導熱墊加速電阻硫化的機理研究

鄭東輝，陳鴻武，方 超（通訊作者）

（浙江大華技術股份有限公司<浙江省視覺物聯融合重點實驗室> 浙江 杭州 310051）

1 引言

為解決散熱問題，通常在發熱較嚴重的器件表面需要額外增加散熱器，而為了使散熱器與器件表面接觸良好，減小熱阻，導熱墊發揮了其關鍵作用，工藝生產過程中，導熱墊通常會覆蓋住其他器件，如電阻。從客戶返回的設備看，其失效電阻都位于導熱墊邊緣的位置，考慮到其他設備也可能有類似風險，因此深入研究導熱墊與電阻硫化之間的關系具有非常重要的意義。

2 電阻硫化失效產生原理

如圖1所示，片狀電阻有3層電極結構，內部電極（面電極）為銀電極，側面電極（中間電極）為鎳電極，最外測電極為錫鍍層。內部電極為導電體，保護膜包裹層是非金屬不導電體，保護膜與外電極電鍍層交界區域很薄，從而產生縫隙，當外界有S氣體長期存在時，會慢慢滲透進入內部電極，S與內部電極材料Ag產生化學反應生成不導電的Ag2S，從而導致電阻阻值變大或開路失效[1]。

圖1 片狀電阻內部結構及失效原理

3 失效電阻分析

3.1 外觀檢查

對4pcs拆機不良電阻樣品在體式顯微鏡下進行外觀確認，見圖2、3，發現4pcs電阻表面及背面均有膠狀物質，NO.4一端電極脫落（紅色標記處），其他未發現明顯異常。

圖2 不良品正面外觀-50X

圖3 不良品背面外觀-50X

3.2 阻值測量

對NO.1、NO.2樣品進行阻值測量，發現失效電阻阻值均不在規格范圍內，表現為值大，見表1，其中OK表示電阻阻值正常，NG為阻值異常。

表1 失效電阻引腳阻值

3.3 剝膜確認

對不良品NO.1、NO.2進一步剝膜確認，剝膜后電阻層未發現明顯異常，見圖4、5，測量阻值均正常，排除過電導致的電阻燒毀可能。

圖4 不良品NO.1剝膜后阻值正常

圖5 不良品NO.2剝膜后阻值正常

3.4 切片分析

將NO.1不良品Pin1處進行研磨，研磨后在內電極與保護層交界處發現有斷開現象，斷開處有黑色物質，同樣對NO.4失效品進行研磨，同樣在交界處發現斷開和黑色物質，見圖6、7。

圖6 NO.1研磨圖-500X

圖7 NO.4研磨圖-500X

3.5 SEM/EDS成分分析

將NO.1和NO.4置于SEM/EDS設備下進行發黑處成分檢測，檢測表明黑色物質含有S成分，確認電阻為硫化導致的失效，兩個失效品能譜圖及成分數據見圖8和圖9。

圖8 不良品NO.1能譜分析圖及數據

圖9 不良品NO.4能譜分析圖及數據

3.6 導熱墊成分測試

由于失效的電阻位置均位于導熱墊邊緣，因此需要排除導熱墊是否本身就存在S物質，導致與電阻直接接觸造成硫化[2]。

從庫存中領取不同供應商不同型號的導熱墊，分別標記為001、002、003、004、005、006號樣品，使用燃燒法測試其硫含量，結果表明各家導熱墊均未測出硫含量，檢測結果見表2。

表2 不同供應商不同型號導熱墊含硫量

3.7 分析結果總結

從電阻失效分析過程看，明確電阻值大、開路的失效原因為電阻硫化所致。而通過檢測公司所用導熱墊的含硫量，發現導熱墊自身并不含硫，說明異常機型導熱墊邊緣電阻失效的直接原因并非是導熱墊含硫導致，而是外界環境中的硫使電阻硫化，因此設計實驗研究清楚導熱墊邊緣電阻加速硫化與導熱墊之間的關系顯得尤為重要。

4 導熱墊加速電阻硫化實驗驗證

為研究清楚導熱墊的存在與電阻加速硫化的關系，設計如下實驗：取6組電阻，其中第1組在無硫環境下測試作為對照組，另外5組以不同方式預處理后放入盛有硫磺粉的密閉容器中，置于105 ℃高溫箱中做加速實驗，每隔兩周取出測試對應位置的阻值變化情況，經過兩個月的實驗，記錄不同預處理后的電阻阻值變化情況，見表3。

實驗結果表明，在正常無硫環境下，覆蓋了導熱墊的電阻經過兩個月的測試，并未出現失效，說明導熱墊不會直接使電阻硫化。

而另外5組含硫環境下的對比測試發現，在相同硫環境下，覆蓋了導熱墊的電阻明顯更易失效。失效位置上，導熱墊邊緣的電阻相比中心的更易失效，說明導熱墊存在吸附效應，會吸附環境中的硫到表面，使電阻加速失效。而當導熱墊與電阻之間加一層膜后，電阻失效數量會明顯減小，說明隔離膜的存在減弱了空氣交換，從而減弱了導熱墊的吸附效應，這也解釋了導熱墊邊緣的電阻更易硫化失效，其原因為導熱墊邊緣空氣交換更充分，因此吸附效應更明顯，更易受到硫化。

5 影響電阻加速硫化因素總結

5.1 高溫影響

在長期模擬電阻加速硫化實驗中，發現同樣濃度的硫環境下，溫度越高，電阻硫化的速度越快，105 ℃時電阻測試1個月即開始出現大量失效，而85 ℃環境下，電阻3個月才陸續開始出現失效，因此同一塊PCBA中，導熱墊邊緣的電阻易失效，溫度過高也是其中一個因素。實際調查中發現失效的設備機型發熱都相對較嚴重，這也加速了電阻硫化失效。

5.2 導熱墊吸附效應

實驗證明導熱墊存在吸附效應，會吸附環境中的硫到導熱墊表面，加速電阻硫化，因此失效機型中發現的失效電阻都在導熱墊周圍。

6 改善對策

6.1 導熱墊與電阻之間覆膜

覆膜的原理是減緩導熱墊的吸附效應，但是實際實驗驗證效果并不理想，只能減緩，但不能徹底解決。

6.2 導熱墊區域噴涂三防漆

在含硫環境中最易硫化的區域噴涂三防漆，三防漆能有效隔絕空氣，防止電阻硫化。

6.3 使用防硫化電阻

對于有可能暴露在高硫環境中使用的機型，建議直接使用防硫化電阻。目前市面上主要有兩種工藝的防硫化電阻，圖10為片狀電阻內部基本結構，其中一種防硫化工藝是延長如圖10中保護膜的覆蓋，并達到一定尺寸，使外界空氣不容易通過縫隙與內部的Ag導體直接接觸；另外一種是從材料角度出發，將下圖中Ag電極部分提高鈀金屬的含量，鈀金屬穩定性相對較好，同樣可以做到不被硫化的效果[3]。

圖10 片狀電阻內部結構

7 總結

本文研究了電阻硫化的失效機理以及導熱墊和電阻加速硫化之間的關系，并提出不同防電阻硫化的解決方案。通過大量的實驗驗證，得出以下結論：（1）導熱墊存在吸附效應，在含硫環境中，導熱墊會吸附空氣中的硫到表面，使電阻加速硫化；（2）高溫也是加速電阻硫化的因素，溫度越高，電阻硫化速度越快。另外，還推薦了3種電阻防硫化的解決方案，其中噴涂三防漆和使用防硫化電阻效果最佳。