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变频空调片状电阻银迁移值小的失效分析与研究

作者:王少辉 项永金时间:2019-04-28来源:电子产品世界收藏

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

本文引用地址:http://www.c3dnow.com/article/201904/400026.htm

  王少辉 项永金格力电器(合肥)有限公司,(安徽 合肥 230088)

  摘要:家用外机控制器主板在售后使用2~4年时间后报E6通讯故障,经过对失效品分析为值小导致。对大量售后失效数据统计,发现失效集中在通讯电路与开关电源母线电压检测电路。测量阻值无固定点,与标称阻值差异较大。通过对售后返回失效片状电阻分析,采用高配放大镜、能谱分析等手段研究了片状电阻银迁移现象和失效机理。分析研究结果显示,片状电阻端电极含有银金属,银金属被腐蚀迁移导通造成阻值变小。本文从片状电阻银迁移的失效机理、器件本身、器件实际应用环境、电路等方面进行全面分析改善,有效解决了电阻问题。

  关键词: 片状电阻

  0 引言

  片状电阻以体积小、重量轻、电性能稳定、高等特性,已经成为电子电路最常用的贴装元件之一,是大多数电子产品的必需品,被广泛应用于手提电脑、主机板、手机及各类家用电器产品中。片状电阻出现银迁移值小失效,导致开关芯片、以及光耦反馈口检测电压信号过大,主板电路功能失效,最终导致空调整机无法工作。对应失效控制器主板已在售后使用一段时间,使用时间较长,失效电阻阻值变化无规律,通过对售后大量失效品的深入分析研究,快速研究电阻失效原因及失效机理,采取有效的措施,具有非常重要的意义。

  1 事件背景

  使用片状电阻在售后实际工作中故障较突出,可靠性较差,值小就是其中故障之一,均是使用2-4年之内失效非常突出,经过数据统计使用时间越久,故障失效数越多,严重影响变频空调售后故障率,具体片状电阻值小失效原因,以及失效机理急需进行攻克解决。

  2 片状银迁移值小失效原因及失效机理分析

  片状电阻值小失效主要集中在变频外机主板通讯电路与开关电源母线电压反馈电路,且使用时间较长,经分析产品使用后阻值变小的原因是“Ag 迁移”现象,由于“Ag 迁移”后部份电阻体被Ag 金属导通造成阻值变小。银迁移(Silver Migration)现象是指在存在直流电压梯度的潮湿环境中,水分子渗入含银导体表面电解形成氢离子和氢氧根离子。银离子的迁移会造成无电气连接的导体间形成旁路,造成绝缘下降乃至短路。

  2.1片状电阻失效原因及产生原理

  片状电阻有三层电极结构,片状电阻的产品结构如图1所示,面电极是银电极,中间电极是镍镀层,外部电极是锡镀层。面电极材料是金属银导电体,二次保护包裹层是非金属不导电体,交界线区域电镀层很薄或未形成导电层,从而产生空隙或是缝隙,特别是当丝网印刷漏印二次保护层边界不整齐,基体二次保护与电极镀层之间交接处是最弱点,侵入过程如图1所示,外界水汽、粉尘通过二次保护层与电极之间的交界处渗透到面电极,在电场的作用下,银离子从高电位向低电位迁移,并形成絮状或枝蔓状扩展,在高低电位相连的边界上形成黑色氧化银。通过著名的水滴实验完全可以清楚的看到银迁移现象。水滴实验十分简单,在相邻很近的含银的到体检滴上水滴,同时加上就可以观察到银离子的迁移现象。片状电阻面电极银迁移生成化合物Ag2O,由于Ag2O(低阻率)导电率高使面电极之间本体连接,从而出现阻值变小。

  银的表面迁移是一个电化学过程。当银在高湿条件和外加电场下与绝缘体接触,它以离子的形式离开初始位置并重新沉积到另一个地方。电解迁移可以被看作三个步骤包括:电解、离子迁移和电沉积。银离子的迁移机制可以解释如下:

  a。潮湿环境中的水分在外加电场下被离子化:Ag→Ag+(1)

  H2O→H++OH-(2)

  b。氢离子迁移到阴极释放出氢气,氢氧根离子与银离子在阳极相遇并形成胶体沉淀:Ag++ OH- →AgOH (3)

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  c.AgOH不稳定,在阳极端分解成黑色Ag2O沉淀:2AgOH→A g2 O+H 2 O (4)

  d。发生水合反应:A g2 O+H 2 O→2AgOH→2Ag++2OH-(5)

  2.2片状电阻值小失效分析

  2。2。1厂家出厂阻值筛选分析

  片状电阻产品在编带包装时,原生产厂家均经两台阻值测试仪分别进行阻值测试,阻值合格的产品才可以包装到卷盘上,在精度方面实际生产应用都有测试,测试可控。统计失效数据如表1所示,电阻阻值与标称阻值范围很大,在售后使用一段时间才失效,可排除生产厂家出厂时阻值经筛选直接将阻值不良品流出的可能性。

  2.2.2片状电阻外貌微观分析

  使用高倍放大镜查看失效片状电阻外观如图2所示,外观未发现异常,电阻本体表面无损伤,两侧电极搭接正常,周边无挂锡现象,用电阻测试仪电阻阻值偏小,较正常品阻值相差范围较大。

  2.2.3 高温烧结去除片状电阻保护层分析

  电阻值小不良品过600℃烧结炉试验可以把残留在电阻上的导电物如锡、水气等去除,由于二次保护浆是200℃固化的,电阻体的烧结温度为850℃,过600℃烧结炉后可以在不损伤电阻体的前提下去除黑色二次保护层,从而可以直接观察到电阻体的形貌,过炉后查看片状电阻外观如图3所示,可以看到在电阻体表面覆盖着一层疑似金属物(红圈处),测量电阻的阻值正常,表明不良品的电阻体是正常的。

  2.2.4片状电阻能谱分析

  对阻值偏小失效品进行能谱分析,检测点位置为上图刮去黑色二次保护后的不良品的红色圈处),检测结果表明不良品的电阻体表面覆盖的金属物不良品主要成份是Ag(银)元素。

  结果判定导致电阻失效物质中均检测出含Ag(银)元素成分,电阻值小是因为银迁移失效导致,失效品能谱图及测试数据如图4和图5。

  3 电路设计核查与对比分析

  失效片状电阻值小故障均应用于变频空调外机主板上,失效位置及电路集中,统计内机主板数据统计没有出现过电阻值小失效。对应用电路分析,均为直流电压,电阻2端直流电压从56 V~100 V之间梯度下降,对应电路电阻分压较高。对同一电路不同机型实际应用电路设计结构及使用器件差异对比发现,开关电源母线电压反馈电阻封装均相同;通讯电路电阻存在两种尺寸,且2种尺寸均有失效,尺寸不同外其它无差异,电阻功率选型设计均能满足需求。电阻尺寸差异对电阻银迁移失效概率,尺寸越大电阻银迁移失效的概率相对越低,银迁移失效持续时间也越长,电阻阻值也就越稳定。

  3。1 开关电源母线电压检测反馈电路

  三个电阻均呈梯度对母线电压进行分压,三个位置均有失效,查看不同机型片状电阻均为1206尺寸封装,封装无差异。应用电路原理图如图6所示,在该电路中起分压作用,用于检测输入到开关芯片反馈口直流母线电压大小,起开关电压调节与保护作用。

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  3.2 外机控制板通讯电路

  此外机通讯电路采用强电零火线通讯,应用电路原理图如图7所示,通讯电源为220 V交流电压,经过半波整流、滤波、稳压二极管得到56 V的直流电源。在高频脉冲的作用下形成低电平流到通讯电路中,触发后直流改变的低频脉冲。470 KΩ片状电阻在电路中起分压作用,将零火线通讯信号56 V直流电压降低传输到光耦输出端。

  4 影响片状电阻银迁移的因素分析

  通过对片状电阻失效机理分析可以看到,片状电阻银迁移失效受到外界影响因素很多,发现有以下几种影响因素,片状电阻银迁移值小影响因素如图8所示,根据失效影响因素分布图识别影响因素采取有效管控措施。主因是片状电阻面电极含银,导致银迁移产生的因素还有:表面无涂覆物;相邻近导体间存在直流电压,导体间隔愈近,电压愈高愈容易产生;使用时间;应用环境高温高湿,水汽与粉尘较多;存在机械应力等。

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  4.1表面硅胶涂覆影响

  对售后失效样品具体电路外观进行分析,核实售后复核搜集故障品,银迁移失效电阻位置如图9所示,靠近高频变压器,光耦,以及板边等,周边大的分立器件较多,导致电阻普遍无涂覆硅胶较多,实际大多数没有涂覆硅胶,由于外界腐蚀物质易侵入,从而加速银迁移失效。电阻涂覆硅胶良好的,未发现有值小故障。

  4.2售后实际使用环境影响

  搜集失效数据均失效在外机变频控制器主板,外机装在室外,使用环境较恶劣,温湿度差别较大,主要为温度、湿度较高,且水汽、灰尘等其它腐蚀性物质较多。由于受外机整机运行环境影响,腐蚀物质侵入会加速银迁移失效。

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  4.3 片状电阻本身电极材料影响片状电阻内部结构图如图10所示,面电极为银材料,是导致银迁移的主因。片状电阻有三层电极结构,面电极是银电极,中间电极是镍镀层,外部电极是锡镀层。面电极材料是金属银导电体,导电性能较好,在所有贵金属中,银的化学性质最活泼,极易产生化学反应,造成银离子迁移现象。

  4.4 机械应力影响

  失效片状电阻周围如9所示大的分立器件较多,且通讯电路靠近板边,生产过程或装配电器盒后存在机械应力,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“值小”或“短路”的失效现象。受机械应力影响导致外界水汽更容易进入到片状电阻面电极。

  5 片状电阻银迁移值小解决方案

  经实际应用以及验证分析,采用以下5个方案均均可以抑制片状电阻银迁移故障发生,具体改善如下图11所示,改善1、2、3、4均是针对电路设计布局使用片状电阻而采取的措施,方案A和B是做有效的解决方案,方案C和D可以有效抑制银离子生长,受失效因素影响,不能完全杜绝,搭配如下:

  A、在单面板,以及整机电路设计容量大情况下,可以使用方案5,是最有效解决方案;

  B、在设计容量相对集中,贴片高度集中的布局中,同时采用方案1+2+3+4,可以有效阻止银迁移发生,相对应物料成本会增加;

  C、同时采用方案1+2+3,受使用环境,机械应力,三防胶涂抹情况影响,在长时间使用不能有效完全杜绝,可以有效抑制银离子的生长;

  D、同时采用方案1+4,可以有效抑制银离子的生长,与C方案相同,在长时间使用不能有效完全杜绝。

  5。1 片状电阻本体尺寸增大

  电路应用设计中,对具体电阻封装尺寸增大,增大端电极之间的距离,从而增大电阻两电极的爬电距离,抑制银离子的生长速度。电阻本体尺寸越大,电阻抗银迁移失效持续时间越长。

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  5.2 采用三防胶全面覆盖

  对电路板进行整体保护,在PCB板器件本体均匀涂覆三防胶形成有效保护膜,我司使用日本信越三防胶(日本信越三防胶性能参数如图12),可以有效隔绝水汽、灰尘等其它等腐蚀物质侵入,从而避免银迁移问题的发生。

  5.3采用高含钯量的银钯电极浆片状电阻

  根据相关的技术文献资料及试验表明,采用高含钯量的银钯电极浆是可以有效地抑制银迁移现象的发生,而且含钯量越高的电极浆其抑制银迁移的能力就会越好,目前行业内普遍使用的面电极浆是纯银或是含钯量小于1%的,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。

  电阻底层电极采取高钯电极浆,金浆,一般钯含量小于5%,也有10%。钯和金的稳定性很好,不会受外界环境影响,可以有效降低银离子迁移失效产生。如图13展示了银迁移的抑制机理。图13(a)表明,裸银比钯原子更容易反应,在潮湿和电场的作用下更容易溶解Ag-Pd合金。图13(b)表明,钯原子形成了一个屏蔽层阻止合金的溶解。图14展示了不同钯含量的Ag-Pd厚膜在氧化铝基板上的形态。银迁移很大程度上取决于银基浆料中钯的含量。正如图13中XC4所看到的,当钯的含量超 过30%时Ag-Pd中的银没有脱合金溶解的发生。

  5.4 电路使用引脚式金属膜电阻

  对整机产品进行可靠性评估,在整机产品的设计容量体积、以及生产效率允许的情况下,将对应电路位置容易出现银迁移问题的电路位置改用不含银材料的引脚式金属膜电阻,可有效杜绝银迁移故障发生。

  5。5 增加二次保护层搭接长度

  通过延长二次保护包覆层的设计尺寸如图15所示,同时让底层电极覆盖上二次保护,并达到一定尺寸,在电镀时,Ni层和Sn层均能容易地覆盖上二次保护层。这样避免了相对薄弱的二次保护包覆层边缘直接暴露于空气环境中,提高了产品的密封性能,能有效抑制外界水汽进入到电阻面电极。

  6 片状电阻银迁移值小失效整改总结及意义

  通过产品实际应用过程中的问题反馈信息及对器件单体及应用电路综合分析,本文从片状电阻银迁移的失效机理、失效因素、器件应用环境,应用电路等多方面进行分析。片状电阻在生产过程中无失效,在售后使用2年后出现大量银迁移失效,且位置集中,对应电路存在较高的。经过对电阻失效采用高配放大镜、高温烧结、能谱分析等手段研究,确定电阻银迁移现象、失效机理。

  分析研究结果:片状电阻端电极和二次保护包覆层之间存在缝隙,空气中的水汽进入到片状电阻内电极,导致内电极涂覆银层的银生长迁移,使电阻的阻值变小,甚出现至短路状态。可见电阻银迁移失效是一个长期逐步渐进失效过程,非过程质量控制可以解决。只要提前预防,提高器件应用环境与工作可靠性,就可以避免此故障发生。经大量的方案分析验证确定有效解决电阻银迁移失效,经过实际应用取得显著效果。该方案在其他电子制造领域同样值得借鉴。

  通过此次整改,器件引入开发时需对器件单体及应用电路、工作环境等进行详细有效测试评估,要与实际使用环境及使用位置进行综合评估,将片状电阻银迁移值小故障案例纳入设计标准,降低售后应用失效率。

  参考文献

  [1] 银迁移--在厚膜导体上的机理和影响[J],百度文库,2017-10-19

  [2] 雷云燕. 厚膜片状电阻器开路失效分析 [J],电子元件与材料,2000-06-28

  [3] 崔斌. 片状电阻硫化失效机理及应用可靠性研究 [J],电子产品世界,2017-07-04

  [4] Brian Mccabe. 薄膜电阻器提供不渗透硫的解决方案[J],今日电子, 2009-11-15作者简介:王少辉,1986年生,男,助理工程师,主要研究方向:控制器售后失效分析。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第76页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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