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關(guān)于熱敏電阻應(yīng)用失效問題研究

作者:張樂(格力電器(合肥)有限公司,合肥 230088) 時(shí)間:2022-04-11 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:熱敏電阻是指阻值隨溫度的改變而發(fā)生顯著變化的敏感元件,除此之外,還具有體積小、反應(yīng)快,使用方便等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域,解決各種技術(shù)問題。本文主要介紹熱敏電阻在家電領(lǐng)域的應(yīng)用及失效案例分析,熱敏電阻為家電主控板的核心器件,此器件失效會直接導(dǎo)致主控板功能錯(cuò)亂或者直接停機(jī)。因此,研究此元件的失效原理及可靠性提升方案,對家電使用壽命起到關(guān)鍵的作用,同時(shí)對其他電子元器件的失效研究也起到借鑒作用。


本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202204/432910.htm

0   引言

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。例如感受到環(huán)境溫度升高,會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柚荡螅ㄩ_路)。常見熱敏電阻結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

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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

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]

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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。

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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。

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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。

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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??梢?,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。

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2   電阻短路失效原因之焊點(diǎn)

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。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。

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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)。

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圖7 導(dǎo)電物質(zhì)檢測

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圖8 實(shí)驗(yàn)失效樣品X光圖片和實(shí)物圖片

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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)。

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圖10 失效圖

杜美絲玻封過隧道爐使用壓載平臺壓載引線保證接觸,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),壓載平臺頂針出現(xiàn)壓載不到,即會出現(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)。

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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)



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