片式電阻防硫化可靠性技術(shù)研究

張世莉，唐萬軍，肖玲

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

片式電阻因尺寸小、重量輕、安裝方便、可靠性高等優(yōu)點被廣泛地應用于軍用與民用SMT 工藝組裝產(chǎn)品中[1]。在汽車、空調(diào)等民用電子產(chǎn)品中，片式電阻在使用一段時間后出現(xiàn)硫化失效造成阻值增大或斷開的情況時有發(fā)生[2]。而在高可靠航空航天等電子領(lǐng)域，雖然也大量采用片式電阻，但通常用于帶密封結(jié)構(gòu)的混合集成電路中，這類密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品很少有發(fā)生電阻硫化失效案例。當前由于某些整機設(shè)計結(jié)構(gòu)需要，有時也需要元器件承制單位提供非封閉結(jié)構(gòu)的板級產(chǎn)品或模塊產(chǎn)品，而該類產(chǎn)品由于無密封保護措施，生產(chǎn)交付及使用過程中長期裸露于空氣或汽車尾氣污染嚴重的環(huán)境中，電路內(nèi)部器件如片式電阻等可能出現(xiàn)硫化腐蝕，在后續(xù)整機長期使用過程中進一步惡化，最終引起產(chǎn)品參數(shù)漂移或功能性失效。由于電阻硫化失效是一個長期緩慢過程，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、篩選階段難以識別和剔除，對產(chǎn)品長期可靠性影響較大。因此，需要從提高片式電阻自身抗硫化能力、優(yōu)化應用工藝等措施，以保證產(chǎn)品的長期可靠性。

1 電阻硫化失效案例

某車載電子產(chǎn)品在使用1年多后連續(xù)出現(xiàn)了2 例相似故障。經(jīng)分析，故障均定位于內(nèi)部某一只0402 尺寸1 Ω 片式電阻阻值增大到幾十kΩ 所致。進一步分析該電阻阻值增大原因，發(fā)現(xiàn)該片式電阻在端電極與包封層交界的位置存在硫（S）和銀（Ag）元素，從形貌和成分判定，該物質(zhì)為硫化銀，即片式電阻發(fā)生了硫化腐蝕，且端電極與包封層交界位置下方的面電極銀層斷開。電阻硫化腐蝕形貌及面電極斷開形貌見圖1、圖2 所示。

進一步對故障產(chǎn)品內(nèi)部其他電阻進行成分檢測，其他個別電阻端頭也發(fā)現(xiàn)了硫化物，表明也已發(fā)生了硫化腐蝕，只是硫化腐蝕程度還未直接影響到產(chǎn)品電性能。

2 片式電阻硫化失效機理

2.1 電阻硫化機理[1-4]

失效的電阻為貼片式厚膜電阻，該類電阻的電極一般采用三層結(jié)構(gòu)（見圖3），即內(nèi)電極（包括面電極、背電極和側(cè)電極），中間電極和外部電極。內(nèi)電極中的面電極為銀鈀（Ag/Pd）漿料，背電極是銀（Ag）漿料，通過燒結(jié)而成。中間電極是電鍍鎳（Ni）,外部電極是電鍍錫（Sn）。

片電阻在工藝制作時，銀漿料電極通過燒結(jié)與電阻體形成一體，再印刷兩次玻璃保護膜。如果玻璃保護膜不能完全覆蓋銀電極材料或者保護層中存在空洞和裂紋等缺陷，使銀電極暴露在空氣中，則空氣中的H2S、O2將與Ag 發(fā)生化學反應，化學式如下所示：

生成物為高電阻率的硫化銀和水，隨著腐蝕程度的加深，會使電阻的阻值變大直至開路。硫化氣體入侵示意圖如圖4 所示，發(fā)生腐蝕的必備條件為電阻體二次保護包覆層與電極的Sn 層間存在縫隙，為硫化氣體與Ag電極提供接觸通道。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及硫化機理分析

圖1 硫化腐蝕放大形貌

根據(jù)上述電阻硫化機理，片式電阻出現(xiàn)硫化失效的必備條件有兩個方面：一是電阻端頭存在縫隙，能夠提供外部硫化物與內(nèi)電極Ag/Pd 接觸的通道；二是外部存在含S 氣體和O2。

圖2 面電極斷開形貌（金相切片）

圖3 厚膜電阻結(jié)構(gòu)

圖4 硫化氣體入侵示意圖

該產(chǎn)品內(nèi)部采用PCB 基板，開放式五面體灌封結(jié)構(gòu)（非封閉），即五面為金屬殼體，另開放一面為灌封膠。具體如圖5 所示。

該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品本單位大量采用，但其他產(chǎn)品從未反饋過類似問題。因此，對該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境進行了分析：該產(chǎn)品除采用非密封結(jié)構(gòu)外，并且整機使用在車載環(huán)境下，其空氣中存在的含S 氣體（來自工業(yè)廢氣、汽車尾氣等）較一般環(huán)境中濃度更高，使用環(huán)境較為惡劣；另根據(jù)研究報告分析，雖然灌封膠本身不含硫，但由于灌封膠與管殼內(nèi)壁的連接界面具有多孔結(jié)構(gòu)或通道，對空氣中極性分子硫化物有較強的吸附作用[5，6]，同時，基板上元器件未進行三防涂覆，因此該產(chǎn)品PCB 上元器件與空氣存在長期直接接觸的通道。

從該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，若電路內(nèi)部PCB 板中片式電阻端電極和二次保護包覆層交界處存在孔隙或者縫隙，空氣中的硫化物通過灌封膠的吸附極易造成片式電阻面電極材料中的Ag 逐漸被硫化，生成低電導率的硫化銀，從而導致電阻的阻值增大直至開路。

3 片式電阻防硫化試驗驗證

根據(jù)片式電阻硫化失效機理，經(jīng)向各電阻生產(chǎn)廠家咨詢，各廠家均推出了一些防硫化電阻產(chǎn)品，但并未經(jīng)用戶大量使用驗證，其改進方案是從電阻結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，避免相對薄弱的二次保護包覆層邊緣直接暴露于空氣環(huán)境中，主要是延長片式電阻二次保護包覆層設(shè)計尺寸，同時讓底層電極覆蓋二次保護，并達到一定尺寸，在電鍍時Ni 層和Sn 層均能容易覆蓋上二次保護層[3]。

為了驗證廠家推薦的防硫化電阻能力及保證非封閉、灌封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高可靠性，結(jié)合本單位自身工藝特點，選取了防硫化電阻、不同質(zhì)量等級、不同型號規(guī)格、不同工藝方案共27 組753 個樣本進行了連續(xù)4 周（672 h）的電阻抗硫化試驗，每周監(jiān)測電阻阻值變化情況，變化率超過標稱值容差范圍記為失效。

3.1 不同廠家不同等級電阻抗硫化能力試驗

選取Q 單位工業(yè)級電阻、Y 單位的防硫化電阻和普軍級電阻在無任何外加防護的情況，進行4 周（672 h）硫化試驗，其結(jié)果見表1。

圖5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形

從表1 試驗數(shù)據(jù)可以看出：片式工業(yè)級電阻、防硫化電阻以及普軍級電阻在沒有任何防護的情況下，均不能實現(xiàn)防硫化腐蝕功能；Y 廠家提供的防硫化電阻其本身抗硫化能力并未較工業(yè)級電阻有較大改善；防硫化電阻失效率偏高與試驗選取的樣本尺寸小、阻值小有關(guān)，同種質(zhì)量等級情況下，尺寸越小、阻值越小其防硫化能力越弱。

表1 不同等級電阻抗硫化能力試驗表

3.2 不同工藝方案試驗

由于各質(zhì)量等級電阻（包括廠家推薦的防硫化電阻）自身的抗硫化腐蝕能力均較弱，因此，結(jié)合本單位工藝特點及本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，選用了0402、0603、0805、1206 規(guī)格、阻值范圍1 Ω ～18 kΩ 共8 組片式電阻進行了多種組合工藝方案的4 周（672 h）抗硫化試驗，記錄各阻值變化，并判定失效情況。

試驗方案1：僅增加三防漆涂覆的硫化試驗

選取三種三防漆進行單獨硫化對比試驗，其試驗結(jié)果見表2。

從表2 試驗結(jié)果可以看出，僅增加三防漆涂覆，雖然硫化失效率有所降低，但仍不能完全起到防硫化效果，防硫化能力與電阻及三防漆本身質(zhì)量密切相關(guān)；同種狀態(tài)下，B 三防漆抗硫化能力優(yōu)于A 和C 三防漆。

表2 增加三防漆工藝方案的硫化試驗

試驗方案2：僅增加灌封膠涂覆的硫化試驗

選取兩種灌封膠進行單獨硫化試驗，試驗結(jié)果見表3。

從表3 可以看出，僅增加灌封膠，各種等級的片式電阻在增加灌封膠涂覆后，其防硫化能力得到較大提升，同等條件下G 灌封抗硫化能力優(yōu)于S 灌封。

表3 增加灌封膠涂覆的硫化試驗

試驗方案3：同時增加三防漆和灌封膠工藝方案防硫化試驗

根據(jù)工藝常規(guī)采用的三防漆和灌封膠進行組合對比硫化試驗，試驗結(jié)果見表4。

從表4 試驗結(jié)果可以看出，同時增加三防漆和灌封膠涂覆，可大大改善片式電阻抗硫化能力；軍品級電阻在不同三防漆和灌封膠涂覆情況下，140 個樣本經(jīng)歷672 h 硫化試驗后，均未發(fā)生硫化失效。

表4 增加三防漆和灌封膠工藝方案防硫化試驗

圖6 各種方案硫化失效率變化趨勢圖

3.3 小結(jié)

根據(jù)上述4 組試驗結(jié)果可以得出，電路中片式電阻防硫化能力與片式電阻質(zhì)量、工藝試驗方案及工藝材料質(zhì)量密切相關(guān)，各規(guī)格、各質(zhì)量等級電阻在三防漆和灌封膠涂覆后，其防硫化能力得到較大提升，其硫化失效率變化趨勢見圖6；軍品級電阻防硫化能力優(yōu)于工業(yè)級電阻和防硫化電阻；同時采用三防漆和灌封膠可以起到很好的防硫化作用。

4 結(jié)束語

本文通過某產(chǎn)品中片式電阻硫化失效的機理研究，結(jié)合生產(chǎn)過程中大量使用的各種片式電阻規(guī)格/質(zhì)量等級、工藝方案、工藝材料開展了多種工藝方案的對比試驗。通過試驗驗證表明：目前市場上某些廠家提供的防硫化電阻其防硫化能力并不理想，在高可靠非封閉電路結(jié)構(gòu)中需要驗證其實際防硫化能力才能投入使用；產(chǎn)品在方案設(shè)計階段，應充分了解用戶的使用環(huán)境，并開展產(chǎn)品的健壯性工藝設(shè)計，選擇更為合理的工藝實現(xiàn)方案，提高電路的環(huán)境適應性；對于開放式灌封結(jié)構(gòu)（五面外殼結(jié)構(gòu)）或板級產(chǎn)品，需要采用高質(zhì)量等級片式電阻，同時進行三防和灌封涂覆處理阻斷腐蝕氣體侵入路徑，能有效避免片電阻硫化失效的發(fā)生。