片式电阻的主要失效机理与失效模式.docx

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片式电阻的主要失效机理与失效模式

片式电阻的主要失效机理与失效模式

1．什么是片式电阻，片式电阻的概念。

片式电阻器又称为片式电阻，也叫表面贴装电阻，它与它片式元器件（SMC及SMD）一样，是适用于表面贴装技术（SMT）的新一代无引线或短引线微型电子元件。

其引出端的焊接面在同一平面上。

片式电阻在电路内的主要作用是降低电压，分担一部分电压即分压，限流保护电路，分流等，也可以用做时间电路元件和传感器等。

2.片式电阻的特性及分类。

表面组装的电阻器是表面组装元气件的组成之一，它属于无源元件，其作用主要供厚膜、薄膜电路作外贴元件用。

它一般按两种方式进行分类。

按特性与材料分类分为：

厚膜电阻、薄膜电阻。

按外形结构分类分为：

矩形片式电阻、圆柱片式电阻、异形电阻。

矩形片式电阻的结构如下图（a）：

（a）矩形片式电阻结构示意图

2.1矩形片式电阻结构介绍：

矩形片式电阻由基板、电阻膜、保护膜、电极四大部分组成。

基板：

基板材料一般使用96％的Al2O3（三氧化二铝）陶瓷。

基本应具体有良好的电绝缘性，在高温下具有良好的导热性、电性能和一定强度的机械性能。

电阻膜：

电阻膜是用具有一定电阻率的电阻浆料印刷在陶瓷基本上的，在经过烧结而形成厚膜电阻。

电阻浆料一般用RuO2（二氧化钉）。

近年来开始使用贱金属系的电阻浆料，比如氧化系（TaN-Ta）、碳化系（WC-W）和Cu系材料，目的是降低成本。

保护膜：

将保护膜覆盖在电阻膜上，保护膜的主要作用是保护电阻。

它一方面起机械保护作用，另一方面使电阻体表面具有绝缘性，避免电阻与邻近导体接触而产生故障。

保护膜一般是低熔点的玻璃浆料，进过印刷烧结而成。

电极：

电极是为了保证电阻器具有良好的可焊性和可靠性，一般采用三层电极结构：

内层电极、中间电极、外层电极。

内层电极作用：

连接电阻体的内部电极。

中间电极是镀镍层，其阻挡作用，提高电阻散热，缓冲焊接的热冲击。

外层电极是锡铅层，主要作用是使电极具有可焊性。

3片式电阻常见的失效模式与失效机理。

图

（1）线绕电阻失效总比例图

（2）非线绕电阻失效总比例

片式电阻的主要失效模式与失效机理为：

1）开路：

主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体受力发生断裂，引线帽与电阻体发生脱落。

2）阻值漂移超规范：

电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。

3）引线断裂：

电阻体焊接时发生工艺缺陷，焊点受到杂质的污染，引线受到机械应力的损伤。

4）短路：

发生银离子的迁移以及电晕放电。

3.1薄膜电阻常见的失效模式。

3.1.1概念：

薄膜电阻是一种应用领域比较广泛的通用电子元器件，其制造的过程一般是在陶瓷等基体材料上涂抹一层厚度均匀的导电膜层，然后在基体的两端上带有引线的帽盖，通过对导电膜层进行激光刻阻，使电阻达到所需要的电阻值。

如图（b）为片式电阻形状大小

（b）片式电阻形状大小

3.1.2失效机理分析

电阻器失效机理是多方面的，工作条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的原因。

（1）、导电材料的结构变化：

薄膜电阻的导电膜层一般用气相淀积方法获得，在一定程度上存在无定型结构。

按热力学的观点，无定型结构均具有结晶化的趋势。

在电阻工作的环境下，导电膜层中的无定型结构均会以一定的速度趋向结晶生长，也即导电材料内部结构趋于致密化，这常常会引起电阻的下降。

并且当温度升高时结晶化速度也会增加。

电阻线或电阻膜在制备过程中都会承受机械应力，使其内部结构发生变形，线径愈小或膜层愈薄，应力影响愈显著。

一般可采用退火等热处理方法消除残余的内应力，残余内的应力可能会在长时间使用过程中逐步消除，电阻器的阻值则可能因此发生变化。

结晶化过程和内应力清除过程均随时间推移而减缓，但不可能在电阻器使用期间终止。

可以认为在电阻器工作期内这两个过程以非常缓慢的速度进行。

与它们有关的阻值变化约占原阻值的千分之几。

电负荷高温老化：

任何情况，电负荷均会加速电阻器老化进程，并且电负荷对加速电阻器老化的作用比升高温度的加速老化后果更显著，原因是电阻体与引线帽的接触部分的温升超过了电阻体的平均温升。

通常温度每升高10℃，寿命缩短一半。

如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃，则电阻器的寿命仅为正常情况下寿命的1/32。

可通过不到四个月的加速寿命试验，即可考核电阻器在10年期间的工作稳定性。

直流电电解的作用：

在直流负荷作用下，电解作用会导致电阻器老化。

电解发生在刻槽电阻器槽内，当存在湿气时，会发生激烈的电解。

如果电阻膜是碳膜或金属膜，则主要是电解氧化；如果电阻膜是金属氧化膜，则主要是电解还原。

对于高阻薄膜电阻器，电解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一侧可能出现薄膜破坏现象。

在潮热环境下进行直流负荷试验，可全面考核电阻器基体材料与膜层的抗氧化或抗还原性能，以及保护层的防潮性能。

（2）、气体吸附与解吸：

膜式电阻器的电阻膜在晶粒边界上，或导电颗粒和黏结剂部分，非常有可能吸附少量的气体，它们构成了晶粒之间的中间层，阻碍了导电颗粒之间的接触，从而明显影响阻值，可以选用气密性良好的电阻。

合成膜电阻器是在常压下制成，在真空或低气压工作时，合成膜将解吸部分气体，这会改善到导电颗粒之间的接错，从而使阻值下降。

同样，在真空中制成的热分解碳膜电阻器直接在正常环境条件下工作时，将因气压升高而吸附部分气体，使阻值增大。

如果将未刻的半成品预置在常压下适当时间，则会提高电阻器成品的阻值稳定性。

温度和气压是影响气体吸附与解吸的主要环境因素。

对于物理吸附，降温可增加平衡吸附量，升温则反之。

由于气体吸附与解吸发生在电阻体的表面。

所以对膜式电阻器的影响较为显著。

阻值变化可达1%-2%。

（3）、氧化：

氧化是长期起作用的因素（与吸附不同），氧化过程是由电阻体表面开始，逐步向内部深入。

除了贵金属与合金薄膜电阻外，其他材料的电阻体均会受到空气中氧的影响。

氧化的结果是阻值增大。

电阻膜层愈薄，氧化影响就更明显。

防止氧化的根本措施是密封（金属、陶瓷、玻璃等无机材料）。

采用有机材料（塑料、树脂等）涂覆和灌封，不能完全防止保护层透湿或透气，虽能起到延缓氧化或吸附气体的作用，但也会带来与有机保护层有关的些新的老化因素。

（4）、有机保护层的影响：

有机保护层形成过程中，放出缩聚作用的挥发物或溶剂的蒸气。

热处理过程使部分挥发物扩散到电阻体中，引起阻值上升。

此过程虽可持续1~2年，但是显著影响阻值的时间约为2~8个月，为了保证成品的阻值稳定性，把产品在库房中搁置一段时间再出厂是比较适宜的。

（5）、机械损伤：

电阻的可靠很大程度上取决于电阻器的机械性能。

电阻体、引线帽和引出线等均应具有足够的机械强度，基体缺陷、引线帽损坏或引线断裂均可导致电阻器失效。

（6）、银电极硫化腐蚀导致开路，如下图（c）所示：

图（c）脱焊拆卸后的电阻器外观与X-ray透视发现电极处断开

3.1.3分析与改进途径

（1）、引线与帽盖虚焊脱落。

大多数的情况是由于焊接工艺和焊点的污染造成的，改进措施是调整工艺，也有情况是焊接材料造成的不过这种情况比较少。

（2）、帽盖脱落。

很多情况下，帽盖脱落是由于帽盖或瓷基体的加工精度造成的，通常加强供应商的审评标准是解决办法。

（3）、对于膜层的损伤，则需要对电阻体进行解剖后观察分析，如膜层的脱落，烧毁，划伤以及刻槽纹的质量等。

一般情况下，电阻膜层的脱落是由于碱金属离子的侵蚀造成了金属的电迁移，这样导致了电阻膜层的粘附力下降，在显微镜下可以观察到膜层的脱落状况，当膜层出现大片脱落是会造成电阻的开路，当膜层出现小块脱落就会造成电阻值超出规定范围，并且出现误差。

电阻膜的烧毁则是由于负载电荷过大，过电应力给电阻膜造成了损伤，可以在显微镜下观察到这种损伤并且辨别损伤的程度。

解决这类问题一般是从瓷基体的清洗入手，包括电阻膜的成膜，刻槽等工艺，加强对制造工艺的控制。

减少对加工过程中给电阻膜造成人为的损伤，对于过电应力造成的损伤，还应该考虑电阻现场的使用情况。

3.2厚膜电阻常见的失效模式。

3.2.1厚膜电阻的失效机理分析

厚膜电阻的失效的原因大多数是由于有电阻参数的过渡漂移和电阻参数不稳定与不确定性造成的。

如（d）图所示为厚膜电阻结构示意图，这类失效经常是由以下原因造成的：

图（d）厚膜电阻结构示意

（1）、组成电容器的金属化学组份的变化。

在对钯--银电阻进行温度/耐湿和真空试验中。

温度试验中阻值增加主要是由于金属钯离子和银离子被空气中的氧元素氧化，在具有高度湿气的环境下则主要是由于银离子的还原以及生成PdAg固溶体。

真空试验中的电阻老化变化主要是膜内部的组成变化，其次原因是由于物理和化学吸附的影响。

另外，电阻材料中离子迁移会造成组成电阻材料的金属化学成分发生变化从而导致电阻参数变化。

（2）、化学反应的影响。

主要是助焊剂、吸附气体、粘合剂、溶剂和包封材料的化学成分与厚膜电阻器材料发生了化学反应导致电阻的变化。

（3）、应力影响。

电阻内应力消失、电阻膜与其保护玻璃釉膜界面上应力消失、灌注树脂硬化时热膨胀以及收缩而产生的机械应力等，都会引起电阻表面发生开裂。

（4）、工艺控制与生产过程的影响。

有杂质残渣例如：

喷砂微调粉末散布到电阻器表面上。

电阻膜与导带端头定位精度不准或者定位未对准、过分的校正微调、导带扩散进电阻膜面而造成热点等都会影响电阻的稳定性。

在高压特别是高压脉冲情况下，大多数厚膜电阻将产生很大的电阻值变化，这种现象叫厚膜电阻器的电压漂移，这种现象是由于以下因素造成的：

1.在金属导体和玻璃之间以及金属导体颗粒之间都存在着不完全的浸润。

2.厚膜电阻可用等效网络表示，在等效网络中，电阻和电容以串联或并联的形式不规则的混联。

若以高于玻璃相击穿电压施加于电阻上，则会导致玻璃相被电击穿，使电阻导电链数发生变化从而引起阻值变化。

（5）、常用的钯和银电阻器在氢气环境下中参数不稳定。

在制造和使用厚膜混合集成电路的过程中，钯—银电阻器在许多场合要遇到氢：

比如在含氢气气氛中键合半导体器件或在含氢或胺的密封封装（如环氧树脂/粘合剂/溶剂/焊剂等）内，电阻器均可遇到氢或放氢产物。

另外，电阻器可能应用在一个封闭的电子系统内，其中由于干电池/潮气与金属反应，制冷剂/湿芯式电容器的渗漏或塑料过热的热分解等均可产生氢。

为了克服氢对钯—银电阻器的影响，目前已经使用无氢化合物催化剂的包封材料或者在电阻器上涂一层玻璃釉加以保护。

3.2.2厚膜导带的失效

（1）、由于印刷导体之前基片清洗不当，在基片表面残留有机材料或烧结周期不正常将造成厚膜导带附着力不良。

（2）、在锡焊操作中，厚膜导带材料溶解在焊料中以及形成金---铅---锡金属间化合物可能使键合强度严重下降。

（3）、在组装外贴元件/引出线或管座时，或在使用中由于组装不合理或使用不当也可能造成键合失效。

（4）、导带氧化/烧结不当/烧结引起玻璃釉堆集或导带层烧结之后的其它烧结引起的恶化都将造成厚膜导带可焊性不良，形成不良键合。

（5）、含银厚膜导带容易发生银离子迁移，在环境潮湿和外加电场时，银离子通过潮气层迁移，造成间断短路。

银还容易被一般焊料浸析，溶于锡。

3.2.3基片的失效

基片失效模式主要是开裂造成的突变失效。

基片的开裂可能是由下列因素造成：

（1）、如锡焊操作带来的热冲击。

（2）、基片与封装之间键合不正常。

（3）、基片与封装材料和粘合剂或包封之间热膨胀系数失配，除此之外在清洗过程中，当未从基片表面清除全部有机材料时可能会造成厚膜材料对基片的粘接不良。

这就可能造成不牢的键合区和由于连接外贴元件/引出线时因键合脱开而造成失效。

3.3分析与改进途径

（1）、对于组成电容器的金属化学组份的变化。

可以在真空环境下防止金属钯离子和银离子被空气中的氧元素氧化，保持环境的干燥有利于防止银离子的还原以及生成PdAg固溶体从而导致电阻值的增加。

对于膜内部的物理与化学吸附，必须考虑控制工艺精度。

另外，电阻材料中离子迁移会造成组成电阻材料的金属化学成分发生变化从而导致电阻参数变化。

可以在二种电阻材料之间加一层保护膜防止电阻材料的迁移。

（2）、对于化学反应导致电阻值的影响。

可以选用几种相互之间不容易发生化学反应的材料。

（3）、对于热应力引起电阻表面发生开裂。

可以严格控制工艺参数并且在选择电阻表面材料时考虑使用二种热膨胀系数相一致的材料，这样在受热发生膨胀时，二者热膨胀程度一致避免出现因为热膨胀程度不一致产生的热应力。

从而导致电阻表面发生开裂。

（4）、工艺控制与生产过程的影响。

有杂质残渣例如：

喷砂微调粉末散布到电阻器表面上。

电阻膜与导带端头定位精度不准或者定位未对准、过分的校正微调、导带扩散进电阻膜面而造成热点等都会影响电阻的稳定性。

可以严格控制工艺避免生产过程中一些杂质的影响。

（5）、在高压特别是高压脉冲情况下，大多数厚膜电阻将产生很大的电阻值变化，这种现象叫厚膜电阻器的电压漂移。

防止措施：

1.尽量使在金属导体和玻璃之间以及金属导体颗粒之间完全浸润。

2.防止厚膜电阻的玻璃相被电击穿，避免使用过高电压，避免电阻导电链数发生变化从而引起阻值变化。

（6）、常用的钯和银电阻器在氢气环境下中参数不稳定。

尽量选择包封质量好的电阻，当有湿气进入时有可能会导致电阻下降，加速电阻在电流作用下的电解腐蚀，造成产品开路。

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