1所示，電阻阻值與標稱(chēng)阻值范圍很大，在售后使用一段時(shí)間才失效，可排除生產(chǎn)廠(chǎng)家出廠(chǎng)時(shí)阻值經(jīng)篩選直接將阻值不良品流出的可能性。

　　2.2.2片狀電阻外貌微觀(guān)分析

　　使用高倍放大鏡查看失效片狀電阻外觀(guān)如圖2所示，外觀(guān)未發(fā)現異常，電阻本體表面無(wú)損傷，兩側電極搭接正常，周邊無(wú)掛錫現象，用電阻測試儀電阻阻值偏小，較正常品阻值相差范圍較大。

　　2.2.3 高溫燒結去除片狀電阻保護層分析

　　電阻值小不良品過(guò)600℃燒結爐試驗可以把殘留在電阻上的導電物如錫、水氣等去除，由于二次保護漿是200℃固化的，電阻體的燒結溫度為850℃，過(guò)600℃燒結爐后可以在不損傷電阻體的前提下去除黑色二次保護層，從而可以直接觀(guān)察到電阻體的形貌，過(guò)爐后查看片狀電阻外觀(guān)如圖3所示，可以看到在電阻體表面覆蓋著(zhù)一層疑似金屬物（紅圈處），測量電阻的阻值正常，表明不良品的電阻體是正常的。

　　2.2.4片狀電阻能譜分析

　　對阻值偏小失效品進(jìn)行能譜分析，檢測點(diǎn)位置為上圖刮去黑色二次保護后的不良品的紅色圈處），檢測結果表明不良品的電阻體表面覆蓋的金屬物不良品主要成份是Ag（銀）元素。

　　結果判定導致電阻失效物質(zhì)中均檢測出含Ag（銀）元素成分，電阻值小是因為銀遷移失效導致，失效品能譜圖及測試數據如圖4和圖5。

　　3 電路設計核查與對比分析

　　失效片狀電阻值小故障均應用于變頻空調外機主板上，失效位置及電路集中，統計內機主板數據統計沒(méi)有出現過(guò)電阻值小失效。對應用電路分析，均為直流電壓，電阻2端直流電壓從56 V～100 V之間梯度下降，對應電路電阻分壓較高。對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，開(kāi)關(guān)電源母線(xiàn)電壓反饋電阻封裝均相同；通訊電路電阻存在兩種尺寸，且2種尺寸均有失效，尺寸不同外其它無(wú)差異，電阻功率選型設計均能滿(mǎn)足需求。電阻尺寸差異對電阻銀遷移失效概率，尺寸越大電阻銀遷移失效的概率相對越低，銀遷移失效持續時(shí)間也越長(cháng)，電阻阻值也就越穩定。

　　3.1 開(kāi)關(guān)電源母線(xiàn)電壓檢測反饋電路

　　三個(gè)電阻均呈梯度對母線(xiàn)電壓進(jìn)行分壓，三個(gè)位置均有失效，查看不同機型片狀電阻均為1206尺寸封裝，封裝無(wú)差異。應用電路原理圖如圖6所示，在該電路中起分壓作用，用于檢測輸入到開(kāi)關(guān)芯片反饋口直流母線(xiàn)電壓大小，起開(kāi)關(guān)電壓調節與保護作用。

　　3.2 外機控制板通訊電路

　　此外機通訊電路采用強電零火線(xiàn)通訊，應用電路原理圖如圖7所示，通訊電源為220 V交流電壓，經(jīng)過(guò)半波整流、濾波、穩壓二極管得到56 V的直流電源。在高頻脈沖的作用下形成低電平流到通訊電路中，觸發(fā)后直流改變的低頻脈沖。470 KΩ片狀電阻在電路中起分壓作用，將零火線(xiàn)通訊信號56 V直流電壓降低傳輸到光耦輸出端。

　　4 影響片狀電阻銀遷移的因素分析

　　通過(guò)對片狀電阻失效機理分析可以看到，片狀電阻銀遷移失效受到外界影響因素很多，發(fā)現有以下幾種影響因素，片狀電阻銀遷移值小影響因素如圖8所示，根據失效影響因素分布圖識別影響因素采取有效管控措施。主因是片狀電阻面電極含銀，導致銀遷移產(chǎn)生的因素還有：表面無(wú)涂覆物；相鄰近導體間存在直流電壓，導體間隔愈近，電壓愈高愈容易產(chǎn)生；使用時(shí)間；應用環(huán)境高溫高濕，水汽與粉塵較多；存在機械應力等。

　　4.1表面硅膠涂覆影響

　　對售后失效樣品具體電路外觀(guān)進(jìn)行分析，核實(shí)售后復核搜集故障品，銀遷移失效電阻位置如圖9所示，靠近高頻變壓器，光耦，以及板邊等，周邊大的分立器件較多，導致電阻普遍無(wú)涂覆硅膠較多，實(shí)際大多數沒(méi)有涂覆硅膠，由于外界腐蝕物質(zhì)易侵入，從而加速銀遷移失效。電阻涂覆硅膠良好的，未發(fā)現有值小故障。

　　4.2售后實(shí)際使用環(huán)境影響

　　搜集失效數據均失效在外機變頻控制器主板，外機裝在室外，使用環(huán)境較惡劣，溫濕度差別較大，主要為溫度、濕度較高，且水汽、灰塵等其它腐蝕性物質(zhì)較多。由于受外機整機運行環(huán)境影響，腐蝕物質(zhì)侵入會(huì )加速銀遷移失效。

　　4.3 片狀電阻本身電極材料影響片狀電阻內部結構圖如圖10所示，面電極為銀材料，是導致銀遷移的主因。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。面電極材料是金屬銀導電體，導電性能較好，在所有貴金屬中，銀的化學(xué)性質(zhì)最活潑，極易產(chǎn)生化學(xué)反應，造成銀離子遷移現象。

　　4.4 機械應力影響

　　失效片狀電阻周?chē)?所示大的分立器件較多，且通訊電路靠近板邊，生產(chǎn)過(guò)程或裝配電器盒后存在機械應力，致使二次保護層與外電極鍍層間縫隙變大，加速外界水汽通過(guò)二次保護層與電極鍍層之間的交界處滲透到面電極，使面電極的Ag被氧化電離，生成了化合物Ag2O，在阻值上表現出“值小”或“短路”的失效現象。受機械應力影響導致外界水汽更容易進(jìn)入到片狀電阻面電極。

　　5 片狀電阻銀遷移值小解決方案

　　經(jīng)實(shí)際應用以及驗證分析，采用以下5個(gè)方案均均可以抑制片狀電阻銀遷移故障發(fā)生，具體改善如下圖11所示，改善1、2、3、4均是針對電路設計布局使用片狀電阻而采取的措施，方案A和B是做有效的解決方案，方案C和D可以有效抑制銀離子生長(cháng)，受失效因素影響，不能完全杜絕，搭配如下：

　　A、在單面板，以及整機電路設計容量大情況下，可以使用方案5，是最有效解決方案；

　　B、在設計容量相對集中，貼片高度集中的布局中，同時(shí)采用方案1+2+3+4，可以有效阻止銀遷移發(fā)生，相對應物料成本會(huì )增加；

　　C、同時(shí)采用方案1+2+3，受使用環(huán)境，機械應力，三防膠涂抹情況影響，在長(cháng)時(shí)間使用不能有效完全杜絕，可以有效抑制銀離子的生長(cháng)；

　　D、同時(shí)采用方案1+4，可以有效抑制銀離子的生長(cháng)，與C方案相同，在長(cháng)時(shí)間使用不能有效完全杜絕。

　　5.1 片狀電阻本體尺寸增大

　　電路應用設計中，對具體電阻封裝尺寸增大，增大端電極之間的距離，從而增大電阻兩電極的爬電距離，抑制銀離子的生長(cháng)速度。電阻本體尺寸越大，電阻抗銀遷移失效持續時(shí)間越長(cháng)。

　　5.2 采用三防膠全面覆蓋

　　對電路板進(jìn)行整體保護，在PCB板器件本體均勻涂覆三防膠形成有效保護膜，我司使用日本信越三防膠（日本信越三防膠性能參數如圖12），可以有效隔絕水汽、灰塵等其它等腐蝕物質(zhì)侵入，從而避免銀遷移問(wèn)題的發(fā)生。

　　5.3采用高含鈀量的銀鈀電極漿片狀電阻

　　根據相關(guān)的技術(shù)文獻資料及試驗表明，采用高含鈀量的銀鈀電極漿是可以有效地抑制銀遷移現象的發(fā)生，而且含鈀量越高的電極漿其抑制銀遷移的能力就會(huì )越好，目前行業(yè)內普遍使用的面電極漿是純銀或是含鈀量小于1%的，提升面電極漿的含鈀量可以提升片式電阻抑制銀遷移的能力。

　　電阻底層電極采取高鈀電極漿，金漿，一般鈀含量小于5%，也有10%。鈀和金的穩定性很好，不會(huì )受外界環(huán)境影響，可以有效降低銀離子遷移失效產(chǎn)生。如圖13展示了銀遷移的抑制機理。圖13(a)表明,裸銀比鈀原子更容易反應,在潮濕和電場(chǎng)的作用下更容易溶解Ag-Pd合金。圖13(b)表明,鈀原子形成了一個(gè)屏蔽層阻止合金的溶解。圖14展示了不同鈀含量的Ag-Pd厚膜在氧化鋁基板上的形態(tài)。銀遷移很大程度上取決于銀基漿料中鈀的含量。正如圖13中XC4所看到的,當鈀的含量超 過(guò)30%時(shí)Ag-Pd中的銀沒(méi)有脫合金溶解的發(fā)生。

　　5.4 電路使用引腳式金屬膜電阻

　　對整機產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評估，在整機產(chǎn)品的設計容量體積、以及生產(chǎn)效率允許的情況下，將對應電路位置容易出現銀遷移問(wèn)題的電路位置改用不含銀材料的引腳式金屬膜電阻，可有效杜絕銀遷移故障發(fā)生。

　　5.5 增加二次保護層搭接長(cháng)度

　　通過(guò)延長(cháng)二次保護包覆層的設計尺寸如圖15所示，同時(shí)讓底層電極覆蓋上二次保護，并達到一定尺寸，在電鍍時(shí)，Ni層和Sn層均能容易地覆蓋上二次保護層。這樣避免了相對薄弱的二次保護包覆層邊緣直接暴露于空氣環(huán)境中，提高了產(chǎn)品的密封性能，能有效抑制外界水汽進(jìn)入到電阻面電極。

　　6 片狀電阻銀遷移值小失效整改總結及意義

　　通過(guò)產(chǎn)品實(shí)際應用過(guò)程中的問(wèn)題反饋信息及對器件單體及應用電路綜合分析，本文從片狀電阻銀遷移的失效機理、失效因素、器件應用環(huán)境，應用電路等多方面進(jìn)行分析。片狀電阻在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)失效，在售后使用2年后出現大量銀遷移失效，且位置集中，對應電路存在較高的直流梯度電壓。經(jīng)過(guò)對電阻失效采用高配放大鏡、高溫燒結、能譜分析等手段研究，確定電阻銀遷移現象、失效機理。

　　分析研究結果：片狀電阻端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，空氣中的水汽進(jìn)入到片狀電阻內電極，導致內電極涂覆銀層的銀生長(cháng)遷移，使電阻的阻值變小，甚出現至短路狀態(tài)?？梢?jiàn)電阻銀遷移失效是一個(gè)長(cháng)期逐步漸進(jìn)失效過(guò)程，非過(guò)程質(zhì)量控制可以解決。只要提前預防，提高器件應用環(huán)境與工作可靠性，就可以避免此故障發(fā)生。經(jīng)大量的方案分析驗證確定有效解決電阻銀遷移失效，經(jīng)過(guò)實(shí)際應用取得顯著(zhù)效果。該方案在其他電子制造領(lǐng)域同樣值得借鑒。

　　通過(guò)此次整改，器件引入開(kāi)發(fā)時(shí)需對器件單體及應用電路、工作環(huán)境等進(jìn)行詳細有效測試評估，要與實(shí)際使用環(huán)境及使用位置進(jìn)行綜合評估，將片狀電阻銀遷移值小故障案例納入設計標準，降低售后應用失效率。

　　參考文獻

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　　[4] Brian Mccabe. 薄膜電阻器提供不滲透硫的解決方案[J]，今日電子, 2009-11-15作者簡(jiǎn)介：王少輝，1986年生，男，助理工程師，主要研究方向：控制器售后失效分析。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處