Failure analysis and Research on small silver transfer value of frequency conversion airconditioner chip resistor
王少辉 项永金格力电器（合肥）有限公司，（安徽 合肥 230088）
摘要：家用变频空调外机操控器主板在售后运用2～4年时刻后报E6通讯毛病，经过对失效品剖析为片状电阻值小导致。对许多售后失效数据计算，发现片状电阻失效会集在通讯电路与开关电源母线电压检测电路。丈量片状电阻阻值无固定点，与标称阻值差异较大。经过对售后回来失效片状电阻剖析，选用高配放大镜、能谱剖析等手法研讨了片状电阻银搬迁现象和失效机理。剖析研讨成果显现，片状电阻端电极含有银金属，银金属被腐蚀搬迁导通构成阻值变小。本文从片状电阻银搬迁的失效机理、器材自身、器材实践运用环境、电路可靠性等方面进行全面剖析改进，有用处理了电阻银搬迁失效问题。
关键词：变频空调 片状电阻 银搬迁失效 直流梯度电压 可靠性
0 导言
片状电阻以体积小、重量轻、电功用安稳、可靠性高级特性，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，被广泛运用于手提电脑、主机板、手机及各类家用电器产品中。片状电阻呈现银搬迁值小失效，导致开关芯片、以及光耦反响口检测电压信号过大，主板电路功用失效，终究导致空调整机无法作业。对应失效操控器主板已在售后运用一段时刻，运用时刻较长，失效电阻阻值改动无规律，经过对售后许多失效品的深化剖析研讨，快速研讨电阻失效原因及失效机理，采纳有用的办法，具有非常重要的含义。
1 事情布景
变频空调运用片状电阻在售后实践作业中毛病较杰出，可靠性较差，值小便是其间毛病之一，均是运用2-4年之内失效非常杰出，经过数据计算运用时刻越久，毛病失效数越多，严重影响变频空调售后毛病率，具体片状电阻值小失效原因，以及失效机理急需进行霸占处理。
2 片状银搬迁值小失效原因及失效机理剖析
片状电阻值小失效首要会集在变频外机主板通讯电路与开关电源母线电压反响电路，且运用时刻较长，经剖析产品运用后阻值变小的原因是“Ag 搬迁”现象，因为“Ag 搬迁”后部份电阻体被Ag 金属导通构成阻值变小。银搬迁(Silver Migration)现象是指在存在直流电压梯度的湿润环境中，水分子进入含银导体外表电解构成氢离子和氢氧根离子。银离子的搬迁会构成无电气衔接的导体间构成旁路，构成绝缘下降甚至短路。
2.1片状电阻失效原因及银搬迁失效产生原理
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，中心电极是镍镀层，外部电极是锡镀层。面电极资料是金属银导电体，二次维护包裹层对错金属不导电体，交界限区域电镀层很薄或未构成导电层，然后产生空地或是缝隙，特别是当丝网印刷漏印二次维护层鸿沟不整齐，基体二次维护与电极镀层之间交接处是最缺点，侵入进程如图1所示，外界水汽、粉尘经过二次维护层与电极之间的交界处浸透到面电极，在电场的效果下，银离子从高电位向低电位搬迁，并构成絮状或枝蔓状扩展，在凹凸电位相连的鸿沟上构成黑色氧化银。经过闻名的水滴实验彻底能够清楚的看到银搬迁现象。水滴实验非常简略，在相邻很近的含银的到体检滴上水滴，一起加上直流梯度电压就能够观察到银离子的搬迁现象。片状电阻面电极银搬迁生成化合物Ag2O，因为Ag2O（低阻率）导电率高使面电极之间本体衔接，然后呈现阻值变小。
银的外表搬迁是一个电化学进程。当银在高湿条件和外加电场下与绝缘体触摸,它以离子的方式脱离初始方位并从头堆积到另一个当地。电解搬迁能够被看作三个进程包含:电解、离子搬迁和电堆积。银离子的搬迁机制能够解说如下:
a.湿润环境中的水分在外加电场下被离子化:Ag→Ag+(1)
H2O→H++OH-(2)
b.氢离子搬迁到阴极释放出氢气,氢氧根离子与银离子在阳极相遇并构成胶体沉积:Ag++ OH- →AgOH (3)
c.AgOH不安稳,在阳极点分解成黑色Ag2O沉积:2AgOH→A g2 O+H 2 O (4)
d.产生水合反响:A g2 O+H 2 O→2AgOH→2Ag++2OH-(5)
2.2片状电阻值小失效剖析
2.2.1厂家出厂阻值挑选剖析
片状电阻产品在编带包装时，原出产厂家均经两台阻值测验仪别离进行阻值测验，阻值合格的产品才能够包装到卷盘上，在精度方面实践出产运用都有测验，测验可控。计算失效数据如表1所示，电阻阻值与标称阻值规模很大，在售后运用一段时刻才失效，可扫除出产厂家出厂时阻值经挑选直接将阻值不良品流出的可能性。
2.2.2片状电阻外表微观剖析
运用高倍放大镜检查失效片状电阻外观如图2所示，外观未发现异常，电阻本体外表无损害，两边电极搭接正常，周边无挂锡现象，用电阻测验仪电阻阻值偏小，较正常品阻值相差规模较大。
2.2.3 高温烧结去除片状电阻维护层剖析
电阻值小不良品过600℃烧结炉实验能够把残留在电阻上的导电物如锡、水气等去除，因为二次维护浆是200℃固化的，电阻体的烧结温度为850℃，过600℃烧结炉后能够在不损害电阻体的前提下去除黑色二次维护层，然后能够直接观察到电阻体的描摹，过炉后检查片状电阻外观如图3所示，能够看到在电阻体外表掩盖着一层疑似金属物（红圈处），丈量电阻的阻值正常，标明不良品的电阻体是正常的。
2.2.4片状电阻能谱剖析
对阻值偏小失效品进行能谱剖析，检测点方位为上图刮去黑色二次维护后的不良品的赤色圈处），检测成果标明不良品的电阻体外表掩盖的金属物不良品首要成份是Ag（银）元素。
成果断定导致电阻失效物质中均检测出含Ag（银）元素成分，电阻值小是因为银搬迁失效导致，失效品能谱图及测验数据如图4和图5。
3 电路规划核对与比照剖析
失效片状电阻值小毛病均运用于变频空调外机主板上，失效方位及电路会集，计算内机主板数据计算没有呈现过电阻值小失效。对运用电路剖析，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践运用电路规划结构及运用器材差异比照发现，开关电源母线电压反响电阻封装均相同；通讯电路电阻存在两种尺度，且2种尺度均有失效，尺度不同外其它无差异，电阻功率选型规划均能满意需求。电阻尺度差异对电阻银搬迁失效概率，尺度越大电阻银搬迁失效的概率相对越低，银搬迁失效持续时刻也越长，电阻阻值也就越安稳。
3.1 开关电源母线电压检测反响电路
三个电阻均呈梯度对母线电压进行分压，三个方位均有失效，检查不同机型片状电阻均为1206尺度封装，封装无差异。运用电路原理图如图6所示，在该电路中起分压效果，用于检测输入到开关芯片反响口直流母线电压巨细，起开关电压调理与维护效果。
3.2 外机操控板通讯电路
此外机通讯电路选用强电零前方通讯，运用电路原理图如图7所示，通讯电源为220 V沟通电压，经过半波整流、滤波、稳压二极管得到56 V的直流电源。在高频脉冲的效果下构成低电平流到通讯电路中，触发后直流改动的低频脉冲。470 KΩ片状电阻在电路中起分压效果，将零前方通讯信号56 V直流电压下降传输到光耦输出端。
4 影响片状电阻银搬迁的要素剖析
经过对片状电阻失效机理剖析能够看到，片状电阻银搬迁失效遭到外界影响要素许多，发现有以下几种影响要素，片状电阻银搬迁值小影响要素如图8所示，依据失效影响要素分布图辨认影响要素采纳有用管控办法。主因是片状电阻面电极含银，导致银搬迁产生的要素还有：外表无涂覆物；相附近导体间存在直流电压，导体间隔愈近，电压愈高愈简单产生；运用时刻；运用环境高温高湿，水汽与粉尘较多；存在机械应力等。
4.1外表硅胶涂覆影响
对售后失效样品具体电路外观进行剖析，核实售后复核收集毛病品，银搬迁失效电阻方位如图9所示，接近高频变压器，光耦，以及板边等，周边大的分立器材较多，导致电阻遍及无涂覆硅胶较多，实践大多数没有涂覆硅胶，因为外界腐蚀物质易侵入，然后加快银搬迁失效。电阻涂覆硅胶杰出的，未发现有值小毛病。
4.2售后实践运用环境影响
收集失效数据均失效在外机变频操控器主板，外机装在室外，运用环境较恶劣，温湿度不同较大，首要为温度、湿度较高，且水汽、尘埃等其它腐蚀性物质较多。因为受外机整机运转环境影响，腐蚀物质侵入会加快银搬迁失效。
4.3 片状电阻自身电极资料影响片状电阻内部结构图如图10所示，面电极为银资料，是导致银搬迁的主因。片状电阻有三层电极结构，面电极是银电极，中心电极是镍镀层，外部电极是锡镀层。面电极资料是金属银导电体，导电功用较好，在所有贵金属中，银的化学性质最生动，极易产生化学反响，构成银离子搬迁现象。
4.4 机械应力影响
失效片状电阻周围如9所示大的分立器材较多，且通讯电路接近板边，出产进程或安装电器盒后存在机械应力，致使二次维护层与外电极镀层间缝隙变大，加快外界水汽经过二次维护层与电极镀层之间的交界处浸透到面电极，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简单进入到片状电阻面电极。
5 片状电阻银搬迁值小处理计划
经实践运用以及验证剖析，选用以下5个计划均均能够按捺片状电阻银搬迁毛病产生，具体改进如下图11所示，改进1、2、3、4均是针对电路规划布局运用片状电阻而采纳的办法，计划A和B是做有用的处理计划，计划C和D能够有用按捺银离子成长，受失效要素影响，不能彻底根绝，调配如下：
A、在单面板，以及整机电路规划容量大状况下，能够运用计划5，是最有用处理计划；
B、在规划容量相对会集，贴片高度会集的布局中，一起选用计划1+2+3+4，能够有用阻挠银搬迁产生，相对应物料成本会添加；
C、一起选用计划1+2+3，受运用环境，机械应力，三防胶涂改状况影响，在长时刻运用不能有用彻底根绝，能够有用按捺银离子的成长；
D、一起选用计划1+4，能够有用按捺银离子的成长，与C计划相同，在长时刻运用不能有用彻底根绝。
5.1 片状电阻本体尺度增大
电路运用规划中，对具体电阻封装尺度增大，增大端电极之间的间隔，然后增大电阻两电极的爬电间隔，按捺银离子的成长速度。电阻本体尺度越大，电阻抗银搬迁失效持续时刻越长。
5.2 选用三防胶全面掩盖
对电路板进行全体维护，在PCB板器材本体均匀涂覆三防胶构成有用维护膜，我司运用日本信越三防胶（日本信越三防胶功用参数如图12），能够有用阻隔水汽、尘埃等其它等腐蚀物质侵入，然后防止银搬迁问题的产生。
5.3选用高含钯量的银钯电极浆片状电阻
依据相关的技能文献资料及实验标明，选用高含钯量的银钯电极浆是能够有用地按捺银搬迁现象的产生，并且含钯量越高的电极浆其按捺银搬迁的才能就会越好，现在行业界遍及运用的面电极浆是纯银或是含钯量小于1%的，进步面电极浆的含钯量能够进步片式电阻按捺银搬迁的才能。
电阻底层电极采纳高钯电极浆，金浆，一般钯含量小于5%，也有10%。钯和金的安稳性很好，不会受外界环境影响，能够有用下降银离子搬迁失效产生。如图13展现了银搬迁的按捺机理。图13(a)标明,裸银比钯原子更简单反响,在湿润和电场的效果下更简单溶解Ag-Pd合金。图13(b)标明,钯原子构成了一个屏蔽层阻挠合金的溶解。图14展现了不同钯含量的Ag-Pd厚膜在氧化铝基板上的形状。银搬迁很大程度上取决于银基浆猜中钯的含量。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产生。
5.4 电路运用引脚式金属膜电阻
对整机产品进行可靠性评价，在整机产品的规划容量体积、以及出产功率答应的状况下，将对应电路方位简单呈现银搬迁问题的电路方位改用不含银资料的引脚式金属膜电阻，可有用根绝银搬迁毛病产生。
5.5 添加二次维护层搭接长度
经过延伸二次维护包覆层的规划尺度如图15所示，一起让底层电极掩盖上二次维护，并到达必定尺度，在电镀时，Ni层和Sn层均能简单地掩盖上二次维护层。这样防止了相对单薄的二次维护包覆层边际直接露出于空气环境中，进步了产品的密封功用，能有用按捺外界水汽进入到电阻面电极。
6 片状电阻银搬迁值小失效整改总结及含义
经过产品实践运用进程中的问题反响信息及对器材单体及运用电路归纳剖析，本文从片状电阻银搬迁的失效机理、失效要素、器材运用环境，运用电路等多方面进行剖析。片状电阻在出产进程中无失效，在售后运用2年后呈现许多银搬迁失效，且方位会集，对应电路存在较高的直流梯度电压。经过对电阻失效选用高配放大镜、高温烧结、能谱剖析等手法研讨，确认电阻银搬迁现象、失效机理。
剖析研讨成果：片状电阻端电极和二次维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成长搬迁，使电阻的阻值变小，甚呈现至短路状况。可见电阻银搬迁失效是一个长时间逐渐渐进失效进程，非进程质量操控能够处理。只需提早防备，进步器材运用环境与作业可靠性，就能够防止此毛病产生。经许多的计划剖析验证确认有用处理电阻银搬迁失效，经过实践运用获得显著效果。该计划在其他电子制作范畴相同值得学习。
经过此次整改，器材引进开发时需对器材单体及运用电路、作业环境等进行具体有用测验评价，要与实践运用环境及运用方位进行归纳评价，将片状电阻银搬迁值小毛病事例归入规划标准，下降售后运用失功率。
参考文献
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[3] 崔斌. 片状电阻硫化失效机理及运用可靠性研讨 [J]，电子产品世界，2017-07-04
[4] Brian Mccabe. 薄膜电阻器供给不浸透硫的处理计划[J]，今天电子, 2009-11-15作者简介：王少辉，1986年生，男，助理工程师，首要研讨方向：操控器售后失效剖析。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第76页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
