0   引言

熱敏電阻是電器類物料的通用元件，主要是通過感受溫度變化變換阻值，并將阻值傳遞給主機，主機執行相關的指令。例如熱敏電阻感受到環境溫度升高，會以阻值變化的方式通知到主控部件，主控部件通過相關指令來阻止這種變化。如果熱敏電阻感知的溫度不準確，那么主控部件給出的指令也是錯亂的，所以研究熱敏電阻的失效模式至關重要。

熱敏電阻的常見失效現象主要是阻值問題，例如阻值小（短路），阻值大（開路）。常見熱敏電阻結構如圖1 所示。

圖1 常見熱敏電阻結構

如果熱敏芯片與杜美絲接觸不良，存在縫隙則會表現出阻值大；如果晶圓與其他導體之間并聯，根據電阻并聯后阻值變小的原理，此種情況熱敏電阻表現出來的阻值偏小。

1   電阻短路失效原因之電極金屬遷移

1.1 失效機理分析

熱敏電阻晶圓前后兩個面鍍有金屬電極，如圖2 白色區域，此電極為銀(Ag) 材質，具有很好的導電性、延展性和導熱性，是高精度產品上常用的導電材料^[1-2]。

圖2 熱敏電阻晶圓電極

在實際應用中，電阻值小/ 失效品主要表現為黑色晶圓表面發白，有一層霧狀物質，如圖3。

圖3 銀遷移

將玻殼剖開，檢測霧狀物質，發現了大量的Ag離子，與電極表面材質一致，同時晶圓中不含有Ag元素（圖4），說明芯片兩側的導電物質Ag 發生了遷移現象，在芯片側面形成了并聯電阻，造成了整體電阻值下降，導致阻值變小。

銀遷移過程：電壓和濕度是銀遷移的兩個必要條件，但是實際使用中通電是無法避免的；使用環境方面，部分產品使用環境較潮濕，統計失效產品全使用在潮濕環境中。

圖4 晶圓電鏡照片和異物成分分析

電遷移是由于電流使離子在導體中流動。當關閉施加電壓后，離子進行隨機熱擴散。離子的遷移受溫度、電壓梯度和電極之間的距離影響。在混合厚膜封裝中，其它被認為最重要的遷移參數是導體的組成、環境濕度水平和密封劑的類型。電子元件的遷移根據發生環境的不同有兩種形式。電遷移是一種涉及在相對較高溫度(150 ℃ ) 的干燥環境中發生電子動量傳遞的固態遷移。

另一方面，離子遷移發生在周圍溫度小于100 ℃的潮濕環境中。厚膜系統中離子遷移是最常見的失效模式，每當絕緣體分開的導體從周圍環境獲取足夠多的水分。通過一系列的實驗，確認在跨介質結構中銀的離子遷移是最主要的失效模式。

銀的表面遷移是一個電化學過程。當銀在高濕條件和外加電場下與絕緣體接觸，它以離子的形式離開初始位置并重新沉積到另一個地方。電解遷移可以被看作三個步驟，包括：電解、離子遷移和電沉積。銀離子的遷移機制可以解釋如下。

1) 潮濕環境中的水分子在外加電場下被離子化：

Ag→Ag⁺   (1)

H₂O→H⁺+OH^-   (2)

2) 氫離子遷移到陰極釋放出氫氣，氫氧根離子與銀離子在陽極相遇并形成膠體沉淀:

Ag⁺+ OH^- → AgOH   (3)

3)AgOH 不穩定，在陽極端分解成黑色Ag₂O 沉淀：

2AgOH → Ag₂O+H₂O   (4)

4) 發生水合反應：

Ag₂O+H₂O → 2AgOH → 2Ag⁺+2OH^-   (5)

所以本次的銀遷移應為離子遷移，唯一避免產生遷移的方式只有阻止水汽進入晶圓周圍。

1.2 可靠性提升方案

從產品結構方面分析，晶圓通過杜美絲連通，表面玻殼封裝。此種結構較為成熟，如進行結構更改較為復雜，需要經過多重驗證。從產品防水方面研究，在產品表面增加防水涂層，防止水汽進入玻殼內部是最優的解決方案。此防水涂層要具有與玻璃、金屬等粘結力高，斷裂伸長率高。

圖5 無防水涂層（左）和有防水涂層（右）

1.3 分析驗證結論

此處以硅膠為例，對比增加前后耐久性提升情況：將涂覆硅膠和未涂覆硅膠的產品全部使用環氧樹脂封裝完畢之后，放入同一環境水中（水溫100 ℃），通上5 V 電壓，每隔5 天（120 h）測試一次熱敏電阻性能，發現改善前產品水煮360 h 之后開始失效，而改善后產品水煮1 200 h 之后才失效。兩種狀態產品使用壽命差異較大。可見，此種在熱敏電阻玻殼表面含浸防水涂層可以有效提高產品密封性。

2   電阻短路失效原因之焊點金屬遷移

2.1 失效機理分析

空調上使用的熱敏電阻還有另外一種即檢測排氣溫度的熱敏電阻，此種電阻要求耐高溫，其引出線與熱敏電阻之間采用焊錫焊接，但是引線需要使用耐高溫引線，且使用環境也較潮濕。失效原因較多的主要為內部焊錫金屬遷移。客戶使用失效產品實物如圖6，兩個引線之間的金屬物質為云狀分布，是遷移的典型特性。但同時又存在點狀分布，遷移物質測試含有C、O、Sn，分析為焊錫附著在電線絕緣皮上，受潮后金屬離子朝著周圍生長，最終將兩根電線連在一起形成值小。

圖6 售后失效樣品X光圖片和實物圖片

對以上分析結論實驗驗證，電線殘留點狀焊錫，水煮一段時間后，電線絕緣皮表面長出導電物質（圖8），同時熱敏電阻阻值偏小。測試電線上殘留物質與圖7 一致（圖9）。

圖7 導電物質檢測

圖8 實驗失效樣品X光圖片和實物圖片

圖9 實驗樣品導電物質成分測試

通過水煮模擬及售后樣品的分析，確認失效原因為引線上殘留錫渣，同時焊錫中的助焊劑對金屬遷移起到促進作用，最終在通電+ 助焊劑+ 水的情況下存在離子遷移，形成微短路不良。

2.2 可靠性提升方案

熱敏電阻引線電線殘留助焊劑及錫渣需要重點清洗。①焊錫爐的改善優化，可參考波峰焊內部的錫爐的工作方式，確認焊錫保持流動狀態，已徹底杜絕表面焊錫氧化層殘留。②浸錫后使用有機溶劑清除電線表面助焊劑，減少助焊劑殘留。通過實驗對比，改善后產品在同等條件下 使用壽命較之前有很大提升。③增加環氧樹脂封裝長度，阻隔水汽進入。

3   電阻短路失效原因之封裝空隙

由于熱敏電阻芯片與杜美絲引線接觸為直接接觸，非焊接式接觸，如杜美絲受力不均或受力較小即出現接觸不良情況，表現為開路（圖10）。

圖10 失效圖

杜美絲玻封過隧道爐使用壓載平臺壓載引線保證接觸，由于引線較細，個別存在變形等問題，當上模引線出現彎曲時，壓載平臺頂針出現壓載不到，即會出現芯片與引線之間產生接觸間隙。所以實際生產過程一定要首先保證度美絲無變形，且封裝夾具不得出現空缺，保證受力均勻（如圖11）。

圖11 生產封裝形式

4   結語

本文從熱敏電阻實際應用失效問題出發，闡述了熱敏電阻失效的兩種形式：銀遷移和焊錫遷移，并對其失效機理研究，提出改善方案。從解決根本問題出發，對使用環境及產品結構詳細分析，從產品結構和生產過程方面優化改善，從而提高產品的可靠性，進一步提升整機的使用穩定性。

5   元件失效問題研究的意義

通過對熱敏電阻失效問題的研究，闡明了一種分析思路：即首先要了解元件的應用環境、元件結構，然后深入挖掘問題產生的根源。從管理思路向技術思路轉變，從器件結構優化上提升產品質量。

參考文獻：

[1] 嵇永康,胡培榮,衛中領.銀鍍層中銀離子的遷移現象(一)[J].電鍍與涂飾,2008(8):18-20.

[2] 林曉玲,黃美淺,章曉文.熱敏電阻測量法的研究[J].電子產品可靠性與環境試驗,2004(1):39-42.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年1月期）