片狀電阻硫化失效機理及應用可靠性研究

2020-11-29 電子產品世界

編者按：空調控制器主板在售後使用1-3年後出現的報PL故障，經過失效品分析及大量數據統計，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，電阻表現為值大、開路失效，通過對售後返回大量的電阻失效分析和電阻硫化實驗驗證，採用掃描電鏡、能譜分析等手段研究了厚膜片式電阻器的硫化現象和失效機理。分析研究結果顯示，片狀電阻端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物通過灌封矽膠吸附進入到片狀電阻內電極，導致內電極塗覆銀層的銀被硫化，生成電導率低的硫化銀，使電阻的阻值變大甚至呈現開路狀態。經大量的方案

作者 崔斌 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/361126.htm

摘要：空調控制器主板在售後使用1-3年後出現的報PL故障，經過失效品分析及大量數據統計，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，電阻表現為值大、開路失效，通過對售後返回大量的電阻失效分析和電阻硫化實驗驗證，採用掃描電鏡、能譜分析等手段研究了厚膜片式電阻器的硫化現象和失效機理。分析研究結果顯示，片狀電阻端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物通過灌封矽膠吸附進入到片狀電阻內電極，導致內電極塗覆銀層的銀被硫化，生成電導率低的硫化銀，使電阻的阻值變大甚至呈現開路狀態。經大量的方案分析驗證最終確定從器件本身提高器件的應用可靠性的可行方案，有效解決了電阻硫化失效問題。

引言

　　片狀電阻已經成為當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硫化失效，電阻失效對應控制器已經使用有一定時間， 電阻硫化失效後表現為阻值很大或開路，晶片口檢測電壓信號很小，無法精確判斷母線電壓實際大小，主板失效，最終將導致空調無法工作。對售後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理，採取有效改善預防措施，具有非常重要的意義。

1 片狀電阻失效原因及硫化失效產生原理

　　片狀電阻有三層電極結構，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電體，二次保護包裹層是非金屬不導電體，交界線區域電鍍層很薄或未形成導電層，從而產生空隙或是縫隙，特別是當絲網印刷漏印二次保護層邊界不整齊，基體二次保護與電極鍍層之間交接處是最弱點，侵入過程如圖1所示，外界含硫腐蝕氣體通過二次保護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生硫化生成化合物Ag2S，由於Ag2S(高阻率)導電率低使電阻失去導電能力失效。

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，本文就此現象及電阻出現值大失效原因進行了分析研究。

1.1.2 電鏡掃描分析

　　對阻值偏大或是開路失效品進行電鏡掃描與能譜分析，分析結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。

1.1.3 硫化電阻能譜分析

　　經過對電阻外觀進行查看發現本體與電極結合處有黑色膠狀物質，經過對電阻進行能譜分析，結果判定導致電阻失效物質中均檢測出含有硫化成分，電阻是因為硫化失效導致。其中，兩個失效品能譜圖及測試數據如圖2和圖3。

1.1.4 失效品DPA研磨分析

　　片狀電阻經DPA金相分析確認是硫化造成，做DPA金相研磨。

2 電路設計核查與對比分析

　　失效片狀電阻應用於我司變頻空調外機主板上，內機主板數據統計沒有出現過電阻失效，R203電阻在該電路中起下拉分壓作用，用於檢測直流母線電壓大小，起過欠壓保護作用。電阻應用電路原理圖如圖4所示。

　　同一電路不同機型實際應用電路設計結構及使用器件差異對比發現，除電阻尺寸不同外其他無差異，不同機型主板對應R203位置使用電阻信息對比如表1所示，電阻功率選型設計均能滿足需求。

　　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，硫化失效持續時間越長，經過試驗證明結論是正確的。對風華高科電阻進行了硫化實驗驗證，0603封裝尺寸電阻抗硫化能力較差。經過65天的實驗電阻硫化嚴重失效，0805卻沒有失效。

3 電阻硫化實驗驗證分析

　　為研究片狀電阻在不同條件下的硫化失效情況，重點驗證片狀電阻在受應力彎曲及電阻有無密封的條件下硫化能力，設計如下實驗：取七組電阻，不同方式預處理後放入盛有硫磺粉的密封容器中，置於85度的環境下進行長期實驗，每周取出測試一次並記錄對應的電阻值，電阻硫化失效測試數據匯總見表2。

　　實驗結果:塗覆矽膠的製品出現失效時，其它相同彎曲狀態下使用高溫膠紙密封及不密封處理的物料阻值依然正常。說明塗覆矽膠對於電阻起不到防硫化作用並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開路失效較不彎曲與彎曲變形量小的物料開路失效的數量多，說明當電阻在受到較大彎曲應力的情況下會增加端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙，更易出現失效問題。

　　通過實驗說明在物料的使用過程中需要避免其受到較大彎曲應力的影響，同時現有變頻機型對片狀器件使用矽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。

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