變頻空調(diào)片狀電阻銀遷移值小的失效分析與研究

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

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

　　摘要：家用變頻空調(diào)外機(jī)控制器主板在售后使用2～4年時間后報(bào)E6通訊故障，經(jīng)過對失效品分析為片狀電阻值小導(dǎo)致。對大量售后失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)片狀電阻失效集中在通訊電路與開關(guān)電源母線電壓檢測電路。測量片狀電阻阻值無固定點(diǎn)，與標(biāo)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(xiàn)象和失效機(jī)理。分析研究結(jié)果顯示，片狀電阻端電極含有銀金屬，銀金屬被腐蝕遷移導(dǎo)通造成阻值變小。本文從片狀電阻銀遷移的失效機(jī)理、器件本身、器件實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、電路可靠性等方面進(jìn)行全面分析改善，有效解決了電阻銀遷移失效問題。

　　關(guān)鍵詞：變頻空調(diào) 片狀電阻 銀遷移失效 直流梯度電壓 可靠性

　　0 引言

　　片狀電阻以體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可靠性高等特性，已經(jīng)成為電子電路最常用的貼裝元件之一，是大多數(shù)電子產(chǎn)品的必需品，被廣泛應(yīng)用于手提電腦、主機(jī)板、手機(jī)及各類家用電器產(chǎn)品中。片狀電阻出現(xiàn)銀遷移值小失效，導(dǎo)致開關(guān)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(dǎo)致空調(diào)整機(jī)無法工作。對應(yīng)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(guī)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(jī)理，采取有效的措施，具有非常重要的意義。

　　1 事件背景

　　變頻空調(diào)使用片狀電阻在售后實(shí)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(nèi)失效非常突出，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)使用時間越久，故障失效數(shù)越多，嚴(yán)重影響變頻空調(diào)售后故障率，具體片狀電阻值小失效原因，以及失效機(jī)理急需進(jìn)行攻克解決。

　　2 片狀銀遷移值小失效原因及失效機(jī)理分析

　　片狀電阻值小失效主要集中在變頻外機(jī)主板通訊電路與開關(guān)電源母線電壓反饋電路，且使用時間較長，經(jīng)分析產(chǎn)品使用后阻值變小的原因是“Ag 遷移”現(xiàn)象，由于“Ag 遷移”后部份電阻體被Ag 金屬導(dǎo)通造成阻值變小。銀遷移(Silver Migration)現(xiàn)象是指在存在直流電壓梯度的潮濕環(huán)境中，水分子滲入含銀導(dǎo)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(dǎo)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銀遷移失效產(chǎn)生原理

　　片狀電阻有三層電極結(jié)構(gòu)，片狀電阻的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(dǎo)電體，二次保護(hù)包裹層是非金屬不導(dǎo)電體，交界線區(qū)域電鍍層很薄或未形成導(dǎo)電層，從而產(chǎn)生空隙或是縫隙，特別是當(dāng)絲網(wǎng)印刷漏印二次保護(hù)層邊界不整齊，基體二次保護(hù)與電極鍍層之間交接處是最弱點(diǎn)，侵入過程如圖1所示，外界水汽、粉塵通過二次保護(hù)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(kuò)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(shí)驗(yàn)完全可以清楚的看到銀遷移現(xiàn)象。水滴實(shí)驗(yàn)十分簡單，在相鄰很近的含銀的到體檢滴上水滴，同時加上直流梯度電壓就可以觀察到銀離子的遷移現(xiàn)象。片狀電阻面電極銀遷移生成化合物Ag2O，由于Ag2O（低阻率）導(dǎo)電率高使面電極之間本體連接，從而出現(xiàn)阻值變小。

　　銀的表面遷移是一個電化學(xué)過程。當(dāng)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(jī)制可以解釋如下:

　　a.潮濕環(huán)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)

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

　　d.發(fā)生水合反應(yīng):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(chǎn)品在編帶包裝時，原生產(chǎn)廠家均經(jīng)兩臺阻值測試儀分別進(jìn)行阻值測試，阻值合格的產(chǎn)品才可以包裝到卷盤上，在精度方面實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用都有測試，測試可控。統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)如表1所示，電阻阻值與標(biāo)稱阻值范圍很大，在售后使用一段時間才失效，可排除生產(chǎn)廠家出廠時阻值經(jīng)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(fā)現(xiàn)異常，電阻本體表面無損傷，兩側(cè)電極搭接正常，周邊無掛錫現(xiàn)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?zé)Y(jié)去除片狀電阻保護(hù)層分析

　　電阻值小不良品過600℃燒結(jié)爐試驗(yàn)可以把殘留在電阻上的導(dǎo)電物如錫、水氣等去除，由于二次保護(hù)漿是200℃固化的，電阻體的燒結(jié)溫度為850℃，過600℃燒結(jié)爐后可以在不損傷電阻體的前提下去除黑色二次保護(hù)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(jìn)行能譜分析，檢測點(diǎn)位置為上圖刮去黑色二次保護(hù)后的不良品的紅色圈處），檢測結(jié)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(jié)果判定導(dǎo)致電阻失效物質(zhì)中均檢測出含Ag（銀）元素成分，電阻值小是因?yàn)殂y遷移失效導(dǎo)致，失效品能譜圖及測試數(shù)據(jù)如圖4和圖5。

　　3 電路設(shè)計(jì)核查與對比分析

　　失效片狀電阻值小故障均應(yīng)用于變頻空調(diào)外機(jī)主板上，失效位置及電路集中，統(tǒng)計(jì)內(nèi)機(jī)主板數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)沒有出現(xiàn)過電阻值小失效。對應(yīng)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(yīng)電路電阻分壓較高。對同一電路不同機(jī)型實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及使用器件差異對比發(fā)現(xiàn)，開關(guān)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(shè)計(jì)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(xù)時間也越長，電阻阻值也就越穩(wěn)定。

　　3.1 開關(guān)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(jìn)行分壓，三個位置均有失效，查看不同機(jī)型片狀電阻均為1206尺寸封裝，封裝無差異。應(yīng)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(guān)芯片反饋口直流母線電壓大小，起開關(guān)電壓調(diào)節(jié)與保護(hù)作用。

　　3.2 外機(jī)控制板通訊電路

　　此外機(jī)通訊電路采用強(qiáng)電零火線通訊，應(yīng)用電路原理圖如圖7所示，通訊電源為220 V交流電壓，經(jīng)過半波整流、濾波、穩(wěn)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(fā)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?shù)焦怦钶敵龆恕?/p>

　　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(jī)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(fā)現(xiàn)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(jù)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(dǎo)致銀遷移產(chǎn)生的因素還有：表面無涂覆物；相鄰近導(dǎo)體間存在直流電壓，導(dǎo)體間隔愈近，電壓愈高愈容易產(chǎn)生；使用時間；應(yīng)用環(huán)境高溫高濕，水汽與粉塵較多；存在機(jī)械應(yīng)力等。

　　4.1表面硅膠涂覆影響

　　對售后失效樣品具體電路外觀進(jìn)行分析，核實(shí)售后復(fù)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(dǎo)致電阻普遍無涂覆硅膠較多，實(shí)際大多數(shù)沒有涂覆硅膠，由于外界腐蝕物質(zhì)易侵入，從而加速銀遷移失效。電阻涂覆硅膠良好的，未發(fā)現(xiàn)有值小故障。

　　4.2售后實(shí)際使用環(huán)境影響

　　搜集失效數(shù)據(jù)均失效在外機(jī)變頻控制器主板，外機(jī)裝在室外，使用環(huán)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(zhì)較多。由于受外機(jī)整機(jī)運(yùn)行環(huán)境影響，腐蝕物質(zhì)侵入會加速銀遷移失效。

　　4.3 片狀電阻本身電極材料影響片狀電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，面電極為銀材料，是導(dǎo)致銀遷移的主因。片狀電阻有三層電極結(jié)構(gòu)，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(dǎo)電體，導(dǎo)電性能較好，在所有貴金屬中，銀的化學(xué)性質(zhì)最活潑，極易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成銀離子遷移現(xiàn)象。

　　4.4 機(jī)械應(yīng)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(chǎn)過程或裝配電器盒后存在機(jī)械應(yīng)力，致使二次保護(hù)層與外電極鍍層間縫隙變大，加速外界水汽通過二次保護(hù)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(xiàn)出“值小”或“短路”的失效現(xiàn)象。受機(jī)械應(yīng)力影響導(dǎo)致外界水汽更容易進(jìn)入到片狀電阻面電極。

　　5 片狀電阻銀遷移值小解決方案

　　經(jīng)實(shí)際應(yīng)用以及驗(yàn)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(fā)生，具體改善如下圖11所示，改善1、2、3、4均是針對電路設(shè)計(jì)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(jī)電路設(shè)計(jì)容量大情況下，可以使用方案5，是最有效解決方案；

　　B、在設(shè)計(jì)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(fā)生，相對應(yīng)物料成本會增加；

　　C、同時采用方案1+2+3，受使用環(huán)境，機(jī)械應(yīng)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(yīng)用設(shè)計(jì)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(xù)時間越長。

　　5.2 采用三防膠全面覆蓋

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

　　5.3采用高含鈀量的銀鈀電極漿片狀電阻

　　根據(jù)相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)資料及試驗(yàn)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(xiàn)象的發(fā)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(yè)內(nèi)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(wěn)定性很好，不會受外界環(huán)境影響，可以有效降低銀離子遷移失效產(chǎn)生。如圖13展示了銀遷移的抑制機(jī)理。圖13(a)表明,裸銀比鈀原子更容易反應(yīng),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(tài)。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(dāng)鈀的含量超 過30%時Ag-Pd中的銀沒有脫合金溶解的發(fā)生。

　　5.4 電路使用引腳式金屬膜電阻

　　對整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評估，在整機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)容量體積、以及生產(chǎn)效率允許的情況下，將對應(yīng)電路位置容易出現(xiàn)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(fā)生。

　　5.5 增加二次保護(hù)層搭接長度

　　通過延長二次保護(hù)包覆層的設(shè)計(jì)尺寸如圖15所示，同時讓底層電極覆蓋上二次保護(hù)，并達(dá)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(hù)層。這樣避免了相對薄弱的二次保護(hù)包覆層邊緣直接暴露于空氣環(huán)境中，提高了產(chǎn)品的密封性能，能有效抑制外界水汽進(jìn)入到電阻面電極。

　　6 片狀電阻銀遷移值小失效整改總結(jié)及意義

　　通過產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中的問題反饋信息及對器件單體及應(yīng)用電路綜合分析，本文從片狀電阻銀遷移的失效機(jī)理、失效因素、器件應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)用電路等多方面進(jìn)行分析。片狀電阻在生產(chǎn)過程中無失效，在售后使用2年后出現(xiàn)大量銀遷移失效，且位置集中，對應(yīng)電路存在較高的直流梯度電壓。經(jīng)過對電阻失效采用高配放大鏡、高溫?zé)Y(jié)、能譜分析等手段研究，確定電阻銀遷移現(xiàn)象、失效機(jī)理。

　　分析研究結(jié)果：片狀電阻端電極和二次保護(hù)包覆層之間存在縫隙，空氣中的水汽進(jìn)入到片狀電阻內(nèi)電極，導(dǎo)致內(nèi)電極涂覆銀層的銀生長遷移，使電阻的阻值變小，甚出現(xiàn)至短路狀態(tài)。可見電阻銀遷移失效是一個長期逐步漸進(jìn)失效過程，非過程質(zhì)量控制可以解決。只要提前預(yù)防，提高器件應(yīng)用環(huán)境與工作可靠性，就可以避免此故障發(fā)生。經(jīng)大量的方案分析驗(yàn)證確定有效解決電阻銀遷移失效，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用取得顯著效果。該方案在其他電子制造領(lǐng)域同樣值得借鑒。

　　通過此次整改，器件引入開發(fā)時需對器件單體及應(yīng)用電路、工作環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)有效測試評估，要與實(shí)際使用環(huán)境及使用位置進(jìn)行綜合評估，將片狀電阻銀遷移值小故障案例納入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，降低售后應(yīng)用失效率。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 銀遷移--在厚膜導(dǎo)體上的機(jī)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(jī)理及應(yīng)用可靠性研究 [J]，電子產(chǎn)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(chǎn)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