片狀電阻器開(kāi)短路失效模式淺析

0   引言

片狀電阻器是空調控制器及控制器組件內的核心器件。其體積小、重量輕、電性能穩定、可靠性高等特性，使之成為電子電路最常用的貼裝元件之一。它是大多數電子產(chǎn)品的必需品，廣泛應用于電路板、操控板等各類(lèi)生活電器產(chǎn)品，其性能工作狀態(tài)直接影響產(chǎn)品的調試及使用。

當片狀電阻器出現開(kāi)短路及值大、值小等性能問(wèn)題時(shí)，會(huì )導致主控板檢測電壓信號不穩定，進(jìn)而造成顯示器上顯示故障代碼，直接影響用戶(hù)對產(chǎn)品運行狀態(tài)的錯誤判斷，因此，結合過(guò)程和售后數據對片狀電阻器失效機理及工作可靠性進(jìn)行研究分析，具有非常重要的意義。

作者簡(jiǎn)介：趙宇翔，男，助理工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析。

1   事件背景

機組電控在過(guò)程測試及售后出現E6、H5等故障，經(jīng)數據比對發(fā)現主要是售后故障率較高，使用2~4 年內失效現象非常突出。經(jīng)數據統計發(fā)現，使用時(shí)間越久，故障失效數越多，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量及用戶(hù)實(shí)際體驗效果，故片狀電阻器失效原因及失效機理急需進(jìn)行分析研究并加以改善。

2   片狀電阻失效機理分析

結合售后復核及廠(chǎng)內數據來(lái)看，發(fā)現多單電控失效情況，排查大部分為電阻器開(kāi)短路異常所致，取下電阻反復多方驗證測試發(fā)現阻值不穩定，并對故障品的性能參數、電阻量、電路設計等進(jìn)行多方面研究，具體分析如下。

2.1 片狀電阻開(kāi)路

2.1.1 銀金屬氧化

1）對失效電控復核通電測試均為無(wú)反應，測量發(fā)現R40 位置貼片電阻出現開(kāi)短路情況，同時(shí)從復核過(guò)程分析發(fā)現有個(gè)別貼片電阻經(jīng)過(guò)高溫焊接后恢復正常情況，對不良品進(jìn)行放大鏡觀(guān)察未發(fā)現焊盤(pán)處有開(kāi)裂異常，仔細觀(guān)察發(fā)現電阻表面有發(fā)黑現象（圖2）。

2）對貼裝位置電路進(jìn)行分析，該電路的電壓為脈沖信號( 圖3)，最大為5 V，萬(wàn)用表測量平均值在2.4 V左右。從電路分析，該電路均未發(fā)現異常，因此判斷電路工作電壓不是導致開(kāi)路主要原因。

3）對部分故障貼片電阻進(jìn)行X-ray 光照射，未發(fā)現明顯異常，通過(guò)對不良品進(jìn)行觀(guān)察發(fā)現下端的面電極位置受到破壞，底材金屬發(fā)黑，左端有少量銀白色的鍍層殘留，殘留鍍層邊緣切口呈圓弧狀( 見(jiàn)圖4)。

圖4 X-ray透視及局部放大

4）使用X-ray 測厚儀對故障品發(fā)黑位置進(jìn)行能譜測試（見(jiàn)圖5）。

5）從圖6 片狀電阻結構示意圖可以看出，片狀電阻的端子分為外部電極( 材質(zhì)為錫金屬)、中間電極( 材質(zhì)為鎳金屬)、內部電極( 分為面電極、端電極及背電極三部分，其中面電極、背電極材質(zhì)為銀金屬，端電極為鎳鉻合金)，故障電阻在顯微鏡下看到，發(fā)黑焊盤(pán)（銀氧化）上面有部分防潮油覆蓋，說(shuō)明電阻銀層上的鍍錫已經(jīng)在刷防潮油前脫落，脫落后剩下銀層，刷防潮油時(shí)覆蓋了銀層，但并未全部覆蓋，在使用過(guò)程中焊盤(pán)銀層受潮出現氧化。綜合分析確認，造成電阻故障的原因為電阻端子面電極受到破壞( 包括：撞擊、刮傷、拉扯等應力)，造成表面鍍層脫落或缺失，進(jìn)而暴露出端子底層的銀金屬；銀金屬在長(cháng)時(shí)間暴露在空氣中后氧化發(fā)黑，生成不導電的氧化銀等金屬氧化物。隨著(zhù)時(shí)間的推移，銀金屬逐漸減少，從能譜可見(jiàn)主峰為銀金屬波峰，即發(fā)黑金屬的主要物質(zhì)為銀金屬（氧化銀）。銀金屬氧化物逐漸增多，導致電阻值不穩定，最終表現為電阻開(kāi)路，所以售后在使用年限不長(cháng)便出現器件失效。

2.1.2 電極起翹

1）不良品測試電極端阻值正常，測試外部電極表現為開(kāi)路，清洗后放大鏡下觀(guān)察發(fā)現電阻電極處有明顯裂紋，電極有翹起現象，應為常見(jiàn)濺射不良導致；進(jìn)一步對不良品觀(guān)察發(fā)現，左邊電極有缺損及松脫痕跡，從側面進(jìn)行觀(guān)察明顯可見(jiàn)面電極與端電極有一條斷裂痕跡，另外可見(jiàn)面電極有翹起現象（見(jiàn)圖7）。

2）故障品測試電極端阻值正常，測試外部電極表現為開(kāi)路，說(shuō)明電阻本體的性能是合格的，電阻失效模式端子面電極鍍層脫落、端子與電阻本體之間的搭接斷裂，造成阻值開(kāi)路異常，隨機抽取不良品進(jìn)行研磨- 電鏡分析，見(jiàn)表2。

各不良品端子鍍層厚度數據如表3。

3）除已脫落部位的鎳鍍層厚度無(wú)法測量出數據外，其他位置的鎳鍍層厚度測試合格，同步測試其性良好，無(wú)差異性偏差，因為鎳鍍層“耐熔蝕性和耐焊接熱”，數據未顯示電阻存在“鎳鍍層厚度不足導致耐熔蝕性和耐焊接熱性超差”的可能性?；谠谇笆龇治鲋胁涣计范俗渝儗咏Y構未見(jiàn)異常隱患，應可排除電阻本身固有不良，為此綜合分析為產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中受到外力作用（如PCB 分片、插件、裝配時(shí)彎曲產(chǎn)生的應力，電烙鐵補焊或手工焊接時(shí)的高溫沖擊等）導致面電極鍍層被撕裂，進(jìn)而造成器件失效，出現開(kāi)路狀態(tài)。

2.2 片狀電阻短路

1）對不良品放大鏡下進(jìn)行正面觀(guān)察電阻未見(jiàn)異常，并同步對其性能進(jìn)行測試，測試結果面電極（黃色箭頭）測試阻值合格、端電極（綠色箭頭）測試阻值合格（見(jiàn)圖8）。因端電極與面電極測試的阻值一致，說(shuō)明電阻性能符合要求，是合格的。

2）對不良品背面放大鏡下進(jìn)行觀(guān)察，電阻下端有一道形似長(cháng)形焊錫的異物。該異物幾乎連接兩側端子，同步對該異物進(jìn)行烙鐵加溫不可去除，從而說(shuō)明長(cháng)條焊錫在電阻出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)存在，結合以往典型案例進(jìn)行分析，可確認該長(cháng)條焊錫異物是印刷電阻背電極時(shí)漿料污染所致，貼板后會(huì )因為焊錫而發(fā)生短接故造成器件短路。

3）模擬背電極模漿料涂覆不當試驗發(fā)現，似有漿料殘留在兩側背電極之間的區域（見(jiàn)圖10）。分析表明，印刷在基板上的漿料尚未固化定型，因此發(fā)生漿料流延溢出污染了原本留空的空白處。當產(chǎn)品電鍍后，該處污染的漿料被鍍上鍍層，最終形成不良品所示的現象，當電阻完成生產(chǎn)后，就會(huì )發(fā)生短路情況。

3   可靠性提升解決方案

1）從失效模式及可靠性試驗（耐焊試驗、模擬SMT 試驗、端頭強度試驗等）結果分析論證非片阻本身故障導致，為過(guò)程中存在外力損傷所致，生產(chǎn)過(guò)程中受機械應力（插件、裝配）影響，電阻端子受鑷子、剪刀等工具碰撞或板與板之間的摩擦，若作用在產(chǎn)品的外力超出產(chǎn)品端頭的承受能力時(shí)，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“開(kāi)路”的失效現象，需要對過(guò)程應力點(diǎn)進(jìn)行整改排查杜絕，從而保證產(chǎn)品的可靠性。

2）根據相關(guān)技術(shù)文獻資料及試驗表明，采用高含鈀量的銀鈀電極漿可以有效地抑制銀遷移及氧化現象發(fā)生，而且含鈀量越高的電極漿抑制銀遷移的能力越好，目前業(yè)內普遍使用的面電極漿是純銀或含鈀量小于1%，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，當鈀含量超過(guò)30% 時(shí)，Ag-Pd 中的銀沒(méi)有發(fā)生脫合金溶解，進(jìn)一步提高了片狀電阻的可靠性。

3）陶瓷基板印刷背電極時(shí)，按規定要求進(jìn)行嚴格外觀(guān)檢查，檢查完成后放回機臺的傳送導軌，且在基板與導軌距離處進(jìn)行軟防護，可防止基板與導軌上相鄰基板發(fā)生觸碰，從而杜絕產(chǎn)品電鍍時(shí)的漿料污染，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的可靠性。

4   失效整改總結及意義

片狀電阻器在日常使用中并沒(méi)有像其他核心功率電子元器件一樣得到重視，但往往異常的出現都是隱秘性、長(cháng)期性和關(guān)鍵性的。目前的電阻器件趨于小型化、多用化，對可靠性的要求越來(lái)越高，不僅考慮電阻器件的使用性，也要考慮實(shí)際生產(chǎn)、安裝、維修等情況，經(jīng)過(guò)對電阻失效采用高配放大鏡、研磨- 電鏡分析、能譜分析等手段研究分析，確定了片狀電阻器開(kāi)、短路失效現象，進(jìn)而從失效機理上有針對性地進(jìn)行實(shí)驗驗證，從而提高物料的可靠性。

參考文獻：

[1] 銀遷移——在厚膜導體上的機理和影響[EB/OL]. 

https://wenku.baidu.com/view/fe4d80c2690203d8ce2f0066f5335a8102d266a4.html,[2017-10-19].百度文庫.

[2] 崔斌.片狀電阻硫化失效機理及應用可靠性研究[J].電子產(chǎn)品世界,2017(07):47-50,46.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）