貼片電阻典型失效案例分析

曹耀龍，高東陽,2，裴選,2，席善斌,2

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051； 2.國家半導體器件質量檢驗檢測中心，石家莊 050051）

引言

貼片電阻等片式元件作為電子電路中的基礎元件，因SMT技術的發展廣泛應用在各類型電子產品中。貼片電阻優點眾多：體積小、重量輕、組裝密度高、易標準化裝配、成本低等，但是在實際應用中常出現很多問題，例如陶瓷基片脆容易出現裂紋、燒結空洞多引起耐壓降低和焊接不良等問題[1]。本文簡單介紹了貼片電阻的結構和典型失效模式，并用實際案例展示了貼片電阻失效的具體表現，供相關人員借鑒。

1 貼片電阻結構和主要失效模式

貼片電阻內部結構[2]如圖1所示，一般由陶瓷基片、電阻膜、玻璃釉保護層和端電極組成[3]。

圖1 貼片電阻內部結構示意圖

貼片電阻端電極一般分為三層：①端電極外層，一般為電鍍錫（Sn），保證良好的焊接；②中間電極阻擋層，一般為電鍍鎳（Ni），它起到隔離作用，能有效防止在焊接期間發生“錫吃銀”；③端電極內層，端電極內層一般分為面電極、側電極和背電極，面電極主要成分為銀（Ag）或銀鈀（Ag/Pd）漿料，高溫燒結而成，與陶瓷基板及電阻膜有良好的結合力和優良的導電性能[3]。側電極一般是真空濺射鎳鉻（Ni/Cr）合金。背電極一般為銀（Ag）漿料。電阻膜大多應用釕系漿料，例如二氧化釕漿料、釕酸鹽漿料等等[4]。

玻璃釉保護層主要是為了保護電阻膜，一是起到機械保護作用，并在電鍍中間電極阻擋層過程中，防止電鍍液對電阻膜侵蝕導致阻性變化；二是起到絕緣作用，防止電阻膜與周圍導體接觸而產生阻值變化。

貼片電阻的失效模式一般有開路、短路和阻值漂移等[5]。

貼片電阻開路的失效機理一般為陶瓷基片斷裂、電阻膜裂開、電極脫落、電極斷開、使用不當等。陶瓷基片斷裂一般是因機械損傷所致，電阻在焊接、安裝或轉運過程中受到不當的機械應力作用，再加上電應力、溫度應力等環境應力的綜合作用，導致基片產生裂紋甚至斷裂；電阻膜裂開的主要原因是電阻膜遭受了過電應力而過熱，膜層中間部位散熱較差熱量集中，超過了膜層承受極限至燒毀裂開；電極脫落、斷開一般是由電極與陶瓷基片結合差、電極耐焊接性差或焊接時受到機械應力或熱應力過大等引起。

貼片電阻阻值漂移失效是指在調試、使用過程中出現阻值超差、阻值跳變或溫度特性超差等現象[6]。阻值漂移的失效機理一般為電阻膜厚度不均勻或有疵點、膜層與電極接觸不良等。電阻膜不均勻或有疵點一般可通過工藝與原材料控制、成品篩選和環境應力篩選等方法剔除阻值漂移的產品；中間電極阻擋層的厚度不足或玻璃釉保護層厚度不足，焊接過程中，鉛錫焊料與內電極漿料熔融，或使用時發生銀遷移及硫化反應，內電極出現空洞，導致阻值漂移甚至開路。

貼片電阻短路失效機理一般為電暈放電[5]、金屬遷移等。貼片電阻金屬遷移一般是指銀遷移，在電場及保護層與電極鍍層交接處滲透進的水汽綜合作用下，銀離子從高電位向低電位遷移，形成絮狀或枝狀蔓延，在高低電位邊界形成黑色氧化銀，高導電率氧化銀使面電極間本體連接[7]，從而出現阻值變小甚至短路。

2 典型失效案例分析

2.1 失效案例一

失效模式：開路。

失效背景：分析電阻一隨產品交付用戶使用3年，產品電路異常，經排查定位于該貼片電阻，表現為阻值變大，從PCB上拆下后，使用萬用表測量阻值，呈開路特性。

對失效電阻一的分析過程如下所述。

2.1.1 外觀檢查

用體視顯微鏡進行外觀檢查，玻璃釉保護層、陶瓷基片未見明顯裂紋等異常形貌。面電極缺失，露出陶瓷基體，如圖2所示。

2.1.2 阻值測試

利用數字萬用表對電阻端電極不同位置間阻值進行測試，測試位置如圖2中數字標識，結果見表1。R12正常，表明電阻膜無異常，R23和R13開路是由于位置2和3間面電極缺失、不連續造成的。

表1 失效案例一阻值測試結果

圖2 失效案例一外觀形貌

失效原因：經分析，認為該貼片電阻面電極存在微缺陷，在焊接過程中，銀層熔于焊料，形成局部空洞，形成“錫吃銀”現象，在后續使用過程中，空洞逐步擴大，電阻阻值逐步增大，最終導致電極脫落，電阻開路。

2.2 失效案例二

失效模式：開路。

失效背景：分析電阻二在調試過程中失效。

對失效電阻二的分析過程如下所述。

2.2.1 外觀檢查

對貼片電阻在板形貌進行外觀檢查，焊錫表面有明顯空洞（如圖3（a）所示）。去除焊錫后，端電極與焊盤有明顯分離（如圖3（b）所示）。

圖3 失效案例二在板外觀形貌

將失效貼片電阻從PCB上解焊后，對其形貌進行觀察，發現：失效電阻正面玻璃釉保護層和陶瓷基片部分缺失（如圖4（a）所示）；背面端電極部分不完整，部分缺失（如圖4（b）所示）；側面端電極明顯斷開（如圖4（c）所示）。

圖4 失效案例二解焊后外觀形貌

2.2.2 阻值測試

利用數字萬用表對電阻端電極不同位置間阻值進行測試，測試位置如圖4中數字標識，結果見表2。R12正常，表明電阻膜無異常，R34開路是由于位置3和4間側面端電極缺失、不連續造成的。

表2 失效案例二 阻值測試結果

2.2.3 能譜分析

分別對失效貼片電阻側面端電極不連續處、圖4（c）中位置4和背面端電極進行能譜分析，結果如圖5所示。

圖5 能譜分析結果

失效電阻側面端電極不連續處主要成分為O、Al、C、Si、Ag，為端電極金屬脫落露出的陶瓷基片；位置4處主要成分為O、Ni、Al、C、Cr，為端電極外層電鍍錫脫落而露出的阻擋層（Ni/Cr）；背面端電極成分為Ag、C、O，露出端電極內層金屬（Ag）。上述能譜分析結果中，Na和Cl元素應為人體沾污所致。

失效原因：電阻端電極缺失，缺失處未見明顯異常元素，在板時焊錫可見明顯空洞，且端電極與焊盤明顯分離，經分析，認為該貼片電阻開路失效原因應為在焊接過程中，對端電極造成了損傷，導致端電極外層甚至部分內層電極脫落。

2.3 失效案例三

失效模式：阻值漂移。

失效背景：失效電阻三隨產品所在整機進行溫度循環、振動、熱真空、高溫老煉等試驗后，性能異常，經逐級排查，定位于該電阻。拆卸后，測試阻值約500 Ω（正常應為10 Ω），阻值漂移失效。

對失效電阻三的分析過程如下所述。

2.3.1 外觀檢查

對失效貼片電阻外觀進行檢查，端電極完整有焊料殘留，瓷體未見明顯分層、裂紋等異常，正面玻璃釉保護層有明顯裂紋、鼓包和燒蝕坑（如圖6（a）所示）。燒蝕坑內可見明顯金屬色澤熔融物（如圖6（b）所示）。

圖6 失效案例三外觀形貌

2.3.2 X射線檢查

對失效貼片電阻進行X射線檢查，結果如圖7所示，電阻膜可見明顯缺損，表面玻璃釉保護層存在明顯鼓起，與外觀檢查結果一致。

圖7 X射線照片

分析原因：大電流通過貼片電阻時，電阻膜會產生大量熱，因體積小其散熱面積也非常小，電阻膜中心部位熱量最難及時散出，相對容易燒毀，出現熔坑。因此，推斷失效貼片電阻在試驗過程中遭受了過電應力，導致電阻膜中心部位燒毀熔融，電阻增大。

3 結語

針對貼片電阻，簡單介紹了結構和常見的失效模式，通過三個失效案例的具體分析過程，為貼片電阻的可靠性提高提供支撐。貼片電阻焊接過程中，盡可能使用表面安裝工藝，減少手工焊接過程對其造成的影響。在使用過程中，根據需求，選擇功率、耐壓、散熱等相匹配的型號，減少使用過程中的失效隱患，揚長避短，更好發揮貼片電阻優勢，保證可靠性。