片狀電阻失效的案例及分析方法

馮勇雄 王小龍

【關(guān)鍵詞】片狀電阻 失效 硫化 銀離子遷移 過載

1. 引言

片狀電阻（ChipResistor）又稱為貼片片阻，是多種類型電阻里面非常重要的一種，具有價格便宜、生產(chǎn)效率高、使用量大等優(yōu)點(diǎn)而被家電、儀器等電子產(chǎn)品所選用。

片狀電阻底層是陶瓷載體，表面形成電阻體的大致可分為4個部分：

保護(hù)膜——用于保護(hù)電阻不受外界因素破壞;

電阻膜——是構(gòu)成電阻的最主要部分，不同材料、厚度、寬度的電阻膜能構(gòu)成不同阻抗的電阻;

端頭電極——成分是錫，用于PCB 上的焊接;

銀電極——使用銀電極介于電阻膜和端頭電極之間做連接。

2. 問題背景

某公司家用空調(diào)產(chǎn)品在客戶處使用時報故障，初步的檢查發(fā)現(xiàn)是電路板故障;更換并返回電路板后仔細(xì)對電路板上面的每一個電子元器件檢查發(fā)現(xiàn)有片狀電阻失效，片狀電阻失效的現(xiàn)象有電阻值偏大、偏小或者完全開路、短路。

對該問題持續(xù)跟蹤，發(fā)現(xiàn)多年來每年因?yàn)槠瑺铍娮枋Ф鴮?dǎo)致電路板故障進(jìn)一步造成空調(diào)整機(jī)無法工作的保修有上千單，故需要對片狀電阻進(jìn)行失效分析和質(zhì)量改進(jìn)，進(jìn)一步提供家電產(chǎn)品質(zhì)量。

3. 片狀電阻失效現(xiàn)象及分析方法

片狀電阻的失效分析遵循常規(guī)的電子器件失效分析方法和流程，即先進(jìn)行外觀檢查，然后做先電性能檢測，再進(jìn)一步做非破壞性分析，若仍未發(fā)現(xiàn)失效原因則必須對樣品進(jìn)行破壞性分析，在必要的情況下需要對電阻進(jìn)行成分檢測，以確定材料物質(zhì)成分是否發(fā)生了物理和化學(xué)變化，從而進(jìn)一步確定具體的失效機(jī)理。

對片狀電阻做失效分析需要使用的儀器為顯微鏡、X-ray檢測儀、電子顯微鏡（SEM 和EDX）和金相研磨設(shè)備。

案例1：硫化引起片狀電阻值偏大和開路失效

在某一次的售后空調(diào)零部件復(fù)核中，筆者發(fā)現(xiàn)了較大數(shù)量的片狀電阻失效，這部分失效電阻及所在的電路板基本都使用了3 年以上，片狀電阻的失效現(xiàn)象表現(xiàn)為電阻值偏大遠(yuǎn)超過其額定阻值，有部分電阻甚至出現(xiàn)完全開路。如下圖2的1KΩ、100Ω 電阻，經(jīng)測定其電阻值均已大于10KΩ，表現(xiàn)為不合格且已導(dǎo)致所在電路無法正常工作。

顯微鏡下仔細(xì)對片狀電阻失效樣品觀察：這兩個電阻的保護(hù)層與端頭電極均“生長”出黑色點(diǎn)狀物質(zhì)，對該部分物質(zhì)在掃描電子顯微鏡做成分測試，得到如下結(jié)果：

在成分測試中發(fā)現(xiàn)了電阻本不應(yīng)該有的硫元素S，其次Ag 的含量很高。分析判斷電阻內(nèi)部的銀電極出現(xiàn)被硫化的現(xiàn)象[1]，查詢相關(guān)資料得知Ag 可以與硫化氣體發(fā)生化學(xué)發(fā)生，生成了Ag2S（ 黑色物質(zhì)，不導(dǎo)電），化學(xué)反應(yīng)式如下：

結(jié)合片狀電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料，分析是空氣中硫化氣體的濃度過高，與電阻內(nèi)部的Ag 電極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成黑色不導(dǎo)電的Ag2S， 電阻內(nèi)部的Ag 電極缺損造成電阻值偏大直到完全開路。關(guān)于硫化氣體的來源：

首先可能是使用環(huán)境附近含有燃煤工廠等，燃燒釋放出來導(dǎo)致大氣中的硫化氣體比正常的偏高，在這個環(huán)境下的電阻（電路板）會比其他環(huán)境的更容易失效;

其次可能是電阻（電路板）所在的整機(jī)使用到的材料含硫，例如密封用的橡膠會釋放出SO2，對片狀電阻（電路板）有害;

再次電路板若使用到硅膠做三防漆，雖有三防作用，但硅膠是三種吸附劑（硅膠、活性氧化鋁、活性炭）之一，為多孔性材料本身存在極性，會吸附環(huán)境中的活性分子比如H2O、H2S 等[2]，使得硫化化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行，反而加速了片狀電阻的硫化失效。

案例2：Ag 離子遷移引起的電阻值小及短路

筆者在一次售后直流電機(jī)故障品分析中，發(fā)現(xiàn)某個位置的片狀電阻因?yàn)殡娮柚灯〉默F(xiàn)象很集中。如下圖4 中的220KΩ 片狀電阻，電性能測試到其阻值不到1K，而將樣品從電路板上拆卸下來時，電阻樣品表面的保護(hù)層均出現(xiàn)了破損現(xiàn)象，這是以前從沒碰到過的現(xiàn)象。

初步分析片狀電阻保護(hù)膜破損是引起電阻失效的重要原因，未能保護(hù)電阻膜及兩端的Ag 電極避免水汽入侵，而Ag電極在水汽作用下很容易生產(chǎn)Ag+，在電壓作用下Ag+ 會向陰極遷移并沉淀造成生長晶枝，最后形成短路通道[3]。

對不良品進(jìn)行成分檢測，如下圖5：

片狀電阻的Ag 材料在兩端，正常情況下片狀電阻中央位置是沒有Ag 的，不良片狀電阻中央位置進(jìn)行電子顯微鏡的能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該位置有含有Ag，證實(shí)了上面分析的片狀電阻內(nèi)部Ag 電極出現(xiàn)銀離子遷移短路的推論。

電阻保護(hù)膜附著不良，出現(xiàn)破損未能阻止水汽入侵是重要原因，其次保護(hù)膜與電阻膜之間出現(xiàn)空隙，給Ag 離子遷移產(chǎn)生了空間;

其次，該直流電機(jī)保護(hù)板使用了硅膠作為三防漆，結(jié)果是吸合水汽加速電阻失效。

上述案例1、2 中的片狀電阻問題，多為電阻/ 電路板使用了兩年以上才表現(xiàn)出來，涉及到電子產(chǎn)品的長期可靠性，筆者強(qiáng)烈建議片狀電阻改選用抗硫化電阻，三防漆絕對避免使用硅膠。

案例3：施加的電壓/ 電流超過電阻額定值而引起的過載開路失效

某檢測部門送來100Ω 片狀電阻失效樣品，其表示在測試過程中發(fā)現(xiàn)電路板失效排查發(fā)現(xiàn)是該電阻出現(xiàn)異常，要求分析電阻失效的原因。

對電阻測試發(fā)現(xiàn)其阻值為偏大到10K 以上，外觀檢查發(fā)現(xiàn)電阻表面絲印的“0”位置有發(fā)黃痕跡，X-ray 檢查發(fā)現(xiàn)電阻內(nèi)部的電阻膜在激光調(diào)阻缺口位置下方出現(xiàn)裂紋，如圖6所示

分析屬于短時間的過電壓/ 電流燒損，原因?yàn)檎麄€電阻膜中激光調(diào)阻缺口下方橫截面最小，通過電流能力最小最容易燒損;電阻膜裂紋位置剛好對應(yīng)絲印的“0”位置，局部高溫發(fā)熱時可造成絲印發(fā)黃。

取同型號片狀電阻樣品進(jìn)行10 倍的額定電壓過載試驗(yàn)，只需要數(shù)秒時間即可復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，電阻值為開路;如下圖7 試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)的樣品外觀圖，比反饋的要燒損嚴(yán)重。

案例4：片狀電阻本身的制造不良引起的開路失效

生產(chǎn)線反饋某一品牌電阻在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常：產(chǎn)線做完SMT 到ICT 測試工序發(fā)現(xiàn)幾十個同型號的片狀電阻出現(xiàn)電阻值偏大或者開路現(xiàn)象。

取不良品做外觀檢查并無異常，做X-ray 檢查發(fā)現(xiàn)電極右側(cè)存在一道缺口，該位置是內(nèi)部Ag 電極但沒有與外部電極完好連接。

片狀電阻不良品返回給供應(yīng)商進(jìn)行調(diào)查分析，確認(rèn)為Ag電極印刷不良：片狀電阻的生產(chǎn)工藝與SMT 類似，通過鋼網(wǎng)印刷電阻膜、保護(hù)膜、Ag 電極。不良電阻經(jīng)確認(rèn)在印刷Ag電極過程中出現(xiàn)“鋼網(wǎng)堵孔”，印刷偏移等不良現(xiàn)象，內(nèi)部電極與外部有細(xì)小連接出貨測試無法識別，過回流焊接時受熱沖擊似連非連處斷開從而造成開路。

4. 結(jié)束語

筆者根據(jù)自身遇到的問題進(jìn)行分析，總結(jié)了上述片狀電阻4 種常見失效現(xiàn)象、根本原因以及相應(yīng)的失效分析方法

案例1、2 多為客戶端失效，且一般2 年以上才能引起電阻失效，碰到此類問題應(yīng)及時對片狀電阻選型，電路板的生產(chǎn)工藝做出調(diào)整才能預(yù)防問題發(fā)生;

案例3、4 則多為前端的生產(chǎn)測試過程失效居多，遇到此類問題應(yīng)及時對片狀電路、電路板的生產(chǎn)測試過程進(jìn)行分析排查。

希望能夠給從事電子元器件質(zhì)量管理、失效分析、可靠性研究行業(yè)人員提供一些經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)。在片狀電阻的應(yīng)用設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、使用環(huán)境中盡量避免不良的發(fā)生，追查到失效原因后應(yīng)及時采取相應(yīng)策，從而提高產(chǎn)品的制成率，提高電子產(chǎn)品的可靠性。