片式电阻硫化机理及失效分析

林春贤 杨玉丽

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

电阻是一种限流元件，在家电电路中起到分压、分流、滤波等作用，电阻损坏很大比例是由于片式电阻阻值变大，甚至开路引起的。通过采用扫描电镜和能谱分析等手段，发现了其失效的原因，进一步研究了片式电阻失效机理，并提出了一些预防措施。

2 片式电阻失效分析案例

对失效的控制器主板进行检测，发现控制板上片式电阻阻值偏大，导致通信故障，故对该片式电阻进行分析。

2.1 性能测试

对电路板异常电阻进行阻值测试，数据如表1所示。

2.2 外观检查

用光学显微镜观察电阻本体与电极交接处，发现在端头镀层与黑色二次保护层交接处有黑色物质，如图1所示。

2.3 电镜和能谱分析

（1）对故障件进行电镜分析，电阻本体与电极交接处有颗粒状物质，如图2所示。对该颗粒状物质进行能谱分析。

（2）对故障件R619（0603/222）电阻进行能谱分析：去除电阻表面硅胶检测，测试结果如图3所示。从图3中数据分析，电阻端子含有硫物质。

（3）对故障件R619（0603/222）电阻进行能谱分析：未去除电阻表面硅胶检测，相当于检测硅胶，测试结果如图4所示。从图4中数据分析，该电阻端头未见硫物质。因未去除电阻表面硅胶检测，相当于检测硅胶的成分，受检测穿透深度的影响，部分检测到了电阻端头物质。

结论：综合以上数据分析，去除电阻表面硅胶检测到电阻端子含有硫物质；未去除电阻表面硅胶检测，该电阻端头未见硫物质，故部分检测到电阻端头物质为银的硫化物。

2.4 金相分析

为了进一步确认是由于硫化导致片式电阻失效，对失效品及合格品进行金相显微分析，具体结果对比如下：

（1）对失效片式电阻进行金相显微分析，发现左侧端子的二次玻璃层与面电极搭接处有裂纹，判断可能是由于硫化导致该位置结构疏松，电阻与封胶之间又因为填充不完全有一小孔，该位置在磨片过程中受力产生裂纹。锡镀层厚度平均厚度为1.95μm，镍镀层平均厚度为19.5μm，银层平均厚度为7.78μm，如图5所示。

表1 异常电阻测试值

图1 片式电阻外观

图2 片式电阻扫描电镜照片

图3 （去除电阻表面硅胶）电阻能谱分析

图4 （未去除电阻表面硅胶）电阻能谱分析

（2）对正常片式电阻进行金相显微分析，右侧端子的面电极镀层结构正常，总体镀层结构清晰。锡镀层厚度平均厚度为2.27μm，镍镀层平均厚度为11.14μm，银层平均厚度为6.24μm，如图6所示。

分析：上述样品中锡镀层与镍镀层的厚度数据差异较大，这可能是由于分析前的磨片过程导致锡、镍层部分交融，故不能将此数据直接定义为样品电阻的实际厚度，对于镀层膜厚判断的参考意义不大。但是可以看到失效样品左侧端子的二次玻璃与面电极搭接处的银电极已不相连，判断为银电极已硫化断开导致阻值失效。

2.5 硅胶试验分析

据通用知识所知，PCB上涂覆的硅胶具有良好的气体渗透性，硫气体物质能够穿过硅胶与电阻接触；而硅胶吸附含硫物质后富集于电阻表面，使涂覆硅胶的电阻表面的硫浓度高于没有涂覆硅胶的电阻表面；故取60粒涂覆硅胶电阻与60粒不涂覆硅胶电阻进行硫化试验对比，结果发现涂敷硅胶电阻有33粒出现硫化现象，硫化比例为55%；未涂敷硅胶电阻只有2粒出现硫化现象，硫化比例为3.33%。涂覆硅胶的电阻硫化更严重，说明硅胶确实可以吸附渗透含硫物质加速电阻硫化。

2.6 总结

通过上述的分析试验得出的结论是，片式电阻异常是由于硫化造成的，而涂硅胶会加速硫化的问题。硅胶具有良好的气体渗透性，因而含硫物质穿过硅胶使电阻发生硫化现象。

3 片式电阻硫化机理及预防措施研究

针对失效的电阻进行电镜和能谱分析，电阻的电极含有硫化物。由于常规电阻用银作为导电电极的材料，并不具备防硫能力；根据能谱分析发现只有硫元素属于外来元素，因此为避免生产、储存环节出现电阻硫化，应消除一些异常的硫发生源。

片式电阻器端电极一般采用三层结构，即内电极（包括面电极、背电极和侧电极）、中间电极和外部电极。内电极中的面电极是银钯（Ag/Pd）浆料，背电极是银（Ag）浆料，通过烧结而成。侧电极一般是真空溅射镍铬（Ni/Cr）合金。中间电极是电镀镍（Ni），外部电极是电镀锡（Sn）[2]。如图7所示，经过对片式电阻电级结构分析发现导致硫化的原因如下。

3.1 电极的电镀缝隙

片式电阻的电极为金属材料，而保护层为绝缘材料，两种材料特性不一致，并且电极与保护层交界处的电镀层比较薄，容易出现缝隙。空气中的硫化物慢慢从缝隙处渗透到电极中，在面电极形成硫化银，硫化银导电率低导致电阻开路失效[3]，如图8所示。

3.2 涂硅胶问题导致硫化

对失效片式电阻检测发现片式电阻上涂一层硅胶，对硅胶进行能谱测试，虽然未能检测硫元素，但可能是硫化物质以气态形式存在，能谱分析无法检测气态物质的成分。据了解，硅胶具有良好的气体渗透性，加上硅胶上有很多气孔，因而含硫物质穿过硅胶使电阻发生硫化现象。

综上所述，片式电阻硫化是由于硫气体物质能够穿过硅胶与电阻接触，而硅胶吸附含硫物质后富集于电阻表面，从电级缝隙中渗透到电极中，导致电极形成硫化银。

3.3 失效预防

（1）把面电极Ag/Pd浆料改为金浆，以保证电阻不会被硫化；

（2）选择没有吸附硫化物的封胶，防止电阻电极与空气的硫元素接触；

（3）设计全封闭式片式电阻等。

总的来说，预防电阻硫化可以使用不易硫化的元素作为电极浆料，或者使用全密封封装结构防止空气中的硫化物进入到电阻的电极中导致硫化。

4 总结

随着工业发展，大气中含硫气体越来越多，根据前期研究分析，空气中的硫化物会与片状电阻电极中的银元素发生化学反应生成硫化银导致片式电阻失效，通过对片状电阻的硫化机理进行分析，提出了预防措施。

图5 失效片式电阻的金相显微照片

图6 正常片式电阻的金相显微照片

图7片式电阻结构

图8 电极电镀缝隙导致硫化