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                        變頻空調片狀電阻銀遷移值小的失效分析與研究

                        作者:王少輝 項永金時間:2019-04-28來源:電子產品世界收藏

                          Failure analysis and Research on small silver transfer value of frequency conversion airconditioner chip resistor

                        本文引用地址:http://www.xinfa15808.cn/article/201904/400026.htm

                          王少輝 項永金格力電器(合肥)有限公司,(安徽 合肥 230088)

                          摘要:家用外機控制器主板在售后使用2~4年時間后報E6通訊故障,經過對失效品分析為值小導致。對大量售后失效數據統計,發現失效集中在通訊電路與開關電源母線電壓檢測電路。測量阻值無固定點,與標稱阻值差異較大。通過對售后返回失效片狀電阻分析,采用高配放大鏡、能譜分析等手段研究了片狀電阻銀遷移現象和失效機理。分析研究結果顯示,片狀電阻端電極含有銀金屬,銀金屬被腐蝕遷移導通造成阻值變小。本文從片狀電阻銀遷移的失效機理、器件本身、器件實際應用環境、電路等方面進行全面分析改善,有效解決了電阻問題。

                          關鍵詞: 片狀電阻

                          0 引言

                          片狀電阻以體積小、重量輕、電性能穩定、高等特性,已經成為電子電路最常用的貼裝元件之一,是大多數電子產品的必需品,被廣泛應用于手提電腦、主機板、手機及各類家用電器產品中。片狀電阻出現銀遷移值小失效,導致開關芯片、以及光耦反饋口檢測電壓信號過大,主板電路功能失效,最終導致空調整機無法工作。對應失效控制器主板已在售后使用一段時間,使用時間較長,失效電阻阻值變化無規律,通過對售后大量失效品的深入分析研究,快速研究電阻失效原因及失效機理,采取有效的措施,具有非常重要的意義。

                          1 事件背景

                          使用片狀電阻在售后實際工作中故障較突出,可靠性較差,值小就是其中故障之一,均是使用2-4年之內失效非常突出,經過數據統計使用時間越久,故障失效數越多,嚴重影響變頻空調售后故障率,具體片狀電阻值小失效原因,以及失效機理急需進行攻克解決。

                          2 片狀銀遷移值小失效原因及失效機理分析

                          片狀電阻值小失效主要集中在變頻外機主板通訊電路與開關電源母線電壓反饋電路,且使用時間較長,經分析產品使用后阻值變小的原因是“Ag 遷移”現象,由于“Ag 遷移”后部份電阻體被Ag 金屬導通造成阻值變小。銀遷移(Silver Migration)現象是指在存在直流電壓梯度的潮濕環境中,水分子滲入含銀導體表面電解形成氫離子和氫氧根離子。銀離子的遷移會造成無電氣連接的導體間形成旁路,造成絕緣下降乃至短路。

                          2.1片狀電阻失效原因及產生原理

                          片狀電阻有三層電極結構,片狀電阻的產品結構如圖1所示,面電極是銀電極,中間電極是鎳鍍層,外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬銀導電體,二次保護包裹層是非金屬不導電體,交界線區域電鍍層很薄或未形成導電層,從而產生空隙或是縫隙,特別是當絲網印刷漏印二次保護層邊界不整齊,基體二次保護與電極鍍層之間交接處是最弱點,侵入過程如圖1所示,外界水汽、粉塵通過二次保護層與電極之間的交界處滲透到面電極,在電場的作用下,銀離子從高電位向低電位遷移,并形成絮狀或枝蔓狀擴展,在高低電位相連的邊界上形成黑色氧化銀。通過著名的水滴實驗完全可以清楚的看到銀遷移現象。水滴實驗十分簡單,在相鄰很近的含銀的到體檢滴上水滴,同時加上就可以觀察到銀離子的遷移現象。片狀電阻面電極銀遷移生成化合物Ag2O,由于Ag2O(低阻率)導電率高使面電極之間本體連接,從而出現阻值變小。

                          銀的表面遷移是一個電化學過程。當銀在高濕條件和外加電場下與絕緣體接觸,它以離子的形式離開初始位置并重新沉積到另一個地方。電解遷移可以被看作三個步驟包括:電解、離子遷移和電沉積。銀離子的遷移機制可以解釋如下:

                          a.潮濕環境中的水分在外加電場下被離子化:Ag→Ag+(1)

                          H2O→H++OH-(2)

                          b.氫離子遷移到陰極釋放出氫氣,氫氧根離子與銀離子在陽極相遇并形成膠體沉淀:Ag++ OH- →AgOH (3)

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                          c.AgOH不穩定,在陽極端分解成黑色Ag2O沉淀:2AgOH→A g2 O+H 2 O (4)

                          d.發生水合反應:A g2 O+H 2 O→2AgOH→2Ag++2OH-(5)

                          2.2片狀電阻值小失效分析

                          2.2.1廠家出廠阻值篩選分析

                          片狀電阻產品在編帶包裝時,原生產廠家均經兩臺阻值測試儀分別進行阻值測試,阻值合格的產品才可以包裝到卷盤上,在精度方面實際生產應用都有測試,測試可控。統計失效數據如表1所示,電阻阻值與標稱阻值范圍很大,在售后使用一段時間才失效,可排除生產廠家出廠時阻值經篩選直接將阻值不良品流出的可能性。

                          2.2.2片狀電阻外貌微觀分析

                          使用高倍放大鏡查看失效片狀電阻外觀如圖2所示,外觀未發現異常,電阻本體表面無損傷,兩側電極搭接正常,周邊無掛錫現象,用電阻測試儀電阻阻值偏小,較正常品阻值相差范圍較大。

                          2.2.3 高溫燒結去除片狀電阻保護層分析

                          電阻值小不良品過600℃燒結爐試驗可以把殘留在電阻上的導電物如錫、水氣等去除,由于二次保護漿是200℃固化的,電阻體的燒結溫度為850℃,過600℃燒結爐后可以在不損傷電阻體的前提下去除黑色二次保護層,從而可以直接觀察到電阻體的形貌,過爐后查看片狀電阻外觀如圖3所示,可以看到在電阻體表面覆蓋著一層疑似金屬物(紅圈處),測量電阻的阻值正常,表明不良品的電阻體是正常的。

                          2.2.4片狀電阻能譜分析

                          對阻值偏小失效品進行能譜分析,檢測點位置為上圖刮去黑色二次保護后的不良品的紅色圈處),檢測結果表明不良品的電阻體表面覆蓋的金屬物不良品主要成份是Ag(銀)元素。

                          結果判定導致電阻失效物質中均檢測出含Ag(銀)元素成分,電阻值小是因為銀遷移失效導致,失效品能譜圖及測試數據如圖4和圖5。

                          3 電路設計核查與對比分析

                          失效片狀電阻值小故障均應用于變頻空調外機主板上,失效位置及電路集中,統計內機主板數據統計沒有出現過電阻值小失效。對應用電路分析,均為直流電壓,電阻2端直流電壓從56 V~100 V之間梯度下降,對應電路電阻分壓較高。對同一電路不同機型實際應用電路設計結構及使用器件差異對比發現,開關電源母線電壓反饋電阻封裝均相同;通訊電路電阻存在兩種尺寸,且2種尺寸均有失效,尺寸不同外其它無差異,電阻功率選型設計均能滿足需求。電阻尺寸差異對電阻銀遷移失效概率,尺寸越大電阻銀遷移失效的概率相對越低,銀遷移失效持續時間也越長,電阻阻值也就越穩定。

                          3.1 開關電源母線電壓檢測反饋電路

                          三個電阻均呈梯度對母線電壓進行分壓,三個位置均有失效,查看不同機型片狀電阻均為1206尺寸封裝,封裝無差異。應用電路原理圖如圖6所示,在該電路中起分壓作用,用于檢測輸入到開關芯片反饋口直流母線電壓大小,起開關電壓調節與保護作用。

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                          此外機通訊電路采用強電零火線通訊,應用電路原理圖如圖7所示,通訊電源為220 V交流電壓,經過半波整流、濾波、穩壓二極管得到56 V的直流電源。在高頻脈沖的作用下形成低電平流到通訊電路中,觸發后直流改變的低頻脈沖。470 KΩ片狀電阻在電路中起分壓作用,將零火線通訊信號56 V直流電壓降低傳輸到光耦輸出端。

                          4 影響片狀電阻銀遷移的因素分析

                          通過對片狀電阻失效機理分析可以看到,片狀電阻銀遷移失效受到外界影響因素很多,發現有以下幾種影響因素,片狀電阻銀遷移值小影響因素如圖8所示,根據失效影響因素分布圖識別影響因素采取有效管控措施。主因是片狀電阻面電極含銀,導致銀遷移產生的因素還有:表面無涂覆物;相鄰近導體間存在直流電壓,導體間隔愈近,電壓愈高愈容易產生;使用時間;應用環境高溫高濕,水汽與粉塵較多;存在機械應力等。

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                          4.1表面硅膠涂覆影響

                          對售后失效樣品具體電路外觀進行分析,核實售后復核搜集故障品,銀遷移失效電阻位置如圖9所示,靠近高頻變壓器,光耦,以及板邊等,周邊大的分立器件較多,導致電阻普遍無涂覆硅膠較多,實際大多數沒有涂覆硅膠,由于外界腐蝕物質易侵入,從而加速銀遷移失效。電阻涂覆硅膠良好的,未發現有值小故障。

                          4.2售后實際使用環境影響

                          搜集失效數據均失效在外機變頻控制器主板,外機裝在室外,使用環境較惡劣,溫濕度差別較大,主要為溫度、濕度較高,且水汽、灰塵等其它腐蝕性物質較多。由于受外機整機運行環境影響,腐蝕物質侵入會加速銀遷移失效。

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                          4.3 片狀電阻本身電極材料影響片狀電阻內部結構圖如圖10所示,面電極為銀材料,是導致銀遷移的主因。片狀電阻有三層電極結構,面電極是銀電極,中間電極是鎳鍍層,外部電極是錫鍍層。面電極材料是金屬銀導電體,導電性能較好,在所有貴金屬中,銀的化學性質最活潑,極易產生化學反應,造成銀離子遷移現象。

                          4.4 機械應力影響

                          失效片狀電阻周圍如9所示大的分立器件較多,且通訊電路靠近板邊,生產過程或裝配電器盒后存在機械應力,致使二次保護層與外電極鍍層間縫隙變大,加速外界水汽通過二次保護層與電極鍍層之間的交界處滲透到面電極,使面電極的Ag被氧化電離,生成了化合物Ag2O,在阻值上表現出“值小”或“短路”的失效現象。受機械應力影響導致外界水汽更容易進入到片狀電阻面電極。

                          5 片狀電阻銀遷移值小解決方案

                          經實際應用以及驗證分析,采用以下5個方案均均可以抑制片狀電阻銀遷移故障發生,具體改善如下圖11所示,改善1、2、3、4均是針對電路設計布局使用片狀電阻而采取的措施,方案A和B是做有效的解決方案,方案C和D可以有效抑制銀離子生長,受失效因素影響,不能完全杜絕,搭配如下:

                          A、在單面板,以及整機電路設計容量大情況下,可以使用方案5,是最有效解決方案;

                          B、在設計容量相對集中,貼片高度集中的布局中,同時采用方案1+2+3+4,可以有效阻止銀遷移發生,相對應物料成本會增加;

                          C、同時采用方案1+2+3,受使用環境,機械應力,三防膠涂抹情況影響,在長時間使用不能有效完全杜絕,可以有效抑制銀離子的生長;

                          D、同時采用方案1+4,可以有效抑制銀離子的生長,與C方案相同,在長時間使用不能有效完全杜絕。

                          5.1 片狀電阻本體尺寸增大

                          電路應用設計中,對具體電阻封裝尺寸增大,增大端電極之間的距離,從而增大電阻兩電極的爬電距離,抑制銀離子的生長速度。電阻本體尺寸越大,電阻抗銀遷移失效持續時間越長。

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                          5.2 采用三防膠全面覆蓋

                          對電路板進行整體保護,在PCB板器件本體均勻涂覆三防膠形成有效保護膜,我司使用日本信越三防膠(日本信越三防膠性能參數如圖12),可以有效隔絕水汽、灰塵等其它等腐蝕物質侵入,從而避免銀遷移問題的發生。

                          5.3采用高含鈀量的銀鈀電極漿片狀電阻

                          根據相關的技術文獻資料及試驗表明,采用高含鈀量的銀鈀電極漿是可以有效地抑制銀遷移現象的發生,而且含鈀量越高的電極漿其抑制銀遷移的能力就會越好,目前行業內普遍使用的面電極漿是純銀或是含鈀量小于1%的,提升面電極漿的含鈀量可以提升片式電阻抑制銀遷移的能力。

                          電阻底層電極采取高鈀電極漿,金漿,一般鈀含量小于5%,也有10%。鈀和金的穩定性很好,不會受外界環境影響,可以有效降低銀離子遷移失效產生。如圖13展示了銀遷移的抑制機理。圖13(a)表明,裸銀比鈀原子更容易反應,在潮濕和電場的作用下更容易溶解Ag-Pd合金。圖13(b)表明,鈀原子形成了一個屏蔽層阻止合金的溶解。圖14展示了不同鈀含量的Ag-Pd厚膜在氧化鋁基板上的形態。銀遷移很大程度上取決于銀基漿料中鈀的含量。正如圖13中XC4所看到的,當鈀的含量超 過30%時Ag-Pd中的銀沒有脫合金溶解的發生。

                          5.4 電路使用引腳式金屬膜電阻

                          對整機產品進行可靠性評估,在整機產品的設計容量體積、以及生產效率允許的情況下,將對應電路位置容易出現銀遷移問題的電路位置改用不含銀材料的引腳式金屬膜電阻,可有效杜絕銀遷移故障發生。

                          5.5 增加二次保護層搭接長度

                          通過延長二次保護包覆層的設計尺寸如圖15所示,同時讓底層電極覆蓋上二次保護,并達到一定尺寸,在電鍍時,Ni層和Sn層均能容易地覆蓋上二次保護層。這樣避免了相對薄弱的二次保護包覆層邊緣直接暴露于空氣環境中,提高了產品的密封性能,能有效抑制外界水汽進入到電阻面電極。

                          6 片狀電阻銀遷移值小失效整改總結及意義

                          通過產品實際應用過程中的問題反饋信息及對器件單體及應用電路綜合分析,本文從片狀電阻銀遷移的失效機理、失效因素、器件應用環境,應用電路等多方面進行分析。片狀電阻在生產過程中無失效,在售后使用2年后出現大量銀遷移失效,且位置集中,對應電路存在較高的。經過對電阻失效采用高配放大鏡、高溫燒結、能譜分析等手段研究,確定電阻銀遷移現象、失效機理。

                          分析研究結果:片狀電阻端電極和二次保護包覆層之間存在縫隙,空氣中的水汽進入到片狀電阻內電極,導致內電極涂覆銀層的銀生長遷移,使電阻的阻值變小,甚出現至短路狀態??梢婋娮桡y遷移失效是一個長期逐步漸進失效過程,非過程質量控制可以解決。只要提前預防,提高器件應用環境與工作可靠性,就可以避免此故障發生。經大量的方案分析驗證確定有效解決電阻銀遷移失效,經過實際應用取得顯著效果。該方案在其他電子制造領域同樣值得借鑒。

                          通過此次整改,器件引入開發時需對器件單體及應用電路、工作環境等進行詳細有效測試評估,要與實際使用環境及使用位置進行綜合評估,將片狀電阻銀遷移值小故障案例納入設計標準,降低售后應用失效率。

                          參考文獻

                          [1] 銀遷移--在厚膜導體上的機理和影響[J],百度文庫,2017-10-19

                          [2] 雷云燕. 厚膜片狀電阻器開路失效分析 [J],電子元件與材料,2000-06-28

                          [3] 崔斌. 片狀電阻硫化失效機理及應用可靠性研究 [J],電子產品世界,2017-07-04

                          [4] Brian Mccabe. 薄膜電阻器提供不滲透硫的解決方案[J],今日電子, 2009-11-15作者簡介:王少輝,1986年生,男,助理工程師,主要研究方向:控制器售后失效分析。

                          本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第76頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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