印制電路板內(nèi)埋薄膜電阻和聚合厚膜電阻的可靠性初步評估（二）

時間：2018-09-18 11:30:01

關(guān)鍵字：電源技術(shù)解析電路板電阻薄膜

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[導(dǎo)讀]4 焊接過程模擬實驗內(nèi)埋式電阻在對流傳送爐內(nèi)經(jīng)受兩次無鉛回流焊沖擊，并測定回流焊沖擊后電阻值的穩(wěn)定性。流程按照SAC305焊膏的時間-溫度曲線操作。PCB表面最高溫度達到25

4 焊接過程模擬實驗

內(nèi)埋式電阻在對流傳送爐內(nèi)經(jīng)受兩次無鉛回流焊沖擊，并測定回流焊沖擊后電阻值的穩(wěn)定性。流程按照SAC305焊膏的時間-溫度曲線操作。PCB表面最高溫度達到250 ℃，液相線（217 ℃）以上時間為76 s（圖7）。實驗測試了4塊T1薄膜電阻板（每塊板測試了18塊電阻）和6塊T2厚膜電阻板（每塊板測試了40個電阻）。

回流焊沖擊前后，使用Agilent 34401A四探針數(shù)字萬用表測試電阻值。測試探針插入激光燒制的800 mm的孔中和電阻相連。內(nèi)埋薄膜電阻阻值變化可見圖8和圖9,聚合厚膜電阻阻值變化見圖10.高溫焊接會造成薄膜電阻阻值發(fā)生微小變化，但阻值上升還是下降，由電阻層參數(shù)決定。使用方阻為25 Ω/米電阻層制作的電阻，阻值變化范圍為0%~0.5%,方阻100 Ω/米的電阻層制作的電阻，變化范圍為0%~1.6%.這表明內(nèi)埋薄膜電阻，不管形狀如何，對于無鉛焊接的沖擊并不敏感。在其他無鉛回流焊試驗中，對于內(nèi)埋薄膜電阻的重復(fù)測量數(shù)據(jù)證實了這一結(jié)論。

聚合厚膜電阻（裸銅連接）顯示了和NiP電阻很不一樣的狀況。焊接流程過后，觀測到適中的阻值減小，取決于電阻寬度和電阻膏種類（尤其是填料類型）（圖10）。使用Ag膏填充的最小寬度的電阻（0.5 mm）阻值變化最大，下降4%,如ED7500_20 Ω、ED7500_5KΩ。由此看出，就較短的電阻而言，終端接觸電阻占總電阻值很大一部分，這也是其阻值變化的原因。而對于較長的電阻，接觸部分的作用沒有這么明顯。所有使用碳膏ED7100_200 Ω的電阻，不管寬度多少，阻值都下降了約2%.

5 溫度循環(huán)測試

為了確認(rèn)內(nèi)埋電阻對于高溫和低溫的敏感度，印制板在CTS-70/200氣候試驗箱中進行了120個溫度循環(huán)測試（-40 ℃ ~ +85 ℃）。單個測試循環(huán)的參數(shù)見圖11.

120個溫度循環(huán)前后測試內(nèi)埋電阻阻值。溫度循環(huán)測試造成內(nèi)埋薄膜電阻（25 Ω/米和100 Ω/米）的阻值變化百分比見圖12,聚合厚膜電阻見圖13.表3列明了阻值變化情況的比較，影響因素包括使用的電阻材料，和厚膜電阻接觸導(dǎo)線的類型。

120個溫度循環(huán)測試之后，阻值變化范圍為0~2%,與NiP層厚度和電阻寬度無關(guān)。即使是0.1 mm厚和0.5 mm寬的電阻也能達到上述變化值。一般來說，寬度較小的電阻較不穩(wěn)定。

直接印制在裸銅線路上的聚合厚膜電阻（ED7500_20Ω，ED7500_5kΩ），電阻寬度為1.0 mm和0.5 mm時，阻值顯著上升。比如，ED7500_20 Ω電阻漿制作的電阻，阻值分別上升24%和50%（圖13和表3）。電阻寬度為1.5 mm時，阻值變化明顯減小（最多至5%）。

相比直接和裸銅接觸電阻，聚合厚膜電阻上銅導(dǎo)線有Ni/Au或Ag層保護的電阻測試結(jié)果大不相同。

這兩類電阻，不管其寬度如何，在溫度循環(huán)測試之后，阻值變化相似，并且偏向于0% ~ -6%的范圍內(nèi)。

使用不含Ag填料的ED7100_200 Ω電阻膏制作的電阻元件，其阻值變化最小。

在裸銅終端浸鍍金屬銀或網(wǎng)印銀膏，極大地提高了電阻對抗熱沖擊的穩(wěn)定性，同時表明這些金屬改變了銅和碳膏接觸面間的反應(yīng)。

6 討論和結(jié)論

無鉛焊接模擬測試和溫度循環(huán)測試的結(jié)果，清晰說明了多層板內(nèi)埋的薄膜電阻和聚合厚膜電阻之間的不同。

無鉛焊接的高溫處理只引起薄膜電阻阻值的微小改變，且和電阻的形狀無關(guān)。使用25 Ω/米電阻材料制作的厚膜電阻，變化范圍在0~0.5%,使用100 Ω/米電阻材料制作的厚膜電阻，變化范圍在0~-1.6%.阻值的變化范圍表明無鉛焊接的熱沖擊對內(nèi)埋薄膜電阻的影響很小。

焊接模擬流程之后，銅導(dǎo)線上印制的厚膜電阻出現(xiàn)了比薄膜電阻更顯著的變化。這種變化，和電阻值大小無關(guān)，取決于電阻寬度和使用的電阻漿類型。最大的變化（大約-4%）出現(xiàn)于最短的電阻（0.5 mm）之上，使用的是包含Ag填料的電阻漿。

使用碳膏印制的所有電阻都出現(xiàn)了-2%的阻值變化，和受測電阻的寬度無關(guān)。

溫度循環(huán)測試結(jié)果表明，電阻膜裸銅界面是裸銅導(dǎo)線聚合厚膜電阻穩(wěn)定性差的原因。測試后阻值有明顯增長，甚至1.0 mm和0.5 mm寬的電阻分別增長了50%和70%.帶有化學(xué)鎳金涂層或網(wǎng)印聚合銀膏層保護的銅導(dǎo)線終端，使得聚合厚膜電阻在溫度循環(huán)測試熱沖擊下的穩(wěn)定性大幅提高。導(dǎo)線受到保護后，電阻阻值減小范圍在-1%~-5.5%.在Salzano的研究中，溫度循環(huán)測試失敗定義為：內(nèi)埋式電阻阻值變化超過±50%,或是某一次測試循環(huán)出現(xiàn)了開路或短路。如果考慮裸銅接觸終端和聚合厚膜電阻的結(jié)構(gòu)變化，這一結(jié)論還有爭議。

阻值大幅上升對聚合厚膜電阻穩(wěn)定性的影響有幾個方面。其中一個影響穩(wěn)定性關(guān)鍵因素是電阻材料和其沉積的導(dǎo)線表面間的結(jié)合情況。第二個關(guān)鍵因素是電阻材料和銅層間的化學(xué)反應(yīng)以及電阻膜和銅層間的分層現(xiàn)象。電阻寬度小于1.5 mm時碳膏和碳銀膏與銅端面間的結(jié)合力在某些區(qū)域非常差，以至于經(jīng)受熱沖擊之后，電阻和銅導(dǎo)線間的互連出現(xiàn)斷裂。電阻的SEM測試圖片展示了導(dǎo)體層和電阻層接觸面間有一些小裂紋（圖14）。這些裂紋會造成阻值可逆或不可逆的增長。