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過程中發現電阻器失效導致設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），因其工藝及結構的特點，在電阻研發的當中因環境溫濕度導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體分析中已得到廣泛的應用。
    本文將 HAST高壓加速老化試驗箱應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，對電阻品質的改善與提升具有一定的指導意義。
    分析背景

    某(mou)產品客戶(hu)端失效，經測試發現為(wei)電阻開路所致(zhi)。電阻規格：348KΩ±0.1%，額定功(gong)率：0.1W。電阻命名如(ru)表(biao)1。

    外觀觀察

    先用(yong)實體顯(xian)微鏡對(dui)電阻保護層(ceng)進行外(wai)(wai)觀觀察(cha)，如(ru)(ru)圖1紅色框起(qi)處，A-NG陶瓷基(ji)體外(wai)(wai)露，保護層(ceng)未(wei)覆蓋至邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)。再用(yong)SEM（Hitachi S-3400N）對(dui)A-NG、A-OK邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)保護層(ceng)形(xing)貌進行放(fang)大觀察(cha)，如(ru)(ru)圖1a、1b所示，A-NG保護層(ceng)邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)疏松粗(cu)糙。

    去除保護層

    先用(yong)(yong)(yong)有機溶(rong)劑去除電(dian)阻保護(hu)層，再用(yong)(yong)(yong)金相(xiang)顯(xian)微鏡進行觀察。如圖(tu)2a黃框所(suo)示(shi)(shi)，A-NG邊緣位置金屬(shu)膜缺(que)失(shi)，用(yong)(yong)(yong)萬用(yong)(yong)(yong)表(biao)對缺(que)失(shi)膜兩端進行電(dian)性(xing)確(que)認顯(xian)示(shi)(shi)開路，故電(dian)阻失(shi)效的原因(yin)為金屬(shu)膜缺(que)失(shi)所(suo)致。如圖(tu)2b所(suo)示(shi)(shi)，A-OK金屬(shu)膜完整，未見明顯(xian)異(yi)常(chang)。

    原因探討
    電阻是導體的一種基本性質，與導體的材料、長度、橫截面積和溫度有關。當阻值為R時，可用公式R=ρL/S表示，其中L、S分別表示導體的長度和截面積；ρ表示導體的電阻率，對某一電阻器而言，L、ρ是已經確定的，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）使用過程中過電應力致使金屬膜熔損。
    （2）因濕熱、環境或電流（電壓）等因素，使原本存在的金屬膜遭受電解反應而破壞、消失，此現象稱之為電蝕。
    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象，論證失效機理。
    （1） EOS試驗
    采用直流電源供應器（Chroma 62024P-600-8）進行測試，測試電壓分別為600V、1000V，持續時間(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(shi)驗條件及結果見(jian)表2，EOS、HAST試(shi)驗后電阻均出現阻值偏大(da)或開路的現象(xiang)。

    圖(tu)(tu)3為試(shi)驗不良品(pin)去(qu)除保護(hu)層圖(tu)(tu)片，如圖(tu)(tu)3a、3b所(suo)示，EOS試(shi)驗不良品(pin)金屬膜均有(you)不同程(cheng)度(du)的熔(rong)損，電(dian)(dian)壓越(yue)大膜熔(rong)損越(yue)嚴重，阻值(zhi)變化越(yue)大甚至開路，此現(xian)象(xiang)與A-NG金屬膜缺失(shi)現(xian)象(xiang)不同。如圖(tu)(tu)3c所(suo)示，HAST試(shi)驗不良品(pin)可見電(dian)(dian)阻邊緣位置(zhi)金屬膜缺失(shi)，與A-NG失(shi)效現(xian)象(xiang)一致，失(shi)效機理為電(dian)(dian)阻在高(gao)溫、高(gao)濕、直流負荷的作用下發(fa)生電(dian)(dian)蝕(shi)。

    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(shu)膜沉積后，印刷保護層之前這段時(shi)(shi)間有(you)雜(za)質污染，成(cheng)品通電時(shi)(shi)造成(cheng)電蝕(shi)。

    （2）保護層有外傷或覆蓋不好，雜質和水汽進入導致電蝕。

    為(wei)進(jin)(jin)一步研究失效(xiao)機(ji)理，尋求改善方向，對以上2種(zhong)失效(xiao)機(ji)理進(jin)(jin)行深入探(tan)討(tao)，選取A-原材(cai)、B-原材(cai)進(jin)(jin)行結構分析與(yu)比對。圖(tu)4為(wei)電阻(zu)(zu)的結構圖(tu)，電阻(zu)(zu)的金(jin)屬膜是(shi)以Ni-Cr合金(jin)濺鍍沉積而成(cheng)的薄膜，基板(ban)為(wei)氧化鋁，保護(hu)層(ceng)材(cai)料為(wei)環(huan)氧樹脂。

    雜質污染檢測

    當陶瓷基(ji)體及金屬(shu)(shu)膜(mo)中含(han)有K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質時，電解作(zuo)用(yong)加(jia)快(kuai)，阻值迅速增加(jia)，失效速度加(jia)快(kuai)。為驗證A-NG金屬(shu)(shu)膜(mo)表面有無雜質污染(ran)，對(dui)去(qu)除保護層后(hou)(hou)的(de)金屬(shu)(shu)膜(mo)進(jin)行EDX（HORIBA EX-250）成分分析(xi)，如圖5a、5b分別為缺(que)失膜(mo)與正(zheng)常(chang)膜(mo)區域的(de)元素檢(jian)測結果(guo)，后(hou)(hou)者可見金屬(shu)(shu)膜(mo)Ni、Cr元素，未發現K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質元素，排(pai)除金屬(shu)(shu)膜(mo)表面雜質污染(ran)導致電蝕的(de)猜測。

    電阻保護層剖析
    保護層外觀形貌觀察

    ;用(yong)SEM對A-原(yuan)材(cai)、B-原(yuan)材(cai)保(bao)護層(ceng)形(xing)貌進行(xing)觀察，如(ru)圖6a紅色箭頭所(suo)(suo)示，A-原(yuan)材(cai)保(bao)護層(ceng)表面有大量孔洞(dong)。如(ru)圖6b所(suo)(suo)示，B-原(yuan)材(cai)保(bao)護層(ceng)表面均(jun)勻致密。

    電阻保護層表面結構觀察

    金屬膜缺失位于邊(bian)緣(yuan)位置，對(dui)電阻去除正面端(duan)電極后(hou)觀察其邊(bian)緣(yuan)結構。如圖7a紅色框所(suo)示，A-原(yuan)材邊(bian)緣(yuan)陶瓷基材外露。比對(dui)可知：A-原(yuan)材、B-原(yuan)材保護(hu)層(ceng)邊(bian)緣(yuan)結構設(she)計(ji)不同，后(hou)者(zhe)邊(bian)緣(yuan)保護(hu)更(geng)充分。

    電阻保護層內部結構觀察

    對(dui)電阻進行(xing)微切片(pian)制樣，用SEM觀察保(bao)護層(ceng)內(nei)部(bu)微觀結構，再進行(xing)EDS成分(fen)分(fen)析。如圖8a，A-原(yuan)(yuan)材保(bao)護層(ceng)中間與兩(liang)端厚(hou)度差異明顯，中間局(ju)部(bu)可達62.64um，兩(liang)端厚(hou)度在(zai)10.58um~19.19um之間，內(nei)部(bu)填(tian)充(chong)物(wu)顆粒(li)粗大，其主(zhu)要成份為C、O、Mg、Si。如圖8b，B-原(yuan)(yuan)材保(bao)護層(ceng)相對(dui)較薄，中間與兩(liang)端無明顯差異，厚(hou)度約為32.75um，可見不同組分(fen)的(de)(de)兩(liang)層(ceng)結構，填(tian)充(chong)物(wu)顆粒(li)細小，其主(zhu)要成份分(fen)別為C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比對(dui)可知：A-原(yuan)(yuan)材保(bao)護層(ceng)邊緣薄，且填(tian)充(chong)顆粒(li)粗大，水汽易侵入(ru)(ru)，與失(shi)效(xiao)發生在(zai)邊緣位置(zhi)的(de)(de)現象相符。B-原(yuan)(yuan)材保(bao)護層(ceng)結構致密(mi)，且兩(liang)層(ceng)結構可更好的(de)(de)保(bao)護金屬(shu)膜免(mian)遭濕(shi)氣的(de)(de)侵入(ru)(ru)。

    電阻HAST能力比對

    選取A-原(yuan)材、B-原(yuan)材各(ge)10pcs進行(xing)HAST試驗，比對(dui)不(bu)同廠商電(dian)阻耐濕熱能力。把電(dian)阻焊接在測試板上(shang)，然后插(cha)入HAST試驗箱，設置(zhi)條(tiao)件：130℃/85%RH/

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

    4） 對比A、B廠商電(dian)阻，A廠商電(dian)阻保(bao)(bao)護層存在空洞(dong)及邊緣保(bao)(bao)護不到位等缺陷(xian)，容易被濕氣侵入。通(tong)過(guo)HAST比對電(dian)阻耐濕熱能力，進一步印證以(yi)(yi)上結論。為有效(xiao)的(de)提(ti)高電(dian)阻的(de)耐濕熱性能，建議從電(dian)阻保(bao)(bao)護層的(de)工藝、厚度以(yi)(yi)及材質方面加以(yi)(yi)改善：a.選擇填充(chong)顆粒細(xi)小的(de)材料，減少濕氣進入通(tong)道(dao)；b.調整(zheng)保(bao)(bao)護層的(de)厚度，使(shi)中間與邊緣厚度相(xiang)對均勻(yun)；c.使(shi)用(yong)耐濕熱的(de)保(bao)(bao)護材料。

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