片式電阻的主要失效機(jī)理與失效模式

1、片式電阻的主要失效機(jī)理與失效模式1什么是片式電阻，片式電阻的概念。 片式電阻器又稱為片式電阻，也叫表面貼裝電阻，它與它片式元器件（SMC及SMD）一樣，是適用于表面貼裝技術(shù)（SMT）的新一代無(wú)引線或短引線微型電子元件。其引出端的焊接面在同一平面上。片式電阻在電路內(nèi)的主要作用是降低電壓，分擔(dān)一部分電壓即分壓，限流保護(hù)電路，分流等，也可以用做時(shí)間電路元件和傳感器等。2.片式電阻的特性及分類。 表面組裝的電阻器是表面組裝元?dú)饧慕M成之一，它屬于無(wú)源元件，其作用主要供厚膜、薄膜電路作外貼元件用。它一般按兩種方式進(jìn)行分類。按特性與材料分類分為：厚膜電阻、薄膜電阻。按外形結(jié)構(gòu)分類分為：矩形片式電阻、圓柱片

2、式電阻、異形電阻。矩形片式電阻的結(jié)構(gòu)如下圖（a）： （a）矩形片式電阻結(jié)構(gòu)示意圖2.1矩形片式電阻結(jié)構(gòu)介紹：矩形片式電阻由基板、電阻膜、保護(hù)膜、電極四大部分組成?；澹夯宀牧弦话闶褂?6的Al2O3（三氧化二鋁）陶瓷?；緫?yīng)具體有良好的電絕緣性，在高溫下具有良好的導(dǎo)熱性、電性能和一定強(qiáng)度的機(jī)械性能。電阻膜：電阻膜是用具有一定電阻率的電阻漿料印刷在陶瓷基本上的，在經(jīng)過(guò)燒結(jié)而形成厚膜電阻。電阻漿料一般用RuO2（二氧化釘）。近年來(lái)開(kāi)始使用賤金屬系的電阻漿料，比如氧化系（TaN-Ta）、碳化系(WC-W)和Cu系材料，目的是降低成本。保護(hù)膜：將保護(hù)膜覆蓋在電阻膜上，保護(hù)膜的主要作用是保護(hù)電阻。它一

3、方面起機(jī)械保護(hù)作用，另一方面使電阻體表面具有絕緣性，避免電阻與鄰近導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生故障。保護(hù)膜一般是低熔點(diǎn)的玻璃漿料，進(jìn)過(guò)印刷燒結(jié)而成。電極：電極是為了保證電阻器具有良好的可焊性和可靠性，一般采用三層電極結(jié)構(gòu)：內(nèi)層電極、中間電極、外層電極。內(nèi)層電極作用：連接電阻體的內(nèi)部電極。中間電極是鍍鎳層，其阻擋作用，提高電阻散熱，緩沖焊接的熱沖擊。外層電極是錫鉛層，主要作用是使電極具有可焊性。3片式電阻常見(jiàn)的失效模式與失效機(jī)理。圖（1）線繞電阻失效總比例 圖（2）非線繞電阻失效總比例片式電阻的主要失效模式與失效機(jī)理為：1) 開(kāi)路：主要失效機(jī)理為電阻膜燒毀或大面積脫落，基體受力發(fā)生斷裂，引線帽與電阻體發(fā)生脫落

4、。2) 阻值漂移超規(guī)范：電阻膜有缺陷或退化，基體有可動(dòng)鈉離子，保護(hù)涂層不良。3) 引線斷裂：電阻體焊接時(shí)發(fā)生工藝缺陷，焊點(diǎn)受到雜質(zhì)的污染，引線受到機(jī)械應(yīng)力的損傷。4) 短路：發(fā)生銀離子的遷移以及電暈放電。3.1薄膜電阻常見(jiàn)的失效模式。3.1.1概念： 薄膜電阻是一種應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛的通用電子元器件，其制造的過(guò)程一般是在陶瓷等基體材料上涂抹一層厚度均勻的導(dǎo)電膜層，然后在基體的兩端上帶有引線的帽蓋，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電膜層進(jìn)行激光刻阻，使電阻達(dá)到所需要的電阻值。如圖（b）為片式電阻形狀大小 （b）片式電阻形狀大小3.1.2失效機(jī)理分析電阻器失效機(jī)理是多方面的，工作條件或環(huán)境條件下所發(fā)生的各種理化過(guò)程是引起電

5、阻器老化的原因。(1)、導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)變化：薄膜電阻的導(dǎo)電膜層一般用氣相淀積方法獲得，在一定程度上存在無(wú)定型結(jié)構(gòu)。按熱力學(xué)的觀點(diǎn)，無(wú)定型結(jié)構(gòu)均具有結(jié)晶化的趨勢(shì)。在電阻工作的環(huán)境下，導(dǎo)電膜層中的無(wú)定型結(jié)構(gòu)均會(huì)以一定的速度趨向結(jié)晶生長(zhǎng)，也即導(dǎo)電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于致密化，這常常會(huì)引起電阻的下降。并且當(dāng)溫度升高時(shí)結(jié)晶化速度也會(huì)增加。電阻線或電阻膜在制備過(guò)程中都會(huì)承受機(jī)械應(yīng)力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，線徑愈小或膜層愈薄，應(yīng)力影響愈顯著。一般可采用退火等熱處理方法消除殘余的內(nèi)應(yīng)力，殘余內(nèi)的應(yīng)力可能會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中逐步消除，電阻器的阻值則可能因此發(fā)生變化。結(jié)晶化過(guò)程和內(nèi)應(yīng)力清除過(guò)程均隨時(shí)間推移而減緩，但不可

6、能在電阻器使用期間終止?？梢哉J(rèn)為在電阻器工作期內(nèi)這兩個(gè)過(guò)程以非常緩慢的速度進(jìn)行。與它們有關(guān)的阻值變化約占原阻值的千分之幾。電負(fù)荷高溫老化：任何情況，電負(fù)荷均會(huì)加速電阻器老化進(jìn)程，并且電負(fù)荷對(duì)加速電阻器老化的作用比升高溫度的加速老化后果更顯著，原因是電阻體與引線帽的接觸部分的溫升超過(guò)了電阻體的平均溫升。通常溫度每升高10，壽命縮短一半。如果過(guò)負(fù)荷使電阻器溫升超過(guò)額定負(fù)荷時(shí)溫升50，則電阻器的壽命僅為正常情況下壽命的1/32?？赏ㄟ^(guò)不到四個(gè)月的加速壽命試驗(yàn)，即可考核電阻器在10年期間的工作穩(wěn)定性。直流電電解的作用：在直流負(fù)荷作用下，電解作用會(huì)導(dǎo)致電阻器老化。電解發(fā)生在刻槽電阻器槽內(nèi)，當(dāng)存在濕氣時(shí)，

7、會(huì)發(fā)生激烈的電解。如果電阻膜是碳膜或金屬膜，則主要是電解氧化；如果電阻膜是金屬氧化膜，則主要是電解還原。對(duì)于高阻薄膜電阻器，電解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一側(cè)可能出現(xiàn)薄膜破壞現(xiàn)象。在潮熱環(huán)境下進(jìn)行直流負(fù)荷試驗(yàn)，可全面考核電阻器基體材料與膜層的抗氧化或抗還原性能，以及保護(hù)層的防潮性能。(2)、氣體吸附與解吸：膜式電阻器的電阻膜在晶粒邊界上，或?qū)щ婎w粒和黏結(jié)劑部分，非常有可能吸附少量的氣體，它們構(gòu)成了晶粒之間的中間層，阻礙了導(dǎo)電顆粒之間的接觸，從而明顯影響阻值，可以選用氣密性良好的電阻。合成膜電阻器是在常壓下制成，在真空或低氣壓工作時(shí)，合成膜將解吸部分氣體，這會(huì)改善到導(dǎo)電顆粒之間的接錯(cuò)，從

8、而使阻值下降。同樣，在真空中制成的熱分解碳膜電阻器直接在正常環(huán)境條件下工作時(shí)，將因氣壓升高而吸附部分氣體，使阻值增大。如果將未刻的半成品預(yù)置在常壓下適當(dāng)時(shí)間，則會(huì)提高電阻器成品的阻值穩(wěn)定性。溫度和氣壓是影響氣體吸附與解吸的主要環(huán)境因素。對(duì)于物理吸附，降溫可增加平衡吸附量，升溫則反之。由于氣體吸附與解吸發(fā)生在電阻體的表面。所以對(duì)膜式電阻器的影響較為顯著。阻值變化可達(dá)1%-2%。(3)、氧化：氧化是長(zhǎng)期起作用的因素（與吸附不同），氧化過(guò)程是由電阻體表面開(kāi)始，逐步向內(nèi)部深入。除了貴金屬與合金薄膜電阻外，其他材料的電阻體均會(huì)受到空氣中氧的影響。氧化的結(jié)果是阻值增大。電阻膜層愈薄，氧化影響就更明顯。防止

9、氧化的根本措施是密封（金屬、陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)材料）。采用有機(jī)材料（塑料、樹(shù)脂等）涂覆和灌封，不能完全防止保護(hù)層透濕或透氣，雖能起到延緩氧化或吸附氣體的作用，但也會(huì)帶來(lái)與有機(jī)保護(hù)層有關(guān)的些新的老化因素。(4)、有機(jī)保護(hù)層的影響：有機(jī)保護(hù)層形成過(guò)程中，放出縮聚作用的揮發(fā)物或溶劑的蒸氣。熱處理過(guò)程使部分揮發(fā)物擴(kuò)散到電阻體中，引起阻值上升。此過(guò)程雖可持續(xù)12年，但是顯著影響阻值的時(shí)間約為28個(gè)月，為了保證成品的阻值穩(wěn)定性，把產(chǎn)品在庫(kù)房中擱置一段時(shí)間再出廠是比較適宜的。(5)、機(jī)械損傷：電阻的可靠很大程度上取決于電阻器的機(jī)械性能。電阻體、引線帽和引出線等均應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，基體缺陷、引線帽損壞或引線

10、斷裂均可導(dǎo)致電阻器失效。(6)、銀電極硫化腐蝕導(dǎo)致開(kāi)路，如下圖（c）所示：圖（c）脫焊拆卸后的電阻器外觀與X-ray透視發(fā)現(xiàn)電極處斷開(kāi)3.1.3分析與改進(jìn)途徑(1)、引線與帽蓋虛焊脫落。大多數(shù)的情況是由于焊接工藝和焊點(diǎn)的污染造成的，改進(jìn)措施是調(diào)整工藝，也有情況是焊接材料造成的不過(guò)這種情況比較少。 (2)、帽蓋脫落。很多情況下，帽蓋脫落是由于帽蓋或瓷基體的加工精度造成的，通常加強(qiáng)供應(yīng)商的審評(píng)標(biāo)準(zhǔn)是解決辦法。(3)、對(duì)于膜層的損傷，則需要對(duì)電阻體進(jìn)行解剖后觀察分析，如膜層的脫落，燒毀，劃傷以及刻槽紋的質(zhì)量等。一般情況下，電阻膜層的脫落是由于堿金屬離子的侵蝕造成了金屬的電遷移，這樣導(dǎo)致了電阻膜層的粘

11、附力下降，在顯微鏡下可以觀察到膜層的脫落狀況，當(dāng)膜層出現(xiàn)大片脫落是會(huì)造成電阻的開(kāi)路，當(dāng)膜層出現(xiàn)小塊脫落就會(huì)造成電阻值超出規(guī)定范圍，并且出現(xiàn)誤差。電阻膜的燒毀則是由于負(fù)載電荷過(guò)大，過(guò)電應(yīng)力給電阻膜造成了損傷，可以在顯微鏡下觀察到這種損傷并且辨別損傷的程度。解決這類問(wèn)題一般是從瓷基體的清洗入手，包括電阻膜的成膜，刻槽等工藝，加強(qiáng)對(duì)制造工藝的控制。減少對(duì)加工過(guò)程中給電阻膜造成人為的損傷，對(duì)于過(guò)電應(yīng)力造成的損傷，還應(yīng)該考慮電阻現(xiàn)場(chǎng)的使用情況。3.2厚膜電阻常見(jiàn)的失效模式。3.2.1厚膜電阻的失效機(jī)理分析厚膜電阻的失效的原因大多數(shù)是由于有電阻參數(shù)的過(guò)渡漂移和電阻參數(shù)不穩(wěn)定與不確定性造成的。如（d）圖所示

12、為厚膜電阻結(jié)構(gòu)示意圖，這類失效經(jīng)常是由以下原因造成的：圖(d)厚膜電阻結(jié)構(gòu)示意(1)、組成電容器的金屬化學(xué)組份的變化。在對(duì)鈀-銀電阻進(jìn)行溫度/耐濕和真空試驗(yàn)中。溫度試驗(yàn)中阻值增加主要是由于金屬鈀離子和銀離子被空氣中的氧元素氧化，在具有高度濕氣的環(huán)境下則主要是由于銀離子的還原以及生成PdAg固溶體。真空試驗(yàn)中的電阻老化變化主要是膜內(nèi)部的組成變化，其次原因是由于物理和化學(xué)吸附的影響。另外，電阻材料中離子遷移會(huì)造成組成電阻材料的金屬化學(xué)成分發(fā)生變化從而導(dǎo)致電阻參數(shù)變化。(2)、化學(xué)反應(yīng)的影響。主要是助焊劑、吸附氣體、粘合劑、溶劑和包封材料的化學(xué)成分與厚膜電阻器材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電阻的變化。(3)

13、、應(yīng)力影響。電阻內(nèi)應(yīng)力消失、電阻膜與其保護(hù)玻璃釉膜界面上應(yīng)力消失、灌注樹(shù)脂硬化時(shí)熱膨脹以及收縮而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力等，都會(huì)引起電阻表面發(fā)生開(kāi)裂。(4)、工藝控制與生產(chǎn)過(guò)程的影響。有雜質(zhì)殘?jiān)纾簢娚拔⒄{(diào)粉末散布到電阻器表面上。電阻膜與導(dǎo)帶端頭定位精度不準(zhǔn)或者定位未對(duì)準(zhǔn)、過(guò)分的校正微調(diào)、導(dǎo)帶擴(kuò)散進(jìn)電阻膜面而造成熱點(diǎn)等都會(huì)影響電阻的穩(wěn)定性。在高壓特別是高壓脈沖情況下，大多數(shù)厚膜電阻將產(chǎn)生很大的電阻值變化，這種現(xiàn)象叫厚膜電阻器的電壓漂移，這種現(xiàn)象是由于以下因素造成的： 1.在金屬導(dǎo)體和玻璃之間以及金屬導(dǎo)體顆粒之間都存在著不完全的浸潤(rùn)。 2.厚膜電阻可用等效網(wǎng)絡(luò)表示，在等效網(wǎng)絡(luò)中，電阻和電容以串聯(lián)或并聯(lián)的

14、形式不規(guī)則的混聯(lián)。若以高于玻璃相擊穿電壓施加于電阻上，則會(huì)導(dǎo)致玻璃相被電擊穿，使電阻導(dǎo)電鏈數(shù)發(fā)生變化從而引起阻值變化。(5)、常用的鈀和銀電阻器在氫氣環(huán)境下中參數(shù)不穩(wěn)定。在制造和使用厚膜混合集成電路的過(guò)程中，鈀銀電阻器在許多場(chǎng)合要遇到氫：比如在含氫氣氣氛中鍵合半導(dǎo)體器件或在含氫或胺的密封封裝（如環(huán)氧樹(shù)脂/粘合劑/溶劑/焊劑等）內(nèi)，電阻器均可遇到氫或放氫產(chǎn)物。另外，電阻器可能應(yīng)用在一個(gè)封閉的電子系統(tǒng)內(nèi)，其中由于干電池/潮氣與金屬反應(yīng)，制冷劑/濕芯式電容器的滲漏或塑料過(guò)熱的熱分解等均可產(chǎn)生氫。為了克服氫對(duì)鈀銀電阻器的影響，目前已經(jīng)使用無(wú)氫化合物催化劑的包封材料或者在電阻器上涂一層玻璃釉加以保護(hù)。3

15、.2.2厚膜導(dǎo)帶的失效 (1)、由于印刷導(dǎo)體之前基片清洗不當(dāng)，在基片表面殘留有機(jī)材料或燒結(jié)周期不正常將造成厚膜導(dǎo)帶附著力不良。 (2)、在錫焊操作中，厚膜導(dǎo)帶材料溶解在焊料中以及形成金-鉛-錫金屬間化合物可能使鍵合強(qiáng)度嚴(yán)重下降。 (3)、在組裝外貼元件/引出線或管座時(shí)，或在使用中由于組裝不合理或使用不當(dāng)也可能造成鍵合失效。(4)、導(dǎo)帶氧化/燒結(jié)不當(dāng)/燒結(jié)引起玻璃釉堆集或?qū)訜Y(jié)之后的其它燒結(jié)引起的惡化都將造成厚膜導(dǎo)帶可焊性不良，形成不良鍵合。(5)、含銀厚膜導(dǎo)帶容易發(fā)生銀離子遷移，在環(huán)境潮濕和外加電場(chǎng)時(shí)，銀離子通過(guò)潮氣層遷移，造成間斷短路。銀還容易被一般焊料浸析，溶于錫。3.2.3基片的失效

16、基片失效模式主要是開(kāi)裂造成的突變失效。基片的開(kāi)裂可能是由下列因素造成：(1)、如錫焊操作帶來(lái)的熱沖擊。(2)、基片與封裝之間鍵合不正常。(3)、基片與封裝材料和粘合劑或包封之間熱膨脹系數(shù)失配，除此之外在清洗過(guò)程中，當(dāng)未從基片表面清除全部有機(jī)材料時(shí)可能會(huì)造成厚膜材料對(duì)基片的粘接不良。這就可能造成不牢的鍵合區(qū)和由于連接外貼元件/引出線時(shí)因鍵合脫開(kāi)而造成失效。3.3分析與改進(jìn)途徑(1)、對(duì)于組成電容器的金屬化學(xué)組份的變化?？梢栽谡婵窄h(huán)境下防止金屬鈀離子和銀離子被空氣中的氧元素氧化，保持環(huán)境的干燥有利于防止銀離子的還原以及生成PdAg固溶體從而導(dǎo)致電阻值的增加。對(duì)于膜內(nèi)部的物理與化學(xué)吸附，必須考慮控制

17、工藝精度。另外，電阻材料中離子遷移會(huì)造成組成電阻材料的金屬化學(xué)成分發(fā)生變化從而導(dǎo)致電阻參數(shù)變化?？梢栽诙N電阻材料之間加一層保護(hù)膜防止電阻材料的遷移。(2)、對(duì)于化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電阻值的影響?？梢赃x用幾種相互之間不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。(3)、對(duì)于熱應(yīng)力引起電阻表面發(fā)生開(kāi)裂?？梢試?yán)格控制工藝參數(shù)并且在選擇電阻表面材料時(shí)考慮使用二種熱膨脹系數(shù)相一致的材料，這樣在受熱發(fā)生膨脹時(shí)，二者熱膨脹程度一致避免出現(xiàn)因?yàn)闊崤蛎洺潭炔灰恢庐a(chǎn)生的熱應(yīng)力。從而導(dǎo)致電阻表面發(fā)生開(kāi)裂。(4)、工藝控制與生產(chǎn)過(guò)程的影響。有雜質(zhì)殘?jiān)纾簢娚拔⒄{(diào)粉末散布到電阻器表面上。電阻膜與導(dǎo)帶端頭定位精度不準(zhǔn)或者定位未對(duì)準(zhǔn)、過(guò)分的校正微