片狀電阻器開短路失效模式淺析

0   引言

片狀電阻器是空調(diào)控制器及控制器組件內(nèi)的核心器件。其體積小、重量輕、電性能穩(wěn)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(shù)電子產(chǎn)品的必需品，廣泛應(yīng)用于電路板、操控板等各類生活電器產(chǎn)品，其性能工作狀態(tài)直接影響產(chǎn)品的調(diào)試及使用。

當片狀電阻器出現(xiàn)開短路及值大、值小等性能問題時，會導(dǎo)致主控板檢測電壓信號不穩(wěn)定，進而造成顯示器上顯示故障代碼，直接影響用戶對產(chǎn)品運行狀態(tài)的錯誤判斷，因此，結(jié)合過程和售后數(shù)據(jù)對片狀電阻器失效機理及工作可靠性進行研究分析，具有非常重要的意義。

作者簡介：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

機組電控在過程測試及售后出現(xiàn)E6、H5等故障，經(jīng)數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)主要是售后故障率較高，使用2~4 年內(nèi)失效現(xiàn)象非常突出。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，使用時間越久，故障失效數(shù)越多，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實際體驗效果，故片狀電阻器失效原因及失效機理急需進行分析研究并加以改善。

2   片狀電阻失效機理分析

結(jié)合售后復(fù)核及廠內(nèi)數(shù)據(jù)來看，發(fā)現(xiàn)多單電控失效情況，排查大部分為電阻器開短路異常所致，取下電阻反復(fù)多方驗證測試發(fā)現(xiàn)阻值不穩(wěn)定，并對故障品的性能參數(shù)、電阻量、電路設(shè)計等進行多方面研究，具體分析如下。

2.1 片狀電阻開路

2.1.1 銀金屬氧化

1）對失效電控復(fù)核通電測試均為無反應(yīng)，測量發(fā)現(xiàn)R40 位置貼片電阻出現(xiàn)開短路情況，同時從復(fù)核過程分析發(fā)現(xiàn)有個別貼片電阻經(jīng)過高溫焊接后恢復(fù)正常情況，對不良品進行放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)焊盤處有開裂異常，仔細觀察發(fā)現(xiàn)電阻表面有發(fā)黑現(xiàn)象（圖2）。

2）對貼裝位置電路進行分析，該電路的電壓為脈沖信號( 圖3)，最大為5 V，萬用表測量平均值在2.4 V左右。從電路分析，該電路均未發(fā)現(xiàn)異常，因此判斷電路工作電壓不是導(dǎo)致開路主要原因。

3）對部分故障貼片電阻進行X-ray 光照射，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，通過對不良品進行觀察發(fā)現(xiàn)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)黑位置進行能譜測試（見圖5）。

5）從圖6 片狀電阻結(jié)構(gòu)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(nèi)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（銀氧化）上面有部分防潮油覆蓋，說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，刷防潮油時覆蓋了銀層，但并未全部覆蓋，在使用過程中焊盤銀層受潮出現(xiàn)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(yīng)力)，造成表面鍍層脫落或缺失，進而暴露出端子底層的銀金屬；銀金屬在長時間暴露在空氣中后氧化發(fā)黑，生成不導(dǎo)電的氧化銀等金屬氧化物。隨著時間的推移，銀金屬逐漸減少，從能譜可見主峰為銀金屬波峰，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(dǎo)致電阻值不穩(wěn)定，最終表現(xiàn)為電阻開路，所以售后在使用年限不長便出現(xiàn)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(xiàn)為開路，清洗后放大鏡下觀察發(fā)現(xiàn)電阻電極處有明顯裂紋，電極有翹起現(xiàn)象，應(yīng)為常見濺射不良導(dǎo)致；進一步對不良品觀察發(fā)現(xiàn)，左邊電極有缺損及松脫痕跡，從側(cè)面進行觀察明顯可見面電極與端電極有一條斷裂痕跡，另外可見面電極有翹起現(xiàn)象（見圖7）。

2）故障品測試電極端阻值正常，測試外部電極表現(xiàn)為開路，說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，造成阻值開路異常，隨機抽取不良品進行研磨- 電鏡分析，見表2。

各不良品端子鍍層厚度數(shù)據(jù)如表3。

3）除已脫落部位的鎳鍍層厚度無法測量出數(shù)據(jù)外，其他位置的鎳鍍層厚度測試合格，同步測試其性良好，無差異性偏差，因為鎳鍍層“耐熔蝕性和耐焊接熱”，數(shù)據(jù)未顯示電阻存在“鎳鍍層厚度不足導(dǎo)致耐熔蝕性和耐焊接熱性超差”的可能性。基于在前述分析中不良品端子鍍層結(jié)構(gòu)未見異常隱患，應(yīng)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)過程中受到外力作用（如PCB 分片、插件、裝配時彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，電烙鐵補焊或手工焊接時的高溫沖擊等）導(dǎo)致面電極鍍層被撕裂，進而造成器件失效，出現(xiàn)開路狀態(tài)。

2.2 片狀電阻短路

1）對不良品放大鏡下進行正面觀察電阻未見異常，并同步對其性能進行測試，測試結(jié)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（見圖8）。因端電極與面電極測試的阻值一致，說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行觀察，電阻下端有一道形似長形焊錫的異物。該異物幾乎連接兩側(cè)端子，同步對該異物進行烙鐵加溫不可去除，從而說明長條焊錫在電阻出廠時已經(jīng)存在，結(jié)合以往典型案例進行分析，可確認該長條焊錫異物是印刷電阻背電極時漿料污染所致，貼板后會因為焊錫而發(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(xiàn)，似有漿料殘留在兩側(cè)背電極之間的區(qū)域（見圖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(xiàn)象，當電阻完成生產(chǎn)后，就會發(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(jié)果分析論證非片阻本身故障導(dǎo)致，為過程中存在外力損傷所致，生產(chǎn)過程中受機械應(yīng)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，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(xiàn)出“開路”的失效現(xiàn)象，需要對過程應(yīng)力點進行整改排查杜絕，從而保證產(chǎn)品的可靠性。

2）根據(jù)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(xiàn)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(nèi)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30% 時，Ag-Pd 中的銀沒有發(fā)生脫合金溶解，進一步提高了片狀電阻的可靠性。

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

4   失效整改總結(jié)及意義

片狀電阻器在日常使用中并沒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(xiàn)都是隱秘性、長期性和關(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越高，不僅考慮電阻器件的使用性，也要考慮實際生產(chǎn)、安裝、維修等情況，經(jīng)過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、短路失效現(xiàn)象，進而從失效機理上有針對性地進行實驗驗證，從而提高物料的可靠性。

參考文獻：

[1] 銀遷移——在厚膜導(dǎo)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(yīng)用可靠性研究[J].電子產(chǎn)品世界,2017(07):47-50,46.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）