导热垫加速电阻硫化的机理研究

郑东辉，陈鸿武，方 超（通讯作者）

（浙江大华技术股份有限公司<浙江省视觉物联融合重点实验室> 浙江 杭州 310051）

1 引言

为解决散热问题，通常在发热较严重的器件表面需要额外增加散热器，而为了使散热器与器件表面接触良好，减小热阻，导热垫发挥了其关键作用，工艺生产过程中，导热垫通常会覆盖住其他器件，如电阻。从客户返回的设备看，其失效电阻都位于导热垫边缘的位置，考虑到其他设备也可能有类似风险，因此深入研究导热垫与电阻硫化之间的关系具有非常重要的意义。

2 电阻硫化失效产生原理

如图1所示，片状电阻有3层电极结构，内部电极（面电极）为银电极，侧面电极（中间电极）为镍电极，最外测电极为锡镀层。内部电极为导电体，保护膜包裹层是非金属不导电体，保护膜与外电极电镀层交界区域很薄，从而产生缝隙，当外界有S气体长期存在时，会慢慢渗透进入内部电极，S与内部电极材料Ag产生化学反应生成不导电的Ag2S，从而导致电阻阻值变大或开路失效[1]。

图1 片状电阻内部结构及失效原理

3 失效电阻分析

3.1 外观检查

对4pcs拆机不良电阻样品在体式显微镜下进行外观确认，见图2、3，发现4pcs电阻表面及背面均有胶状物质，NO.4一端电极脱落（红色标记处），其他未发现明显异常。

图2 不良品正面外观-50X

图3 不良品背面外观-50X

3.2 阻值测量

对NO.1、NO.2样品进行阻值测量，发现失效电阻阻值均不在规格范围内，表现为值大，见表1，其中OK表示电阻阻值正常，NG为阻值异常。

表1 失效电阻引脚阻值

3.3 剥膜确认

对不良品NO.1、NO.2进一步剥膜确认，剥膜后电阻层未发现明显异常，见图4、5，测量阻值均正常，排除过电导致的电阻烧毁可能。

图4 不良品NO.1剥膜后阻值正常

图5 不良品NO.2剥膜后阻值正常

3.4 切片分析

将NO.1不良品Pin1处进行研磨，研磨后在内电极与保护层交界处发现有断开现象，断开处有黑色物质，同样对NO.4失效品进行研磨，同样在交界处发现断开和黑色物质，见图6、7。

图6 NO.1研磨图-500X

图7 NO.4研磨图-500X

3.5 SEM/EDS成分分析

将NO.1和NO.4置于SEM/EDS设备下进行发黑处成分检测，检测表明黑色物质含有S成分，确认电阻为硫化导致的失效，两个失效品能谱图及成分数据见图8和图9。

图8 不良品NO.1能谱分析图及数据

图9 不良品NO.4能谱分析图及数据

3.6 导热垫成分测试

由于失效的电阻位置均位于导热垫边缘，因此需要排除导热垫是否本身就存在S物质，导致与电阻直接接触造成硫化[2]。

从库存中领取不同供应商不同型号的导热垫，分别标记为001、002、003、004、005、006号样品，使用燃烧法测试其硫含量，结果表明各家导热垫均未测出硫含量，检测结果见表2。

表2 不同供应商不同型号导热垫含硫量

3.7 分析结果总结

从电阻失效分析过程看，明确电阻值大、开路的失效原因为电阻硫化所致。而通过检测公司所用导热垫的含硫量，发现导热垫自身并不含硫，说明异常机型导热垫边缘电阻失效的直接原因并非是导热垫含硫导致，而是外界环境中的硫使电阻硫化，因此设计实验研究清楚导热垫边缘电阻加速硫化与导热垫之间的关系显得尤为重要。

4 导热垫加速电阻硫化实验验证

为研究清楚导热垫的存在与电阻加速硫化的关系，设计如下实验：取6组电阻，其中第1组在无硫环境下测试作为对照组，另外5组以不同方式预处理后放入盛有硫磺粉的密闭容器中，置于105 ℃高温箱中做加速实验，每隔两周取出测试对应位置的阻值变化情况，经过两个月的实验，记录不同预处理后的电阻阻值变化情况，见表3。

实验结果表明，在正常无硫环境下，覆盖了导热垫的电阻经过两个月的测试，并未出现失效，说明导热垫不会直接使电阻硫化。

而另外5组含硫环境下的对比测试发现，在相同硫环境下，覆盖了导热垫的电阻明显更易失效。失效位置上，导热垫边缘的电阻相比中心的更易失效，说明导热垫存在吸附效应，会吸附环境中的硫到表面，使电阻加速失效。而当导热垫与电阻之间加一层膜后，电阻失效数量会明显减小，说明隔离膜的存在减弱了空气交换，从而减弱了导热垫的吸附效应，这也解释了导热垫边缘的电阻更易硫化失效，其原因为导热垫边缘空气交换更充分，因此吸附效应更明显，更易受到硫化。

5 影响电阻加速硫化因素总结

5.1 高温影响

在长期模拟电阻加速硫化实验中，发现同样浓度的硫环境下，温度越高，电阻硫化的速度越快，105 ℃时电阻测试1个月即开始出现大量失效，而85 ℃环境下，电阻3个月才陆续开始出现失效，因此同一块PCBA中，导热垫边缘的电阻易失效，温度过高也是其中一个因素。实际调查中发现失效的设备机型发热都相对较严重，这也加速了电阻硫化失效。

5.2 导热垫吸附效应

实验证明导热垫存在吸附效应，会吸附环境中的硫到导热垫表面，加速电阻硫化，因此失效机型中发现的失效电阻都在导热垫周围。

6 改善对策

6.1 导热垫与电阻之间覆膜

覆膜的原理是减缓导热垫的吸附效应，但是实际实验验证效果并不理想，只能减缓，但不能彻底解决。

6.2 导热垫区域喷涂三防漆

在含硫环境中最易硫化的区域喷涂三防漆，三防漆能有效隔绝空气，防止电阻硫化。

6.3 使用防硫化电阻

对于有可能暴露在高硫环境中使用的机型，建议直接使用防硫化电阻。目前市面上主要有两种工艺的防硫化电阻，图10为片状电阻内部基本结构，其中一种防硫化工艺是延长如图10中保护膜的覆盖，并达到一定尺寸，使外界空气不容易通过缝隙与内部的Ag导体直接接触；另外一种是从材料角度出发，将下图中Ag电极部分提高钯金属的含量，钯金属稳定性相对较好，同样可以做到不被硫化的效果[3]。

图10 片状电阻内部结构

7 总结

本文研究了电阻硫化的失效机理以及导热垫和电阻加速硫化之间的关系，并提出不同防电阻硫化的解决方案。通过大量的实验验证，得出以下结论：（1）导热垫存在吸附效应，在含硫环境中，导热垫会吸附空气中的硫到表面，使电阻加速硫化；（2）高温也是加速电阻硫化的因素，温度越高，电阻硫化速度越快。另外，还推荐了3种电阻防硫化的解决方案，其中喷涂三防漆和使用防硫化电阻效果最佳。