关于热敏电阻应用失效问题研究

关于热敏电阻应用失效问题研究

邢美丽,高帅,李情

陕西华星电子集团有限公司   陕西  咸阳  712000

摘要：热敏电阻是一种敏感元件，其电阻值随温度变化而显著变化。此外，它具有体积小、响应快、使用方便的优点。因此，它被广泛应用于工业、农业、交通等领域，以解决各种技术问题。本文主要介绍了热敏电阻在家用电器领域的应用及故障案例分析。热敏电阻是家用电器主控制板的核心部件，该设备故障将直接导致主控板功能紊乱或直接停机。因此，研究该元件的失效原理和可靠性改进方案，对家电的使用寿命起着关键作用，对其他电子元件的失效研究也起着参考作用。

关键词：热敏电阻；失效分析；可靠性

热敏电阻是电气材料的通用部件，它主要通过感测温度变化来改变电阻值，并将电阻值带来的电压或者电流变化传输到主机，主机执行相关指令。例如，当热敏电阻检测到环境温度升高时，它将向主控制部分通知电阻值的变化，主控制部分将通过相关指令防止这种变化。如果热敏电阻感测的温度不准确，则主控制部件发出的命令也会混乱，因此研究热敏电阻的故障模式非常重要。

1电极金属迁移导致的短路问题

1.1失效机理分析

热敏电阻晶圆前后两个面镀有银(Ag)材质电极，此电极具有很好的导电性、延展性和导热性，是高精度产品上常用的导电材料。在实际应用中，电阻值小、失效主要表现为黑色晶圆表面发白，有一层雾状物质。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，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。

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。

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。

2焊点金属迁移导致的短路问题

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。失效器件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。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，同时热敏电阻阻值偏小。

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封装空隙导致的短路问题

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。

杜美丝玻封过隧道炉使用压载平台压载引线保证接触，由于引线较细，个别存在变形等问题，当上模引线出现弯曲时，压载平台顶针出现压载不到，即会出现芯片与引线之间产生接触间隙。所以实际生产过程一定要首先保证度美丝无变形，且封装夹具不得出现空缺，保证受力均匀。

4结语

本文从热敏电阻实际应用失效问题出发，阐述了热敏电阻失效的两种形式：银迁移和焊锡迁移，并对其失效机理研究，提出改善方案。从解决根本问题出发，对使用环境及产品结构详细分析，从产品结构和生产过程方面优化改善，从而提高产品的可靠性，进一步提升整机的使用稳定性。通过对热敏电阻失效问题的研究，阐明了一种分析思路：即首先要了解元件的应用环境、元件结构，然后深入挖掘问题产生的根源。从管理思路向技术思路转变，从器件结构优化上提升产品质量。

参考文献：

[1]曹耀龙,高东阳,裴选,席善斌.贴片电阻典型失效案例分析[J].环境技术,2022,40(02):126-129.

[2]莫福广,莫柳钰,梁军,蒋锦香.贴片电阻银离子迁移失效分析及工艺优化[J].装备制造技术,2021(05):270-273.

[3]赵宇翔,项永金,王少辉,丁圣金.片状电阻器开短路失效模式浅析[J].电子产品世界,2021,28(04):85-88.

[4]张乐.关于热敏电阻应用失效问题研究[J].电子产品世界,2021,28(01):88-91.

[5]. A case series of thyroid hormone resistance failure[J]. Reports in Thyroid Research,2021,5(1).

[6]黄明怀.基于贴片电阻焊点失效机理分析的高可靠贴装电阻器设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2018,17(03):31-37.