關(guān)于熱敏電阻應用失效問(wèn)題研究

0   引言

熱敏電阻是電器類(lèi)物料的通用元件，主要是通過(guò)感受溫度變化變換阻值，并將阻值傳遞給主機，主機執行相關(guān)的指令。例如熱敏電阻感受到環(huán)境溫度升高，會(huì )以阻值變化的方式通知到主控部件，主控部件通過(guò)相關(guān)指令來(lái)阻止這種變化。如果熱敏電阻感知的溫度不準確，那么主控部件給出的指令也是錯亂的，所以研究熱敏電阻的失效模式至關(guān)重要。

熱敏電阻的常見(jiàn)失效現象主要是阻值問(wèn)題，例如阻值?。ǘ搪罚?，阻值大（開(kāi)路）。常見(jiàn)熱敏電阻結構如圖1 所示。

圖1 常見(jiàn)熱敏電阻結構

如果熱敏芯片與杜美絲接觸不良，存在縫隙則會(huì )表現出阻值大；如果晶圓與其他導體之間并聯(lián)，根據電阻并聯(lián)后阻值變小的原理，此種情況熱敏電阻表現出來(lái)的阻值偏小。

1   電阻短路失效原因之電極金屬遷移

1.1 失效機理分析

熱敏電阻晶圓前后兩個(gè)面鍍有金屬電極，如圖2 白色區域，此電極為銀(Ag) 材質(zhì)，具有很好的導電性、延展性和導熱性，是高精度產(chǎn)品上常用的導電材料^[1-2]。

圖2 熱敏電阻晶圓電極

在實(shí)際應用中，電阻值小/ 失效品主要表現為黑色晶圓表面發(fā)白，有一層霧狀物質(zhì)，如圖3。

圖3 銀遷移

將玻殼剖開(kāi)，檢測霧狀物質(zhì)，發(fā)現了大量的Ag離子，與電極表面材質(zhì)一致，同時(shí)晶圓中不含有Ag元素（圖4），說(shuō)明芯片兩側的導電物質(zhì)Ag 發(fā)生了遷移現象，在芯片側面形成了并聯(lián)電阻，造成了整體電阻值下降，導致阻值變小。

銀遷移過(guò)程：電壓和濕度是銀遷移的兩個(gè)必要條件，但是實(shí)際使用中通電是無(wú)法避免的；使用環(huán)境方面，部分產(chǎn)品使用環(huán)境較潮濕，統計失效產(chǎn)品全使用在潮濕環(huán)境中。

圖4 晶圓電鏡照片和異物成分分析

電遷移是由于電流使離子在導體中流動(dòng)。當關(guān)閉施加電壓后，離子進(jìn)行隨機熱擴散。離子的遷移受溫度、電壓梯度和電極之間的距離影響。在混合厚膜封裝中，其它被認為最重要的遷移參數是導體的組成、環(huán)境濕度水平和密封劑的類(lèi)型。電子元件的遷移根據發(fā)生環(huán)境的不同有兩種形式。電遷移是一種涉及在相對較高溫度(150 ℃ ) 的干燥環(huán)境中發(fā)生電子動(dòng)量傳遞的固態(tài)遷移。

另一方面，離子遷移發(fā)生在周?chē)鷾囟刃∮?00 ℃的潮濕環(huán)境中。厚膜系統中離子遷移是最常見(jiàn)的失效模式，每當絕緣體分開(kāi)的導體從周?chē)h(huán)境獲取足夠多的水分。通過(guò)一系列的實(shí)驗，確認在跨介質(zhì)結構中銀的離子遷移是最主要的失效模式。

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。

1) 潮濕環(huán)境中的水分子在外加電場(chǎng)下被離子化：

Ag→Ag⁺   (1)

H₂O→H⁺+OH^-   (2)

2) 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)

3)AgOH 不穩定，在陽(yáng)極端分解成黑色Ag₂O 沉淀：

2AgOH → Ag₂O+H₂O   (4)

4) 發(fā)生水合反應：

Ag₂O+H₂O → 2AgOH → 2Ag⁺+2OH^-   (5)

所以本次的銀遷移應為離子遷移，唯一避免產(chǎn)生遷移的方式只有阻止水汽進(jìn)入晶圓周?chē)?/p>

1.2 可靠性提升方案

從產(chǎn)品結構方面分析，晶圓通過(guò)杜美絲連通，表面玻殼封裝。此種結構較為成熟，如進(jìn)行結構更改較為復雜，需要經(jīng)過(guò)多重驗證。從產(chǎn)品防水方面研究，在產(chǎn)品表面增加防水涂層，防止水汽進(jìn)入玻殼內部是最優(yōu)的解決方案。此防水涂層要具有與玻璃、金屬等粘結力高，斷裂伸長(cháng)率高。

圖5 無(wú)防水涂層（左）和有防水涂層（右）

1.3 分析驗證結論

此處以硅膠為例，對比增加前后耐久性提升情況：將涂覆硅膠和未涂覆硅膠的產(chǎn)品全部使用環(huán)氧樹(shù)脂封裝完畢之后，放入同一環(huán)境水中（水溫100 ℃），通上5 V 電壓，每隔5 天（120 h）測試一次熱敏電阻性能，發(fā)現改善前產(chǎn)品水煮360 h 之后開(kāi)始失效，而改善后產(chǎn)品水煮1 200 h 之后才失效。兩種狀態(tài)產(chǎn)品使用壽命差異較大?？梢?jiàn)，此種在熱敏電阻玻殼表面含浸防水涂層可以有效提高產(chǎn)品密封性。

2   電阻短路失效原因之焊點(diǎn)金屬遷移

2.1 失效機理分析

空調上使用的熱敏電阻還有另外一種即檢測排氣溫度的熱敏電阻，此種電阻要求耐高溫，其引出線(xiàn)與熱敏電阻之間采用焊錫焊接，但是引線(xiàn)需要使用耐高溫引線(xiàn)，且使用環(huán)境也較潮濕。失效原因較多的主要為內部焊錫金屬遷移?？蛻?hù)使用失效產(chǎn)品實(shí)物如圖6，兩個(gè)引線(xiàn)之間的金屬物質(zhì)為云狀分布，是遷移的典型特性。但同時(shí)又存在點(diǎn)狀分布，遷移物質(zhì)測試含有C、O、Sn，分析為焊錫附著(zhù)在電線(xiàn)絕緣皮上，受潮后金屬離子朝著(zhù)周?chē)L(cháng)，最終將兩根電線(xiàn)連在一起形成值小。

圖6 售后失效樣品X光圖片和實(shí)物圖片

對以上分析結論實(shí)驗驗證，電線(xiàn)殘留點(diǎn)狀焊錫，水煮一段時(shí)間后，電線(xiàn)絕緣皮表面長(cháng)出導電物質(zhì)（圖8），同時(shí)熱敏電阻阻值偏小。測試電線(xiàn)上殘留物質(zhì)與圖7 一致（圖9）。

圖7 導電物質(zhì)檢測

圖8 實(shí)驗失效樣品X光圖片和實(shí)物圖片

圖9 實(shí)驗樣品導電物質(zhì)成分測試

通過(guò)水煮模擬及售后樣品的分析，確認失效原因為引線(xiàn)上殘留錫渣，同時(shí)焊錫中的助焊劑對金屬遷移起到促進(jìn)作用，最終在通電+ 助焊劑+ 水的情況下存在離子遷移，形成微短路不良。

2.2 可靠性提升方案

熱敏電阻引線(xiàn)電線(xiàn)殘留助焊劑及錫渣需要重點(diǎn)清洗。①焊錫爐的改善優(yōu)化，可參考波峰焊內部的錫爐的工作方式，確認焊錫保持流動(dòng)狀態(tài)，已徹底杜絕表面焊錫氧化層殘留。②浸錫后使用有機溶劑清除電線(xiàn)表面助焊劑，減少助焊劑殘留。通過(guò)實(shí)驗對比，改善后產(chǎn)品在同等條件下 使用壽命較之前有很大提升。③增加環(huán)氧樹(shù)脂封裝長(cháng)度，阻隔水汽進(jìn)入。

3   電阻短路失效原因之封裝空隙

由于熱敏電阻芯片與杜美絲引線(xiàn)接觸為直接接觸，非焊接式接觸，如杜美絲受力不均或受力較小即出現接觸不良情況，表現為開(kāi)路（圖10）。

圖10 失效圖

杜美絲玻封過(guò)隧道爐使用壓載平臺壓載引線(xiàn)保證接觸，由于引線(xiàn)較細，個(gè)別存在變形等問(wèn)題，當上模引線(xiàn)出現彎曲時(shí)，壓載平臺頂針出現壓載不到，即會(huì )出現芯片與引線(xiàn)之間產(chǎn)生接觸間隙。所以實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程一定要首先保證度美絲無(wú)變形，且封裝夾具不得出現空缺，保證受力均勻（如圖11）。

圖11 生產(chǎn)封裝形式

4   結語(yǔ)

本文從熱敏電阻實(shí)際應用失效問(wèn)題出發(fā)，闡述了熱敏電阻失效的兩種形式：銀遷移和焊錫遷移，并對其失效機理研究，提出改善方案。從解決根本問(wèn)題出發(fā)，對使用環(huán)境及產(chǎn)品結構詳細分析，從產(chǎn)品結構和生產(chǎn)過(guò)程方面優(yōu)化改善，從而提高產(chǎn)品的可靠性，進(jìn)一步提升整機的使用穩定性。

5   元件失效問(wèn)題研究的意義

通過(guò)對熱敏電阻失效問(wèn)題的研究，闡明了一種分析思路：即首先要了解元件的應用環(huán)境、元件結構，然后深入挖掘問(wèn)題產(chǎn)生的根源。從管理思路向技術(shù)思路轉變，從器件結構優(yōu)化上提升產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 嵇永康,胡培榮,衛中領(lǐng).銀鍍層中銀離子的遷移現象(一)[J].電鍍與涂飾,2008(8):18-20.

[2] 林曉玲,黃美淺,章曉文.熱敏電阻測量法的研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2004(1):39-42.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）