片狀電阻硫化失效機(jī)理及應(yīng)用可靠性研究

作者 崔斌 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

摘要：空調(diào)控制器主板在售后使用1-3年后出現(xiàn)的報(bào)PL故障，經(jīng)過(guò)失效品分析及大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分電阻失效集中在控制器外電路的直流母線(xiàn)電壓檢測(cè)電路片狀電阻位置，電阻表現(xiàn)為值大、開(kāi)路失效，通過(guò)對(duì)售后返回大量的電阻失效分析和電阻硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用掃描電鏡、能譜分析等手段研究了厚膜片式電阻器的硫化現(xiàn)象和失效機(jī)理。分析研究結(jié)果顯示，片狀電阻端電極和二次保護(hù)包覆層之間存在縫隙，空氣中的硫化物通過(guò)灌封硅膠吸附進(jìn)入到片狀電阻內(nèi)電極，導(dǎo)致內(nèi)電極涂覆銀層的銀被硫化，生成電導(dǎo)率低的硫化銀，使電阻的阻值變大甚至呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)。經(jīng)大量的方案分析驗(yàn)證最終確定從器件本身提高器件的應(yīng)用可靠性的可行方案，有效解決了電阻硫化失效問(wèn)題。

引言

　　片狀電阻已經(jīng)成為當(dāng)下電子電路最常用的貼裝元件之一，但是片狀電阻容易出現(xiàn)硫化失效，電阻失效對(duì)應(yīng)控制器已經(jīng)使用有一定時(shí)間， 電阻硫化失效后表現(xiàn)為阻值很大或開(kāi)路，芯片口檢測(cè)電壓信號(hào)很小，無(wú)法精確判斷母線(xiàn)電壓實(shí)際大小，主板失效，最終將導(dǎo)致空調(diào)無(wú)法工作。對(duì)售后大量失效品深入分析研究及快速解決片狀電阻失效尤為重要，研究電阻失效原因及失效機(jī)理，采取有效改善預(yù)防措施，具有非常重要的意義。

1 片狀電阻失效原因及硫化失效產(chǎn)生原理

　　片狀電阻有三層電極結(jié)構(gòu)，面電極是銀電極，中間電極是鎳鍍層，外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬導(dǎo)電體，二次保護(hù)包裹層是非金屬不導(dǎo)電體，交界線(xiàn)區(qū)域電鍍層很薄或未形成導(dǎo)電層，從而產(chǎn)生空隙或是縫隙，特別是當(dāng)絲網(wǎng)印刷漏印二次保護(hù)層邊界不整齊，基體二次保護(hù)與電極鍍層之間交接處是最弱點(diǎn)，侵入過(guò)程如圖1所示，外界含硫腐蝕氣體通過(guò)二次保護(hù)層與電極之間的交界處滲透到面電極，與其化合使面電極的銀產(chǎn)生硫化生成化合物Ag₂S，由于Ag₂S(高阻率)導(dǎo)電率低使電阻失去導(dǎo)電能力失效。

1.1 片狀電阻值大及開(kāi)路失效分析

1.1.1 器件外貌微觀

　　使用高倍放大鏡查看失效器件外觀，在端頭位置查看有黑色膠狀物質(zhì)，本文就此現(xiàn)象及電阻出現(xiàn)值大失效原因進(jìn)行了分析研究。

1.1.2 電鏡掃描分析

　　對(duì)阻值偏大或是開(kāi)路失效品進(jìn)行電鏡掃描與能譜分析，分析結(jié)果顯示電阻本體與電極交界處有硫化物，即外觀看到的膠狀物質(zhì)。

1.1.3 硫化電阻能譜分析

　　經(jīng)過(guò)對(duì)電阻外觀進(jìn)行查看發(fā)現(xiàn)本體與電極結(jié)合處有黑色膠狀物質(zhì)，經(jīng)過(guò)對(duì)電阻進(jìn)行能譜分析，結(jié)果判定導(dǎo)致電阻失效物質(zhì)中均檢測(cè)出含有硫化成分，電阻是因?yàn)榱蚧?dǎo)致。其中，兩個(gè)失效品能譜圖及測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2和圖3。

1.1.4 失效品DPA研磨分析

　　片狀電阻經(jīng)DPA金相分析確認(rèn)是硫化造成，做DPA金相研磨。

2 電路設(shè)計(jì)核查與對(duì)比分析

　　失效片狀電阻應(yīng)用于我司變頻空調(diào)外機(jī)主板上，內(nèi)機(jī)主板數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電阻失效，R203電阻在該電路中起下拉分壓作用，用于檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓大小，起過(guò)欠壓保護(hù)作用。電阻應(yīng)用電路原理圖如圖4所示。

　　同一電路不同機(jī)型實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及使用器件差異對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除電阻尺寸不同外其他無(wú)差異，不同機(jī)型主板對(duì)應(yīng)R203位置使用電阻信息對(duì)比如表1所示，電阻功率選型設(shè)計(jì)均能滿(mǎn)足需求。

　　電阻尺寸差異影響電阻硫化失效概率，尺寸越大電阻硫化失效的概率越低，硫化失效持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明結(jié)論是正確的。對(duì)風(fēng)華高科電阻進(jìn)行了硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，0603封裝尺寸電阻抗硫化能力較差。經(jīng)過(guò)65天的實(shí)驗(yàn)電阻硫化嚴(yán)重失效，0805卻沒(méi)有失效。

3 電阻硫化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

　　為研究片狀電阻在不同條件下的硫化失效情況，重點(diǎn)驗(yàn)證片狀電阻在受應(yīng)力彎曲及電阻有無(wú)密封的條件下硫化能力，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：取七組電阻，不同方式預(yù)處理后放入盛有硫磺粉的密封容器中，置于85度的環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，每周取出測(cè)試一次并記錄對(duì)應(yīng)的電阻值，電阻硫化失效測(cè)試數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果:涂覆硅膠的制品出現(xiàn)失效時(shí)，其它相同彎曲狀態(tài)下使用高溫膠紙密封及不密封處理的物料阻值依然正常。說(shuō)明涂覆硅膠對(duì)于電阻起不到防硫化作用并且還有一定的加速電阻硫化效果。

　　在相同的情況下，彎曲變形量大的物料出現(xiàn)開(kāi)路失效較不彎曲與彎曲變形量小的物料開(kāi)路失效的數(shù)量多，說(shuō)明當(dāng)電阻在受到較大彎曲應(yīng)力的情況下會(huì)增加端電極和二次保護(hù)包覆層之間存在縫隙，更易出現(xiàn)失效問(wèn)題。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在物料的使用過(guò)程中需要避免其受到較大彎曲應(yīng)力的影響，同時(shí)現(xiàn)有變頻機(jī)型對(duì)片狀器件使用硅膠覆蓋的情況下對(duì)其防硫化起不到作用，反而加速器件硫化，需要尋找新型密封膠用以對(duì)板面器件形成更加有效的防護(hù)。