在以往的論文里，提到過薄膜電阻的阻值隨時(shí)間變化而發(fā)生漂移的現(xiàn)象，描述的是在“干熱”條件下發(fā)生的情況。然而，在相對(duì)濕度較高的地方或應(yīng)用里使用電子設(shè)備時(shí)，對(duì)元器件的可靠性來說仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q200要求在偏置濕度測(cè)試85℃/ 85 % RH條件下，也要對(duì)無源元件進(jìn)行測(cè)試。通過認(rèn)證的薄膜電阻采用了適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定R層和電絕緣漆，能夠通過85 / 85測(cè)試。

會(huì)出現(xiàn)下面這些問題：

(1)通過1000小時(shí)的偏置85 / 85測(cè)試，對(duì)實(shí)際當(dāng)中應(yīng)用的薄膜電阻意味著什么?

(2)在一定的負(fù)載和環(huán)境條件下，是否有可能通過使用經(jīng)過一定時(shí)間之后的85 /85測(cè)試數(shù)據(jù)或HAST數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)在最壞情況下的電阻漂移?

要回答這些問題和其他與測(cè)試有關(guān)的問題，我們對(duì)電阻在40°C / 93 % RH和85°C / 85 % RH的工作情況，以及常用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試情況，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。在大約0.5%和10%的最大標(biāo)定工作功率下，使用我們最靈敏的薄膜電阻層系統(tǒng)，將這些試驗(yàn)的時(shí)間延長(zhǎng)到4000小時(shí)。除此以外，我們還進(jìn)行了70°C / 90 % RH，90°C / 40 % RH，以及HAST130條件下的測(cè)試，對(duì)電阻的溫度、濕度的線性度，以及電壓對(duì)漂移的影響進(jìn)行了研究。

本文將說明這個(gè)對(duì)比研究的結(jié)果，那些數(shù)據(jù)點(diǎn)使我們能夠回答溫度和電壓的加速因子問題。這些成果將和現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型做對(duì)比。這些研究成果為設(shè)計(jì)出一個(gè)在整個(gè)溫度-濕度-時(shí)間域內(nèi)覆蓋所有老化條件、系統(tǒng)特性和元器件健康預(yù)測(cè)的新模型提供了基礎(chǔ)，

主要內(nèi)容

開發(fā)和定義一個(gè)電子元器件的通用(偏置)濕度加速和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，并將這個(gè)模型用于研究靈敏的薄膜電阻。

模型考慮了熱和濕度對(duì)降級(jí)的影響，這樣就可以在整個(gè)溫度-濕度-時(shí)間域內(nèi)做預(yù)測(cè)。

明確的ln√t– 1 / T框圖包含了全部信息，使我們能夠計(jì)算文中討論的塑模/漆，以及功能層上所有相關(guān)材料的數(shù)據(jù)(活化能，濕度有關(guān)的材料特性，偏置電壓加速效應(yīng)等)。

老化/氧化和腐蝕之間是有區(qū)別的。通過將暴露時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化，替代被測(cè)參數(shù)的漂移，可以消除這些相互矛盾現(xiàn)象之間的不一致性。

通常用實(shí)際的當(dāng)前蒸汽壓做為明確的物理速率，替換相對(duì)濕度rh.在我們的模型里，rh的作用是估計(jì)擴(kuò)散的實(shí)際速率。

分別找出電絕緣漆或塑模的擴(kuò)散特性，做為溫度和濕度影響元器件參數(shù)降級(jí)的主要因素。

1.引言

在前一篇論文里已經(jīng)介紹了在最高到175℃的相對(duì)溫度-時(shí)間-范圍內(nèi)的干熱條件下如何預(yù)測(cè)漂移。主要發(fā)現(xiàn)是由阿倫尼烏斯定律推導(dǎo)出的隨時(shí)間變化的現(xiàn)象，以及過程常量Tstab.在時(shí)間相關(guān)的阿倫尼烏斯等式基礎(chǔ)上提出了預(yù)測(cè)模型，可以確保器件安全和可靠地工作，預(yù)計(jì)時(shí)間可以達(dá)到200000小時(shí)或20年以上。

對(duì)于工作在非常重要且十分惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用，汽車行業(yè)對(duì)可靠性提出了更高的目標(biāo)。除了在很多年前就已成為標(biāo)準(zhǔn)的40°C / 93 % RH測(cè)試，偏置85°C / 85 % RH測(cè)試已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和車用無源元件的強(qiáng)制要求。尤其是無源元件的相互作用和降級(jí)機(jī)理的細(xì)節(jié)還相當(dāng)模糊。在很多研討會(huì)和發(fā)布上，元器件制造商都表示85 / 85測(cè)試對(duì)他們的專用元器件來說太困難了(例如：AEC-RW 2012：Polymer-C; AEC-RW 2008：Tantalum-C，經(jīng)過168小時(shí)的85 / 85測(cè)試)。

器件符合85 / 85對(duì)長(zhǎng)期使用意味著什么(如17年的產(chǎn)品壽命，在標(biāo)定電壓下可工作5000到7000小時(shí))，汽車行業(yè)對(duì)此是一頭霧水。因此對(duì)無源元件預(yù)測(cè)模型的問題和需求隨之而來，尤其是電阻。既然Lawson等式還是預(yù)測(cè)有源器件的主流方法，有人會(huì)問，Lawson預(yù)測(cè)模型是否也適合電阻的潮濕老化和降級(jí)呢。

很多開放式的問題促使我們?nèi)ブ厥拔覀円呀?jīng)研究過和公開出版的薄膜電阻的預(yù)測(cè)方法，到目前為止，這些問題還沒有合適的模型，能夠檢驗(yàn)該怎么把偏置濕度現(xiàn)象考慮進(jìn)來，或者做得更好一點(diǎn)，能夠整合進(jìn)來。

2.偏置濕度：老化或腐蝕效應(yīng)

測(cè)試表明，由于熱尤其是潮濕條件的不同，過度潮濕測(cè)試的結(jié)果大相徑庭。在潮濕環(huán)境中暴露1000小時(shí)后，試驗(yàn)結(jié)果的差異顯示在圖1中。

圖1：試驗(yàn)結(jié)果的差別

這些事實(shí)包含了很多開放式問題：

。為什么測(cè)試溫度僅僅增加45K，偏置濕度的影響會(huì)這么大?

。為什么薄膜電阻對(duì)偏置濕度的反應(yīng)比干熱更敏感?

。為什么更高的電壓會(huì)導(dǎo)致更低的漂移?

。在偏置濕度測(cè)試中，降級(jí)的加速機(jī)制是什么?

。是否有合適的方法，能夠估計(jì)和預(yù)測(cè)經(jīng)過偏置濕度應(yīng)力后的阻值漂移?

最初的85/85測(cè)試被設(shè)計(jì)成可以加速濕氣滲透進(jìn)非密封的IC封裝，以便引發(fā)金屬層里的腐蝕失效。在評(píng)估測(cè)試結(jié)果的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)始終搞清楚，測(cè)試結(jié)果是由(可預(yù)測(cè))的老化過程還是由(破壞性)的降級(jí)造成的。這樣我們就可以徹底地區(qū)分氧化/鈍化效應(yīng)和腐蝕機(jī)制。圖2顯示了由這兩種原因引起參數(shù)漂移的基本區(qū)別。

圖2：氧化/鈍化與腐蝕機(jī)制

3.深入研究的測(cè)試程序

我們的測(cè)試計(jì)劃通盤考慮了下面這些因素：

。按照AEC-Q200(同一批次，對(duì)所有被測(cè)變體進(jìn)行激光微調(diào))的要求，使用認(rèn)證過的靈敏的薄膜電阻阻值;

。比較偏置濕度85 / 85測(cè)試結(jié)果與40 / 93測(cè)試結(jié)果;

。引入70℃/90% RH和90℃/40% RH這兩個(gè)中間測(cè)試狀態(tài);

。延長(zhǎng)測(cè)試或暴露時(shí)間到4000小時(shí)(10000小時(shí));

。使用兩種不同的電絕緣漆;

。在每個(gè)變體上施加兩種電壓/負(fù)載(從額定電壓的10%到30%，利用偏置濕度測(cè)試，按照標(biāo)準(zhǔn)車用元器件的要求進(jìn)行認(rèn)證);

。比較偏置測(cè)試和HAST 130(高加速應(yīng)力測(cè)試：130℃和85%RH偏置濕度測(cè)試，相同的批次和電氣狀態(tài))的結(jié)果。

很重要的一點(diǎn)是，兩種漆都按照85 / 85(也就是說我們只按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可用的樣品進(jìn)行了基本的研究)的行業(yè)要求經(jīng)過了完整的認(rèn)證和發(fā)布。另一個(gè)重點(diǎn)是必須從最靈敏的阻值范圍內(nèi)選取樣品。圖3顯示了薄膜電子設(shè)計(jì)的臨界邊緣，可做借鑒。

圖3：不同阻值的電阻層厚度

方形電阻R□的整個(gè)阻值范圍使有三種合金(I，II和III)決定的。合金II采用的是CrNiX(X代表第三種元素)。1Ω～100Ω之間的R□是通過改變2μm到30nm的電阻層厚度來實(shí)現(xiàn)的。在氧化和腐蝕同時(shí)發(fā)生時(shí)，電阻層的改變會(huì)引發(fā)不同的效應(yīng)。較厚的電阻層會(huì)出現(xiàn)表面或顆粒邊界效應(yīng)。相反，我們必須面對(duì)在薄電阻層上出現(xiàn)的體積效應(yīng)，這種效應(yīng)可以影響整個(gè)層的厚度。在氧化的情況下，所有電阻材料都會(huì)受到影響。在腐蝕的情況下，這會(huì)導(dǎo)致電阻層的徹底破壞。為了做試驗(yàn)，我們挑選了這類敏感的樣品，保證樣品會(huì)出現(xiàn)最壞的情況(電阻類型有MINI-MELF，MMA0204，最大阻值為180 kΩ，R□大約是800Ω)。

各個(gè)測(cè)量點(diǎn)是從20個(gè)測(cè)試樣品的單一結(jié)果得到的。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)覆蓋到全部事件(最壞情況)的98%，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的參數(shù)值的概率分布都進(jìn)行了估值。

4.測(cè)試結(jié)果和主要發(fā)現(xiàn)

兩種不同電絕緣漆和兩個(gè)不同偏置電壓的測(cè)試結(jié)果見圖4.我們找到了兩個(gè)明顯的降級(jí)機(jī)理，可以區(qū)分老化(40 / 93，70 / 90)和破壞性的腐蝕狀態(tài)(85 / 85)。

圖4：在測(cè)試環(huán)境中暴露4000小時(shí)后的測(cè)試結(jié)果(40 / 93，70 / 90，85 / 85)

在這個(gè)階段，還不能根據(jù)85 / 85測(cè)試數(shù)據(jù)做比較或預(yù)測(cè)。因此，為了使用可比較的數(shù)據(jù)，我們?cè)?.07%到0.1%再到0.2%的ΔR / R低漂移水平上，提出了對(duì)所有阻值漂移進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的方法。通過定義一個(gè)既明顯但又幾乎不會(huì)造成破壞的可接受且在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)的漂移水平，我們就可以比較全部測(cè)試數(shù)據(jù)，另外還可以加上HAST 130的測(cè)試結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)漂移的結(jié)果(在我們這個(gè)例子是ΔR / R)與相應(yīng)的暴露時(shí)間參見圖5.暴露時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)要么是直接推導(dǎo)出來的，或是經(jīng)過我們不同的濕度測(cè)試，從120個(gè)獨(dú)立的ΔR / R漂移測(cè)量結(jié)果推算出來的。

圖5：在非破壞性的ΔR / R水平上對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

每個(gè)參數(shù)的漂移從方方面進(jìn)行了徹底的定義：幅度，系統(tǒng)/材料的關(guān)系，在規(guī)范內(nèi)可接受的值，估計(jì)的元器件預(yù)期壽命。

對(duì)于180 kΩ的薄膜電阻，我們定義并選取ΔR / R of≤0.2 %(我們估計(jì)：只有顆粒邊緣的氧化會(huì)改變電導(dǎo)率，在材料層上也沒有體積效應(yīng))。

經(jīng)轉(zhuǎn)換后的第1種漆和第2種漆的測(cè)試數(shù)據(jù)見圖6(在這個(gè)階段，預(yù)估的RH設(shè)定值稍微有點(diǎn)差別，但沒有關(guān)聯(lián))。尤其是在較低的溫度下，漆的變化很明顯。曲線可能匹配指數(shù)函數(shù)，但匹配度不是很好，尤其是第1種漆。

圖6：比較兩種漆的測(cè)試結(jié)果[!--empirenews.page--]

5.嘗試使用現(xiàn)有模型

在很多論文和應(yīng)用報(bào)告里，Lawson模型還是非常常用的的，尤其是評(píng)估有源元器件的潮濕加速動(dòng)作。因此，為了評(píng)估我們的測(cè)試結(jié)果，我們選用了這個(gè)模型。我們使用Lawson建議的數(shù)值，比較在不同相對(duì)濕度rh(公式1)下試驗(yàn)結(jié)果的加速因子。

我們選用了第2種漆，因?yàn)樗闹笖?shù)趨勢(shì)線的線性相關(guān)最好。首先，我們把測(cè)量數(shù)據(jù)代到Lawson等式里，選定激活能EA(設(shè)為0.9 eV)和因子b(設(shè)為1.0)。在測(cè)量溫度范圍內(nèi)挑取幾個(gè)點(diǎn)，忽略相對(duì)濕度變化之間的偏置電壓，我們的結(jié)果是“不適合”，如圖7所示。

圖7：估算加速因子(Lawson)

檢索現(xiàn)有文獻(xiàn)，Peck是提到的另一個(gè)作者。他改變了Lawson建議值，發(fā)現(xiàn)使用相對(duì)濕度能夠適應(yīng)他自己的測(cè)試結(jié)果。在一篇文章里，Hallberg很好地概括了所有濕度測(cè)試和加速模型，包括他自己的。過去30年，他與Peck對(duì)濕度加速進(jìn)行了大量研究。在很多出版物里都提到，他們的研究成果的適應(yīng)性最好。圖8是Hallberg收集的可用模型。除了溫度意外，他們都使用相對(duì)濕度做為主要的測(cè)量參數(shù)。檢索最近幾年有關(guān)濕度加速的出版物，我們發(fā)現(xiàn)，人們還在使用與Hallberg和Peck描述或收集的模型相同的或可比較的模型。

我們的目的是在很寬的不斷變化的溫度-時(shí)間-濕度范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)元器件的可靠性。因此，使用上面的模型并不能滿足我們的要求，因?yàn)樵谝欢ǖ南鄬?duì)濕度下，實(shí)際的含水量極大程度上取決于溫度。測(cè)量依賴溫度的實(shí)際含水量的指標(biāo)是對(duì)應(yīng)的蒸汽壓pvapor.這個(gè)數(shù)據(jù)可以從教科書里導(dǎo)出來。

圖9：蒸汽壓與溫度

圖9顯示了溫度對(duì)pvapor(100 % RH)的依賴關(guān)系，包括我們?cè)?0℃、70℃、85℃和130℃下做試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)。在我們的試驗(yàn)里，實(shí)際的蒸汽壓可以用pvapor x rh(例如在130℃：2700 hPa x 0.85 = 2295 hPa)來直接計(jì)算。

5.1.影響參數(shù)

仔細(xì)分析所研究的薄膜電阻的設(shè)計(jì)，推導(dǎo)出下面這些影響參數(shù)，如圖10到圖13所示。

電子元件一般是在芯部材料上覆蓋一層敏感的功能金屬層，外面再用密封、漆或塑模保護(hù)。我們的薄膜電阻有一個(gè)鋁、R層的底座或芯部材料，外面涂一層電絕緣漆，如圖10所示。元件的漆層直接暴露在測(cè)試或應(yīng)用(例如85℃)的環(huán)境溫度下，不存在溫度梯度。水分子被吸收到漆的表面，吸收度取決于溫度。在漆層界面與外部環(huán)境之間存在壓差，壓差大小取決于實(shí)際的蒸汽壓。

圖10：水汽濃度，蒸汽壓

壓力平衡導(dǎo)致水或其他低分子物質(zhì)的擴(kuò)散到漆體里，如圖11所示。水或其他低分子量物質(zhì)的匯集會(huì)擴(kuò)大壓力擴(kuò)散效應(yīng)的界面面積。有水的時(shí)候，高溫和偏置電壓會(huì)加速氧化，在金屬層上產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，由于在層的表面存在電勢(shì)差，在最壞的情況下會(huì)在R層上產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。水濃度對(duì)溫度依賴程度較高，因此在熱和偏置的狀態(tài)下，器件被破壞的風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖11：蒸汽擴(kuò)散，施加電壓加速

當(dāng)施加電功率時(shí)，會(huì)發(fā)生特殊的減速效應(yīng)。電功率會(huì)被轉(zhuǎn)換成電阻層里的焦耳熱。電阻層的溫度會(huì)比環(huán)境溫度高一點(diǎn)，減緩了在漆里面和界面上水匯集處的擴(kuò)散(見圖12)。

圖12：焦耳熱減緩擴(kuò)散

這就解釋了由于相應(yīng)的負(fù)載和焦耳熱分別在漆里面和R層里面影響擴(kuò)散過程，較高電壓的電阻樣品降級(jí)速度較慢的現(xiàn)象。最后，在漆里面失效或缺陷的地方(氣泡，空洞，小孔或由表面引腳的分層引起本地?cái)U(kuò)散)，會(huì)強(qiáng)化或引發(fā)毀滅性的的加速，如圖13所示。

圖13：缺陷加速

我們可以得出結(jié)論，對(duì)于特性降級(jí)和預(yù)測(cè)特性降級(jí)，在給定R層或金屬系統(tǒng)時(shí)，漆或塑模的參數(shù)是決定性因子：

。由吸附作用造成水汽滲透，進(jìn)而形成水分子的移動(dòng)à擴(kuò)散;

。漆的可靠性是由低分子物質(zhì)的擴(kuò)散速度決定的;

。為了在漆里保持氣體擴(kuò)散，需要有凈容積;

。依賴于溫度和漆的有機(jī)鏈段的移動(dòng)，在擴(kuò)散的使用和加速過程中會(huì)產(chǎn)生新的凈容積;

。在界面上或漆里面的空洞會(huì)提高濃度梯度，減緩擴(kuò)散。

圖14顯示把測(cè)試數(shù)據(jù)首先臨時(shí)轉(zhuǎn)換成與工況有關(guān)的依賴于Lawson的模型：標(biāo)準(zhǔn)化ΔR / R≤0.2 %：暴露時(shí)間texp與蒸汽壓pvapor.這個(gè)臨時(shí)模型使用明確的物理量pvapor而非RH.溫度與相應(yīng)的蒸汽壓部分相關(guān)?？梢酝茖?dǎo)出加速因子，以年來表示。

圖14：蒸汽壓加速，預(yù)測(cè)

現(xiàn)在可以回答有關(guān)預(yù)測(cè)的要求了。例如，“在60°C和45% RH下，保持ΔR / R of≤0.2 %的使用時(shí)間有多長(zhǎng)?”通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，199 hPa * 0.45à90 hPa(數(shù)據(jù)pvapor見圖9)，就可以直接得出在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際偏置濕度條件下，暴露時(shí)間可以達(dá)到15到30年，如圖14所示。

這個(gè)模型沒有全面考慮水?dāng)U散對(duì)溫度的依賴，尤其是較高的溫度和低蒸汽壓的情況。另一個(gè)物理方法能夠更好地考慮這個(gè)影響和實(shí)際擴(kuò)散的依賴以及吸附，這個(gè)方法是必需的。

結(jié)論

-偏置濕度可以是破壞性的，即便滿足了標(biāo)準(zhǔn)(AEC-Q200)的官方要求。

-獨(dú)立的85 / 85或HAST測(cè)試只適用于評(píng)估耐潮能力的相對(duì)比較，對(duì)推測(cè)所研究的薄膜電阻系統(tǒng)沒有幫助。兩種測(cè)試都可能是破壞性的。

-對(duì)環(huán)境里達(dá)到非破壞性的漂移水平的暴露時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，用于新的預(yù)測(cè)模型。

-分配蒸汽壓力，直接讀取允許的暴露或加速因子上的信息，就可以產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的預(yù)測(cè)工具。

-公開的模型(如Lawson)不適用于薄膜電阻，也不使用通用方法和與濕度加速有關(guān)的問題。

-相對(duì)濕度是一個(gè)描述實(shí)際吸附率的重要參數(shù)，在試驗(yàn)研究里其影響無疑是可度量的。其他作者根據(jù)rh依賴度設(shè)計(jì)出模型，在一些使用模塑或功能材料的特定情況下已經(jīng)被采納。因此他們的結(jié)果模型一定是不同，并且只有在不變的模塑材料和功能層的激活能情況下才有效。他們沒有考慮到重要的各個(gè)擴(kuò)散情況和系統(tǒng)的氧化特性。

-我們的模型遵從與擴(kuò)散有關(guān)的系統(tǒng)特性，如本文所討論的涂層材料的實(shí)際密封特性。

-像85 / 85或HAST測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)要求可以用客觀數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求和器件使用條件進(jìn)行評(píng)估;

-模型和ln√t– 1 / T圖的描述是從對(duì)薄膜電阻的試驗(yàn)研究推導(dǎo)的，將會(huì)形成廣泛影響，被轉(zhuǎn)換用于所有模塑或涂漆的有熱或濕度有關(guān)降級(jí)效應(yīng)和健康預(yù)測(cè)的有源和無源元器件。