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1、致谢：感谢中国航天科技集团朱明让和梁瑞海研究员对本课题的支持。感谢石家庄无线电二厂提供了试验样品。感谢中国电子科技集团电子第十三研究所徐立生高工对本工作提出了有益的意见。参考文献：(略)表贴元器件常见的失效模式及机理分析范士海(航天科工集团二院2 0 1 所北京1 4 2 信箱2 3 分箱邮编：1 0 0 5 8 4E I n a 讧：f a n s h i h a i y a h o o 1 2，0 m)摘要由于表贴元器件具有体积小，重量轻，集成度高，性能优良的优点，随着武器装备系统向着小型化、智能化方向发展，表贴元器件越来越多地应用在高新武器装备系统中。但是，由于器件本身的结构以及材料等方
2、面的原因。表贴元器件在应用中容易产生一些特有的失效模式。本文通过一些表贴元器件典型的失效案例，分析了元器件的失效机理，重点剖析了元器件失效与其本身结构及材料方面的关系。主题词表贴元器件表贴电阻独石陶瓷电容器玻封表贴二极管失效机理1 引言表面安装技术(S M T)源于6 0 年代的倒装焊和混合集成电路技术。随着技术的进步，片状元件的应用，表面安装技术也得到了飞速的发展，从厚膜电路、薄膜电路发展到裸芯片直接焊到P C B 上，并朝着三维组装技术迈进。表面安装技术具有体积小、密度高、功能强的优点，使得电子设备面貌一新。另外，表面安装技术还改变了传统的通孔工艺技术，使得电子安装工艺大为简化并更容易实现
3、自动化。虽然表面安装技术(S M T)有以上诸多优点，但它也遇到了一些新的问题。如：由于表贴元器件体积比较小，结构脆弱；由于表贴元器件的焊盘面积小，容易出现焊接不良问题。作者在以前的文章中，一专门对表贴塑封集成电路的失效模式及机理进行了讨论【l】，对表贴器件焊点的失效问题也进行了探讨【2 。下面针对一些常用的小型表贴元器件的典型失效模式进行归纳总结，分析其失效机理。为进一步改进设计和安装工艺提供有益的根据。2 表贴元器件常见的失效模式与机理2 1 表贴电阻厚膜电阻和独石陶瓷电容是最常见的表贴元件。它们的形状多为长方体。当它们安装在基板上时，与非表贴元件相比，占用不到一半的空间。所以这些元件的表
4、贴封装已得到了广泛的认可。厚膜的表贴电阻是在扁平的高纯氧化铝陶瓷基板上漏印一层电阻膜，然后在电阻膜上再覆盖一层钝化玻璃保护层，在两端有可焊(如锡，铅)的端电极。5 7万方数据万方数据图1图2图3图4图5厚膜表贴电阻的主要失效模式是电阻增大甚至开路。造成上述失效的原因主要有两种：一是电阻膜被过电应力烧损；二是电阻氧化铝陶瓷基板开裂导致电阻膜出现裂纹。图l 是一个被过电应力烧损的表贴电阻的形貌。从图中可以看出，电阻膜被烧毁部分位于电阻的中心部位。烧毁部位电阻膜出现空洞，造成电阻值显著增高。显然，该电阻被烧毁是由于通过电阻的电流过大造成的。由于表贴电阻的体积比较小，电阻膜又只是涂敷在瓷体的一个侧面，
5、因此，其散热面积非常小。尤其在电阻膜的中心部位，由于与传热较快的端电极距离较远，一旦受到大电流的冲击，瞬时产生大量的热不能及时散出，很容易造成电阻膜在中心部位烧毁，出现熔坑。因此设计人员在选用表贴电阻时，应对功率降额要有充分的考虑，电阻的安装环境也要充分考虑散热问题。造成表贴电阻阻值增大甚至是开路的另一个常见的失效原因是瓷体开裂。图2 是一表贴电阻瓷体开裂的典型形貌，图中氧化铝陶瓷基板靠近一端电极开裂，造成电阻端电极与电阻本体产生裂纹(如图3 所示)而开路。图4 是另一表贴电阻瓷体开裂的典型形貌，断裂面靠近氧化铝陶瓷基板中间部位。断裂面上未发现明显的沾污痕迹；断裂面附近氧化铝陶瓷基板上还存在一
6、些微裂纹(如图4、5 所示)。导致瓷体开裂的原因是多方面的，电阻瓷体材料本身会有一些很微小的裂纹。电阻安装时端头局部受热，因热应力会产生微裂纹，或使原本存在的微裂纹进一步扩展；对于手工焊装，更易出现端电极局部过热情况。另一方面，手工焊两端电极焊接不是同时完成的，焊接后一个端电极时，操作不当，将使瓷体受到较大的应力；在板级温冲试验、振动试验中，瓷体也会受到应力作用。这些因素都会使瓷体产生微裂纹，或使原本存在的微裂纹进一步扩展，最终导致瓷体断开，引发电阻膜开裂。发生此种情况，人们也许会认为电阻应该完全开路，但实际情况比较复杂：在失效初期，由于裂纹非常微细，或是并未完全断开，电阻值可能表现为增大，或
7、者是不稳定。作者曾遇到这样一个案例，某电子设备刚开机时工作不正常，经过约半小时加电后，工作恢复正常；如果设备停机时间比较长，或周围环境温度较低(如在冬季室外)，则开机后，需要更长的时间设备才能正常工作。经过仔细排查，最后发现设备中一插板上有一表贴电阻开裂。替换此电阻后，万方数据万方数据设备恢复正常。产生以上故障现象的原因是这样的：设备刚刚开机时，电阻所处的环境温度较低，电阻瓷体裂纹缝隙大，电阻开路；经过一段时间加电后，电阻所处的环境温度升高，热胀冷缩效应使得瓷体裂纹缝隙减小到断裂的两侧电阻膜重新接触的程度，阻值恢复到使设备能够正常工作状态。2 2 表面安装独石陶瓷电容器独石多层陶瓷电容器的结构
8、如图6 所示，多层陶瓷介质材料之问是银电极材料。电极与陶瓷电介质交错形成，相邻内银电极分别和电容两端的电极相连，形成插指结构。此种结构保证了此类电容具有大的容积效率。独石陶瓷电容主要的失效模式是瓷体断裂。图7是瓷体断裂的典型形貌，断裂部位靠近某一端电极。与表贴电阻瓷体断裂相类似，造成电容瓷体断裂的原因也是多方面的，一是元器件制造商的质量控制不好，造成瓷体先天存在微裂纹；二是电容焊接时的热冲击造成瓷体断裂。由于电容的金属端电极材料以及陶瓷电介质材料有不同的热膨胀系数(E Y E)(内部电极、锡铅端电极、陶瓷的C E T 分别是1 6、1 8 和9 5 l1 5 p p m o C)，在预热和焊接
9、期间，端电极要比陶瓷本体热得快；假如由于急剧的热分布使不同的材料的膨胀差异太大。由此产生的应力将使电容瓷体开裂。再流焊或波峰焊过程中缓慢地预热板子可以有效地减小热冲击的影响。陶瓷开裂的另外一个原因是安装以后，由于电容陶瓷材料与P C B 的C T E 不同(P C BX、Y 方向的C T E 为1 2 1 6 p p n d。C)，在温度循环(冲击)试验时，因C T E 不同而产生的热机械应力造成电容瓷体开裂。有时，用体视显微镜对失效电容器外观进行检查，并不能发现有裂纹。但将失效电容器研磨解剖到一定程度后，会发现瓷体内部有明显的横贯相邻内电极的裂纹，图8 是此种失效模式的典型形貌。无论是瓷体断
10、裂还是瓷体内部产生裂纹，一般都会造成极间阻性击穿或短路。这是由于银电极材料在电场的作用下沿裂纹产生迁移，迁移材料将相邻的电极搭接造成的。图9 是图7 所示电容器经过研磨暴露出的横贯相邻内电极的裂纹形貌。由于电容器击穿短路很有可能造成与其相连的其它器件的烧毁。为避免这种次生损坏，又出现了一种新型内部结构的独石多层陶瓷电容器，其结构如图1 0 所示。显然，图6图7图8图9此种结构可以大大地减小因内电极短万方数据万方数据图1 0图1 1路而引发的电容器击穿短路的概率。2 3 玻璃封装表贴二极管玻璃封装表贴二极管属于金属电极无引线端面的柱状器件(M E L F)。这种封装形式的二极管常见的失效模式是玻
11、璃封装开裂导致二极管开路。图l l 是失效二极管的典型断面形貌，将断裂的两部分对接，两断面配合完好(如图1 2 所示)。此种失效的发生主要与器件焊接时，玻璃外壳受到较大的安装应力有关。特别是手工焊接操作，两端电极焊接不是同时完成的。一个端电极焊接固定后，为了焊好另一个端电极，可能对二极管施加较大的力，造成玻璃外壳出现裂纹。由于器件是靠两个管座夹持内部芯片实现电连接的，玻璃外壳开裂，导致芯片与管座之间出现空隙，造成二极管开路失效。对于避免此种失效模式的发生。在焊接二极管时，一定不要使其受到较大的应力。特别是对于手工焊接操作。3 结束语尽管表贴元器件具有重量轻，体积小，安装密度高，适宜高频电路应用
12、等优点，但表贴元器件的小轻薄又使得其具有承受功率小，结构脆弱，容易断裂的缺点，由此造成元器件易失效。具体而言，对于厚膜的表贴电阻，容易发生电阻膜过电应力烧损以及氧化铝陶瓷基板开裂导致电阻膜出现裂纹的失效；对于表贴独石陶瓷电容器，容易出现瓷体宏观断裂和内部瓷体裂纹导致相邻电极击穿的失效；对于表贴玻封二极管，容易出现玻璃外壳开裂，导致芯片与管座之间出现空隙，造成二极管开路的失效。鉴于此，在选用、焊接安装以及装机使用此类元器件时，要特别注意不要使元器件受到大的机械应力和温度冲击应力，同时要严格控制元器件的使用功率。只有这样，才能使表贴元器件的优点得到充分发挥。参考文献：图1 2【1】“塑封微电路主要
13、的失效模式及机理分析”，范士海，龙承武，邵觉晴，2 0 0 7 年1 0 月都江堰；中国电子学会可靠性分会第十二届全国可靠性物理学术讨论会。【2】“P B G A 焊点开路失效原因分析及工艺改进措施”，范士海，2 0 0 8 年1 1 月。海南岛；中国电子学会可靠性分会，第十四届可靠性学术年会。6 0万方数据万方数据表贴元器件常见的失效模式及机理分析表贴元器件常见的失效模式及机理分析作者：范士海作者单位：航天科工集团二院201所,北京142信箱23分箱,100584刊名：电子产品可靠性与环境试验英文刊名：ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING年，卷(期)：2009，27(z1)被引用次数：0次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.范士海.龙承武.邵觉晴 塑封微电路主要的失效模式及机理分析 20072.范士海 PBGA焊点开路失效原因分析及工艺改进措施 2008 本文链接：http:/