片式電阻的主要失效機理與失效模式

1、片式電阻的主要失效機理與失效模式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（SMT）的新一代無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。片式電阻在電路內的主要作用是降低電壓，分擔一部分電壓即分壓，限流保護電路，分流等，也可以用做時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氣件的組成之一，它屬于無源元件，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。按外形結構分類分為：矩形片式電阻、圓柱片

2、式電阻、異形電阻。矩形片式電阻的結構如下圖（a）： （a）矩形片式電阻結構示意圖2.1矩形片式電阻結構介紹：矩形片式電阻由基板、電阻膜、保護膜、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唧w有良好的電絕緣性，在高溫下具有良好的導熱性、電性能和一定強度的機械性能。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)過燒結而形成厚膜電阻。電阻漿料一般用RuO2（二氧化釘）。近年來開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。保護膜：將保護膜覆蓋在電阻膜上，保護膜的主要作用是保護電阻。它一

3、方面起機械保護作用，另一方面使電阻體表面具有絕緣性，避免電阻與鄰近導體接觸而產生故障。保護膜一般是低熔點的玻璃漿料，進過印刷燒結而成。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構：內層電極、中間電極、外層電極。內層電極作用：連接電阻體的內部電極。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片式電阻常見的失效模式與失效機理。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理為：1) 開路：主要失效機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，基體有可動鈉離子，保護涂層不良。3) 引線斷裂：電阻體焊接時發(fā)生工藝缺陷，焊點受到雜質的污染，引線受到機械應力的損傷。4) 短路：發(fā)生銀離子的遷移以及電暈放電。3.1薄膜電阻常見的失效模式。3.1.1概念： 薄膜電阻是一種應用領域比較廣泛的通用電子元器件，其制造的過程一般是在陶瓷等基體材料上涂抹一層厚度均勻的導電膜層，然后在基體的兩端上帶有引線的帽蓋，通過對導電膜層進行激光刻阻，使電阻達到所需要的電阻值。如圖（b）為片式電阻形狀大小 （b）片式電阻形狀大小3.1.2失效機理分析電阻器失效機理是多方面的，工作條件或環(huán)境條件下所發(fā)生的各種理化過程是引起電

5、阻器老化的原因。(1)、導電材料的結構變化：薄膜電阻的導電膜層一般用氣相淀積方法獲得，在一定程度上存在無定型結構。按熱力學的觀點，無定型結構均具有結晶化的趨勢。在電阻工作的環(huán)境下，導電膜層中的無定型結構均會以一定的速度趨向結晶生長，也即導電材料內部結構趨于致密化，這常常會引起電阻的下降。并且當溫度升高時結晶化速度也會增加。電阻線或電阻膜在制備過程中都會承受機械應力，使其內部結構發(fā)生變形，線徑愈小或膜層愈薄，應力影響愈顯著。一般可采用退火等熱處理方法消除殘余的內應力，殘余內的應力可能會在長時間使用過程中逐步消除，電阻器的阻值則可能因此發(fā)生變化。結晶化過程和內應力清除過程均隨時間推移而減緩，但不可

6、能在電阻器使用期間終止?？梢哉J為在電阻器工作期內這兩個過程以非常緩慢的速度進行。與它們有關的阻值變化約占原阻值的千分之幾。電負荷高溫老化：任何情況，電負荷均會加速電阻器老化進程，并且電負荷對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。如果過負荷使電阻器溫升超過額定負荷時溫升50，則電阻器的壽命僅為正常情況下壽命的1/32?？赏ㄟ^不到四個月的加速壽命試驗，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：在直流負荷作用下，電解作用會導致電阻器老化。電解發(fā)生在刻槽電阻器槽內，當存在濕氣時，

7、會發(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，沿槽螺旋的一側可能出現(xiàn)薄膜破壞現(xiàn)象。在潮熱環(huán)境下進行直流負荷試驗，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，或導電顆粒和黏結劑部分，非常有可能吸附少量的氣體，它們構成了晶粒之間的中間層，阻礙了導電顆粒之間的接觸，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，合成膜將解吸部分氣體，這會改善到導電顆粒之間的接錯，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，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置在常壓下適當時間，則會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。所以對膜式電阻器的影響較為顯著。阻值變化可達1%-2%。(3)、氧化：氧化是長期起作用的因素（與吸附不同），氧化過程是由電阻體表面開始，逐步向內部深入。除了貴金屬與合金薄膜電阻外，其他材料的電阻體均會受到空氣中氧的影響。氧化的結果是阻值增大。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、玻璃等無機材料）。采用有機材料（塑料、樹脂等）涂覆和灌封，不能完全防止保護層透濕或透氣，雖能起到延緩氧化或吸附氣體的作用，但也會帶來與有機保護層有關的些新的老化因素。(4)、有機保護層的影響：有機保護層形成過程中，放出縮聚作用的揮發(fā)物或溶劑的蒸氣。熱處理過程使部分揮發(fā)物擴散到電阻體中，引起阻值上升。此過程雖可持續(xù)12年，但是顯著影響阻值的時間約為28個月，為了保證成品的阻值穩(wěn)定性，把產品在庫房中擱置一段時間再出廠是比較適宜的。(5)、機械損傷：電阻的可靠很大程度上取決于電阻器的機械性能。電阻體、引線帽和引出線等均應具有足夠的機械強度，基體缺陷、引線帽損壞或引線

10、斷裂均可導致電阻器失效。(6)、銀電極硫化腐蝕導致開路，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3.1.3分析與改進途徑(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的污染造成的，改進措施是調整工藝，也有情況是焊接材料造成的不過這種情況比較少。 (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，通常加強供應商的審評標準是解決辦法。(3)、對于膜層的損傷，則需要對電阻體進行解剖后觀察分析，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，當膜層出現(xiàn)大片脫落是會造成電阻的開路，當膜層出現(xiàn)小塊脫落就會造成電阻值超出規(guī)定范圍，并且出現(xiàn)誤差。電阻膜的燒毀則是由于負載電荷過大，過電應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，加強對制造工藝的控制。減少對加工過程中給電阻膜造成人為的損傷，對于過電應力造成的損傷，還應該考慮電阻現(xiàn)場的使用情況。3.2厚膜電阻常見的失效模式。3.2.1厚膜電阻的失效機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、為厚膜電阻結構示意圖，這類失效經(jīng)常是由以下原因造成的：圖(d)厚膜電阻結構示意(1)、組成電容器的金屬化學組份的變化。在對鈀-銀電阻進行溫度/耐濕和真空試驗中。溫度試驗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。真空試驗中的電阻老化變化主要是膜內部的組成變化，其次原因是由于物理和化學吸附的影響。另外，電阻材料中離子遷移會造成組成電阻材料的金屬化學成分發(fā)生變化從而導致電阻參數(shù)變化。(2)、化學反應的影響。主要是助焊劑、吸附氣體、粘合劑、溶劑和包封材料的化學成分與厚膜電阻器材料發(fā)生了化學反應導致電阻的變化。(3)

13、、應力影響。電阻內應力消失、電阻膜與其保護玻璃釉膜界面上應力消失、灌注樹脂硬化時熱膨脹以及收縮而產生的機械應力等，都會引起電阻表面發(fā)生開裂。(4)、工藝控制與生產過程的影響。有雜質殘渣例如：噴砂微調粉末散布到電阻器表面上。電阻膜與導帶端頭定位精度不準或者定位未對準、過分的校正微調、導帶擴散進電阻膜面而造成熱點等都會影響電阻的穩(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.在金屬導體和玻璃之間以及金屬導體顆粒之間都存在著不完全的浸潤。 2.厚膜電阻可用等效網(wǎng)絡表示，在等效網(wǎng)絡中，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，則會導致玻璃相被電擊穿，使電阻導電鏈數(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程中，鈀銀電阻器在許多場合要遇到氫：比如在含氫氣氣氛中鍵合半導體器件或在含氫或胺的密封封裝（如環(huán)氧樹脂/粘合劑/溶劑/焊劑等）內，電阻器均可遇到氫或放氫產物。另外，電阻器可能應用在一個封閉的電子系統(tǒng)內，其中由于干電池/潮氣與金屬反應，制冷劑/濕芯式電容器的滲漏或塑料過熱的熱分解等均可產生氫。為了克服氫對鈀銀電阻器的影響，目前已經(jīng)使用無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。3

15、.2.2厚膜導帶的失效 (1)、由于印刷導體之前基片清洗不當，在基片表面殘留有機材料或燒結周期不正常將造成厚膜導帶附著力不良。 (2)、在錫焊操作中，厚膜導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度嚴重下降。 (3)、在組裝外貼元件/引出線或管座時，或在使用中由于組裝不合理或使用不當也可能造成鍵合失效。(4)、導帶氧化/燒結不當/燒結引起玻璃釉堆集或導帶層燒結之后的其它燒結引起的惡化都將造成厚膜導帶可焊性不良，形成不良鍵合。(5)、含銀厚膜導帶容易發(fā)生銀離子遷移，在環(huán)境潮濕和外加電場時，銀離子通過潮氣層遷移，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裂造成的突變失效?；拈_裂可能是由下列因素造成：(1)、如錫焊操作帶來的熱沖擊。(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，除此之外在清洗過程中，當未從基片表面清除全部有機材料時可能會造成厚膜材料對基片的粘接不良。這就可能造成不牢的鍵合區(qū)和由于連接外貼元件/引出線時因鍵合脫開而造成失效。3.3分析與改進途徑(1)、對于組成電容器的金屬化學組份的變化?？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固溶體從而導致電阻值的增加。對于膜內部的物理與化學吸附，必須考慮控制

17、工藝精度。另外，電阻材料中離子遷移會造成組成電阻材料的金屬化學成分發(fā)生變化從而導致電阻參數(shù)變化?？梢栽诙N電阻材料之間加一層保護膜防止電阻材料的遷移。(2)、對于化學反應導致電阻值的影響?？梢赃x用幾種相互之間不容易發(fā)生化學反應的材料。(3)、對于熱應力引起電阻表面發(fā)生開裂?？梢試栏窨刂乒に噮?shù)并且在選擇電阻表面材料時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，二者熱膨脹程度一致避免出現(xiàn)因為熱膨脹程度不一致產生的熱應力。從而導致電阻表面發(fā)生開裂。(4)、工藝控制與生產過程的影響。有雜質殘渣例如：噴砂微調粉末散布到電阻器表面上。電阻膜與導帶端頭定位精度不準或者定位未對準、過分的校正微