馮勇雄 王小龍

【關鍵詞】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、生產效率高、使用量大等優(yōu)點而被家電、儀器等電子產品所選用。

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：

保護膜——用于保護電阻不受外界因素破壞;

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

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

某公司家用空調產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)多年來每年因為片狀電阻失效而導致電路板故障進一步造成空調整機無法工作的保修有上千單，故需要對片狀電阻進行失效分析和質量改進，進一步提供家電產品質量。

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，即先進行外觀檢查，然后做先電性能檢測，再進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行破壞性分析，在必要的情況下需要對電阻進行成分檢測，以確定材料物質成分是否發(fā)生了物理和化學變化，從而進一步確定具體的失效機理。

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零部件復核中，筆者發(fā)現(xiàn)了較大數量的片狀電阻失效，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，經測定其電阻值均已大于10KΩ，表現(xiàn)為不合格且已導致所在電路無法正常工作。

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

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

結合片狀電阻的內部結構和材料，分析是空氣中硫化氣體的濃度過高，與電阻內部的Ag 電極發(fā)生了化學反應，生成黑色不導電的Ag2S， 電阻內部的Ag 電極缺損造成電阻值偏大直到完全開路。關于硫化氣體的來源：

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]，使得硫化化學反應快速進行，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故障品分析中，發(fā)現(xiàn)某個位置的片狀電阻因為電阻值偏小的現(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膜破損是引起電阻失效的重要原因，未能保護電阻膜及兩端的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行電子顯微鏡的能譜分析，結果發(fā)現(xiàn)該位置有含有Ag，證實了上面分析的片狀電阻內部Ag 電極出現(xiàn)銀離子遷移短路的推論。

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

其次，該直流電機保護板使用了硅膠作為三防漆，結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，涉及到電子產品的長期可靠性，筆者強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)電阻內部的電阻膜在激光調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，原因為整個電阻膜中激光調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行10 倍的額定電壓過載試驗，只需要數秒時間即可復現(xiàn)故障現(xiàn)象，電阻值為開路;如下圖7 試驗復現(xiàn)的樣品外觀圖，比反饋的要燒損嚴重。

案例4：片狀電阻本身的制造不良引起的開路失效

生產線反饋某一品牌電阻在生產過程中出現(xiàn)異常：產線做完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)電極右側存在一道缺口，該位置是內部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商進行調查分析，確認為Ag電極印刷不良：片狀電阻的生產工藝與SMT 類似，通過鋼網印刷電阻膜、保護膜、Ag 電極。不良電阻經確認在印刷Ag電極過程中出現(xiàn)“鋼網堵孔”，印刷偏移等不良現(xiàn)象，內部電極與外部有細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. 結束語

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

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，碰到此類問題應及時對片狀電阻選型，電路板的生產工藝做出調整才能預防問題發(fā)生;

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

希望能夠給從事電子元器件質量管理、失效分析、可靠性研究行業(yè)人員提供一些經驗和啟發(fā)。在片狀電阻的應用設計、生產制造、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及時采取相應策，從而提高產品的制成率，提高電子產品的可靠性。