馮勇雄 王小龍
【關(guān)鍵詞】片狀電阻 失效 硫化 銀離子遷移 過載
1. 引言
片狀電阻(ChipResistor)又稱為貼片片阻,是多種類型電阻里面非常重要的一種,具有價格便宜、生產(chǎn)效率高、使用量大等優(yōu)點而被家電、儀器等電子產(chǎn)品所選用。
片狀電阻底層是陶瓷載體,表面形成電阻體的大致可分為4個部分:
保護膜——用于保護電阻不受外界因素破壞;
電阻膜——是構(gòu)成電阻的最主要部分,不同材料、厚度、寬度的電阻膜能構(gòu)成不同阻抗的電阻;
端頭電極——成分是錫,用于PCB 上的焊接;
銀電極——使用銀電極介于電阻膜和端頭電極之間做連接。
2. 問題背景
某公司家用空調(diào)產(chǎn)品在客戶處使用時報故障,初步的檢查發(fā)現(xiàn)是電路板故障;更換并返回電路板后仔細對電路板上面的每一個電子元器件檢查發(fā)現(xiàn)有片狀電阻失效,片狀電阻失效的現(xiàn)象有電阻值偏大、偏小或者完全開路、短路。
對該問題持續(xù)跟蹤,發(fā)現(xiàn)多年來每年因為片狀電阻失效而導(dǎo)致電路板故障進一步造成空調(diào)整機無法工作的保修有上千單,故需要對片狀電阻進行失效分析和質(zhì)量改進,進一步提供家電產(chǎn)品質(zhì)量。
3. 片狀電阻失效現(xiàn)象及分析方法
片狀電阻的失效分析遵循常規(guī)的電子器件失效分析方法和流程,即先進行外觀檢查,然后做先電性能檢測,再進一步做非破壞性分析,若仍未發(fā)現(xiàn)失效原因則必須對樣品進行破壞性分析,在必要的情況下需要對電阻進行成分檢測,以確定材料物質(zhì)成分是否發(fā)生了物理和化學(xué)變化,從而進一步確定具體的失效機理。
對片狀電阻做失效分析需要使用的儀器為顯微鏡、X-ray檢測儀、電子顯微鏡(SEM 和EDX)和金相研磨設(shè)備。
案例1:硫化引起片狀電阻值偏大和開路失效
在某一次的售后空調(diào)零部件復(fù)核中,筆者發(fā)現(xiàn)了較大數(shù)量的片狀電阻失效,這部分失效電阻及所在的電路板基本都使用了3 年以上,片狀電阻的失效現(xiàn)象表現(xiàn)為電阻值偏大遠超過其額定阻值,有部分電阻甚至出現(xiàn)完全開路。如下圖2的1KΩ、100Ω 電阻,經(jīng)測定其電阻值均已大于10KΩ,表現(xiàn)為不合格且已導(dǎo)致所在電路無法正常工作。
顯微鏡下仔細對片狀電阻失效樣品觀察:這兩個電阻的保護層與端頭電極均“生長”出黑色點狀物質(zhì),對該部分物質(zhì)在掃描電子顯微鏡做成分測試,得到如下結(jié)果:
在成分測試中發(fā)現(xiàn)了電阻本不應(yīng)該有的硫元素S,其次Ag 的含量很高。分析判斷電阻內(nèi)部的銀電極出現(xiàn)被硫化的現(xiàn)象[1],查詢相關(guān)資料得知Ag 可以與硫化氣體發(fā)生化學(xué)發(fā)生,生成了Ag2S( 黑色物質(zhì),不導(dǎo)電),化學(xué)反應(yīng)式如下:
結(jié)合片狀電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料,分析是空氣中硫化氣體的濃度過高,與電阻內(nèi)部的Ag 電極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),生成黑色不導(dǎo)電的Ag2S, 電阻內(nèi)部的Ag 電極缺損造成電阻值偏大直到完全開路。關(guān)于硫化氣體的來源:
首先可能是使用環(huán)境附近含有燃煤工廠等,燃燒釋放出來導(dǎo)致大氣中的硫化氣體比正常的偏高,在這個環(huán)境下的電阻(電路板)會比其他環(huán)境的更容易失效;
其次可能是電阻(電路板)所在的整機使用到的材料含硫,例如密封用的橡膠會釋放出SO2,對片狀電阻(電路板)有害;
再次電路板若使用到硅膠做三防漆,雖有三防作用,但硅膠是三種吸附劑(硅膠、活性氧化鋁、活性炭)之一,為多孔性材料本身存在極性,會吸附環(huán)境中的活性分子比如H2O、H2S 等[2],使得硫化化學(xué)反應(yīng)快速進行,反而加速了片狀電阻的硫化失效。
案例2:Ag 離子遷移引起的電阻值小及短路
筆者在一次售后直流電機故障品分析中,發(fā)現(xiàn)某個位置的片狀電阻因為電阻值偏小的現(xiàn)象很集中。如下圖4 中的220KΩ 片狀電阻,電性能測試到其阻值不到1K,而將樣品從電路板上拆卸下來時,電阻樣品表面的保護層均出現(xiàn)了破損現(xiàn)象,這是以前從沒碰到過的現(xiàn)象。
初步分析片狀電阻保護膜破損是引起電阻失效的重要原因,未能保護電阻膜及兩端的Ag 電極避免水汽入侵,而Ag電極在水汽作用下很容易生產(chǎn)Ag+,在電壓作用下Ag+ 會向陰極遷移并沉淀造成生長晶枝,最后形成短路通道[3]。
對不良品進行成分檢測,如下圖5:
片狀電阻的Ag 材料在兩端,正常情況下片狀電阻中央位置是沒有Ag 的,不良片狀電阻中央位置進行電子顯微鏡的能譜分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該位置有含有Ag,證實了上面分析的片狀電阻內(nèi)部Ag 電極出現(xiàn)銀離子遷移短路的推論。
電阻保護膜附著不良,出現(xiàn)破損未能阻止水汽入侵是重要原因,其次保護膜與電阻膜之間出現(xiàn)空隙,給Ag 離子遷移產(chǎn)生了空間;
其次,該直流電機保護板使用了硅膠作為三防漆,結(jié)果是吸合水汽加速電阻失效。
上述案例1、2 中的片狀電阻問題,多為電阻/ 電路板使用了兩年以上才表現(xiàn)出來,涉及到電子產(chǎn)品的長期可靠性,筆者強烈建議片狀電阻改選用抗硫化電阻,三防漆絕對避免使用硅膠。
案例3:施加的電壓/ 電流超過電阻額定值而引起的過載開路失效
某檢測部門送來100Ω 片狀電阻失效樣品,其表示在測試過程中發(fā)現(xiàn)電路板失效排查發(fā)現(xiàn)是該電阻出現(xiàn)異常,要求分析電阻失效的原因。
對電阻測試發(fā)現(xiàn)其阻值為偏大到10K 以上,外觀檢查發(fā)現(xiàn)電阻表面絲印的“0”位置有發(fā)黃痕跡,X-ray 檢查發(fā)現(xiàn)電阻內(nèi)部的電阻膜在激光調(diào)阻缺口位置下方出現(xiàn)裂紋,如圖6所示
分析屬于短時間的過電壓/ 電流燒損,原因為整個電阻膜中激光調(diào)阻缺口下方橫截面最小,通過電流能力最小最容易燒損;電阻膜裂紋位置剛好對應(yīng)絲印的“0”位置,局部高溫發(fā)熱時可造成絲印發(fā)黃。
取同型號片狀電阻樣品進行10 倍的額定電壓過載試驗,只需要數(shù)秒時間即可復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象,電阻值為開路;如下圖7 試驗復(fù)現(xiàn)的樣品外觀圖,比反饋的要燒損嚴重。
案例4:片狀電阻本身的制造不良引起的開路失效
生產(chǎn)線反饋某一品牌電阻在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常:產(chǎn)線做完SMT 到ICT 測試工序發(fā)現(xiàn)幾十個同型號的片狀電阻出現(xiàn)電阻值偏大或者開路現(xiàn)象。
取不良品做外觀檢查并無異常,做X-ray 檢查發(fā)現(xiàn)電極右側(cè)存在一道缺口,該位置是內(nèi)部Ag 電極但沒有與外部電極完好連接。
片狀電阻不良品返回給供應(yīng)商進行調(diào)查分析,確認為Ag電極印刷不良:片狀電阻的生產(chǎn)工藝與SMT 類似,通過鋼網(wǎng)印刷電阻膜、保護膜、Ag 電極。不良電阻經(jīng)確認在印刷Ag電極過程中出現(xiàn)“鋼網(wǎng)堵孔”,印刷偏移等不良現(xiàn)象,內(nèi)部電極與外部有細小連接出貨測試無法識別,過回流焊接時受熱沖擊似連非連處斷開從而造成開路。
4. 結(jié)束語
筆者根據(jù)自身遇到的問題進行分析,總結(jié)了上述片狀電阻4 種常見失效現(xiàn)象、根本原因以及相應(yīng)的失效分析方法
案例1、2 多為客戶端失效,且一般2 年以上才能引起電阻失效,碰到此類問題應(yīng)及時對片狀電阻選型,電路板的生產(chǎn)工藝做出調(diào)整才能預(yù)防問題發(fā)生;
案例3、4 則多為前端的生產(chǎn)測試過程失效居多,遇到此類問題應(yīng)及時對片狀電路、電路板的生產(chǎn)測試過程進行分析排查。
希望能夠給從事電子元器件質(zhì)量管理、失效分析、可靠性研究行業(yè)人員提供一些經(jīng)驗和啟發(fā)。在片狀電阻的應(yīng)用設(shè)計、生產(chǎn)制造、使用環(huán)境中盡量避免不良的發(fā)生,追查到失效原因后應(yīng)及時采取相應(yīng)策,從而提高產(chǎn)品的制成率,提高電子產(chǎn)品的可靠性。