金属膜电阻器常见失效模式的机理分析.pdf

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1、金属膜电阻器常见失效模式的机理分析 苏州市 电子产品检验站季 荣襁 摘要 从1 口 盯年江苏省七广家生产的R J 1 4 z 1 呻强样品 试试验和1 9 8 B 年某厂 十半度瓤 I 试 发现，渡 声品袅效最多的为稳惫湿热试 验其失效模式有二：阻值增太超差和断路 作者用扫 描电镜 跏察骨折厦置特征能谱表面微区分析，找出了该 两模式和失效机理并提出丁若干厦馈措施 一、前 言 电阻器在 电子设备 中使 用的数量很大，因而 电阻器失效导致设 备故 障的 比率也相 当 高(约占1 5)”，据 现场使用情 况的统计 表明，非 线绕 固定电阻器 的主 要 失 效 模 式 为 l导 电层断 路 占4 9，

2、阻值漂移 超 差 占 2 2 引线机械损伤 占1 7 金 属膜 电阻 器 情 况相似 o 1 9 8 7 年我们 对江 苏省七 厂家生 产 的金属膜 电阻 器R儿4进 行了全面 试验 测试，结果 列于 表 1中。为提高该元件 的可靠性和 成品率，本文就试验和 生 产中出现 的最 常见 的两种失效模式t阻值增大和断 路现 象 进 行 了分析 研究，用扫描 电子显微 镜(下简 称 S EM)观察 分析和X线能谱表面 分析 测定，找 出 了其失效机理，提 出 了若干反 馈措 施。二、试验测试情况和 失效模 式分布 时Rn4 试验测试 的依据 是：I EC 1 5 一 l、I E C 1 l 5 2及

3、 l 1 5 2一I。该标准 比原部标S J 7 5 7 3 要求 大为提高(现 已正式批准 为国标，即GB 5 7 2 9、3 O、3 1)稳态湿 热试验由原部标的 l O 天提高到 5 6 天，各项 试 验后 的阻 值 允许 变 化 大 为减 小，温度 系数 加严 了近一 个数 量级。这次试 验群“1 11 总数为 2 1 0 0 只，不合格品数 3 1 3 只，占1 4 9 。其 中，穗态湿热试 验后失效 最多(占失效 总数 的3 8)，失效 模式均 为断 路 和阻值 漂移超 差，尤以 l MQ的高阻元 件失效最严 重(见 表 1)。这种失效 几乎都 出现在加 电试 验的组 中。该试验

4、条件为：4 0，R H9 3 ：，5 6 天l(加 直流6 3 V)由我省某元 件厂8 8 年 四次季 度例 行试验 结果发现，R儿4主要 失效情 况 与 上 述 类 f c 。三、失效分析和结果 在分析前，笔者 对本批 R J 1 4的失效 样 品电参数进 行了复测，确认试验提 供的样品 电参数 失效。然后 对其 外观 先用放大镜和 实 体 显微 镜 检查，表 明无 明显异常现 象后，才 将失效元件泡八 甲苯 或环 己酮溶剂 中，经数 十小 时后 即可去 除漆 保护膜(可用加 温方 式 加速 漆膜 溶解)，再用 扫描 电子显 微镜 观察 分析，拍摄 样品失效部位 的S EM照片 笔者 还 对

5、某些 失效 电阻器失 效部位用X射 线能谱(K线)进 行了表面微 区分析。结 果如 下：照 片 l为完好的 R儿4 的 S EM形 貌象。可见 其导 电膜完好无 损，导 电螺 旋带 整齐 平 鼎片 L 正 瞽均Rn4 电阻滞导电曦s EM形貌(x5 0)33 I 维普资讯 http:/ 表 1 Rn4 失效统计表(试验样品总数2 1 0 o 只)值 1 攀 1 0 0 0 j 4 攫 l 蠢 1 誊 A 1 0 k0 I L M 0 1 0 0Q 1 0 k0 1 M 0 l 1 l8(3 只开路)B 1 5 0 0 I 4 7k0 l 1 MQ I 1 0 0 0 1 M 0 I 咖 0 l

6、 fl k I F G 一 一一 1 2 l 点 I t t 辨 s 3 I l 6 台 计 37 6 3 2 备注 _1 一翟 8只6开2烙 1)3 1 l15 87 1,8 只 开 路)：l5 7 8 直，照片右上端 金属 帽处的 白痕属来 去尽 的 漆膜。照片 2为 l 样品稳 态 湿 热试验后，其 阻值 从 9 8 4 0 k Q 增 加 到 1 4 8 1 5 k Q，印 R R：+5 0 6 。由照片 2 可明显看出 电 34 阻器 左上端 垒属帽附近导 电膜 层 已呈现大片 白痕，槽间的导电膜已多处迁移破坏。照片 3为 2 断 路失 效样品 的导 电 膜形 貌，呈现 出该处 膜层

7、 开路 对上述两只失效样品在失效部位进行了 一 _Illl Lll 一 维普资讯 http:/ l 3 2 样 品 的SEM形 貌(2 0 0)，电阻 礁 呈 断 蹄 x特征能谱表面分析，其结果经计算处理 后 自动打 印记录如下(见 表 2、3)从中看出，导 泡膜 表而隙溅 射J 去 的 Ni、C r、F c、Ti 元素外，还存在为数不 少 陶碱金属K离子和碱 土金属Ca 离子 K和Ca 离子的存 在对 电阻膜层 的可 靠性 是 极 有 害 的，这些离子极易溶 入水 巾，加剧 了金 属电 阻膜 屡的电解作用 照片 4为3 失效样 品，瘸 稳态 湿热试验 后阻值 变化较小的失效模 式(R=十7

8、2 ，标准 要求 AR 士(2 R+0 1 Q)。解 表 2 1 样品 O 2、F 1 8 9 C0 CENTRATI O W-r AT S E I(K I 0 6 1 4 6 2 2 4 1 CAK 7 7 6 l 0 3 5 3 4 2 TI K 3 7 2 1 5 7 7 6 CRK 3 1 9 7 3 2 8 7 1 4 5 I EK 1 3 8 2 l 3 2 3 3 3 6 N l K 4 1 6 7 3 7 9 4 1 8 5 t 0 0 00 表 3 2 样品 O 2 一 FEB一 8 9 C0 CENT RAT l ON W T AT S E CAK 1 2 1 7 1 5

9、7 9 5 2 3 r r I K 1 3 48 1 4 6 4 5 6 8 CRK 2 8 I 9 2 8 2 1 3 4 8 FEK 1 0 I 4 9 4 5 9 9 9 N l K 3 6 O 2 3 1 9 2 4 3 4 100 00 圈 照”4 3 失效样品(1 6 0，s EM)剖发现，当除去漆膜后导电膜及陶瓷攮体上 有一层 黄褐 色的氧 化物。照片 5、6分别为 3 样品左及右 端 头二 个槽 间导 电膜 的放大 S E M 象。由于左 端接阳极，氧 化较右端严 最，实 体显微镜下 观察 到左端的氯化 物也明 显 X微 区能 谱测 定所得 的 电阻磺 左有端成 份 如 表 4

10、、5所 示。裘 4 3 样 品左端 成份 0 2 一 F EB-8 9 C0NCE TRAT I oN W T AT S E T I K 2 8 3 2 3 1 5 6 1 9 6 CRK 2 0 4 3 2 0 9 7 3 0 4 FEK 1 8 7 3 1 7 9 0 3 9 9 N I K 3 2 5 2 2 9 5 6 3 3 5 1 00 00 35 维普资讯 http:/ 表 5 3 样品右端 成份 0 2一 F E B一 8 9 CONCENTRA，rI ON W T AT S E 1、I K 2 7 8 9 3 1 O 9 2 4 9 CRK 2 0 4 4 2 O 9 9 3

11、 8 O I EK 2 0 O 9 l 9 2l 4 6 5 N j I(3 1 5 8 2 8 72 4 1 8 i 0 0 O 0 j 6 3 失效 样 品(右)(x 4 B 0SEM)分析发现 3*失效样品 左右两端 的表面 成份 完垒一致，它 与试验后阻值变 化较 大和 断路 的失效样 品(1 、2*)相 比，其 表而 导 电膜不 含有碱 金属钾和 碱土 金属钙，阻值 变 化也 较小。就其失效机理来说，前者是氧 化作 用，而 后者 是 电解作用。四、失效机理及其讨论 导致 该类电阻器老化 的因 素可以用 图 i 表示。由图看出，电 解作用 是 引起 阻值 3 6 增大致使失效的重要因素

12、。表 1 和工厂侧试 结 果均表明，在高温、高 湿、直 流电负荷 的 长期作用下，电阻器 出现 了较 多失效，其模 式均为 电阻增 大超 出规 范要 求，直至断路，变化规律 与图 1相 吻合。失效 的原因是，外 层保护 漆膜 本身存在缺 陷，或在 电、热应 力和潮热气候环境作用下，漆层较容易被潮 气 渗透，当潮气浸 入导 电膜内时，在 电负荷 下引起电解，尤其是对具有螺纹灼高阻薄膜 电阻器影响 更大，因为螺纹 匝间的间 隙形 成 很大 的电位梯 度 且 膜层较薄，易 受电解破 环。周 2表示金属拱 电阻器在电负荷下的电 解作用 引起阻 值的 变化情 况。陶 1 皂 阻器老化的存斡(a)考虑一段

13、单位 妊的薄膜；(b)电 瞬过程 图 解；(c)水 瞳的示意匿 闷 2 薄膜型电阻器班负荷下n 勺 电解示意网 经 分析研究，这类 螺旋薄膜 电阻器，阻值为R时，则其 阻值 的相对变化罨可 以 f 下式表示。一C 一 一 一a R p I p 1 S 其 中，C、p、U、L分别 表 示 温 度 常数、维普资讯 http:/ 金属膜 屠电阻牢、直流电压和 金属膜 长度，B、p B为水膜 厚度和 I 乜阻率 j t、a为 电阻器 胰 晨螺距和 水膜 距离(或匝距缝 隙)f S 为 电阻器工作 表而积 T 为老化 时问。对某一 金属膜 电阻器而 言，C、p、U和s 邡 已确 定，无疑老化时 间 T越

14、长，阻值变 化 就越明显，匝距缝 隙 a增大，电阻器 的阻靛 稳定性 增高。虽然 阻 值 的变化与膜层 螺距 t 的平方成正 比，而实 际上，螺 距t 不能太小，田它 受刻槽机能 力的限制，而 且 导电螺旋 带缩得很窄时，导电膜的不均 匀性和 缺陷将 憎大，这样会加速膜 的破坏。试 验是在加 电 砸荷下及潮气和高 温作 用下 进行 的，浸入水 膜的 电阻率p n 的降低，无 疑会加速 电解过 程，而P 与 基体材 料、表 面状态 及其杂质 污染有 很 大关系。溅射形成的Ni、Cr、Fe、Ti 成 份 的 导电膜屡 的密度，远 比块状 金属小，晶 梅 也不完 整，所 以陶瓷 基体 中若含有碱 金

15、属 K，Na 和碱土 金属Ca “，均极易溶人 水 膜，使 p 大大 减小，因而 使 电解作用加剧。水膜厚 度 与保 护覆 盖层 的缺 陷有关，并且 从微观角 度考虑，导电膜的均 匀性、平整性 差 另 l j 很大，使 吸 附的水 膜 厚 度也有很 大 差 译，因此 螺旋 导电带的 损坏 或开 路往往发生 存有缺 陷的膜层部位，尤其是 含有碱金属或 碱土金 属的导 电膜 中更易 引起这类铣陷。对 会 属膜 电阻 器主要是在阳 极一 侧膜层上逐渐 形成 白痕，导致阻值增大。白痕 不断扩张，直至整个 导电骥开 路，这一 过程示意于 图 3 巾。也 有人做过 这样 的试 验：把没有保护 层 的金羼蟆

16、 电阻器放在 4 0 、9 5 RH潮热箱 巾，加 上直流负荷，几分 钟 后，其 阻 值 就 会明显增大，几十分钟后 会急剧升高，数 小 时后即可 出现开路 失效。电阻器 阻值 越高，有害杂质 越多，这种 变化 越激 烈，失效 也越 快。媾次，对于在稳态 湿热试验后 阻倩 变亿【a 最 抑 电 裤籀 敞【b)接 连 开 拍 白疲(c)自瘟向正揣槛 稃 围 3 电解袅热过程示意阿 较小的先效 样品，解 剖分忻表明，其 失效 机 理 主要是导 电材 料及粘结剂 的氧 化。图 1巾 相应的 曲线，从阻值 变化的速度、趋势 殛解 剖后呈 现 的黄 褐色的特 征，及x 能谱 表面 分析 的测定 结果也说

17、 明这类失效 是氧 化作J 】所致，因为它不存 在有 害的碱 金属和 碱：卜金 属，从而抑 制了 电解作 用。必须说 明的是，x能 谱仪 不能 检出较轻的氧之类 的元 素，因 而测试结果未能显示出氧元素的存在。五、结 论 负荷 下的稳态湿热试 验或处于高 温高湿 气候下工作 的金属膜 电阻器的 阻值 增大或开 路失效，其主要 失效机 理有二：电解作 用和氧 化作用。当陶 瓷基体中 含有 K、Na Ca”等 杂质 时，失效机理 以 电解作 用为 主，阻侦 迅 速增加，失效 速度较侠，而无 这 些 杂 质(下转 第】5 剪)37 维普资讯 http:/ M CT=m1：5 6 1 4(1天)4)l

18、 和百 一 n一 2 2 L n2+L 2【L+2 2+H z)+2 J 2(J+2)0 0 7 3 4 9 8 2(l+1)(L+2 2+2)+2 。(，+A )O 9 8 1 9 l O 07 485 7 相 5 f =1一B=9 2 5 1 5 三、结 论 通过 述分析 计算，我们可以得出如 下四点 结论：(1)Ma r k o v型 可修系统必 须是，n 成 系统 的所 有部件的寿命分布 和修理时间分布 皆为 负指数分 布 只 要其 中任一个分布不是 负指数分布，则都为 N o n Ma r k o v型可修系统(2)不论任何复杂的可修系统，只 要 是 Ma r k o v型，分析和计

19、算的方法都是类同的。分析问题或解陕问题的关键是，准确地标记系 娆所经历的 各个状 态。而后 列出相应的状态转 移方程 组，从而写 出转 移矩阵，画 出状 态转 移 r 习。(3)系统状态的确定，取决于下列因素：组成系统的各部件是否同型或部分同型，各 部件 的随机最(譬如寿 命戒修理时 间y是相依还 是相互独立 I系统 的可靠性框 图修 理设备 戒修理工的数最若有贮存备件，还需考虑贮存的洼质(热还是冷)和转换开关的 性 质。(4)任一 Ma r k 0 v 可修 系统，特 别是复杂 系统，理 论上是 可以求得瞬时可 用度A(t)、可靠 度 R(t)和瞬时故 障颊度re(t)、平 均故 障次数u(

20、t)然而实 际上要求 出它 们的解析表达 式 往往是很费力盼。但求得稳态可用度、稳定故障频度和平均开工 时润、停工时间I 及平均周 期，则般容易些，因为这涉及解线性齐次代数方程组。然，如果一定要求得数字结果，只得借助 电子计算机。根据上述思想，我们可以求解各种复杂的串并联式 Ma r k o v可侮系统。限于篇幅，我们 将在 另文讨 论。参考文献 1 N J M c o r m e k：R e i a b l l t y a n d s k Ari a 节 p，nT 一 1 5 2 _ _ l Ac a 姆mi P r e s (1 0 8 1)【2 1 敢 手册 编写组 敦 册 【3 1 喈

21、；j 程韫：可靠陛数学引论 p p B 1 0 6 1 1，救育 板社(1 g T 9)p p 1 8 8-2 5 6科 学 出板社(1 g B 6)(上接第3 7 页)时，9 以氧化作用为主。为有效地提高金属 膜 电阻器的耐 湿负荷寿命，应 从选择 合适 的 漆展材 料、理 想 的涂漆工 艺、完 好的导电膜、平整 的膜 层 刘槽和 控制陶 瓷基体 的有 害离子 等方 面着手。(杂 窑这 缟 显)参 考 文 献：1)啦电阻器与微型器悖 0，1 9 7 6 1#，1 2 划(2)台属膜 电阻器质量挥讨，1 0 8 7 年 江 i i、l 电子产品试验站 3)电咀 器 1 0 8 1 灭 电大 擎(宗 立 选编 技)1 5 维普资讯 http:/