简析厚膜片式电阻器的硫化失效

简析厚膜片式电阻器的硫化失效

丁能飞  

工业和信息化部电子第五研究所  510000

一、前言

我们所接触到的厚膜片式电阻器本身是现有电子电路中经常使用的贴装元件之一，硫化失效本身是现有的一种较为常见的失效现象，电阻器的硫化往往会直接影响电阻器的性能。空气中存在着各种形式的含硫物质，如汽车尾气、化工废气、温泉的硫磺气体等，这些含硫物质会与面电极中的银发生反应而逐渐生成一种导电效果较差的化学物质，继而逐渐导致电阻器出现阻值变大或者开路问题。其硫化反应的化学反应方程式如下：

对由于硫化失效的电阻器进行电镜扫描观察与能谱分析，在电阻器的二次保护包裹层与面电极的交界位置发现的含硫物质即为硫化银，见图1～图3。

上图纸中所显示的是电阻器发生硫化失效后的硫化银形貌以及能谱谱图，电阻器发生硫化位置中的碳、硅元素是其表面所附着硅胶的构成成分，银元素为面电极材料，只有硫元素属于外来成分。

二、制造工艺与结构简介

电阻器的硫化失效与其工艺、结构以及使用环境密切相关。在对厚膜片式电阻器硫化失效展开分析前，首先需要对它的生产工艺与结构有一定的认识。

厚膜片式电阻器的传统制造工艺如下：基材背导、正导印刷→导体烧结→电阻体印刷、烧结→一次玻璃保护层印刷、烧结→刻沟槽调整电阻值→二次玻璃保护层印刷、烧结→标识字符印刷、烧结→拆条→侧导→拆粒→电镀→测试→包装。

厚膜片式电阻器的端电极一般包括内、中、外三层电极结构，其典型结构示意图见图4。其中，内电极还分为面电极（银钯材料Ag/Pd）、背电极（银浆料Ag）和侧电极（镍铬合金Ni/Cr）；中间电极为电镀镍Ni；外部电极为电镀锡Sn。

三、硫化失效机理

厚膜片式电阻器的二次保护包裹层与内部电极的交接处本身就是相对薄弱的环节。当外界环境存在含硫物质时，含硫物质可以通过薄弱环节渗透至面电极中，导致该处面电极发生质变（即银元素发生硫化反应）逐渐生成一种导电效果较差的物质，继而导致电阻值逐渐增大。硫化物质入侵示意图见图5。

对硫化失效的电阻进行金相切片制样的形貌及能谱图见图6～图8。图7红色方框所示的灰黑色物质就是由于外界含硫物质渗入到面电极表面并与其反应生成的硫化银（Ag2S）。

四、影响电阻器硫化的因素

造成厚膜片式电阻器硫化失效的因素简单来说可以归结为：环境中存在腐蚀性含硫物质且存在含硫物质接触面电极的通道。

含硫物质接触面电极的通道产生的主要因素有：

电极电镀的缺陷：厚膜片式电阻器的二次保护包裹层与面电极的交接位置较为薄弱，不容易形成完整的电镀层，容易出现缝隙。

机械应力或热应力的影响：电阻器在生产装配过程中受到机械应力或热应力的作用可能导致二次保护包裹层与外电极镀层的间隙变大，从而加速外界含硫物质通过保护层与镀层之间的交界处渗透到面电极的速率，引起硫化腐蚀。

硅胶附硫效应：对于表层灌胶产品而言，这种硅胶本身具备一定的吸附效果，其内部含硫物质的浓度随时间推移而增大。通过前面的叙述可知，电阻器的二次保护包裹层与面电极的交接位置容易出现缝隙，而硅胶灌注在电阻器的表面，含硫物质容易通过缝隙渗入，造成腐蚀。

五、预防

为了预防电阻器的硫化失效，可以考虑从以下几个方面实现：

源头：为了避免电阻器硫化，从源头上选择，可以采用防硫化电阻器。 

途径：通过调整电阻器的结构或者在PCB单板组件上涂敷三防漆，也能够在一定程度上防止面电极直接暴露在空气中，从而达到减缓硫化的目的。

装配与应用：通过改善电阻器的焊接、装配工艺，优化电路板的设计等，可以减少热应力、机械应力等外部因素对电阻造成损伤，从而降低发生硫化失效的概率。

环境：在产品上使用部分含有硫元素的物料，这些物料在产品工作的过程中可能会释放腐蚀性含硫物质，导致电阻发生硫化失效。在物料的选取上需考虑物料是否会对电阻产生影响，再进一步确定是否使用该物料。

参考文献：

[1]王能极. 厚膜片式电阻器硫化机理及失效预防[J]. 电子元件与材料, 2013, 32(002):36-39.

[2]张世莉, 唐万军, 肖玲. 片式电阻防硫化可靠性技术研究[J]. 环境技术, 2020, v.38;No.223(01):58-61+68.