近（jìn）幾年，隨著（zhe）電（diàn）子元器件（jiàn）的需求量日益增大（dà），很多廠家在電子元（yuán）器（qì）件的生產過程中發現電阻器失效（xiào）導致設備故障的比（bǐ）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（yì）及結構的特點，在電（diàn）阻研發的當中因環境溫濕（shī）度（dù）導致阻值（zhí）漂移甚（shèn）至開路的案例越來（lái）越（yuè）多，厘清失效原（yuán）因及機理（lǐ），已成為迫切需要研究的課題。而（ér）傳統的40℃、90%RH和85℃、85%RH的溫/濕度偏壓試驗方法（THB）需（xū）要花上千小時，已（yǐ）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（bǎo）和（hé）水蒸氣及勵環境下其（qí）耐高濕（shī）能力的試驗。HAST高壓加速老化試驗箱是使用在（zài）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（huò）外部材料和（hé）導（dǎo）體之間通過加速水分滲透的作用（yòng）進（jìn）行（háng）試驗（yàn），目前在微電路及半導體分析（xī）中已得到廣泛的應用。
    本（běn）文將 HAST高壓加（jiā）速老化試驗箱應用於電阻失（shī）效（xiào）機理的研（yán）究和耐濕（shī）熱性能的評估中，展示了HAST高壓加速老（lǎo）化試驗箱在電阻失效分（fèn）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（pǐn）質的改善與（yǔ）提升具有一定的指導意義。
    分析背景

    某產品客戶端失效，經測試發現為電阻開路（lù）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（shí）體顯微鏡對電阻（zǔ）保護層進（jìn）行外觀觀察，如圖1紅色框起（qǐ）處，A-NG陶（táo）瓷基體（tǐ）外露，保護層未覆蓋（gài）至邊緣。再用SEM（Hitachi S-3400N）對A-NG、A-OK邊緣保護層形貌（mào）進行放大觀察，如圖1a、1b所示，A-NG保護層（céng）邊緣疏鬆粗糙。

    去除保護層

    先用有機溶劑去除電阻保護層，再用（yòng）金相顯微鏡進行觀察。如圖2a黃框（kuàng）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（shī）效的原（yuán）因為金屬膜缺失所致。如圖（tú）2b所示，A-OK金屬膜完（wán）整，未見明顯異常。

    原因探討
    電阻是（shì）導體的一種基本性質，與導（dǎo）體（tǐ）的材（cái）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，其中L、S分別表示導（dǎo）體的長度和截麵積；ρ表示導體的電阻率，對（duì）某一電阻器而言，L、ρ是已經（jīng）確定的，阻值隨著S的變（biàn）化（huà）而改變。金屬（shǔ）膜缺失使電阻（zǔ）S變小，從而導致電阻（zǔ）阻值偏大或開（kāi）路。
    金屬膜缺失原因主（zhǔ）要有：
    （1）使用過程中過電（diàn）應力致使金（jīn）屬膜熔損。
    （2）因濕熱、環境或（huò）電流（電壓）等（děng）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（yán）究
    為進一步厘清失效（xiào）真因和機理，模擬不同條件下的失（shī）效現象，論（lùn）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（cè）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（sù）壽命試驗箱（xiāng）（Hirayama PC-422R8D）進行測試，測試條件：溫度（dù）130℃、濕度85%RH、真（zhēn）空度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（gāo）濕、偏壓的加速因子下，保護層與金屬膜對（duì）濕氣腐蝕抵抗的能力，並可縮（suō）短器（qì）件的壽命試驗時間（jiān）。

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

    圖3為試驗不良品去除保護層圖片，如圖3a、3b所示（shì），EOS試驗不良品金屬膜均有不同（tóng）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（lù），此現象（xiàng）與A-NG金屬膜缺（quē）失現象不同。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（xiào）現象一致，失效機理為電阻在高溫、高濕、直流負荷的作用下發生電蝕。

    電蝕失效主要以薄膜電阻為主，常見的失效機理有2種：

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

    （2）保護層有外（wài）傷或覆蓋不好，雜質和水汽進入導致（zhì）電蝕。

    為進一步研究失效機理，尋求改（gǎi）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（yuán）材（cái）進行結構分析與比對。圖4為（wéi）電阻的結構圖，電阻的金屬（shǔ）膜是以Ni-Cr合金濺鍍沉積而成的薄膜，基（jī）板（bǎn）為氧化鋁，保護層材料為環氧樹脂（zhī）。

    雜質汙染（rǎn）檢測

    當陶瓷基體及金屬膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質時，電解作用加快（kuài），阻值迅速增（zēng）加，失（shī）效速度加快。為驗證A-NG金屬膜表麵（miàn）有無雜質汙染，對去除保護層後的金屬膜進行EDX（HORIBA EX-250）成分分析（xī），如圖5a、5b分別為缺（quē）失膜與正常膜區域的元（yuán）素（sù）檢測結果，後者可見金屬膜Ni、Cr元素，未發現K+、Na+、Ca2+、Cl-等（děng）雜質元素，排除金屬膜表麵雜質汙染導致電（diàn）蝕的猜測。

    電阻保護層剖析（xī）
    保護層外觀形（xíng）貌觀察

    用SEM對A-原材、B-原材保護層形貌進行觀察，如圖（tú）6a紅（hóng）色箭頭所示，A-原材保護層表麵有大量孔洞。如圖6b所示，B-原（yuán）材保護層表麵均勻致密。

    電阻保護層表麵結構觀察

    金屬膜缺（quē）失位於邊緣位置，對電阻去除正麵端電極後觀察其邊緣結構。如圖7a紅色（sè）框所示，A-原材邊緣陶瓷基材外露。比對可知（zhī）：A-原材、B-原材保護層（céng）邊緣結構設計不同，後者邊緣保護更充（chōng）分（fèn）。

    電阻保護層內部結構觀察

    對電阻（zǔ）進行微切片（piàn）製樣，用（yòng）SEM觀察保護層內部（bù）微觀結構，再進行EDS成（chéng）分分析。如圖8a，A-原材保護層中間（jiān）與兩端厚度差異明顯，中間局（jú）部可達62.64um，兩端厚度在10.58um~19.19um之間，內部填充物（wù）顆粒粗大，其主要成份為C、O、Mg、Si。如（rú）圖8b，B-原材保護層（céng）相（xiàng）對較薄，中（zhōng）間與兩端無明顯差異，厚度約為32.75um，可見不（bú）同組分的兩層（céng）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。比對可知：A-原材保（bǎo）護層邊緣（yuán）薄，且填充顆粒（lì）粗大，水汽易（yì）侵入，與失效發生在邊緣位（wèi）置的現象相符（fú）。B-原材保護層結構致密，且兩層結構可更好的保護金屬膜（mó）免（miǎn）遭濕氣的侵入。

    電（diàn）阻HAST能力比對

    選取A-原（yuán）材、B-原材各10pcs進行HAST試驗，比（bǐ）對不同廠（chǎng）商電阻耐濕（shī）熱能力。把電阻焊接在測試板上，然後插入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（shì）結果表明，A-原材耐濕熱能力差（chà），其結（jié）果（guǒ）與保（bǎo）護層比對結果相對應。A-原材保護層存在孔洞及邊緣保（bǎo）護不到位等（děng）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（yòng）下發生電蝕，從而導致阻值漂移（yí）或（huò）開（kāi）路（lù）。
    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，並通過（guò）不同廠家（jiā）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（yǔ）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（hé）的作用下發生電蝕。
    3） 對（duì）A-NG缺失膜與正常膜區域成（chéng）份進行檢測，未發現K+、Na+、Ca2+、Cl-等雜質（zhì）元素，排除（chú）金屬膜表麵雜質（zhì）汙（wū）染導致電蝕的猜（cāi）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（zǔ）耐濕熱能力，進一步印證以上（shàng）結論。為有效的提高電阻的耐濕熱性能，建議從電阻（zǔ）保護層的工藝、厚度以及材質方麵加以改善（shàn）：a.選擇填充顆粒細小的材（cái）料，減少濕氣進入通道；b.調整保（bǎo）護層的厚度，使中間與邊緣厚度相對均勻；c.使用（yòng）耐（nài）濕熱的保護材料。

文章來（lái）源（yuán）：江蘇（sū）中達電子