片状电阻失效机理分析

作者：赵宇翔，项永金，王少辉，丁圣金

圆柱形空气调节器相比传统空调器不仅外观优雅大方，而且可实现多向均匀出风，出风范围广，舒适度大大提升，而其核心是空调控制器的功能实现。实际过程及售后频繁出现控制器片状电阻失效故障，困扰供应商的同时造成客户投诉问题。片状电阻普遍用于控制器，相对于传统的电阻具有面积小、空间利用率高等优点，应用非常广泛。本文重点对片状电阻失效机理进行浅析。

0 引言

片状电阻器是空调控制器及控制器组件内的核心器件。其体积小、重量轻、电性能稳定、可靠性高等特性，使之成为电子电路最常用的贴装元件之一。它是大多数电子产品的必需品，广泛应用于电路板、操控板等各类生活电器产品，其性能工作状态直接影响产品的调试及使用。

当片状电阻器出现开短路及值大、值小等性能问题时，会导致主控板检测电压信号不稳定，进而造成显示器上显示故障代码，直接影响用户对产品运行状态的错误判断，因此，结合过程和售后数据对片状电阻器失效机理及工作可靠性进行研究分析，具有非常重要的意义。

1 事件背景

机组电控在过程测试及售后出现E6、H5等故障，经数据比对发现主要是售后故障率较高，使用2~4 年内失效现象非常突出。经数据统计发现，使用时间越久，故障失效数越多，严重影响产品质量及用户实际体验效果，故片状电阻器失效原因及失效机理急需进行分析研究并加以改善。

2 片状电阻失效机理分析

结合售后复核及厂内数据来看，发现多单电控失效情况，排查大部分为电阻器开短路异常所致，取下电阻反复多方验证测试发现阻值不稳定，并对故障品的性能参数、电阻量、电路设计等进行多方面研究，具体分析如下。

2.1 片状电阻开路

2.1.1 银金属氧化

1）对失效电控复核通电测试均为无反应，测量发现R40 位置贴片电阻出现开短路情况，同时从复核过程分析发现有个别贴片电阻经过高温焊接后恢复正常情况，对不良品进行放大镜观察未发现焊盘处有开裂异常，仔细观察发现电阻表面有发黑现象（图2）。

2）对贴装位置电路进行分析，该电路的电压为脉冲信号（ 图3），最大为5 V，万用表测量平均值在2.4 V左右。从电路分析，该电路均未发现异常，因此判断电路工作电压不是导致开路主要原因。

3）对部分故障贴片电阻进行X-ray 光照射，未发现明显异常，通过对不良品进行观察发现下端的面电极位置受到破坏，底材金属发黑，左端有少量银白色的镀层残留，残留镀层边缘切口呈圆弧状（ 见图4）。

 

 

图4 X-ray透视及局部放大

4）使用X-ray 测厚仪对故障品发黑位置进行能谱测试（见图5）。

5）从图6 片状电阻结构示意图可以看出，片状电阻的端子分为外部电极（ 材质为锡金属）、中间电极（ 材质为镍金属）、内部电极（ 分为面电极、端电极及背电极三部分，其中面电极、背电极材质为银金属，端电极为镍铬合金），故障电阻在显微镜下看到，发黑焊盘（银氧化）上面有部分防潮油覆盖，说明电阻银层上的镀锡已经在刷防潮油前脱落，脱落后剩下银层，刷防潮油时覆盖了银层，但并未全部覆盖，在使用过程中焊盘银层受潮出现氧化。综合分析确认，造成电阻故障的原因为电阻端子面电极受到破坏（ 包括：撞击、刮伤、拉扯等应力），造成表面镀层脱落或缺失，进而暴露出端子底层的银金属；银金属在长时间暴露在空气中后氧化发黑，生成不导电的氧化银等金属氧化物。随着时间的推移，银金属逐渐减少，从能谱可见主峰为银金属波峰，即发黑金属的主要物质为银金属（氧化银）。银金属氧化物逐渐增多，导致电阻值不稳定，最终表现为电阻开路，所以售后在使用年限不长便出现器件失效。

2.1.2 电极起翘

1）不良品测试电极端阻值正常，测试外部电极表现为开路，清洗后放大镜下观察发现电阻电极处有明显裂纹，电极有翘起现象，应为常见溅射不良导致；进一步对不良品观察发现，左边电极有缺损及松脱痕迹，从侧面进行观察明显可见面电极与端电极有一条断裂痕迹，另外可见面电极有翘起现象（见图7）。

2）故障品测试电极端阻值正常，测试外部电极表现为开路，说明电阻本体的性能是合格的，电阻失效模式端子面电极镀层脱落、端子与电阻本体之间的搭接断裂，造成阻值开路异常，随机抽取不良品进行研磨- 电镜分析，见表2。

各不良品端子镀层厚度数据如表3。

3）除已脱落部位的镍镀层厚度无法测量出数据外，其他位置的镍镀层厚度测试合格，同步测试其性良好，无差异性偏差，因为镍镀层“耐熔蚀性和耐焊接热”，数据未显示电阻存在“镍镀层厚度不足导致耐熔蚀性和耐焊接热性超差”的可能性。基于在前述分析中不良品端子镀层结构未见异常隐患，应可排除电阻本身固有不良，为此综合分析为产品在生产过程中受到外力作用（如PCB 分片、插件、装配时弯曲产生的应力，电烙铁补焊或手工焊接时的高温冲击等）导致面电极镀层被撕裂，进而造成器件失效，出现开路状态。

2.2 片状电阻短路

1）对不良品放大镜下进行正面观察电阻未见异常，并同步对其性能进行测试，测试结果面电极（黄色箭头）测试阻值合格、端电极（绿色箭头）测试阻值合格（见图8）。因端电极与面电极测试的阻值一致，说明电阻性能符合要求，是合格的。

2）对不良品背面放大镜下进行观察，电阻下端有一道形似长形焊锡的异物。该异物几乎连接两侧端子，同步对该异物进行烙铁加温不可去除，从而说明长条焊锡在电阻出厂时已经存在，结合以往典型案例进行分析，可确认该长条焊锡异物是印刷电阻背电极时浆料污染所致，贴板后会因为焊锡而发生短接故造成器件短路。

 

3）模拟背电极模浆料涂覆不当试验发现，似有浆料残留在两侧背电极之间的区域。分析表明，印刷在基板上的浆料尚未固化定型，因此发生浆料流延溢出污染了原本留空的空白处。当产品电镀后，该处污染的浆料被镀上镀层，最终形成不良品所示的现象，当电阻完成生产后，就会发生短路情况。

 

3 可靠性提升解决方案

1）从失效模式及可靠性试验（耐焊试验、模拟SMT 试验、端头强度试验等）结果分析论证非片阻本身故障导致，为过程中存在外力损伤所致，生产过程中受机械应力（插件、装配）影响，电阻端子受镊子、剪刀等工具碰撞或板与板之间的摩擦，若作用在产品的外力超出产品端头的承受能力时，致使二次保护层与外电极镀层间缝隙变大，加速外界水汽通过二次保护层与电极镀层之间的交界处渗透到面电极，使面电极的Ag 被氧化电离，生成了化合物Ag2O，在阻值上表现出“开路”的失效现象，需要对过程应力点进行整改排查杜绝，从而保证产品的可靠性。

2）根据相关技术文献资料及试验表明，采用高含钯量的银钯电极浆可以有效地抑制银迁移及氧化现象发生，而且含钯量越高的电极浆抑制银迁移的能力越好，目前业内普遍使用的面电极浆是纯银或含钯量小于1%，提升面电极浆的含钯量可以提升片式电阻抑制银迁移的能力，当钯含量超过30% 时，Ag-Pd 中的银没有发生脱合金溶解，进一步提高了片状电阻的可靠性。

3）陶瓷基板印刷背电极时，按规定要求进行严格外观检查，检查完成后放回机台的传送导轨，且在基板与导轨距离处进行软防护，可防止基板与导轨上相邻基板发生触碰，从而杜绝产品电镀时的浆料污染，进而提高了产品的可靠性。

4 失效整改总结及意义

片状电阻器在日常使用中并没有像其他核心功率电子元器件一样得到重视，但往往异常的出现都是隐秘性、长期性和关键性的。目前的电阻器件趋于小型化、多用化，对可靠性的要求越来越高，不仅考虑电阻器件的使用性，也要考虑实际生产、安装、维修等情况，经过对电阻失效采用高配放大镜、研磨- 电镜分析、能谱分析等手段研究分析，确定了片状电阻器开、短路失效现象，进而从失效机理上有针对性地进行实验验证，从而提高物料的可靠性。

责任编辑：tzh