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

    某產品客戶(hu)端(duan)失效(xiao)，經測試發現為電(dian)阻開(kai)路所致(zhi)。電(dian)阻規格：348KΩ±0.1%，額(e)定功率：0.1W。電(dian)阻命(ming)名如表1。

    外觀觀察

    先用(yong)實體顯微鏡對(dui)電阻(zu)保(bao)(bao)護(hu)(hu)(hu)層(ceng)(ceng)進(jin)行外(wai)觀觀察，如圖(tu)1紅色框起處，A-NG陶瓷基體外(wai)露(lu)，保(bao)(bao)護(hu)(hu)(hu)層(ceng)(ceng)未(wei)覆蓋(gai)至邊(bian)緣(yuan)。再(zai)用(yong)SEM（Hitachi S-3400N）對(dui)A-NG、A-OK邊(bian)緣(yuan)保(bao)(bao)護(hu)(hu)(hu)層(ceng)(ceng)形貌進(jin)行放大(da)觀察，如圖(tu)1a、1b所(suo)示，A-NG保(bao)(bao)護(hu)(hu)(hu)層(ceng)(ceng)邊(bian)緣(yuan)疏松粗糙。

    去除保護層

    先用(yong)(yong)有機溶劑去(qu)除電阻(zu)(zu)保護(hu)層，再用(yong)(yong)金相顯(xian)微(wei)鏡進行觀察(cha)。如(ru)圖2a黃框(kuang)所(suo)示(shi)，A-NG邊(bian)緣位置金屬(shu)膜(mo)(mo)缺失(shi)(shi)，用(yong)(yong)萬(wan)用(yong)(yong)表對缺失(shi)(shi)膜(mo)(mo)兩端進行電性確認顯(xian)示(shi)開路(lu)，故電阻(zu)(zu)失(shi)(shi)效的原因為金屬(shu)膜(mo)(mo)缺失(shi)(shi)所(suo)致。如(ru)圖2b所(suo)示(shi)，A-OK金屬(shu)膜(mo)(mo)完整，未見(jian)明顯(xian)異常。

    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。

    試驗(yan)條件及結果見表2，EOS、HAST試驗(yan)后電阻(zu)均出現阻(zu)值(zhi)偏大或開路的現象。

    圖3為試驗(yan)不良品去除保護(hu)層(ceng)圖片，如圖3a、3b所(suo)示，EOS試驗(yan)不良品金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)均有不同程(cheng)度的(de)熔損(sun)，電(dian)壓越大膜(mo)(mo)熔損(sun)越嚴重(zhong)，阻(zu)(zu)值變化(hua)越大甚至開路，此現(xian)象(xiang)(xiang)與A-NG金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)缺失(shi)現(xian)象(xiang)(xiang)不同。如圖3c所(suo)示，HAST試驗(yan)不良品可(ke)見電(dian)阻(zu)(zu)邊緣位置金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)缺失(shi)，與A-NG失(shi)效現(xian)象(xiang)(xiang)一致，失(shi)效機理為電(dian)阻(zu)(zu)在高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)濕、直流(liu)負荷的(de)作用下發生電(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(mo)沉積(ji)后，印刷保護層(ceng)之前這(zhe)段時間有雜質(zhi)污染(ran)，成(cheng)品(pin)通(tong)電(dian)時造成(cheng)電(dian)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。

    為進一步研究(jiu)失效(xiao)機理，尋求改善(shan)方向，對(dui)以上2種失效(xiao)機理進行(xing)深入探(tan)討(tao)，選取A-原(yuan)材(cai)、B-原(yuan)材(cai)進行(xing)結構分析與比對(dui)。圖(tu)4為電阻的(de)結構圖(tu)，電阻的(de)金(jin)屬膜是以Ni-Cr合金(jin)濺鍍沉(chen)積(ji)而成的(de)薄(bo)膜，基板(ban)為氧(yang)化(hua)鋁，保護層材(cai)料為環(huan)氧(yang)樹脂。

    雜質污染檢測

    當(dang)陶(tao)瓷基體及金屬膜(mo)中含(han)有K+、Na+、Ca2+、Cl-等(deng)雜(za)質時，電解作用加(jia)(jia)快(kuai)，阻值迅速增加(jia)(jia)，失(shi)效速度加(jia)(jia)快(kuai)。為(wei)驗證A-NG金屬膜(mo)表面有無雜(za)質污染，對去除保護(hu)層后的金屬膜(mo)進行EDX（HORIBA EX-250）成分分析，如圖5a、5b分別為(wei)缺失(shi)膜(mo)與正常(chang)膜(mo)區域的元素(su)(su)檢測(ce)結果，后者(zhe)可見(jian)金屬膜(mo)Ni、Cr元素(su)(su)，未發現(xian)K+、Na+、Ca2+、Cl-等(deng)雜(za)質元素(su)(su)，排除金屬膜(mo)表面雜(za)質污染導致電蝕的猜測(ce)。

    電阻保護層剖析
    保護層外觀形貌觀察

    用SEM對A-原材(cai)、B-原材(cai)保(bao)護(hu)層形貌(mao)進行(xing)觀察，如圖6a紅色箭頭所示，A-原材(cai)保(bao)護(hu)層表(biao)面有(you)大量孔洞。如圖6b所示，B-原材(cai)保(bao)護(hu)層表(biao)面均勻(yun)致密。

    電阻保護層表面結構觀察

    金(jin)屬膜(mo)缺失位于(yu)邊(bian)緣(yuan)位置，對(dui)電阻去除正面端電極后(hou)觀(guan)察其邊(bian)緣(yuan)結構。如(ru)圖7a紅色框(kuang)所示，A-原材(cai)邊(bian)緣(yuan)陶瓷基材(cai)外(wai)露。比對(dui)可知：A-原材(cai)、B-原材(cai)保護層邊(bian)緣(yuan)結構設(she)計不同，后(hou)者(zhe)邊(bian)緣(yuan)保護更充(chong)分。

    電阻保護層內部結構觀察

    對(dui)(dui)電(dian)阻進行(xing)微(wei)切片制樣，用SEM觀察(cha)保(bao)護(hu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)內部微(wei)觀結(jie)構(gou)，再進行(xing)EDS成(cheng)分分析。如圖8a，A-原(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)(cai)保(bao)護(hu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中間(jian)與兩(liang)端厚(hou)度(du)(du)差異明顯(xian)，中間(jian)局部可達62.64um，兩(liang)端厚(hou)度(du)(du)在10.58um~19.19um之間(jian)，內部填充(chong)(chong)物顆粒(li)粗(cu)(cu)大，其主(zhu)要成(cheng)份(fen)(fen)為(wei)C、O、Mg、Si。如圖8b，B-原(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)(cai)保(bao)護(hu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)相對(dui)(dui)較薄(bo)，中間(jian)與兩(liang)端無明顯(xian)差異，厚(hou)度(du)(du)約為(wei)32.75um，可見不同組分的(de)(de)兩(liang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)，填充(chong)(chong)物顆粒(li)細(xi)小，其主(zhu)要成(cheng)份(fen)(fen)分別為(wei)C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比對(dui)(dui)可知：A-原(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)(cai)保(bao)護(hu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)邊(bian)緣薄(bo)，且(qie)填充(chong)(chong)顆粒(li)粗(cu)(cu)大，水汽易(yi)侵(qin)入，與失效發生在邊(bian)緣位置的(de)(de)現象相符。B-原(yuan)(yuan)(yuan)材(cai)(cai)保(bao)護(hu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)致密，且(qie)兩(liang)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)可更好的(de)(de)保(bao)護(hu)金屬膜免遭(zao)濕氣(qi)的(de)(de)侵(qin)入。

    電阻HAST能力比對

    選取A-原材、B-原材各10pcs進行(xing)HAST試驗(yan)，比(bi)對不(bu)同廠商電阻耐濕(shi)熱(re)能力。把電阻焊接(jie)在測(ce)試板上，然后(hou)插入HAST試驗(yan)箱，設置條件：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(bi)A、B廠商電阻(zu)，A廠商電阻(zu)保(bao)(bao)護(hu)層(ceng)存(cun)在空(kong)洞及邊(bian)緣保(bao)(bao)護(hu)不到位等缺陷(xian)，容易被濕(shi)(shi)氣侵(qin)入。通(tong)過(guo)HAST比(bi)對電阻(zu)耐濕(shi)(shi)熱能(neng)力(li)，進一步印(yin)證以上結論。為有效的提高電阻(zu)的耐濕(shi)(shi)熱性能(neng)，建議從電阻(zu)保(bao)(bao)護(hu)層(ceng)的工(gong)藝、厚度以及材質方(fang)面加以改善：a.選擇填充顆粒細(xi)小的材料(liao)，減少濕(shi)(shi)氣進入通(tong)道；b.調整保(bao)(bao)護(hu)層(ceng)的厚度，使(shi)中間與邊(bian)緣厚度相對均(jun)勻；c.使(shi)用耐濕(shi)(shi)熱的保(bao)(bao)護(hu)材料(liao)。

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