关于热敏电阻应用失效问题研究

作者：张乐(格力电器(合肥)有限公司,合肥 230088)时间：2022-04-11来源：电子产品世界收藏

编者按：热敏电阻是指阻值随温度的改变而发生显著变化的敏感元件，除此之外，还具有体积小、反应快，使用方便等优点，因此被广泛应用于工业、农业、交通运输等领域，解决各种技术问题。本文主要介绍热敏电阻在家电领域的应用及失效案例分析，热敏电阻为家电主控板的核心器件，此器件失效会直接导致主控板功能错乱或者直接停机。因此，研究此元件的失效原理及可靠性提升方案，对家电使用寿命起到关键的作用，同时对其他电子元器件的失效研究也起到借鉴作用。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202204/432910.htm

0 引言

热敏电阻是电器类物料的通用元件，主要是通过感受温度变化变换阻值，并将阻值传递给主机，主机执行相关的指令。例如热敏电阻感受到环境温度升高，会以阻值变化的方式通知到主控部件，主控部件通过相关指令来阻止这种变化。如果热敏电阻感知的温度不准确，那么主控部件给出的指令也是错乱的，所以研究热敏电阻的失效模式至关重要。

热敏电阻的常见失效现象主要是阻值问题，例如阻值小（短路），阻值大（开路）。常见热敏电阻结构如图1 所示。

图1 常见热敏电阻结构

如果热敏芯片与杜美丝接触不良，存在缝隙则会表现出阻值大；如果晶圆与其他导体之间并联，根据电阻并联后阻值变小的原理，此种情况热敏电阻表现出来的阻值偏小。

1 电阻短路失效原因之电极金属迁移

1.1 失效机理分析

热敏电阻晶圆前后两个面镀有金属电极，如图2 白色区域，此电极为银(Ag) 材质，具有很好的导电性、延展性和导热性，是高精度产品上常用的导电材料^[1-2]。

图2 热敏电阻晶圆电极

在实际应用中，电阻值小/ 失效品主要表现为黑色晶圆表面发白，有一层雾状物质，如图3。

图3 银迁移

将玻壳剖开，检测雾状物质，发现了大量的Ag离子，与电极表面材质一致，同时晶圆中不含有Ag元素（图4），说明芯片两侧的导电物质Ag 发生了迁移现象，在芯片侧面形成了并联电阻，造成了整体电阻值下降，导致阻值变小。

银迁移过程：电压和湿度是银迁移的两个必要条件，但是实际使用中通电是无法避免的；使用环境方面，部分产品使用环境较潮湿，统计失效产品全使用在潮湿环境中。

图4 晶圆电镜照片和异物成分分析

电迁移是由于电流使离子在导体中流动。当关闭施加电压后，离子进行随机热扩散。离子的迁移受温度、电压梯度和电极之间的距离影响。在混合厚膜封装中，其它被认为最重要的迁移参数是导体的组成、环境湿度水平和密封剂的类型。电子元件的迁移根据发生环境的不同有两种形式。电迁移是一种涉及在相对较高温度(150 ℃ ) 的干燥环境中发生电子动量传递的固态迁移。

另一方面，离子迁移发生在周围温度小于100 ℃的潮湿环境中。厚膜系统中离子迁移是最常见的失效模式，每当绝缘体分开的导体从周围环境获取足够多的水分。通过一系列的实验，确认在跨介质结构中银的离子迁移是最主要的失效模式。

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。

1) 潮湿环境中的水分子在外加电场下被离子化：

Ag→Ag⁺ (1)

H₂O→H⁺+OH^- (2)

2) 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)

3)AgOH 不稳定，在阳极端分解成黑色Ag₂O 沉淀：

2AgOH → Ag₂O+H₂O (4)

4) 发生水合反应：

Ag₂O+H₂O → 2AgOH → 2Ag⁺+2OH^- (5)

所以本次的银迁移应为离子迁移，唯一避免产生迁移的方式只有阻止水汽进入晶圆周围。

1.2 可靠性提升方案

从产品结构方面分析，晶圆通过杜美丝连通，表面玻壳封装。此种结构较为成熟，如进行结构更改较为复杂，需要经过多重验证。从产品防水方面研究，在产品表面增加防水涂层，防止水汽进入玻壳内部是最优的解决方案。此防水涂层要具有与玻璃、金属等粘结力高，断裂伸长率高。

图5 无防水涂层（左）和有防水涂层（右）

1.3 分析验证结论

此处以硅胶为例，对比增加前后耐久性提升情况：将涂覆硅胶和未涂覆硅胶的产品全部使用环氧树脂封装完毕之后，放入同一环境水中（水温100 ℃），通上5 V 电压，每隔5 天（120 h）测试一次热敏电阻性能，发现改善前产品水煮360 h 之后开始失效，而改善后产品水煮1 200 h 之后才失效。两种状态产品使用寿命差异较大。可见，此种在热敏电阻玻壳表面含浸防水涂层可以有效提高产品密封性。

2 电阻短路失效原因之焊点金属迁移

2.1 失效机理分析

空调上使用的热敏电阻还有另外一种即检测排气温度的热敏电阻，此种电阻要求耐高温，其引出线与热敏电阻之间采用焊锡焊接，但是引线需要使用耐高温引线，且使用环境也较潮湿。失效原因较多的主要为内部焊锡金属迁移。客户使用失效产品实物如图6，两个引线之间的金属物质为云状分布，是迁移的典型特性。但同时又存在点状分布，迁移物质测试含有C、O、Sn，分析为焊锡附着在电线绝缘皮上，受潮后金属离子朝着周围生长，最终将两根电线连在一起形成值小。

图6 售后失效样品X光图片和实物图片

对以上分析结论实验验证，电线残留点状焊锡，水煮一段时间后，电线绝缘皮表面长出导电物质（图8），同时热敏电阻阻值偏小。测试电线上残留物质与图7 一致（图9）。

图7 导电物质检测

图8 实验失效样品X光图片和实物图片

图9 实验样品导电物质成分测试

通过水煮模拟及售后样品的分析，确认失效原因为引线上残留锡渣，同时焊锡中的助焊剂对金属迁移起到促进作用，最终在通电+ 助焊剂+ 水的情况下存在离子迁移，形成微短路不良。

2.2 可靠性提升方案

热敏电阻引线电线残留助焊剂及锡渣需要重点清洗。①焊锡炉的改善优化，可参考波峰焊内部的锡炉的工作方式，确认焊锡保持流动状态，已彻底杜绝表面焊锡氧化层残留。②浸锡后使用有机溶剂清除电线表面助焊剂，减少助焊剂残留。通过实验对比，改善后产品在同等条件下使用寿命较之前有很大提升。③增加环氧树脂封装长度，阻隔水汽进入。

3 电阻短路失效原因之封装空隙

由于热敏电阻芯片与杜美丝引线接触为直接接触，非焊接式接触，如杜美丝受力不均或受力较小即出现接触不良情况，表现为开路（图10）。