简述片式厚膜电阻器的典型失效模式、机理及原因--中国期刊网

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简述片式厚膜电阻器的典型失效模式、机理及原因

发表时间：2020/10/23 来源：《基层建设》2020年第19期作者：陆锦松

[导读] 摘要：首先，本文对片式厚膜电阻器的工艺流程及片式薄膜电阻器薄膜层形成原理进行了简单的介绍；然后；对片式厚膜电阻器典型的失效模式和失效机理进行了总结；最后，通过案例，对片式厚膜电阻器两种典型的失效现象的原因进行了分析，对于相关工作人员了解片式厚膜电阻器的失效原因和机理，从而改善其工艺过程具有一定的参考价值。

        广东风华高新科技股份有限公司端华片式电阻器分公司广东肇庆 526020
        摘要：首先，本文对片式厚膜电阻器的工艺流程及片式薄膜电阻器薄膜层形成原理进行了简单的介绍；然后；对片式厚膜电阻器典型的失效模式和失效机理进行了总结；最后，通过案例，对片式厚膜电阻器两种典型的失效现象的原因进行了分析，对于相关工作人员了解片式厚膜电阻器的失效原因和机理，从而改善其工艺过程具有一定的参考价值。
        关键词：片式厚膜电阻器；工艺流程；形成原理；失效模式；失效机理；失效分析
        引言
        近年来，随着电子设备朝短小轻薄的方向发展，片式电阻器行业也得到了迅速的发展，其可靠性问题也引起了人们越来越多的关注。虽然片式电阻器的工艺流程得到了很大的改善，但当产品投入市场使用时，其失效现象仍时有发生，因此，本文对片式厚膜电阻器的典型失效模式、机理和原因进行了研究，以供相关工作人员参考。
        一、片式厚膜电阻器工艺简述
        片式厚膜电阻器的工艺流程为：在已预制沟槽的陶瓷基板上印刷背电极 → 印刷面电极 → 高温烧结 → 印刷电阻体 → 高温烧结 → 印刷保护玻璃 → 高温烧结 → 激光调阻 → 印刷保护玻璃 → 印刷标记 → 折条→端电极溅射→折粒→ 电镀镍锡→成品测量 → 筛选 →质量一致性检验 → 测试和包装→入库交付。
        二、片式薄膜电阻器薄膜层形成原理
        目前世界上合金薄膜层的制备方法包括离子镀、真空蒸镀和溅射镀膜，其中溅射镀膜主要是离子束溅射。离子束溅射的方法具有溅射薄膜纯度高、质量好，可溅射金属或者合金，并且多数离子以离子态沉积使得薄膜层与衬底附着力强，采用离子束溅射的优势还包括可以分别精准控制离子源的电流和能量等参数指标。因此采用离子束溅射方式是目前制备片式薄膜电阻器薄膜层最理想的一种方式。
        离子束溅射的原理是让工作气体（Ar气）进入离子束溅射镀膜机中的离子枪中，电离后产生离子流Ar+。当离子流Ar+经屏栅栅网加速后，持续轰击合金靶材，溅射出的靶材原子飞出靶材后沉积在衬底（基板）上，然后晶粒逐渐生长形成连续的薄膜层。离子束溅射的优点是薄膜层附着性能好，合金、化合物、非金属均可成膜，并且成膜均匀性好，目前单片陶瓷基板溅射，阻值均匀性可达到士5%以内。但是离子束溅射也存在一些缺点，比如需引入气体放电、装置及操作较复杂。
        薄膜的物理结构以及性能主要由薄膜的生长过程决定。在溅射过程中，射向衬底的分子、原子会与薄膜表面和基板发生接触和碰撞，其中一部分会在表面停留，另外一部分则会被反射。其中停留在表面的分子、原子在基板温度所对应能量及自身能量的作用下，将会发生表面迁移及扩散，一部分会落入势能谷底后被表面吸附，也就是发生凝结过程，另一部分则再次蒸发后脱离表面。凝结过程伴随着岛的形成、合并与生长以及晶核的形成和生长，逐渐形成连续的薄膜层。
        三、片式厚膜电阻器的典型失效模式和失效机理分析
        片式厚膜电阻器的典型失效模式有阻值开路、机械损伤和阻值漂移等。
        3.1阻值开路
        片式厚膜电阻器的阻值开路失效是指电阻器失去应有的阻值，在电测时表现为开路。其失效机理一般为电极脱落、电极熔蚀和电阻膜层断裂等。
        （1）导致片式厚膜电阻器电极脱落的可能原因有：电极层与基片附着强度不够、电极层耐焊性差和焊接时受到过大的机械应力或热应力。
        （2）导致片式厚膜电阻器电极熔蚀的可能原因有：中间电极层（阻挡层）的厚度不够或保护玻璃釉层的厚度不够，内电极层（银钯层）外露，在焊接的过程中，锡铅焊料与银钯浆料共融，或在长时间的使用过程中发生银离子迁移或硫化反应，从而导致内电极出现空洞、缝隙，严重时甚至出现阻值开路现象。
        （3）导致片式厚膜电阻器的电阻膜层发生断裂的可能原因有：电阻膜层受到了超过其承受极限的电应力（功率）而过热，膜层中间部位的热量集中，严重时发生崩裂而开路。出现此类失效的电阻器表面一般均可见受热熔化而产生的变色圈状痕迹。
        3.2机械损伤
        片式厚膜电阻器的机械损伤失效是一种较常见的失效模式，一般表现为：基体断裂、端电极受损和电阻膜层受损等。
        导致片式厚膜电阻器机械损伤失效的原因，大多是由于电阻器在焊接、安装或转运过程中受到不当的机械应力作用而受损，而后又受到电、热和机械（冲击、振动和三防等）环境应力的作用所导致的。
        3.3阻值漂移
        片式厚膜电阻器阻值漂移失效是指电阻器在调试、使用过程中发生阻值超差、阻值跳变或电阻温度特性（TCR：Temperature Coefficient of Resis-tance）超差等现象。
        从片式厚膜电阻器结构、工艺和原材料特性的分析中可知，电阻膜层由氧化钌、硼硅酸玻璃和有机载体混合浆料通过丝网印刷、高温烧结而成，工艺制程一旦完成，其电阻值和TCR即已确定。其后其电阻值受环境温度和其他试验条件（例如：焊接、潮湿和加电工作等）的影响，可能会发生标准允许的细微变化；除此之外，除非受到意外应力（例如：机械损伤、过电熔蚀等）的作用而损伤到电阻膜层，发生不可逆的一次性变化（阻值异常漂移），其电阻值和TCR可视为恒定不变。因此，可以通过工艺与原材料控制、成品筛选和使用方的环境应力筛选等手段来有效地剔除阻值超标的产品，确保交付产品的电阻值和TCR符合要求。
        四、片式厚膜电阻器失效案例分析
        （1）失效现象：1只片式厚膜电阻器装板交付使用1年后出现阻值异常现象。
        （2）失效模式：本体断裂。
        对案例1的分析过程如下所述：
        4.1外观检查
        用体视显微镜进行外观检查，发现问题电阻器靠近接线端，接线端与电源模块相连，接线端变色发黄，可能存在大电流过热现象；
        问题电阻器正面和侧面可见连续贯穿裂纹，保护玻璃釉层局部缺损（如图一所示）。

        图一问题电阻器裂纹形貌
        4.2解焊后的形貌观察
        将问题电阻器从PCB板上解焊后对其形貌进行观察，发现：电阻器已断裂，断口呈脆性断裂特征；电阻器背面和所遮挡的PCB板上均存在残留金属焊料和三防漆成分；电阻器断面存在三防漆成分（如图二所示）。由此可以推断：电阻器应在涂敷三防漆前即已产生裂纹。

        图二问题电阻器解焊后的外观形貌
        失效原因为：电阻器在焊接安装时，其底部的线路板上存在多余的焊料，导致电阻器本体未能紧贴于线路板，电阻器受到较大的焊接应力的影响而产生裂纹；在其后使用的过程中，电阻器的外围线路或其他元器件出现短路大电流导致线路板局部过热，从而造成裂纹进一步地扩大，最终导致电阻器断裂，阻值开路。
        五、结束语
        根据从笔者自身从事电子元器件研发制造工作中得到实践经验出发，针对片式厚膜电阻器工艺流程及典型失效模式、失效机理和失
        效原因，提出了一些意见，仅供各位同行参考。
        参考文献：
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