高阻值密集平面電阻的失效分析

王紅月 胡菊紅 陳曉峰

（上海美維電子有限公司，上海 201100）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品微型化、高密度化及多功能化的發(fā)展，外界元器件對(duì)電阻器的影響不斷減少。埋置平面薄膜電阻的印制電路板（printed circuit board，PCB）所具有的穩(wěn)定性和電器性能使其得到廣泛的應(yīng)用。目前，市面上的平面薄膜電阻產(chǎn)品，一般使用25～100 Ω 方阻的Ohmega-ply埋阻銅箔，制作單元電阻線數(shù)≤10 個(gè)且長(zhǎng)度≤100 mm、阻值范圍為10.0～1.0×104Ω的埋阻產(chǎn)品，如圖1（a）所示。本文以采用Ohmega-ply 250 Ω 方阻的高阻值銅箔，制作密集、長(zhǎng)電阻［圖1（b）］的電阻圖案的產(chǎn)品為例，研究高阻值密集埋阻板制作的工藝特點(diǎn)，分析密集長(zhǎng)電阻圖案的失效模式以及影響成品電阻值波動(dòng)的因素，并針對(duì)上述問(wèn)題提出改進(jìn)措施，可為此類(lèi)特種板的制作提供技術(shù)參考。

圖1 普通短電阻與密集長(zhǎng)電阻設(shè)計(jì)對(duì)比

1 平面電阻的計(jì)算方法及形成方式

1.1 平面電阻的計(jì)算方法

電阻材料有金屬、合金薄膜、半導(dǎo)體、陶瓷等導(dǎo)電材料，電阻材料形成的薄膜電阻區(qū)域電阻值表達(dá)式如下：

式中：R為埋置電阻阻值，Ω；ρ為材料的電阻率，Ω·cm；L為電阻材料的長(zhǎng)度，cm；W為電阻材料的寬度，cm；h為電阻層的厚度，cm［1］。

對(duì)于厚度均勻的材料，如電阻長(zhǎng)度與寬度相等，即為正方形，則電阻值恒定，將該方形電阻稱為方阻。薄膜電阻通常使用方阻表示電阻值，埋入平面電阻的阻值取決于方阻的數(shù)量。其表達(dá)式如下：

式中：Rs為方塊電阻值（方阻），Ω/□；N為方塊電阻的數(shù)量，其值為薄膜電阻長(zhǎng)度L與寬度W的比值。

由式（2）可知，方阻的大小取決于薄膜電阻所用的材料及其厚度。

1.2 平面電阻層的形成方式

目前，常規(guī)的埋置薄膜平面電阻PCB 的電阻層制作流程如圖2所示。

圖2 平面電阻層制作的主要流程

（1）Ohmega-ply 埋阻銅箔與普通FR4 材料壓合成埋阻雙面覆銅板。

（2）第1次圖形制作，主要分2步。首先通過(guò)酸性蝕刻制作銅層圖形，其次通過(guò)特殊蝕刻方式，去除殘存在非圖形區(qū)域基材上的Ni-P 合金層（Ni-P合金層即為電阻層），控制電阻圖案的寬度W。

（3）第2 次圖形制作。通過(guò)堿性蝕刻，去除圖形區(qū)域的銅層位置，暴露出下面的Ni-P合金層，完成電阻圖案的長(zhǎng)度L制作。

電阻圖案制作完成后，如電阻圖案在板的內(nèi)層，可通過(guò)層壓半固化片積層的方式進(jìn)行覆蓋保護(hù)。如電阻圖案在板的外層，采用阻焊油墨、有機(jī)涂覆等方式進(jìn)行覆蓋保護(hù)，避免后續(xù)工序?qū)﹄娮鑸D案造成損傷，進(jìn)而影響成品的阻值。

2 產(chǎn)品的信息及工藝難點(diǎn)分析

2.1 產(chǎn)品的基本信息

高阻值密集平面電阻產(chǎn)品的信息及疊構(gòu)見(jiàn)表1和圖3 所示。選用Ohmega-ply 250 Ω 方阻埋阻銅箔，密集電阻線設(shè)計(jì)電阻線網(wǎng)絡(luò)為2 024條，理論電阻值為3.5×104～5.3×105Ω。

表1 高阻值密集平面電阻產(chǎn)品的基本信息

圖3 高阻值密集平面電阻PCB的疊構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 制作難點(diǎn)分析

通過(guò)電鍍方式，在銅箔表面沉積Ni-P 合金，將Ohmega-Ply 埋入電阻材料，Ni-P 層越薄，方阻越大。將250 Ω 方阻埋阻銅箔，Ni-P 合金層的厚度僅0.05 μm。制作完成后，其電阻值穩(wěn)定在一定公差范圍內(nèi)，這是埋阻板制作的關(guān)鍵。該板的阻值要求是：?jiǎn)卧獌?nèi)，電阻阻值≥2 000 kΩ 的電阻線數(shù)≤4個(gè)。

密集長(zhǎng)電阻線的Ni-P 合金層暴露后，灰黑色表觀與基材顏色差別不大，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別電阻線位置。因此，常規(guī)的自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)（automatic optical inspection，AOI）等手段無(wú)法進(jìn)行品質(zhì)管控，僅能通過(guò)電氣試驗(yàn)（electrical test，E-T）測(cè)試結(jié)果反饋?zhàn)柚?，增加了品質(zhì)管控的難度。在前期樣品的制作過(guò)程中，40 單元樣品的電測(cè)試電阻值良率僅為32.5%，僅有13 單元滿足阻值要求，產(chǎn)生的缺陷主要為阻值超差或開(kāi)路，占比85%。電阻線表觀檢驗(yàn)效果如圖4所示。

圖4 電阻線表觀檢驗(yàn)效果

Ni-P 合金層暴露后出現(xiàn)密集電阻線失效。如何避免密集電阻圖案的失效是提升產(chǎn)品良率的關(guān)鍵。下文將針對(duì)以下問(wèn)題展開(kāi)研究：①Ni-P 合金層暴露至壓合保護(hù)電阻前，電阻圖案失效的分析模式及改善措施；② 影響成品電阻值的因素及制程的優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)，制作出滿足客戶阻值要求的PCB。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 密集電阻線的失效模式及改善措施

3.1.1 試驗(yàn)部分

該P(yáng)CB 的電阻線網(wǎng)絡(luò)數(shù)較多且電阻線長(zhǎng)，只能通過(guò)E-T 測(cè)試獲得并反饋產(chǎn)品的阻值，設(shè)計(jì)內(nèi)部測(cè)試條，分析電阻線失效模式，以便準(zhǔn)確定位失效區(qū)域。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)：將內(nèi)部測(cè)試條設(shè)計(jì)為小尺寸、密集電阻線，單元電阻線總長(zhǎng)300 mm（10 mm×30），寬度100 μm，確保電阻線尺寸在高倍顯微鏡可人工檢驗(yàn)的尺寸區(qū)域內(nèi)，理論阻值750 kΩ，整板共1 353個(gè)單元，網(wǎng)絡(luò)單元橫縱分布并對(duì)其編號(hào)，以便后續(xù)在E-T 測(cè)試后找出失效網(wǎng)絡(luò)單元，同時(shí)為研究不同棕化線后阻值的變化情況，選擇1#和2#棕化處理對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)。如圖5所示。

圖5 內(nèi)部測(cè)試條設(shè)計(jì)

（2）試驗(yàn)材料：Ohmega-ply-18M250 TOC RCM銅箔，EM-526板材與半固化片。

（3）試驗(yàn)流程：A 組（對(duì)照組），前流程→堿性蝕刻線蝕刻→酸性蝕刻線去膜段→E-T 測(cè)試→失效網(wǎng)絡(luò)分析；B 組（1#棕化線），前流程→堿性蝕刻線蝕刻→酸性蝕刻線去膜段→1#棕化處理→E-T 測(cè)試→失效網(wǎng)絡(luò)分析；C 組（2#棕化線），前流程→堿性蝕刻線蝕刻→酸性蝕刻線去膜段→2#棕化線處理→E-T測(cè)試→失效網(wǎng)絡(luò)分析。

確保在電阻層暴露出后，全程無(wú)接觸，測(cè)試部分插架框運(yùn)輸。

3.1.2 結(jié)果分析

（1）失效阻值及網(wǎng)絡(luò)分布：篩選3 種樣品經(jīng)E-T 測(cè)試后的阻值，理論阻值為750 kΩ。在經(jīng)棕化處理的酸/堿性環(huán)境中，Ni-P 合金表面反應(yīng)生成非金屬導(dǎo)電物質(zhì)——磷酸化合物，其電阻率較Ni-P 合金的電阻率增大，導(dǎo)致實(shí)際的電阻值呈增大的趨勢(shì)［2］，因此設(shè)置1 200 kΩ 作為判斷電阻線失效的標(biāo)準(zhǔn)（符合電阻值≤2 000 kΩ 的客戶要求）。測(cè)試失效電阻的阻值及網(wǎng)絡(luò)分布見(jiàn)表2。

表2 失效電阻線的阻值及網(wǎng)絡(luò)分布

由表2 可知，圖形轉(zhuǎn)移去膜后無(wú)處理（A 組）及不同線棕化處理（B 組/C 組）都會(huì)出現(xiàn)阻值超差甚至失效網(wǎng)絡(luò)，損傷電阻線的方向與位置分布是隨機(jī)的，未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律；對(duì)比B 組和C 組，損傷網(wǎng)絡(luò)數(shù)無(wú)明顯差別，排除因棕化線不同造成失效缺陷。

（2）高倍鏡光學(xué)圖像分析：使用高倍鏡對(duì)上述3 種樣品失效網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光學(xué)圖像觀察（倍率×500），找出典型的電阻線失效或損傷形貌，并分析損傷原因。損傷類(lèi)型有機(jī)械損傷、摩擦損傷及操作損傷3類(lèi)，見(jiàn)表3。

表3 電阻線網(wǎng)絡(luò)的失效模式分析

對(duì)E-T 測(cè)試反饋的阻值數(shù)據(jù)異常網(wǎng)絡(luò)，人工檢測(cè)光學(xué)圖像放大100 倍以上，發(fā)現(xiàn)表面存在缺陷。其中，機(jī)械損傷及操作損傷導(dǎo)致Ni-P 合金層破損，缺陷占比約40%；輕微的摩擦損傷占比約60%。對(duì)比B組和C組，損傷電阻線類(lèi)型相同，數(shù)目無(wú)明顯差異。

（3）掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）及能量色散X射線光譜（energy dispersive X-ray，EDX）分析：針對(duì)的是損傷中較輕微的摩擦損傷，約占損傷缺陷的60%。選擇對(duì)B 組1#棕化處理的編號(hào)A26 樣品用SEM 檢測(cè)其缺陷，并對(duì)損傷區(qū)域及正常區(qū)域展開(kāi)EDX 元素分析。SEM 檢測(cè)結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明，Ni-P 合金層由反射銅箔粗糙面中類(lèi)似“蜂窩狀”的樹(shù)脂結(jié)構(gòu)支撐，該結(jié)構(gòu)較脆弱，經(jīng)輕微摩擦，其電阻表面變得光滑，接觸痕跡導(dǎo)致“蜂窩狀”表面結(jié)構(gòu)損傷。

圖6 電阻線摩擦損傷區(qū)域的掃描電子顯微鏡

通過(guò)EDX元素分析可知，受損后Ni元素含量降低40.21%，P 元素降低65.04%，造成Ni-P 合金層破損，導(dǎo)致阻值異常增大甚至失效，如表4 與圖7所示。因此，解決電阻線與外界接觸的摩擦損傷是提升電阻良率的關(guān)鍵。

表4 電阻線摩擦損傷區(qū)域與正常區(qū)域的元素分析

圖7 電阻線摩擦損傷區(qū)域與正常區(qū)域的元素對(duì)比

3.1.3 改善措施

Ni-P 合金層暴露后，在與電阻線接觸的過(guò)程中易產(chǎn)生摩擦缺陷，因此在生產(chǎn)中，均為水平線制作，采用框架運(yùn)輸。

對(duì)Ni-P 合金層暴露至層壓制程進(jìn)行控制，確保無(wú)接觸制作并保證時(shí)間管控，避免產(chǎn)生環(huán)境影響，具體措施見(jiàn)表5。

表5 電阻制作關(guān)鍵步驟的主要控制方法及要求

3.2 影響成品電阻值的因素及制程優(yōu)化

第2批次樣品交付的330單元樣品，客戶反饋在貼裝使用過(guò)程中，有25 單元出現(xiàn)電阻阻值 ≥2 000 kΩ 的網(wǎng)絡(luò)數(shù)增加的現(xiàn)象，占比7.5%。因此，在批量板制作前，對(duì)可能影響成品電阻值波動(dòng)的因素如儲(chǔ)存、加壓烘板、回流焊等展開(kāi)分析，確保批量板制作的阻值可靠性。

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

第2批次樣品E-T后的制作流程為：銑外形→最終清洗→E-T 測(cè)試→加壓烘板→最終清洗→最終檢驗(yàn)→最終品質(zhì)抽檢→包裝出貨。其中，加壓烘板及成品板儲(chǔ)存的時(shí)間可能影響阻值?？蛻粼谫N裝后發(fā)現(xiàn)阻值失效網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)，因此需測(cè)試回流焊的影響。

選擇10 單元第2 批次樣品阻值超差板（電阻值≥2 000 kΩ 網(wǎng)絡(luò)數(shù)目超過(guò)4 個(gè)），評(píng)估其停留時(shí)間、加壓烘板、回流焊等因素，測(cè)試各站點(diǎn)的阻值變化趨勢(shì)及阻值≥2 000 kΩ 網(wǎng)絡(luò)數(shù)的變化趨勢(shì)，確定引起阻值波動(dòng)的主要因素并優(yōu)化流程。

3.2.2 試驗(yàn)流程

測(cè)試數(shù)量10 單元。初測(cè)阻值（判定為超差板）→間隔時(shí)間（31 d）→烘板前測(cè)阻值→加壓烘板→烘板后測(cè)阻值→過(guò)第1 次回流焊后測(cè)阻值→過(guò)第2次回流焊后測(cè)阻值。

3.2.3 結(jié)果分析

對(duì)10 單元測(cè)試板，統(tǒng)計(jì)其各站點(diǎn)的阻值變化趨勢(shì)及阻值≥2 000 kΩ網(wǎng)絡(luò)數(shù)的變化情況，見(jiàn)表6。結(jié)果表明，儲(chǔ)存及加壓烘板會(huì)造成阻值整體及超差網(wǎng)絡(luò)增加，回流焊會(huì)造成阻值減小，對(duì)超差網(wǎng)絡(luò)無(wú)明顯影響。

表6 阻值變化的影響因素測(cè)試結(jié)果

3.2.4 流程優(yōu)化

為消除儲(chǔ)存及加壓烘板對(duì)成品板阻值測(cè)量的影響，同時(shí)為平衡加壓烘板對(duì)阻值及翹曲的影響，將E-T 測(cè)試調(diào)整至加壓烘板后；優(yōu)化加壓烘板參數(shù)，由常規(guī)的4.5 h，120 ℃，0.4 MPa 調(diào)整為 4.5 h，105 ℃，0.4 MPa。

優(yōu)化后的流程：銑外形→最終清洗→加壓烘板→E-T 測(cè)試→最終清洗→最終檢驗(yàn)→最終品質(zhì)抽檢→包裝出貨。

另一方面，對(duì)阻值≥2 000 kΩ網(wǎng)絡(luò)數(shù)≤2的交貨板，采取E-T 復(fù)測(cè)，消除測(cè)量帶來(lái)的誤差，縮短包裝、出貨的時(shí)間，確保出貨板電阻值測(cè)試的準(zhǔn)確性。

3.3 批量產(chǎn)品的缺陷分析與良率統(tǒng)計(jì)

3.3.1 缺陷分析

對(duì)批量產(chǎn)品展開(kāi)缺陷分析，如圖8 所示。由圖8 可知，電阻超差（超出上述的批量產(chǎn)品阻值接收標(biāo)準(zhǔn)）及微短在總報(bào)廢數(shù)中占比95.02%。按照表4 所述的要求，嚴(yán)格控制并改善電阻超差缺陷；對(duì)微短及短路缺陷，及時(shí)檢修，當(dāng)比例異常時(shí)反饋工程師分析改善。

圖8 批量產(chǎn)品的缺陷分析

3.3.2 良率統(tǒng)計(jì)

對(duì)于批量產(chǎn)品，第1 次圖形及外層圖形的站點(diǎn)良率已達(dá)99.9%以上，E-T 良率由樣品制作的32.5%提升至批量產(chǎn)品的88.7%，最終產(chǎn)品良率為86.17%，滿足量產(chǎn)需求并成功交付產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一款埋置高阻值密集平面電阻產(chǎn)品，選用Ohmega-Ply250 Ω 的高方阻平面電阻材料，因密集長(zhǎng)電阻制作條件及要求相對(duì)苛刻，需采取特殊控制，確保制作完成后的電阻值可穩(wěn)定在一定公差范圍內(nèi)。分析平面電阻失效模式，采取措施管控電阻層的制作過(guò)程，包括采用框架轉(zhuǎn)運(yùn)這一無(wú)接觸的生產(chǎn)方式、控制電阻制作過(guò)程的時(shí)間及操作等，同時(shí)分析影響成品阻值波動(dòng)的因素，優(yōu)化工序制作流程，最終將產(chǎn)品良率提升至85%以上。