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HAST试验箱在贴片薄膜电阻失效分析中的应用

作者: 中达电子 编辑: 瑞凯仪器 来源: www.riukai.com 发布日期: 2019.11.16
前言
    近几年,随着电子元器件的需求量日益增大,很多厂家在电子元器件的生产过程中发现电阻器失效导致设备故障的比率也相当高。特别是贴片精密薄膜电阻(以下简称电阻),因其工艺及结构的特点,在电阻研发的当中因环境温湿度导致阻值漂移甚至开路的案例越来越多,厘清失效原因及机理,已成为迫切需要研究的课题。而传统的40℃、90%RH和85℃、85%RH的温/湿度偏压试验方法(THB)需要花上千小时,已不能满足当今高时效性的需求。
     PCT高压蒸煮试验机是在严苛的温度、饱和湿度(100%R.H)饱和水蒸气及励环境下其耐高湿能力的试验。HAST高压加速老化试验箱是使用在加压和温度受控的环境中施加过热蒸汽的非冷凝(不饱和方法),将外部保护材料、密封剂或外部材料和导体之间通过加速水分渗透的作用进行试验,目前在微电路及半导体分析中已得到广泛的应用。
    本文将 HAST高压加速老化试验箱应用于电阻失效机理的研究和耐湿热性能的评估中,展示了HAST高压加速老化试验箱在电阻失效分析中的实践应用,为电阻的工艺改进及可靠性检验提供了一套快速、有效的测试方法,对电阻品质的改善与提升具有一定的指导意义。
    分析背景

    某产品客户端失效,经测试发现为电阻开路所致。电阻规格:348KΩ±0.1%,额定功率:0.1W。电阻命名如表1。

电阻命名如表1

    外观观察

    先用实体显微镜对电阻保护层进行外观观察,如图1红色框起处,A-NG陶瓷基体外露,保护层未覆盖至边缘。再用SEM(Hitachi S-3400N)对A-NG、A-OK边缘保护层形貌进行放大观察,如图1a、1b所示,A-NG保护层边缘疏松粗糙。

图1a、1b

    去除保护层

    先用有机溶剂去除电阻保护层,再用金相显微镜进行观察。如图2a黄框所示,A-NG边缘位置金属膜缺失,用万用表对缺失膜两端进行电性确认显示开路,故电阻失效的原因为金属膜缺失所致。如图2b所示,A-OK金属膜完整,未见明显异常。

金属膜缺失所致

    原因探讨
    电阻是导体的一种基本性质,与导体的材料、长度、横截面积和温度有关。当阻值为R时,可用公式R=ρL/S表示,其中L、S分别表示导体的长度和截面积;ρ表示导体的电阻率,对某一电阻器而言,L、ρ是已经确定的,阻值随着S的变化而改变。金属膜缺失使电阻S变小,从而导致电阻阻值偏大或开路。
    金属膜缺失原因主要有:
    (1)使用过程中过电应力致使金属膜熔损。
    (2)因湿热、环境或电流(电压)等因素,使原本存在的金属膜遭受电解反应而破坏、消失,此现象称之为电蚀。
    机理研究
    为进一步厘清失效真因和机理,模拟不同条件下的失效现象,论证失效机理。
    (1) EOS试验
    采用直流电源供应器(Chroma 62024P-600-8)进行测试,测试电压分别为600V、1000V,持续时间(5±1)s。
    (2) HAST试验
    采用 高加速寿命试验箱(Hirayama PC-422R8D)进行测试,测试条件:温度130℃、湿度85%RH、真空度0.12MPa、偏压10V、时间96H。测试标准:JESD22-A110E。HAST的目的为评估电阻在高温、高湿、偏压的加速因子下,保护层与金属膜对湿气腐蚀抵抗的能力,并可缩短器件的寿命试验时间。

    试验条件及结果见表2,EOS、HAST试验后电阻均出现阻值偏大或开路的现象。

试验条件及结果

    图3为试验不良品去除保护层图片,如图3a、3b所示,EOS试验不良品金属膜均有不同程度的熔损,电压越大膜熔损越严重,阻值变化越大甚至开路,此现象与A-NG金属膜缺失现象不同。如图3c所示,HAST试验不良品可见电阻边缘位置金属膜缺失,与A-NG失效现象一致,失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。

试验不良品去除保护层图片

    电蚀失效主要以薄膜电阻为主,常见的失效机理有2种:

    (1)在金属膜沉积后,印刷保护层之前这段时间有杂质污染,成品通电时造成电蚀。

    (2)保护层有外伤或覆盖不好,杂质和水汽进入导致电蚀。

    为进一步研究失效机理,寻求改善方向,对以上2种失效机理进行深入探讨,选取A-原材、B-原材进行结构分析与比对。图4为电阻的结构图,电阻的金属膜是以Ni-Cr合金溅镀沉积而成的薄膜,基板为氧化铝,保护层材料为环氧树脂。

电阻的结构

    杂质污染检测

    当陶瓷基体及金属膜中含有K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质时,电解作用加快,阻值迅速增加,失效速度加快。为验证A-NG金属膜表面有无杂质污染,对去除保护层后的金属膜进行EDX(HORIBA EX-250)成分分析,如图5a、5b分别为缺失膜与正常膜区域的元素检测结果,后者可见金属膜Ni、Cr元素,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。

缺失膜与正常膜区域的元素检测结果

    电阻保护层剖析
    保护层外观形貌观察

    用SEM对A-原材、B-原材保护层形貌进行观察,如图6a红色箭头所示,A-原材保护层表面有大量孔洞。如图6b所示,B-原材保护层表面均匀致密。

电阻保护层外观形貌图片

    电阻保护层表面结构观察

    金属膜缺失位于边缘位置,对电阻去除正面端电极后观察其边缘结构。如图7a红色框所示,A-原材边缘陶瓷基材外露。比对可知:A-原材、B-原材保护层边缘结构设计不同,后者边缘保护更充分。

电阻保护层表面结构观察

    电阻保护层内部结构观察

    对电阻进行微切片制样,用SEM观察保护层内部微观结构,再进行EDS成分分析。如图8a,A-原材保护层中间与两端厚度差异明显,中间局部可达62.64um,两端厚度在10.58um~19.19um之间,内部填充物颗粒粗大,其主要成份为C、O、Mg、Si。如图8b,B-原材保护层相对较薄,中间与两端无明显差异,厚度约为32.75um,可见不同组分的两层结构,填充物颗粒细小,其主要成份分别为C、O、Al、Si和C、O、Mg、Al、Si、Cr、Mn、Cu。比对可知:A-原材保护层边缘薄,且填充颗粒粗大,水汽易侵入,与失效发生在边缘位置的现象相符。B-原材保护层结构致密,且两层结构可更好的保护金属膜免遭湿气的侵入。

电阻保护层内部结构

    电阻HAST能力比对

    选取A-原材、B-原材各10pcs进行HAST试验,比对不同厂商电阻耐湿热能力。把电阻焊接在测试板上,然后插入HAST试验箱,设置条件:130℃/85%RH/

电阻HAST能力比对

    0.12MPa/10V/96H。规格要求试验前后电阻的阻值变化率(ΔR/R)≤±(0.5%+0.05Ω)。测试结果如图9所示,A-原材ΔR/R皆超出规格,其中1pcs测试开路,B-原材ΔR/R皆满足规格要求。测试结果表明,A-原材耐湿热能力差,其结果与保护层比对结果相对应。A-原材保护层存在孔洞及边缘保护不到位等缺陷,在高温、高湿的环境条件下,金属膜容易被湿气侵入,在电负荷作用下发生电蚀,从而导致阻值漂移或开路。
    结论
    本文从电阻失效分析着手,通过试验模拟探寻失效机理,并通过不同厂家电阻比对寻求改善方向,得出如下结论:
    1) 电阻失效的原因为金属层缺失所致。
    2) EOS、HAST试验结果显示:A-NG失效现象与HAST试验失效样品一致。失效机理为电阻在高温、高湿、直流负荷的作用下发生电蚀。
    3) 对A-NG缺失膜与正常膜区域成份进行检测,未发现K+、Na+、Ca2+、Cl-等杂质元素,排除金属膜表面杂质污染导致电蚀的猜测。

    4) 对比A、B厂商电阻,A厂商电阻保护层存在空洞及边缘保护不到位等缺陷,容易被湿气侵入。通过HAST比对电阻耐湿热能力,进一步印证以上结论。为有效的提高电阻的耐湿热性能,建议从电阻保护层的工艺、厚度以及材质方面加以改善:a.选择填充颗粒细小的材料,减少湿气进入通道;b.调整保护层的厚度,使中间与边缘厚度相对均匀;c.使用耐湿热的保护材料。

文章来源:江苏中达电子

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