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HAST在贴片薄膜电阻失效分析中的应用
录入时间:2019/12/3 11:02:34

[摘要]本文通过外观观察、去除保护层、微切片等分析技术,辅以光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDX)等分析设备探究贴片精密薄膜电阻失效原因。运用高加速温度和湿度应力试验(HAST)、过电应力(EOS)试验快速模拟失效现象,论证失效机理,并通过不同厂家电阻比对以寻求改善方向。分析结果表明,电阻失效的原因为金属膜缺失所致,失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀,电阻保护层品质的提升是改善关键。

[关键词] 贴片精密薄膜电阻、失效机理、HAST

作者: 肖襄云 韩素萍 潘启智 中达电子(江苏)有限公司物性失效分析实验室

1.     前言

电阻器作为运用最广泛的电子元器件之一,在电子设备中使用数量很大,因而电阻器失效导致设备故障的比率也相当高[1]。特别是贴片精密薄膜电阻(以下简称电阻),因其工艺及结构的特点,近年来因湿热导致阻值漂移甚至开路的案例越来越多[2],厘清失效原因及机理,已成为迫切需要研究的课题。而传统的40℃、90%RH和85℃、85%RH的温/湿度偏压试验方法(THB)需要花上千小时,已不能满足当今高时效性的需求。PCT高压蒸煮试验有结露现象,不能加偏压,故需要进一步改进加速试验。HAST就是为代替传统的温度/湿度试验而开发的方法,目前在微电路及半导体分析中已得到广泛的应用[3]

本文将HAST应用于电阻失效机理的研究和耐湿热性能的评估中,展示了HAST在电阻失效分析中的实践应用,为电阻的工艺改进及可靠性检验提供了一套快速、有效的测试方法,对电阻品质的改善与提升具有一定的指导意义。

2.     分析背景

某产品客户端失效,经测试发现为电阻开路所致。电阻规格:348KΩ±0.1%,额定功率:0.1W。电阻命名如表1。

 

3.     分析原因

3.1 外观观察

先用实体显微镜(Olympus SZ61TR)对电阻保护层进行外观观察,如图1红色框起处,A-NG陶瓷基体外露,保护层未覆盖至边缘。再用SEM(Hitachi S-3400N)对A-NG、A-OK边缘保护层形貌进行放大观察,如图1a、1b所示,A-NG保护层边缘疏松粗糙。

3.2 去除保护层

先用有机溶剂去除电阻保护层,再用金相显微镜(Olympus BX51M)进行观察。如图2a黄框所示,A-NG边缘位置金属膜缺失,用万用表对缺失膜两端进行电性确认显示开路,故电阻失效的原因为金属膜缺失所致。

3.3 原因探讨

电阻是导体的一种基本性质,与导体的材料、长度、横截面积和温度有关。当阻值为R时,可用公式R=ρL/S表示,其中L、S分别表示导体的长度和截面积;ρ表示导体的电阻率,对某一电阻器而言,L、ρ是已经确定的,阻值随着S的变化而改变。金属膜缺失使电阻S变小,从而导致电阻阻值偏大或开路。金属膜缺失原因主要有:(1)使用过程中过电应力致使金属膜熔损[4]。(2)因湿热、环境或电流(电压)等因素,使原本存在的金属膜遭受电解反应而破坏、消失,此现象称之为电蚀。

4.     机理研究

为进一步厘清失效真因和机理,模拟不同条件下的失效现象,论证失效机理。

(1) EOS试验

采用直流电源供应器(chroma 62024P-600-8)进行测试,测试电压分别为600V、1000V,持续时间(5±1)s。

(2) HAST试验

采用高加速寿命试验箱(Hirayama PC-422R8D)进行测试,测试条件:温度130℃、湿度85%RH、真空度0.12MPa、偏压10V、时间96H。测试标准:JESD22-A110E。HAST的目的为评估电阻在高温、高湿、偏压的加速因子下,保护层与金属膜对湿气腐蚀抵抗的能力,并可缩短器件的寿命试验时间[5]

试验条件及结果见表2,EOS、HAST试验后电阻均出现阻值偏大或开路的现象。图3为试验不良品去除保护层图片,如图3a、3b所示,EOS试验不良品金属膜均有不同程度的熔损,电压越大膜熔损越严重,阻值变化越大甚至开路,此现象与A-NG金属膜缺失现象不同。如图3c所示,HAST试验不良品可见电阻边缘位置金属膜缺失,与A-NG失效现象一致,失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。

电蚀失效主要以薄膜电阻为主,常见的失效机理有2种:(1)在金属膜沉积后,印刷保护层之前这段时间有杂质污染[6],成品通电时造成电蚀。(2)保护层有外伤或覆盖不好,杂质和水汽进入导致电蚀。

为进一步研究失效机理,寻求改善方向,对以上2种失效机理进行深入探讨,选取A-原材、B-原材进行结构分析与比对。图4为电阻的结构图,电阻的金属膜是以Ni-Cr合金溅镀沉积而成的薄膜,基板为氧化铝,保护层材料为环氧树脂。

4.1杂质污染检测

当陶瓷基体及金属膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质时,电解作用加快,阻值迅速增加,失效速度加快[7]。为验证A-NG金属膜表面有无杂质污染,对去除保护层后的金属膜进行EDX(HORIBA EX-250)成分分析,如图5a、5b分别为缺失膜与正常膜区域的元素检测结果,后者可见金属膜Ni、Cr元素,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。

4.2 电阻保护层剖析

4.2.1 保护层外观形貌观察

用SEM对A-原材、B-原材保护层形貌进行观察,如图6a红色箭头所示,A-原材保护层表面有大量孔洞。如图6b所示,B-原材保护层表面均匀致密。

4.2.2 电阻保护层表面结构观察

金属膜缺失位于边缘位置,对电阻去除正面端电极后观察其边缘结构。如图7a红色框所示,A-原材边缘陶瓷基材外露。比对可知:A-原材、B-原材保护层边缘结构设计不同,后者边缘保护更充分。

4.2.3电阻保护层内部结构观察

对电阻进行微切片制样,用SEM观察保护层内部微观结构,再进行EDS成分分析。如图8a,A-原材保护层中间与两端厚度差异明显,中间局部可达62.64um,两端厚度在10.58um~19.19um之间,内部填充物颗粒粗大,其主要成份为C、O、Mg、Si。如图8b,B-原材保护层相对较薄,中间与两端无明显差异,厚度约为32.75um,可见不同组分的两层结构,填充物颗粒细小,其主要成份分别为C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比对可知:A-原材保护层边缘薄,且填充颗粒粗大,水汽易侵入,与失效发生在边缘位置的现象相符。B-原材保护层结构致密,且两层结构可更好的保护金属膜免遭湿气的侵入。

 

4.2.4 电阻HAST能力比对

选取A-原材、B-原材各10pcs进行HAST试验,比对不同厂商电阻耐湿热能力。把电阻焊接在测试板上,然后插入HAST试验箱,设置条件:130℃/85%RH/

0.12MPa/10V/96H。规格要求试验前后电阻的阻值变化率(ΔR/R)≤±(0.5%+0.05Ω)。测试结果如图9所示,A-原材ΔR/R皆超出规格,其中1pcs测试开路,B-原材ΔR/R皆满足规格要求。测试结果表明,A-原材耐湿热能力差,其结果与保护层比对结果相对应。A-原材保护层存在孔洞及边缘保护不到位等缺陷,在高温、高湿的环境条件下,金属膜容易被湿气侵入,在电负荷作用下发生电蚀,从而导致阻值漂移或开路。

5.     结论

本文从电阻失效分析着手,通过试验模拟探寻失效机理,并通过不同厂家电阻比对寻求改善方向,得出如下结论:

1) 电阻失效的原因为金属层缺失所致。

2) EOS、HAST试验结果显示:A-NG失效现象与HAST试验失效样品一致。失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。

3) 对A-NG缺失膜与正常膜区域成份进行检测,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。

4) 对比A、B厂商电阻,A厂商电阻保护层存在空洞及边缘保护不到位等缺陷,容易被湿气侵入。通过HAST比对电阻耐湿热能力,进一步印证以上结论。为有效的提高电阻的耐湿热性能,建议从电阻保护层的工艺、厚度以及材质方面加以改善:a.选择填充颗粒细小的材料,减少湿气进入通道;b.调整保护层的厚度,使中间与边缘厚度相对均匀;c.使用耐湿热的保护材料。

 

6.     参考文献

[1]刘宇通.电子元器件的失效机理和常见故障分析

[J].工程应用,2012.

[2]孔学东,恩云飞.电子元器件失效分析与典型案

例[M].国防工业出版社,2006.

[3]在军用、航空和其他严格应用领域中使用塑封微

电路和半导体的导则(上)[S].EIA工程学会会

刊SSB-1.

[4]龚国刚,冯刘洪,陈思纤.片式膜电阻器过电应

力失效模式与机理研究[J].物联网技术,2016.

[5] Highly Accelerated Temperature and Humidity

Stress Test(HAST),JESD22-A110 [S].

[6]徐平.薄膜电阻器常见失效模式的分析和改进途

径[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2008.

[7]季荣福.金属膜电阻器常见失效模式的机理分

析[J].电子产品可靠性与环境试验,1990.


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