近幾年，隨著電（diàn）子元器件的需求量日益增（zēng）大，很多廠家在電（diàn）子元（yuán）器件的生產過程中發現電阻器失（shī）效導致設備故障的比率（lǜ）也相當高（gāo）。特別是貼片精密薄膜電阻（以下（xià）簡稱電阻），因其工藝及結構的（de）特點，在電阻研發的當中因環境溫（wēn）濕度導致阻值漂移甚至（zhì）開路的（de）案例（lì）越來越多，厘清失效原因及機（jī）理，已成為迫（pò）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（shàng）千小時，已不（bú）能滿足當今高時效性的需求（qiú）。
     PCT高壓蒸煮試（shì）驗機是在嚴苛的溫度、飽和濕度(100%R.H)飽和水蒸（zhēng）氣及勵環境下其耐（nài）高濕能力的試驗。HAST高壓加速老（lǎo）化試驗箱是使用在加壓和溫度受控的環境中施加過熱（rè）蒸汽的非冷凝(不飽和方法)，將外部保護（hù）材（cái）料、密封劑或外部材料（liào）和導體之間通過加速水（shuǐ）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（lǎo）化試驗箱應用於電阻失效機理的研究（jiū）和耐濕熱性（xìng）能（néng）的評估中，展（zhǎn）示了（le）HAST高壓加速老化試驗箱在電阻失（shī）效分析（xī）中的實踐應用（yòng），為電阻的工藝改進及可靠性檢（jiǎn）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（jǐng）

    某產品客戶端失效，經測試發現為電阻開路所致。電阻規格：348KΩ±0.1%，額定功率：0.1W。電阻命名如表1。

    外觀觀察

    先用實體（tǐ）顯微鏡對電阻保護層進行外觀觀察，如圖（tú）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（bǎo）護層邊緣疏鬆粗糙。

    去除保護層

    先用有機溶（róng）劑去除電阻保護層，再用金相顯微鏡進（jìn）行（háng）觀察。如（rú）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（xìng）確認（rèn）顯示開路，故電阻失效的原因為金屬膜缺失所致（zhì）。如圖2b所示，A-OK金屬膜完整，未見明（míng）顯異常。

    原因探討
    電阻是導體的一種基（jī）本性質，與導體的材料、長度、橫截麵積和溫度有關。當阻值為R時，可用公式R=ρL/S表示，其（qí）中L、S分別表示導體的長度和截麵（miàn）積；ρ表示導（dǎo）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（zhe）S的變化而改變。金屬膜缺失使（shǐ）電阻S變小，從而導（dǎo）致電阻（zǔ）阻值偏大或開路。
    金屬膜缺失（shī）原因主要有：
    （1）使用過程中（zhōng）過電應力致使（shǐ）金屬膜熔損。
    （2）因濕熱、環境或電流（電壓）等因（yīn）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（jìn）一步（bù）厘清失效真因和機理，模擬不同條件下的失效現象（xiàng），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（cè）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（mìng）試驗箱（Hirayama PC-422R8D）進行測（cè）試，測試條件：溫度130℃、濕度85%RH、真（zhēn）空度（dù）0.12MPa、偏壓10V、時間96H。測試標準：JESD22-A110E。HAST的目的為評估電（diàn）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，並（bìng）可縮短器件的壽命試驗時間。

    試驗條件及結果（guǒ）見表2，EOS、HAST試驗後電阻均出現阻值偏大或開路的現象。

    圖3為試驗不良品去除（chú）保護層圖片（piàn），如圖3a、3b所（suǒ）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（zhí）變化越大甚至開路（lù），此現象與A-NG金屬膜缺失現象不同。如圖3c所示，HAST試驗（yàn）不良品可（kě）見電阻邊緣位置金（jīn）屬膜缺失，與A-NG失效現象一致（zhì），失效機理為電阻在高溫、高濕、直流負荷的作用下（xià）發生電（diàn）蝕。

    電蝕（shí）失效主要以薄膜電（diàn）阻為主，常見的（de）失效機理有2種：

    （1）在金屬膜沉積後，印（yìn）刷保（bǎo）護層之前這段時間有雜質汙染，成品通電時造成（chéng）電（diàn）蝕。

    （2）保護層有外（wài）傷或覆蓋不好，雜質和（hé）水（shuǐ）汽進入導致電（diàn）蝕。

    為進一（yī）步研究失效（xiào）機理，尋求改善方向，對以上（shàng）2種失效機（jī）理進行深入探討（tǎo），選取A-原材、B-原材進行結構分析與比對。圖4為電阻的結構圖，電（diàn）阻的金屬膜是以Ni-Cr合金濺（jiàn）鍍沉積而成（chéng）的薄膜，基板為氧化鋁，保護層材料為（wéi）環氧（yǎng）樹脂。

    雜質汙（wū）染檢測

    當陶瓷基體（tǐ）及金屬膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質時，電解（jiě）作用加快，阻值迅（xùn）速增加，失效速度加快。為驗（yàn）證A-NG金屬膜表麵有無雜（zá）質汙染，對去除保護層後的金屬膜進行EDX（HORIBA EX-250）成（chéng）分分析，如圖5a、5b分別（bié）為缺失膜與正常膜區域的元素檢測結果，後者可見金屬（shǔ）膜Ni、Cr元素，未發現K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜（zá）質元素，排除金屬膜表麵雜質汙染導致電蝕的猜測。

    電阻保（bǎo）護層（céng）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（mào）進行觀察，如（rú）圖6a紅色箭頭所示，A-原（yuán）材保護層表麵有大量孔洞。如圖6b所示，B-原材（cái）保護層表麵均勻致密。

    電阻保護層表麵結構觀（guān）察

    金屬膜缺失位於邊（biān）緣位置，對電阻去除（chú）正麵端電極後觀察其邊（biān）緣結構。如圖（tú）7a紅色框所示，A-原（yuán）材邊緣陶瓷基（jī）材外露。比對可知：A-原材、B-原材保護層邊緣結構設計不同，後者邊緣保護更（gèng）充分。

    電阻（zǔ）保護層（céng）內部結構（gòu）觀察

    對電阻進行微（wēi）切片製（zhì）樣，用（yòng）SEM觀察保（bǎo）護層（céng）內（nèi）部微（wēi）觀結構（gòu），再進行EDS成分分析。如圖8a，A-原材保護層中間與兩（liǎng）端厚度差異明顯，中間局部可達62.64um，兩端厚度在（zài）10.58um~19.19um之間，內部填充物（wù）顆粒粗大，其主（zhǔ）要成（chéng）份為C、O、Mg、Si。如圖8b，B-原（yuán）材保護層相對（duì）較（jiào）薄，中間與（yǔ）兩端無明顯差（chà）異，厚度約為32.75um，可見不同組分的兩層結構，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（duì）可知：A-原材保護層邊緣薄，且填充顆粒粗大（dà），水（shuǐ）汽易侵入，與（yǔ）失（shī）效（xiào）發生在邊緣（yuán）位置的現象相符（fú）。B-原材保護層（céng）結構致（zhì）密，且兩層結構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，然後（hòu）插入HAST試驗箱，設置條件：130℃/85%RH/

    0.12MPa/10V/96H。規格要求試驗前後電阻的阻（zǔ）值變化率（ΔR/R）≤±(0.5%+0.05Ω)。測試結果如圖9所（suǒ）示，A-原材ΔR/R皆超出規格，其中（zhōng）1pcs測試（shì）開（kāi）路，B-原材ΔR/R皆滿足（zú）規格要求。測試結果表（biǎo）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（tiáo）件下，金屬（shǔ）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（wén）從電阻失效分析著手，通過試驗模擬（nǐ）探尋失效機理，並通過（guò）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（céng）缺失所致。
    2） EOS、HAST試驗結（jié）果顯示：A-NG失效（xiào）現象與（yǔ）HAST試驗失效樣品一致。失效機理（lǐ）為電阻在高溫（wēn）、高（gāo）濕、直流負荷的（de）作用下（xià）發生電（diàn）蝕。
    3） 對A-NG缺失膜與正（zhèng）常膜區域成份進行檢測，未發現（xiàn）K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質元素，排除金屬膜表（biǎo）麵雜質汙（wū）染導致電蝕的猜測。

    4） 對比A、B廠商電（diàn）阻，A廠商電阻保護層存在空洞及邊緣保（bǎo）護（hù）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（zhèng）以上結論。為有效（xiào）的提高電阻的耐濕熱性能，建議（yì）從電阻保護層的工藝、厚度以及材質方麵加（jiā）以改善：a.選擇填充顆粒細小的（de）材（cái）料（liào），減少濕氣進入通道；b.調整保（bǎo）護（hù）層的厚度，使中（zhōng）間與邊緣（yuán）厚度相對均（jun1）勻（yún）；c.使用耐濕（shī）熱的保護材（cái）料。

文章來源：江蘇中達電子