片式厚膜电阻的硫化防护_陈吉.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期33摘要：片式厚膜电阻在电子产品中的应用非常广泛，但是传统的厚膜电阻的电极中含银，在运行环境比较恶劣，含硫污染物较多的情况下，银非常容易同硫发生反应，生成电导率低的硫化银，从而使电阻的阻值变大甚至开路。开展了多种电阻工艺方案、工艺材料的耐硫化环境试验。通过对比，提出了片式厚膜电阻防硫化的可靠性技术解决方案。关键词：厚膜电阻；敷形涂覆；硫化中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0033-05Abstract:Chip thick fi lm resistors are widely used in electronic products,but the electrodes of traditional thick fi lm resistors contain silver.In the case of poor operating environment and many sulfur pollutants,silver is very easy to react with sulfur to generate silver sulfi de with low conductivity,which makes the resistance value of electrical resistance larger or even open circuit.Various resistance process plans and process materials have been tested for resistance to vulcanization.Through comparison,a reliable technical solution for the sulfi de corrosion protection of chip thick fi lm resistor is proposed.Keywords:thick fi lm resistor;conformal coating;sulfuration Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0033-05片式厚膜电阻的硫化防护Sulfide Corrosion Protection of Chip Thick Film Resistor陈吉，陈鹏，陈祎，周峰，潘祥虎CHEN Ji,CHEN Peng,CHEN Yi,ZHOU Feng,PAN Xianghu（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412000）(Zhuzhou CRRC Times Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000,China)0 引言硫化是指金属（如铜、银）暴露在气态或液态硫化物中被腐蚀的现象。片式厚膜电阻的电极中通常都含银，容易同环境中的硫化物产生反应，生成电导率低的硫化银，随着腐蚀程度增加，电阻阻值增大，最终导致开路1。有文献研究表明，片式厚膜电阻在硅胶包封的情况下会加速硫化腐蚀的发生2。预防厚膜电阻硫化腐蚀的思路主要有：1）从器件方面改善，采用防硫化电阻。不同电阻厂家采用的防硫化方案也有所差异。2）从电路板防护方面改善，常见的手段是进行电路板涂覆或灌封。常用的硫化加速试验方法有混合性腐蚀气体试验、硫粉试验、硫油试验。标准ASTM B 809中规定的硫化试验是加速复现电阻硫化现象最有效的一种方法。本文中开展了多种电阻工艺方案、工艺材料的耐硫化环境试验。通过对比，提出了片式厚膜电阻防硫化的可靠性技术解决方案。1 电阻硫化失效案例某电路板在使用两年后连续出现了几起相似故障。经排查，故障均定位于两只1206封装片式厚膜电阻，对其阻值测试时发现已经开路。对电阻进一步进行失效分析，对电阻的表面进行扫描电镜（SEM）观察和能谱仪（EDS）分析，结果发现：失效样品在端电极于包封层的交界处有硫作者简介：陈吉（1 9 8 6-），男，毕业于中南大学，工程师，主要从事轨道交通电子产品的工艺研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.0092023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology34元素（S）和银元素（Ag），根据其成分及形貌，判断该位置存在硫化银（Ag2S），如图1所示。图1 电阻的S E M/E D S 分析结果图2 失效电阻切片分析图3 厚膜电阻结构图图5 试验电路板图4 硫化气体入侵路径示意图原子百分比/%质量分数/%元素原子百分比/%质量分数/%元素切片分析也发现失效品的面电极存在断开情况，断开位置发现有硫元素，如图2所示。综上判断电阻失效的原因为面电极银层被含硫物质腐蚀断开，造成开路失效。2 电阻硫化失效机理分析2.1 电阻硫化机理失效的电阻为贴片式厚膜电阻，该类电阻的电极一般采用三层结构（如图3所示），即内电极（包括面电极、背电极和侧电极）、中间电极和外部电极。内电极中的面电极为银钯（Ag/Pd）浆料，背电极是银（Ag）浆料，通过烧结而成。中间电极是电镀镍（Ni），外部电极是电镀锡（Sn）。片式电阻在工艺制作时，银浆料电极通过烧结与电阻体形成一体，再印刷两次玻璃保护膜。如果玻璃保护膜不能完全覆盖银电极材料或者保护层中存在空洞和裂纹等缺陷，使银电极暴露在空气中，则空气中的H2S、O2将与Ag发生化学反应，化学式为：4Ag+2H2S+O2=2Ag2S+2H2O生成物为高电阻率的硫化银，随着腐蚀程度的加深，会使电阻的阻值变大直至开路。硫化气体入侵情况如图4所示，发生腐蚀的必备条件为电阻体二次保护包覆层与电极的Sn层间存在缝隙，为硫化气体与Ag电极提供接触通道。2.2 产品运行环境及生产工艺分析该电路板的最终运行环境是地铁环境。有文献表明地铁运行的空气质量较差，武汉地铁2号线颗粒物PM2.5、PM10浓度超标严重3，广州地铁部分路段及时段SO2浓度亦超出国家标准要求4，说明地铁的运行环境中有硫腐蚀氛围存在。该电路板的生产工艺流程为SMT波峰焊点硅胶涂覆。其中点硅胶是为了对铝电解电容进行加固，防止震动过程中损伤。失效的电阻距铝电解电容很近，刚好被包封在硅胶下方，由于是先点胶再进行涂覆，所以失效电阻上并没有涂覆剂进行防护。电路板上其他位置同类电阻没有失效问题。根据研究报告分析，虽然硅胶本身不含硫，但硅胶具有多孔结构，对空气中极性分子硫化物有较强的吸附作用。因此，推测该电路板电阻硫化失效的原因是电路板的运行环境中含有硫化物，而硅胶对硫化物有吸附作用。空气中的硫化物通过硅胶吸附，硅胶中硫化物浓度增加。由于硅胶包覆住了电阻，电阻本身没有涂覆剂的防护，这样硅胶中的硫化物容易通过电阻端缝隙与Ag电极接触，生产低导电率硫化银，从而导致电阻阻值增大直至开路。2.3 试验验证为了验证前面的推测，设计了一组试验进行验证。试验电路板如图5所示，在电路板上贴装好原型号电阻后，采用三种工艺方案进行硫化试验，见表1。表1 三种工艺硫化试验方案编号工艺方案描述电阻数量/个A先点硅胶再进行涂覆2 0B先涂覆再点硅胶2 0C不点胶、不涂覆2 0试验条件参考标准ASTM B 809，使用硫蒸汽试验装置：在105 烘箱内放置饱和的硝酸钾溶液（以及第44卷第1期35图6 硫粉试验装置图7 电阻失效率趋势图图8 不同型号涂覆剂对应器件失效趋势图未溶解的硝酸钾）、硫粉，内部湿度80%以上，样品悬挂于箱内，时间持续500 h，并定期进行电阻阻值测试，试验装置如图6所示。试验结果如图7所示。可以看出，先点硅胶再进行涂覆的样本最先在96 h开始发生失效，且很快失效率达到100%。不涂覆不点胶的样本在96 h发生失效，失效率随时间缓慢上升。先涂覆再点胶的样本最后发生失效。该结果也验证了前面的推测：硅胶吸附环境中的硫化物，使得硅胶中硫化物浓度增加，使包覆的无涂覆剂保护的电阻的硫腐蚀加速，甚至比没有点胶没有涂覆的样本失效更快，而先涂覆再点胶的样本中，由于电阻有涂覆剂的保护，直到最后才发生失效。3 预防电阻硫化研究3.1 电阻硫化预防方案预防厚膜电阻硫化腐蚀的思路主要有：1）从器件方面改善，采取防硫化措施。2）从电路板防护方面改善，常见的手段是进行电路板涂覆或灌封。对器件采取防硫化措施主要有：1）在银电极上再增加保护层；2）改变电极材料成分及比例，提高稳定性，如提高面电极 Ag/Pd 浆料中钯的含量，由于浆料中钯含量的提高，钯的稳定性提高了电阻抗硫化能力；3）把面电极 Ag/Pd 浆料改为金浆，以保证电阻不会被硫化。对电路板防护常见的手段是进行电路板的涂覆或灌封。电路板涂覆是指在电路板上喷涂一层保护漆，以增强电路板抵御恶劣环境影响的能力。不同涂覆材料的防护能力有差异。灌封是将灌封胶灌入装有电子元件、线路的模块内，在一定条件下固化，达到粘接、密封、防护的目的。电路板涂覆是公司普遍采用的一个电路板防护手段。3.2 电阻硫化预防试验为进一步研究涂覆对电阻防硫化的防护效果，选取A、B两种品牌及不同封装的普通厚膜电阻，采用不同型号的涂覆剂进行喷涂，防硫化电阻在不做涂覆防护的条件下，参考标准ASTM B 809进行硫化试验，持续500 h并定期进行阻值测试。试验方案见表2。表2 电阻硫化预防试验方案涂覆剂型号A 品牌电阻B 品牌电阻厚度/m型号数量/个型号数量/个C C 10 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0C C 20 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0C C 30 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0C C 40 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0C C 50 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0C C 60 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 07 0 1 0不涂覆0 4 0 20 6 0 30 8 0 51 2 0 60 8 0 5（防硫化电阻）各2 00 6 0 30 8 0 51 2 0 6各2 0注：B 品牌电阻在公司没有0 4 0 2 器件，且未推出防硫化电阻，所以未做相关试验。3.3 试验数据分析3.3.1 不同型号涂覆剂防硫化效果分析器件随着试验时间陆续发生失效，统计器件各个时间段的总的合格率数据如图8所示。时间/h合格率/%时间/h1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0失效率/%陈吉，等：片式厚膜电阻的硫化防护2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology36图9 A、B 品牌电阻合格率趋势图图1 2 无涂覆电阻合格率趋势图图1 0 A 品牌器件不同封装合格率图1 1 B 品牌器件不同封装合格率不同型号的涂覆剂的防硫化能力差异较大。CC4、CC6、CC7三种涂覆剂对电阻能起到很好的防硫化作用，试验进行到500 h后还未有任何器件失效。而喷涂CC2、CC3、CC5三种涂覆剂的电阻在试验过程中均有失效出现，防护效果次之。CC1对防硫化几乎没有起到作用，与没有涂覆的器件失效率相当。3.3.2 不同品牌器件防硫化效果分析统计A、B品牌的普通厚膜电阻总的合格率数据如图9所示，可以看出A品牌器件的失效率比例明显低于B品牌器件。时间/h1 0 0 9 08 07 06 05 0合格率/%时间/h1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 00合格率/%时间/h时间/h1 0