濕度環(huán)境下關(guān)于薄膜電阻的穩(wěn)定性測(cè)試

　　摘要：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：

　?。?）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？

　?。?） 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）。1 Ω～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800 Ω）。

　　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