近幾年，隨著電子元器件的需求量日益增大，很多廠家在電子元器件的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)電阻器失效導(dǎo)致設(shè)備故障的比率也相當高。特別是貼片精密薄膜電阻（以下簡稱電阻），因其工藝及結(jié)構(gòu)的特點，在電阻研發(fā)的當中因環(huán)境溫濕度導(dǎo)致阻值漂移甚至開路的案例越來越多，厘清失效原因及機理，已成為迫切需要研究的課題。而傳統(tǒng)的40℃、90%RH和85℃、85%RH的溫/濕度偏壓試驗方法（THB）需要花上千小時，已不能滿足當今高時效性的需求。
     PCT高壓蒸煮試驗機是在嚴苛的溫度、飽和濕度(100%R.H)飽和水蒸氣及勵環(huán)境下其耐高濕能力的試驗。HAST高壓加速老化試驗箱是使用在加壓和溫度受控的環(huán)境中施加過熱蒸汽的非冷凝(不飽和方法)，將外部保護材料、密封劑或外部材料和導(dǎo)體之間通過加速水分滲透的作用進行試驗，目前在微電路及半導(dǎo)體分析中已得到廣泛的應(yīng)用。
    本文將 HAST高壓加速老化試驗箱應(yīng)用于電阻失效機理的研究和耐濕熱性能的評估中，展示了HAST高壓加速老化試驗箱在電阻失效分析中的實踐應(yīng)用，為電阻的工藝改進及可靠性檢驗提供了一套快速、有效的測試方法，對電阻品質(zhì)的改善與提升具有一定的指導(dǎo)意義。
    分析背景

    某產(chǎn)品客戶端失效，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)為電阻開路所致。電阻規(guī)格：348KΩ±0.1%，額定功率：0.1W。電阻命名如表1。

    外觀觀察

    先用實體顯微鏡對電阻保護層進行外觀觀察，如圖1紅色框起處，A-NG陶瓷基體外露，保護層未覆蓋至邊緣。再用SEM（Hitachi S-3400N）對A-NG、A-OK邊緣保護層形貌進行放大觀察，如圖1a、1b所示，A-NG保護層邊緣疏松粗糙。

    去除保護層

    先用有機溶劑去除電阻保護層，再用金相顯微鏡進行觀察。如圖2a黃框所示，A-NG邊緣位置金屬膜缺失，用萬用表對缺失膜兩端進行電性確認顯示開路，故電阻失效的原因為金屬膜缺失所致。如圖2b所示，A-OK金屬膜完整，未見明顯異常。

    原因探討
    電阻是導(dǎo)體的一種基本性質(zhì)，與導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積和溫度有關(guān)。當阻值為R時，可用公式R=ρL/S表示，其中L、S分別表示導(dǎo)體的長度和截面積；ρ表示導(dǎo)體的電阻率，對某一電阻器而言，L、ρ是已經(jīng)確定的，阻值隨著S的變化而改變。金屬膜缺失使電阻S變小，從而導(dǎo)致電阻阻值偏大或開路。
    金屬膜缺失原因主要有：
    （1）使用過程中過電應(yīng)力致使金屬膜熔損。
    （2）因濕熱、環(huán)境或電流（電壓）等因素，使原本存在的金屬膜遭受電解反應(yīng)而破壞、消失，此現(xiàn)象稱之為電蝕。
    機理研究
    為進一步厘清失效真因和機理，模擬不同條件下的失效現(xiàn)象，論證失效機理。
    （1） EOS試驗
    采用直流電源供應(yīng)器（Chroma 62024P-600-8）進行測試，測試電壓分別為600V、1000V，持續(xù)時間(5±1)s。
    （2） HAST試驗
    采用 高加速壽命試驗箱（Hirayama PC-422R8D）進行測試，測試條件：溫度130℃、濕度85%RH、真空度0.12MPa、偏壓10V、時間96H。測試標準：JESD22-A110E。HAST的目的為評估電阻在高溫、高濕、偏壓的加速因子下，保護層與金屬膜對濕氣腐蝕抵抗的能力，并可縮短器件的壽命試驗時間。

    試驗條件及結(jié)果見表2，EOS、HAST試驗后電阻均出現(xiàn)阻值偏大或開路的現(xiàn)象。

    圖3為試驗不良品去除保護層圖片，如圖3a、3b所示，EOS試驗不良品金屬膜均有不同程度的熔損，電壓越大膜熔損越嚴重，阻值變化越大甚至開路，此現(xiàn)象與A-NG金屬膜缺失現(xiàn)象不同。如圖3c所示，HAST試驗不良品可見電阻邊緣位置金屬膜缺失，與A-NG失效現(xiàn)象一致，失效機理為電阻在高溫、高濕、直流負荷的作用下發(fā)生電蝕。

    電蝕失效主要以薄膜電阻為主，常見的失效機理有2種：

    （1）在金屬膜沉積后，印刷保護層之前這段時間有雜質(zhì)污染，成品通電時造成電蝕。

    （2）保護層有外傷或覆蓋不好，雜質(zhì)和水汽進入導(dǎo)致電蝕。

    為進一步研究失效機理，尋求改善方向，對以上2種失效機理進行深入探討，選取A-原材、B-原材進行結(jié)構(gòu)分析與比對。圖4為電阻的結(jié)構(gòu)圖，電阻的金屬膜是以Ni-Cr合金濺鍍沉積而成的薄膜，基板為氧化鋁，保護層材料為環(huán)氧樹脂。

    雜質(zhì)污染檢測

    當陶瓷基體及金屬膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質(zhì)時，電解作用加快，阻值迅速增加，失效速度加快。為驗證A-NG金屬膜表面有無雜質(zhì)污染，對去除保護層后的金屬膜進行EDX（HORIBA EX-250）成分分析，如圖5a、5b分別為缺失膜與正常膜區(qū)域的元素檢測結(jié)果，后者可見金屬膜Ni、Cr元素，未發(fā)現(xiàn)K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質(zhì)元素，排除金屬膜表面雜質(zhì)污染導(dǎo)致電蝕的猜測。

    電阻保護層剖析
    保護層外觀形貌觀察

    用SEM對A-原材、B-原材保護層形貌進行觀察，如圖6a紅色箭頭所示，A-原材保護層表面有大量孔洞。如圖6b所示，B-原材保護層表面均勻致密。

    電阻保護層表面結(jié)構(gòu)觀察

    金屬膜缺失位于邊緣位置，對電阻去除正面端電極后觀察其邊緣結(jié)構(gòu)。如圖7a紅色框所示，A-原材邊緣陶瓷基材外露。比對可知：A-原材、B-原材保護層邊緣結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，后者邊緣保護更充分。

    電阻保護層內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察

    對電阻進行微切片制樣，用SEM觀察保護層內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，再進行EDS成分分析。如圖8a，A-原材保護層中間與兩端厚度差異明顯，中間局部可達62.64um，兩端厚度在10.58um~19.19um之間，內(nèi)部填充物顆粒粗大，其主要成份為C、O、Mg、Si。如圖8b，B-原材保護層相對較薄，中間與兩端無明顯差異，厚度約為32.75um，可見不同組分的兩層結(jié)構(gòu)，填充物顆粒細小，其主要成份分別為C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比對可知：A-原材保護層邊緣薄，且填充顆粒粗大，水汽易侵入，與失效發(fā)生在邊緣位置的現(xiàn)象相符。B-原材保護層結(jié)構(gòu)致密，且兩層結(jié)構(gòu)可更好的保護金屬膜免遭濕氣的侵入。

    電阻HAST能力比對

    選取A-原材、B-原材各10pcs進行HAST試驗，比對不同廠商電阻耐濕熱能力。把電阻焊接在測試板上，然后插入HAST試驗箱，設(shè)置條件：130℃/85%RH/

    0.12MPa/10V/96H。規(guī)格要求試驗前后電阻的阻值變化率（ΔR/R）≤±(0.5%+0.05Ω)。測試結(jié)果如圖9所示，A-原材ΔR/R皆超出規(guī)格，其中1pcs測試開路，B-原材ΔR/R皆滿足規(guī)格要求。測試結(jié)果表明，A-原材耐濕熱能力差，其結(jié)果與保護層比對結(jié)果相對應(yīng)。A-原材保護層存在孔洞及邊緣保護不到位等缺陷，在高溫、高濕的環(huán)境條件下，金屬膜容易被濕氣侵入，在電負荷作用下發(fā)生電蝕，從而導(dǎo)致阻值漂移或開路。
    結(jié)論
    本文從電阻失效分析著手，通過試驗?zāi)M探尋失效機理，并通過不同廠家電阻比對尋求改善方向，得出如下結(jié)論：
    1） 電阻失效的原因為金屬層缺失所致。
    2） EOS、HAST試驗結(jié)果顯示：A-NG失效現(xiàn)象與HAST試驗失效樣品一致。失效機理為電阻在高溫、高濕、直流負荷的作用下發(fā)生電蝕。
    3） 對A-NG缺失膜與正常膜區(qū)域成份進行檢測，未發(fā)現(xiàn)K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質(zhì)元素，排除金屬膜表面雜質(zhì)污染導(dǎo)致電蝕的猜測。

    4） 對比A、B廠商電阻，A廠商電阻保護層存在空洞及邊緣保護不到位等缺陷，容易被濕氣侵入。通過HAST比對電阻耐濕熱能力，進一步印證以上結(jié)論。為有效的提高電阻的耐濕熱性能，建議從電阻保護層的工藝、厚度以及材質(zhì)方面加以改善：a.選擇填充顆粒細小的材料，減少濕氣進入通道；b.調(diào)整保護層的厚度，使中間與邊緣厚度相對均勻；c.使用耐濕熱的保護材料。

文章來源：江蘇中達電子