贴片电阻等片式元件作为电子电路中的基础元件，因SMT技术发展广泛应用在各类型电子产品中。贴片电阻优点众多：体积小、重量轻、组装密度高、易标准化装配、成本低等。本文简单介绍了贴片电阻的结构和典型失效模式，并用实际案例展示了贴片电阻失效的具体表现，供相关人员借鉴。

 

贴片电阻结构和主要失效模式

 

贴片电阻内部结构如图1所示，一般由陶瓷基片、电阻膜、玻璃釉保护层和端电极组成。贴片电阻端电极一般分为三层：1、端电极外层，一般为电镀锡（Sn），保证良好的焊接；2、中间电极阻挡层，一般为电镀镍（Ni），它起到隔离作用，能有效防止在焊接期间发生“锡吃银”；3、端电极内层，端电极内层一般分为面电极、侧电极和背电极，面电极主要成分为银（Ag）或银钯（Ag/Pd）浆料，高温烧结而成，与陶瓷基板及电阻膜有良好的结合力和优良的导电性能。侧电极一般是真空溅射镍铬（Ni/Cr）合金。背电极一般为银（Ag）浆料。电阻膜大多应用钌系浆料，例如二氧化钌浆料、钌酸盐浆料等等。

 

 

图1  贴片电阻内部结构示意图

 

玻璃釉保护层主要是为了保护电阻膜，一是起到机械保护作用，并在电镀中间电极阻挡层过程中，防止电镀液对电阻膜侵蚀导致阻性变化；二是起到绝缘作用，防止电阻膜与周围导体接触而产生阻值变化。

 

贴片电阻的失效模式一般有开路、短路和阻值漂移等。

 

贴片电阻开路的失效机理一般为陶瓷基片断裂、电阻膜裂开、电极脱落、电极断开、使用不当等。陶瓷基片断裂一般是因机械损伤所致，电阻在焊接、安装或转运过程中受到不当的机械应力作用，再加上电应力、温度应力等环境应力的综合作用，导致基片产生裂纹甚至断裂；电阻膜裂开的主要原因是电阻膜遭受了过电应力而过热，膜层中间部位散热较差热量集中，超过了膜层承受极限至烧毁裂开；电极脱落、断开一般是由电极与陶瓷基片结合差、电极耐焊接性差或焊接时受到机械应力或热应力过大等引起。

 

贴片电阻阻值漂移失效是指在调试、使用过程中出现阻值超差、阻值跳变或温度特性超差等现象。阻值漂移的失效机理一般为电阻膜厚度不均匀或有疵点、膜层与电极接触不良等。电阻膜不均匀或有疵点一般可通过工艺与原材料控制、成品筛选和环境应力筛选等方法剔除阻值漂移的产品；中间电极阻挡层的厚度不足或玻璃釉保护层厚度不足，焊接过程中，铅锡焊料与内电极浆料熔融，或使用时发生银迁移及硫化反应，内电极出现空洞，导致阻值漂移甚至开路。

 

贴片电阻短路失效机理一般为电晕放电、金属迁移等。贴片电阻金属迁移一般是指银迁移，在电场及保护层与电极镀层交接处渗透进的水汽综合作用下，银离子从高电位向低电位迁移，形成絮状或枝状蔓延，在高低电位边界形成黑色氧化银，高导电率氧化银使面电极间本体连接，从而出现阻值变小甚至短路。

 

典型失效案例分析

 

01失效案例一

 

失效模式：开路。

失效背景：分析电阻一随产品交付用户使用3年，产品电路异常，经排查定位于该贴片电阻，表现为阻值变大，从PCB上拆下后，使用万用表测量阻值，呈开路特性。

对失效电阻一的分析过程如下所述。

 

1. 外观检查

用体视显微镜进行外观检查，玻璃釉保护层、陶瓷基片未见明显裂纹等异常形貌。面电极缺失，露出陶瓷基体，如图2所示。

 

 

图2  失效案例一外观形貌

 

2. 阻值测试

利用数字万用表对电阻端电极不同位置间阻值进行测试，测试位置如图2中数字标识，结果见表1。R12正常，表明电阻膜无异常，R23和R13开路是由于位置2和3间面电极缺失、不连续造成的。

 

表1 失效案例一阻值测试结果

 

 

失效原因：经分析，认为该贴片电阻面电极存在微缺陷，在焊接过程中，银层熔于焊料，形成局部空洞，形成“锡吃银”现象，在后续使用过程中，空洞逐步扩大，电阻阻值逐步增大，最终导致电极脱落，电阻开路。

 

02失效案例二

 

失效模式：开路。

失效背景：分析电阻二在调试过程中失效。

对失效电阻二的分析过程如下所述。

 

1. 外观检查

对贴片电阻在板形貌进行外观检查，焊锡表面有明显空洞（如图3（a）所示）。去除焊锡后，端电极与焊盘有明显分离（如图3（b）所示）。

 

 

图3  失效案例二在板外观形貌

 

将失效贴片电阻从PCB上解焊后，对其形貌进行观察，发现：失效电阻正面玻璃釉保护层和陶瓷基片部分缺失（如图4（a）所示）；背面端电极部分不完整，部分缺失（如图4（b）所示）；侧面端电极明显断开（如图4（c）所示）。

 

 

图4  失效案例二解焊后外观形貌

 

2. 阻值测试

利用数字万用表对电阻端电极不同位置间阻值进行测试，测试位置如图4中数字标识，结果见表2。R12正常，表明电阻膜无异常，R34开路是由于位置3和4间侧面端电极缺失、不连续造成的。

 

表2 失效案例一阻值测试结果

 

 

3.能谱分析

分别对失效贴片电阻侧面端电极不连续处、图4c中位置4和背面端电极进行能谱分析，结果如图5所示。

失效电阻侧面端电极不连续处主要成分为O、Al、C、Si、Ag，为端电极金属脱落露出的陶瓷基片；位置4处主要成分为O、Ni、Al、C、Cr，为端电极外层电镀锡脱落而露出的阻挡层（Ni/Cr）；背面端电极成分为Ag、C、O，露出端电极内层金属（Ag）。上述能谱分析结果中，Na和Cl元素应为人体沾污所致。

 

 

图5  能谱分析结果

 

失效原因：电阻端电极缺失，缺失处未见明显异常元素，在板时焊锡可见明显空洞，且端电极与焊盘明显分离，经分析，认为该贴片电阻开路失效原因应为在焊接过程中，对端电极造成了损伤，导致端电极外层甚至部分内层电极脱落。

 

03失效案例三

 

失效模式：阻值漂移。

 

失效背景：失效电阻三随产品所在整机进行温度循环、振动、热真空、高温老炼等试验后，性能异常，经逐级排查，定位于该电阻。拆卸后，测试阻值约500Ω（正常应为10Ω），阻值漂移失效。对失效电阻三的分析过程如下所述。

 

1. 外观检查

 

对失效贴片电阻外观进行检查，端电极完整有焊料残留，瓷体未见明显分层、裂纹等异常，正面玻璃釉保护层有明显裂纹、鼓包和烧蚀坑（如图6（a）所示）。烧蚀坑内可见明显金属色泽熔融物（如图6（b）所示）。

 

 

图6  失效案例三外观形貌

 

2. X射线检查

 

对失效贴片电阻进行X射线检查，结果如图7所示，电阻膜可见明显缺损，表面玻璃釉保护层存在明显鼓起，与外观检查结果一致。

 

 

图7  X射线照片

 

分析原因：大电流通过贴片电阻时，电阻膜会产生大量热，因体积小其散热面积也非常小，电阻膜中心部位热量最难及时散出，相对容易烧毁，出现熔坑。因此，推断失效贴片电阻在试验过程中遭受了过电应力，导致电阻膜中心部位烧毁熔融，电阻增大。

 

结语

 

针对贴片电阻，简单介绍了结构和常见的失效模式，通过三个失效案例的具体分析过程，为贴片电阻的可靠性提高提供支撑。贴片电阻焊接过程中，尽可能使用表面安装工艺，减少手工焊接过程对其造成的影响。在使用过程中，根据需求，选择功率、耐压、散热等相匹配的型号，减少使用过程中的失效隐患，扬长避短，更好发挥贴片电阻优势，保证可靠性。

 

引用本文：

 

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.

 

来源：环境技术核心期刊

关键词： 贴片电阻