片式電阻硫化機理及失效分析

林春賢 楊玉麗

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

電阻是一種限流元件，在家電電路中起到分壓、分流、濾波等作用，電阻損壞很大比例是由于片式電阻阻值變大，甚至開路引起的。通過采用掃描電鏡和能譜分析等手段，發(fā)現(xiàn)了其失效的原因，進一步研究了片式電阻失效機理，并提出了一些預防措施。

2 片式電阻失效分析案例

對失效的控制器主板進行檢測，發(fā)現(xiàn)控制板上片式電阻阻值偏大，導致通信故障，故對該片式電阻進行分析。

2.1 性能測試

對電路板異常電阻進行阻值測試，數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 外觀檢查

用光學顯微鏡觀察電阻本體與電極交接處，發(fā)現(xiàn)在端頭鍍層與黑色二次保護層交接處有黑色物質，如圖1所示。

2.3 電鏡和能譜分析

（1）對故障件進行電鏡分析，電阻本體與電極交接處有顆粒狀物質，如圖2所示。對該顆粒狀物質進行能譜分析。

（2）對故障件R619（0603/222）電阻進行能譜分析：去除電阻表面硅膠檢測，測試結果如圖3所示。從圖3中數(shù)據(jù)分析，電阻端子含有硫物質。

（3）對故障件R619（0603/222）電阻進行能譜分析：未去除電阻表面硅膠檢測，相當于檢測硅膠，測試結果如圖4所示。從圖4中數(shù)據(jù)分析，該電阻端頭未見硫物質。因未去除電阻表面硅膠檢測，相當于檢測硅膠的成分，受檢測穿透深度的影響，部分檢測到了電阻端頭物質。

結論：綜合以上數(shù)據(jù)分析，去除電阻表面硅膠檢測到電阻端子含有硫物質；未去除電阻表面硅膠檢測，該電阻端頭未見硫物質，故部分檢測到電阻端頭物質為銀的硫化物。

2.4 金相分析

為了進一步確認是由于硫化導致片式電阻失效，對失效品及合格品進行金相顯微分析，具體結果對比如下：

（1）對失效片式電阻進行金相顯微分析，發(fā)現(xiàn)左側端子的二次玻璃層與面電極搭接處有裂紋，判斷可能是由于硫化導致該位置結構疏松，電阻與封膠之間又因為填充不完全有一小孔，該位置在磨片過程中受力產生裂紋。錫鍍層厚度平均厚度為1.95μm，鎳鍍層平均厚度為19.5μm，銀層平均厚度為7.78μm，如圖5所示。

表1 異常電阻測試值

圖1 片式電阻外觀

圖2 片式電阻掃描電鏡照片

圖3 （去除電阻表面硅膠）電阻能譜分析

圖4 （未去除電阻表面硅膠）電阻能譜分析

（2）對正常片式電阻進行金相顯微分析，右側端子的面電極鍍層結構正常，總體鍍層結構清晰。錫鍍層厚度平均厚度為2.27μm，鎳鍍層平均厚度為11.14μm，銀層平均厚度為6.24μm，如圖6所示。

分析：上述樣品中錫鍍層與鎳鍍層的厚度數(shù)據(jù)差異較大，這可能是由于分析前的磨片過程導致錫、鎳層部分交融，故不能將此數(shù)據(jù)直接定義為樣品電阻的實際厚度，對于鍍層膜厚判斷的參考意義不大。但是可以看到失效樣品左側端子的二次玻璃與面電極搭接處的銀電極已不相連，判斷為銀電極已硫化斷開導致阻值失效。

2.5 硅膠試驗分析

據(jù)通用知識所知，PCB上涂覆的硅膠具有良好的氣體滲透性，硫氣體物質能夠穿過硅膠與電阻接觸；而硅膠吸附含硫物質后富集于電阻表面，使涂覆硅膠的電阻表面的硫濃度高于沒有涂覆硅膠的電阻表面；故取60粒涂覆硅膠電阻與60粒不涂覆硅膠電阻進行硫化試驗對比，結果發(fā)現(xiàn)涂敷硅膠電阻有33粒出現(xiàn)硫化現(xiàn)象，硫化比例為55%；未涂敷硅膠電阻只有2粒出現(xiàn)硫化現(xiàn)象，硫化比例為3.33%。涂覆硅膠的電阻硫化更嚴重，說明硅膠確實可以吸附滲透含硫物質加速電阻硫化。

2.6 總結

通過上述的分析試驗得出的結論是，片式電阻異常是由于硫化造成的，而涂硅膠會加速硫化的問題。硅膠具有良好的氣體滲透性，因而含硫物質穿過硅膠使電阻發(fā)生硫化現(xiàn)象。

3 片式電阻硫化機理及預防措施研究

針對失效的電阻進行電鏡和能譜分析，電阻的電極含有硫化物。由于常規(guī)電阻用銀作為導電電極的材料，并不具備防硫能力；根據(jù)能譜分析發(fā)現(xiàn)只有硫元素屬于外來元素，因此為避免生產、儲存環(huán)節(jié)出現(xiàn)電阻硫化，應消除一些異常的硫發(fā)生源。

片式電阻器端電極一般采用三層結構，即內電極（包括面電極、背電極和側電極）、中間電極和外部電極。內電極中的面電極是銀鈀（Ag/Pd）漿料，背電極是銀（Ag）漿料，通過燒結而成。側電極一般是真空濺射鎳鉻（Ni/Cr）合金。中間電極是電鍍鎳（Ni），外部電極是電鍍錫（Sn）[2]。如圖7所示，經過對片式電阻電級結構分析發(fā)現(xiàn)導致硫化的原因如下。

3.1 電極的電鍍縫隙

片式電阻的電極為金屬材料，而保護層為絕緣材料，兩種材料特性不一致，并且電極與保護層交界處的電鍍層比較薄，容易出現(xiàn)縫隙。空氣中的硫化物慢慢從縫隙處滲透到電極中，在面電極形成硫化銀，硫化銀導電率低導致電阻開路失效[3]，如圖8所示。

3.2 涂硅膠問題導致硫化

對失效片式電阻檢測發(fā)現(xiàn)片式電阻上涂一層硅膠，對硅膠進行能譜測試，雖然未能檢測硫元素，但可能是硫化物質以氣態(tài)形式存在，能譜分析無法檢測氣態(tài)物質的成分。據(jù)了解，硅膠具有良好的氣體滲透性，加上硅膠上有很多氣孔，因而含硫物質穿過硅膠使電阻發(fā)生硫化現(xiàn)象。

綜上所述，片式電阻硫化是由于硫氣體物質能夠穿過硅膠與電阻接觸，而硅膠吸附含硫物質后富集于電阻表面，從電級縫隙中滲透到電極中，導致電極形成硫化銀。

3.3 失效預防

（1）把面電極Ag/Pd漿料改為金漿，以保證電阻不會被硫化；

（2）選擇沒有吸附硫化物的封膠，防止電阻電極與空氣的硫元素接觸；

（3）設計全封閉式片式電阻等。

總的來說，預防電阻硫化可以使用不易硫化的元素作為電極漿料，或者使用全密封封裝結構防止空氣中的硫化物進入到電阻的電極中導致硫化。

4 總結

隨著工業(yè)發(fā)展，大氣中含硫氣體越來越多，根據(jù)前期研究分析，空氣中的硫化物會與片狀電阻電極中的銀元素發(fā)生化學反應生成硫化銀導致片式電阻失效，通過對片狀電阻的硫化機理進行分析，提出了預防措施。

圖5 失效片式電阻的金相顯微照片

圖6 正常片式電阻的金相顯微照片

圖7片式電阻結構

圖8 電極電鍍縫隙導致硫化