片狀電阻硫化失效機(jī)理及應(yīng)用可靠性研究

作者 崔斌 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

摘要：空調(diào)控制器主板在售后使用1-3年后出現(xiàn)的報(bào)PL故障，經(jīng)過失效品分析及大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分電阻失效集中在控制器外電路的直流母線電壓檢測電路片狀電阻位置，電阻表現(xiàn)為值大、開路失效，通過對售后返回大量的電阻失效分析和電阻硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用掃描電鏡、能譜分析等手段研究了厚膜片式電阻器的硫化現(xiàn)象和失效機(jī)理。分析研究結(jié)果顯示，片狀電阻端電極和二次保護(hù)包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物通過灌封硅膠吸附進(jìn)入到片狀電阻內(nèi)電極，導(dǎo)致內(nèi)電極涂覆銀層的銀被硫化，生成電導(dǎo)率低的硫化銀，使電阻的阻值變大甚至呈現(xiàn)開路狀態(tài)。經(jīng)大量的方案分析驗(yàn)證最終確定從器件本身提高器件的應(yīng)用可靠性的可行方案，有效解決了電阻硫化失效問題。

引言

　　片狀電阻已經(jīng)成為當(dāng)下電子電路最常用的貼裝元件之一，但是片狀電阻容易出現(xiàn)硫化失效，電阻失效對應(yīng)控制器已經(jīng)使用有一定時(shí)間， 電阻硫化失效后表現(xiàn)為阻值很大或開路，芯片口檢測電壓信號(hào)很小，無法精確判斷母線電壓實(shí)際大小，主板失效，最終將導(dǎo)致空調(diào)無法工作。對售后大量失效品深入分析研究及快速解決片狀電阻失效尤為重要，研究電阻失效原因及失效機(jī)理，采取有效改善預(yù)防措施，具有非常重要的意義。

1 片狀電阻失效原因及硫化失效產(chǎn)生原理

　　片狀電阻有三層電極結(jié)構(gòu)，面電極是銀電極，中間電極是鎳鍍層，外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬導(dǎo)電體，二次保護(hù)包裹層是非金屬不導(dǎo)電體，交界線區(qū)域電鍍層很薄或未形成導(dǎo)電層，從而產(chǎn)生空隙或是縫隙，特別是當(dāng)絲網(wǎng)印刷漏印二次保護(hù)層邊界不整齊，基體二次保護(hù)與電極鍍層之間交接處是最弱點(diǎn)，侵入過程如圖1所示，外界含硫腐蝕氣體通過二次保護(hù)層與電極之間的交界處滲透到面電極，與其化合使面電極的銀產(chǎn)生硫化生成化合物Ag₂S，由于Ag₂S(高阻率)導(dǎo)電率低使電阻失去導(dǎo)電能力失效。

1.1 片狀電阻值大及開路失效分析

1.1.1 器件外貌微觀

　　使用高倍放大鏡查看失效器件外觀，在端頭位置查看有黑色膠狀物質(zhì)，本文就此現(xiàn)象及電阻出現(xiàn)值大失效原因進(jìn)行了分析研究。

1.1.2 電鏡掃描分析

　　對阻值偏大或是開路失效品進(jìn)行電鏡掃描與能譜分析，分析結(jié)果顯示電阻本體與電極交界處有硫化物，即外觀看到的膠狀物質(zhì)。

1.1.3 硫化電阻能譜分析

　　經(jīng)過對電阻外觀進(jìn)行查看發(fā)現(xiàn)本體與電極結(jié)合處有黑色膠狀物質(zhì)，經(jīng)過對電阻進(jìn)行能譜分析，結(jié)果判定導(dǎo)致電阻失效物質(zhì)中均檢測出含有硫化成分，電阻是因?yàn)榱蚧?dǎo)致。其中，兩個(gè)失效品能譜圖及測試數(shù)據(jù)如圖2和圖3。

1.1.4 失效品DPA研磨分析

　　片狀電阻經(jīng)DPA金相分析確認(rèn)是硫化造成，做DPA金相研磨。

2 電路設(shè)計(jì)核查與對比分析

　　失效片狀電阻應(yīng)用于我司變頻空調(diào)外機(jī)主板上，內(nèi)機(jī)主板數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)沒有出現(xiàn)過電阻失效，R203電阻在該電路中起下拉分壓作用，用于檢測直流母線電壓大小，起過欠壓保護(hù)作用。電阻應(yīng)用電路原理圖如圖4所示。

　　同一電路不同機(jī)型實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及使用器件差異對比發(fā)現(xiàn)，除電阻尺寸不同外其他無差異，不同機(jī)型主板對應(yīng)R203位置使用電阻信息對比如表1所示，電阻功率選型設(shè)計(jì)均能滿足需求。

　　電阻尺寸差異影響電阻硫化失效概率，尺寸越大電阻硫化失效的概率越低，硫化失效持續(xù)時(shí)間越長，經(jīng)過試驗(yàn)證明結(jié)論是正確的。對風(fēng)華高科電阻進(jìn)行了硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，0603封裝尺寸電阻抗硫化能力較差。經(jīng)過65天的實(shí)驗(yàn)電阻硫化嚴(yán)重失效，0805卻沒有失效。

3 電阻硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

　　為研究片狀電阻在不同條件下的硫化失效情況，重點(diǎn)驗(yàn)證片狀電阻在受應(yīng)力彎曲及電阻有無密封的條件下硫化能力，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：取七組電阻，不同方式預(yù)處理后放入盛有硫磺粉的密封容器中，置于85度的環(huán)境下進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)，每周取出測試一次并記錄對應(yīng)的電阻值，電阻硫化失效測試數(shù)據(jù)匯總見表2。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果:涂覆硅膠的制品出現(xiàn)失效時(shí)，其它相同彎曲狀態(tài)下使用高溫膠紙密封及不密封處理的物料阻值依然正常。說明涂覆硅膠對于電阻起不到防硫化作用并且還有一定的加速電阻硫化效果。

　　在相同的情況下，彎曲變形量大的物料出現(xiàn)開路失效較不彎曲與彎曲變形量小的物料開路失效的數(shù)量多，說明當(dāng)電阻在受到較大彎曲應(yīng)力的情況下會(huì)增加端電極和二次保護(hù)包覆層之間存在縫隙，更易出現(xiàn)失效問題。

　　通過實(shí)驗(yàn)說明在物料的使用過程中需要避免其受到較大彎曲應(yīng)力的影響，同時(shí)現(xiàn)有變頻機(jī)型對片狀器件使用硅膠覆蓋的情況下對其防硫化起不到作用，反而加速器件硫化，需要尋找新型密封膠用以對板面器件形成更加有效的防護(hù)。