姬娇 牛毅
陕西黄河集团有限公司 陕西省 西安市710043
摘要：针对表面贴装阻容元器件常见的失效模式，分析了几种典型的失效案例。通过对样品进行过磨抛制样、X射线检测、SEM观察和EDX分析，阐述了表面贴装阻容器件不同失效模式的失效机理。在此基础上，提出了防止失效发生的控制措施。
关键词：贴片阻容元器件；失效问题；机理分析
1前言
表面贴装技术（SMT）起源于20世纪60年代的倒装焊和混合集成电路技术，随着技术的进步和片式元器件的应用，表面贴装技术也得到了迅速的发展，从厚膜电路、薄膜电路到裸芯片直接焊接到PCB上，并向三维装配技术发展。表面贴装技术具有体积小、密度高、功能强等优点，使电子设备焕然一新。此外，表面贴装技术也改变了传统的通孔技术，使电子安装过程大大简化，更容易实现自动化。表面贴装技术虽然有许多优点，但也遇到了一些新的问题。表贴元器件体积较小，结构变得更加脆弱，焊盘变得更小，更容易发生焊接问题。
2贴片阻容失效及机理分析
2.1表贴阻容
厚膜电阻和陶瓷电容器是最常见的表面贴装元器件。它们的形状大多是长方体，与插件元器件相比，贴片阻容器件占用的空间小很多，这些表面贴装封装的器件得到了广泛的应用。厚膜的表面电阻是指在平整的高纯氧化铝陶瓷基板上漏印一层电阻膜，然后在电阻膜上覆盖一层钝化玻璃保护层，两端有端电极（如锡、铅等）。
厚膜电阻的主要失效形式是电阻增大甚至开路。陶瓷薄膜耐电裂的原因主要有两个：一是陶瓷薄膜抗电开裂，瓷胎开裂产生一些细小的裂缝。电阻安装时，端部局部加热会产生微裂纹，或由于热应力使已有的微裂纹进一步扩大；手工焊接时，端部电极局部过热的可能性更大。焊接一端电极时，操作不当会使瓷体受到较大的应力；在温度冲击试验和振动试验中，瓷体也会受到应力。所有这些因素都会导致微裂纹，或进一步扩展现有的微裂纹，最终导致陶瓷体的断裂和电阻膜的开裂。
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图1电阻陶瓷体开裂
陶瓷电容器基体开裂的原因是多方面的，陶瓷电容器基体是一种脆性陶瓷材料，其尺寸小，易产生微裂纹。在焊接安装过程中，当局部端部受热时，也可能出现一些微裂纹，或现有的微裂纹可能扩展。当电阻器安装在PCB板上时，电阻器的热膨胀系数与安装在其中的PCB板的热膨胀系数大不相同，电路通电一段时间后，陶瓷电容器环境温度升高，热膨胀和冷缩效应使陶瓷电容器瓷体的裂纹间隙不断变化，使断裂位置不断加大，最终造成开裂问题进一步恶化。
2.2多层陶瓷电容器
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图2多层陶瓷电容器的结构
多层陶瓷电容器的结构如图2所示，银电极材料位于多层陶瓷介电材料之间。电极与陶瓷介质交错排列，相邻的内银电极分别与电容器两端的电极连接，形成手指结构。这种结构保证了电容器具有较大的体积效率。陶瓷电容器的主要失效形式是陶瓷断裂。
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图3瓷体断裂
图3为瓷体典型的断裂形貌，断裂部位靠近电极一端。与表面贴装电阻瓷体断裂类似，电容器瓷体断裂的原因有很多。一是元器件厂家质量控制不好，导致瓷体内部固有微裂纹。二是电容器焊接过程中的热冲击导致瓷体断裂。由于电容器金属端电极材料和陶瓷介质材料的热膨胀系数不同，预热和焊接时，端电极的升温速度比陶瓷体快；如果由于快速的热分布，不同材料的膨胀差过大。由此产生的应力会使电容器瓷破裂。通过在回流焊或波峰焊过程中缓慢预热板材，可以有效地减少热冲击的影响。三是电容器陶瓷材料与PCB的热膨胀系数不同。在温度循环（冲击）试验中，不同热膨胀系数引起的热机械应力导致电容器瓷件开裂。有时用显微镜无法检测出故障电容器的外观，在对失效电容器进行一定程度的研磨和解剖后，瓷体上有明显的裂纹，并穿过相邻的内电极。无论是瓷体的断裂还是瓷体内的裂纹，一般都会引起极间电阻击穿或短路。这是由于银电极材料在电场作用下沿裂纹方向迁移，迁移材料会使相邻电极重叠。由于电容器的击穿和短路，极有可能导致与其相连的其他器件烧毁。为了避免这种二次损伤，研制了一种具有内部结构的新型多层陶瓷电容器。显然，这种结构可以大大降低电容器因内电极短路而击穿和短路的概率。
2.3电阻膜局部烧毁失效
当大电流通过电阻时，电阻膜上会产生大量的热量，散热主要是通过两端的端部电极，而电阻封装越来越小，电阻膜中心部位的热量最难及时消散，而该部位的电阻膜最容易被烧毁，出现熔坑。因此，电路设计人员在选择表面贴装电阻器时，应留有足够的功率降额，并充分考虑电阻安装环境的散热问题。
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图4电阻膜过流烧坏
电源模块输出异常，是内部3.6W表面贴装电阻器开路故障引起的。观察失效表面贴装电阻的外观，未见明显裂纹等异常现象。用万用表测试失效电阻，电阻值为无穷大。用X射线检测仪检测其抗破坏性能。结果表明，失效电阻在电阻中间位置附近有熔断痕迹，其余部位未见明显异常。用化学方法除去电阻表面的玻璃釉，露出电阻膜。主要观察结果为：电阻中间电阻膜有气泡和裂纹，未发现其它异常现象（如图4所示）。由此推断，失效电阻在使用过程中受到过电流应力的作用，导致中间电阻调节部分过电流烧毁，导致电阻开路状态。
3结语
虽然表面贴装元器件具有重量轻、体积小、安装密度高、适用于高频电路应用等优点，但小而薄的表面贴装元器件存在功耗低、结构薄弱、易断裂等缺点，容易发生故障。具体而言，对于厚膜表面贴装电阻器，电阻膜易因过电压而烧坏，氧化铝陶瓷基板开裂导致电阻膜开裂失效；对于表面贴装的整体式陶瓷电容器，容易出现瓷体宏观断裂和内瓷体开裂导致相邻电极击穿失效；对于表贴玻璃密封二极管，玻璃外壳容易开裂，造成芯片与插座之间的间隙，导致二极管开路失效。鉴于此，在选择焊接、安装和使用此类部件时，应特别注意不要使部件承受较大的机械应力和温度冲击应力，并严格控制部件的使用功率。只有这样，才能充分发挥表贴元器件的优势。
参考文献：
[1]林春贤,杨玉丽.片式电阻硫化机理及失效分析[J].家电科技,2020,No.404(03):105-107.
[2]黄明怀.基于贴片电阻焊点失效机理分析的高可靠贴装电阻器设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2018,017(003):31-37.
[3]范士海.表贴电阻典型的失效模式及机理分析[J].环境技术,2019,037(004):75-79,99.
[4]张放,王波,丁亭鑫.片式厚膜电阻器长期可靠性及失效模式研究[J].电子工艺技术,2020(02):60-63.
[5]何雪解.某车型暖风机调速电阻熔断器失效问题分析[J].装备制造技术,2020(03):228-230.