關(guān)于熱敏電阻應(yīng)用失效問題研究

0   引言

熱敏電阻是電器類物料的通用元件，主要是通過感受溫度變化變換阻值，并將阻值傳遞給主機(jī)，主機(jī)執(zhí)行相關(guān)的指令。例如熱敏電阻感受到環(huán)境溫度升高，會(huì)以阻值變化的方式通知到主控部件，主控部件通過相關(guān)指令來阻止這種變化。如果熱敏電阻感知的溫度不準(zhǔn)確，那么主控部件給出的指令也是錯(cuò)亂的，所以研究熱敏電阻的失效模式至關(guān)重要。

熱敏電阻的常見失效現(xiàn)象主要是阻值問題，例如阻值?。ǘ搪罚?，阻值大（開路）。常見熱敏電阻結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 常見熱敏電阻結(jié)構(gòu)

如果熱敏芯片與杜美絲接觸不良，存在縫隙則會(huì)表現(xiàn)出阻值大；如果晶圓與其他導(dǎo)體之間并聯(lián)，根據(jù)電阻并聯(lián)后阻值變小的原理，此種情況熱敏電阻表現(xiàn)出來的阻值偏小。

1   電阻短路失效原因之電極金屬遷移

1.1 失效機(jī)理分析

熱敏電阻晶圓前后兩個(gè)面鍍有金屬電極，如圖2 白色區(qū)域，此電極為銀(Ag) 材質(zhì)，具有很好的導(dǎo)電性、延展性和導(dǎo)熱性，是高精度產(chǎn)品上常用的導(dǎo)電材料^[1-2]。

圖2 熱敏電阻晶圓電極

在實(shí)際應(yīng)用中，電阻值小/ 失效品主要表現(xiàn)為黑色晶圓表面發(fā)白，有一層霧狀物質(zhì)，如圖3。

圖3 銀遷移

將玻殼剖開，檢測霧狀物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了大量的Ag離子，與電極表面材質(zhì)一致，同時(shí)晶圓中不含有Ag元素（圖4），說明芯片兩側(cè)的導(dǎo)電物質(zhì)Ag 發(fā)生了遷移現(xiàn)象，在芯片側(cè)面形成了并聯(lián)電阻，造成了整體電阻值下降，導(dǎo)致阻值變小。

銀遷移過程：電壓和濕度是銀遷移的兩個(gè)必要條件，但是實(shí)際使用中通電是無法避免的；使用環(huán)境方面，部分產(chǎn)品使用環(huán)境較潮濕，統(tǒng)計(jì)失效產(chǎn)品全使用在潮濕環(huán)境中。

圖4 晶圓電鏡照片和異物成分分析

電遷移是由于電流使離子在導(dǎo)體中流動(dòng)。當(dāng)關(guān)閉施加電壓后，離子進(jìn)行隨機(jī)熱擴(kuò)散。離子的遷移受溫度、電壓梯度和電極之間的距離影響。在混合厚膜封裝中，其它被認(rèn)為最重要的遷移參數(shù)是導(dǎo)體的組成、環(huán)境濕度水平和密封劑的類型。電子元件的遷移根據(jù)發(fā)生環(huán)境的不同有兩種形式。電遷移是一種涉及在相對較高溫度(150 ℃ ) 的干燥環(huán)境中發(fā)生電子動(dòng)量傳遞的固態(tài)遷移。

另一方面，離子遷移發(fā)生在周圍溫度小于100 ℃的潮濕環(huán)境中。厚膜系統(tǒng)中離子遷移是最常見的失效模式，每當(dāng)絕緣體分開的導(dǎo)體從周圍環(huán)境獲取足夠多的水分。通過一系列的實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)在跨介質(zhì)結(jié)構(gòu)中銀的離子遷移是最主要的失效模式。

銀的表面遷移是一個(gè)電化學(xué)過程。當(dāng)銀在高濕條件和外加電場下與絕緣體接觸，它以離子的形式離開初始位置并重新沉積到另一個(gè)地方。電解遷移可以被看作三個(gè)步驟，包括：電解、離子遷移和電沉積。銀離子的遷移機(jī)制可以解釋如下。

1) 潮濕環(huán)境中的水分子在外加電場下被離子化：

Ag→Ag⁺   (1)

H₂O→H⁺+OH^-   (2)

2) 氫離子遷移到陰極釋放出氫氣，氫氧根離子與銀離子在陽極相遇并形成膠體沉淀:

Ag⁺+ OH^- → AgOH   (3)

3)AgOH 不穩(wěn)定，在陽極端分解成黑色Ag₂O 沉淀：

2AgOH → Ag₂O+H₂O   (4)

4) 發(fā)生水合反應(yīng)：

Ag₂O+H₂O → 2AgOH → 2Ag⁺+2OH^-   (5)

所以本次的銀遷移應(yīng)為離子遷移，唯一避免產(chǎn)生遷移的方式只有阻止水汽進(jìn)入晶圓周圍。

1.2 可靠性提升方案

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面分析，晶圓通過杜美絲連通，表面玻殼封裝。此種結(jié)構(gòu)較為成熟，如進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改較為復(fù)雜，需要經(jīng)過多重驗(yàn)證。從產(chǎn)品防水方面研究，在產(chǎn)品表面增加防水涂層，防止水汽進(jìn)入玻殼內(nèi)部是最優(yōu)的解決方案。此防水涂層要具有與玻璃、金屬等粘結(jié)力高，斷裂伸長率高。

圖5 無防水涂層（左）和有防水涂層（右）

1.3 分析驗(yàn)證結(jié)論

此處以硅膠為例，對比增加前后耐久性提升情況：將涂覆硅膠和未涂覆硅膠的產(chǎn)品全部使用環(huán)氧樹脂封裝完畢之后，放入同一環(huán)境水中（水溫100 ℃），通上5 V 電壓，每隔5 天（120 h）測試一次熱敏電阻性能，發(fā)現(xiàn)改善前產(chǎn)品水煮360 h 之后開始失效，而改善后產(chǎn)品水煮1 200 h 之后才失效。兩種狀態(tài)產(chǎn)品使用壽命差異較大。可見，此種在熱敏電阻玻殼表面含浸防水涂層可以有效提高產(chǎn)品密封性。

2   電阻短路失效原因之焊點(diǎn)金屬遷移

2.1 失效機(jī)理分析

空調(diào)上使用的熱敏電阻還有另外一種即檢測排氣溫度的熱敏電阻，此種電阻要求耐高溫，其引出線與熱敏電阻之間采用焊錫焊接，但是引線需要使用耐高溫引線，且使用環(huán)境也較潮濕。失效原因較多的主要為內(nèi)部焊錫金屬遷移。客戶使用失效產(chǎn)品實(shí)物如圖6，兩個(gè)引線之間的金屬物質(zhì)為云狀分布，是遷移的典型特性。但同時(shí)又存在點(diǎn)狀分布，遷移物質(zhì)測試含有C、O、Sn，分析為焊錫附著在電線絕緣皮上，受潮后金屬離子朝著周圍生長，最終將兩根電線連在一起形成值小。

圖6 售后失效樣品X光圖片和實(shí)物圖片

對以上分析結(jié)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電線殘留點(diǎn)狀焊錫，水煮一段時(shí)間后，電線絕緣皮表面長出導(dǎo)電物質(zhì)（圖8），同時(shí)熱敏電阻阻值偏小。測試電線上殘留物質(zhì)與圖7 一致（圖9）。

圖7 導(dǎo)電物質(zhì)檢測

圖8 實(shí)驗(yàn)失效樣品X光圖片和實(shí)物圖片

圖9 實(shí)驗(yàn)樣品導(dǎo)電物質(zhì)成分測試

通過水煮模擬及售后樣品的分析，確認(rèn)失效原因?yàn)橐€上殘留錫渣，同時(shí)焊錫中的助焊劑對金屬遷移起到促進(jìn)作用，最終在通電+ 助焊劑+ 水的情況下存在離子遷移，形成微短路不良。

2.2 可靠性提升方案

熱敏電阻引線電線殘留助焊劑及錫渣需要重點(diǎn)清洗。①焊錫爐的改善優(yōu)化，可參考波峰焊內(nèi)部的錫爐的工作方式，確認(rèn)焊錫保持流動(dòng)狀態(tài)，已徹底杜絕表面焊錫氧化層殘留。②浸錫后使用有機(jī)溶劑清除電線表面助焊劑，減少助焊劑殘留。通過實(shí)驗(yàn)對比，改善后產(chǎn)品在同等條件下 使用壽命較之前有很大提升。③增加環(huán)氧樹脂封裝長度，阻隔水汽進(jìn)入。

3   電阻短路失效原因之封裝空隙

由于熱敏電阻芯片與杜美絲引線接觸為直接接觸，非焊接式接觸，如杜美絲受力不均或受力較小即出現(xiàn)接觸不良情況，表現(xiàn)為開路（圖10）。

圖10 失效圖

杜美絲玻封過隧道爐使用壓載平臺(tái)壓載引線保證接觸，由于引線較細(xì)，個(gè)別存在變形等問題，當(dāng)上模引線出現(xiàn)彎曲時(shí)，壓載平臺(tái)頂針出現(xiàn)壓載不到，即會(huì)出現(xiàn)芯片與引線之間產(chǎn)生接觸間隙。所以實(shí)際生產(chǎn)過程一定要首先保證度美絲無變形，且封裝夾具不得出現(xiàn)空缺，保證受力均勻（如圖11）。

圖11 生產(chǎn)封裝形式

4   結(jié)語

本文從熱敏電阻實(shí)際應(yīng)用失效問題出發(fā)，闡述了熱敏電阻失效的兩種形式：銀遷移和焊錫遷移，并對其失效機(jī)理研究，提出改善方案。從解決根本問題出發(fā)，對使用環(huán)境及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程方面優(yōu)化改善，從而提高產(chǎn)品的可靠性，進(jìn)一步提升整機(jī)的使用穩(wěn)定性。

5   元件失效問題研究的意義

通過對熱敏電阻失效問題的研究，闡明了一種分析思路：即首先要了解元件的應(yīng)用環(huán)境、元件結(jié)構(gòu)，然后深入挖掘問題產(chǎn)生的根源。從管理思路向技術(shù)思路轉(zhuǎn)變，從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化上提升產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嵇永康,胡培榮,衛(wèi)中領(lǐng).銀鍍層中銀離子的遷移現(xiàn)象(一)[J].電鍍與涂飾,2008(8):18-20.

[2] 林曉玲,黃美淺,章曉文.熱敏電阻測量法的研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2004(1):39-42.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）