名家之言:湿度环境下如何测试薄膜电阻的稳定性?
品慧电子讯在“干热”条件下,薄膜电阻的阻值随时间变化会发生漂移现象。同样在相对湿度较高的地方或应用里使用电子设备时,对元器件的可靠性来说就更是一个挑战了,那么如何在湿度环境下测试薄膜电阻的稳定性是好是坏呢?请看专家讲解的详尽方法。薄膜电阻的阻值随时间变化会发生漂移现象,也就是在“干热”条件下发生的情况。然而,在相对湿度较高的地方或应用里使用电子设备时,对元器件的可靠性来说也是一个挑战。因此,行业标准AEC-Q200要求在偏置湿度测试85℃ / 85 % RH条件下,也要对无源元件进行测试。通过认证的薄膜电阻采用了适当的稳定R层和电绝缘漆,能够通过 85 / 85测试。会出现下面这些问题:(1)通过1000小时的偏置85 / 85测试,对实际当中应用的薄膜电阻意味着什么?(2) 在一定的负载和环境条件下,是否有可能通过使用经过一定时间之后的85 /85测试数据或HAST数据,预测在最坏情况下的电阻漂移?要回答这些问题和其他与测试有关的问题,我们对电阻在40 °C / 93 % RH 和85 °C / 85 % RH的工作情况,以及常用的标准测试情况,进行了长时间的实验对比。在大约0.5%和10%的最大标定工作功率下,使用我们最灵敏的薄膜电阻层系统,将这些试验的时间延长到4000小时。除此以外,我们还进行了70 °C / 90 % RH, 90 °C / 40 % RH, 以及HAST130条件下的测试,对电阻的温度、湿度的线性度,以及电压对漂移的影响进行了研究。本文将说明这个对比研究的结果,那些数据点使我们能够回答温度和电压的加速因子问题。这些成果将和现有的预测模型做对比。这些研究成果为设计出一个在整个温度-湿度-时间域内覆盖所有老化条件、系统特性和元器件健康预测的新模型提供了基础,主要内容· 开发和定义一个电子元器件的通用(偏置)湿度加速和长期预测模型,并将这个模型用于研究灵敏的薄膜电阻。· 模型考虑了热和湿度对降级的影响,这样就可以在整个温度-湿度-时间域内做预测。· 明确的ln√t – 1 / T框图包含了全部信息,使我们能够计算文中讨论的塑模/漆,以及功能层上所有相关材料的数据(活化能,湿度有关的材料特性,偏置电压加速效应等)。· 老化/氧化和腐蚀之间是有区别的。通过将暴露时间标准化,替代被测参数的漂移,可以消除这些相互矛盾现象之间的不一致性。· 通常用实际的当前蒸汽压做为明确的物理速率,替换相对湿度rh。在我们的模型里,rh的作用是估计扩散的实际速率。· 分别找出电绝缘漆或塑模的扩散特性,做为温度和湿度影响元器件参数降级的主要因素。最高到175℃的相对温度-时间-范围内的干热条件下如何预测漂移。主要发现是由阿伦尼乌斯定律推导出的随时间变化的现象,以及过程常量Tstab。在时间相关的阿伦尼乌斯等式基础上提出了预测模型,可以确保器件安全和可靠地工作,预计时间可以达到200000小时或 20年以上。对于工作在非常重要且十分恶劣环境条件下的应用,汽车行业对可靠性提出了更高的目标。除了在很多年前就已成为标准的40 °C / 93 % RH测试,偏置85 °C / 85 % RH测试已经成为标准认证和车用无源元件的强制要求。尤其是无源元件的相互作用和降级机理的细节还相当模糊。在很多研讨会和发布上,元器件制造商都表示85 / 85测试对他们的专用元器件来说太困难了(例如:AEC-RW 2012: Polymer-C; AEC-RW 2008: Tantalum-C,经过168小时的85 / 85测试)。器件符合85 / 85对长期使用意味着什么(如17年的产品寿命,在标定电压下可工作5000到7000小时),汽车行业对此是一头雾水。因此对无源元件预测模型的问题和需求随之而来,尤其是电阻。既然Lawson等式还是预测有源器件的主流方法,有人会问,Lawson预测模型是否也适合电阻的潮湿老化和降级呢。很多开放式的问题促使我们去重拾我们已经研究过和公开出版的薄膜电阻的预测方法,到目前为止,这些问题还没有合适的模型,能够检验该怎么把偏置湿度现象考虑进来,或者做得更好一点,能够整合进来。2. 偏置湿度: 老化或腐蚀效应测试表明,由于热尤其是潮湿条件的不同,过度潮湿测试的结果大相径庭。在潮湿环境中暴露1000小时后,试验结果的差异显示在图1中。1


- 第一页:偏置湿度: 老化或腐蚀效应
- 第二页:深入研究的测试程序
- 第三页:测试结果和主要发现
- 第四页:尝试使用现有模型
- 第五页:影响参数
- 第六页:在温度-湿度-时间域内标准化参数漂移
- 第七页:开发模型
- 第八页:实际使用模型和ln√t – 1 / T图
- 第九页:结论
3. 深入研究的测试程序我们的测试计划通盘考虑了下面这些因素:· 按照AEC-Q200(同一批次,对所有被测变体进行激光微调)的要求,使用认证过的灵敏的薄膜电阻阻值;· 比较偏置湿度85 / 85 测试结果与40 / 93测试结果;· 引入70℃ /90% RH和90℃ /40% RH这两个中间测试状态;· 延长测试或暴露时间到 4000小时 (10000小时);· 使用两种不同的电绝缘漆;· 在每个变体上施加两种电压/负载(从额定电压的10%到30%,利用偏置湿度测试,按照标准车用元器件的要求进行认证);· 比较偏置测试和HAST 130(高加速应力测试:130℃和85%RH偏置湿度测试,相同的批次和电气状态)的结果。很重要的一点是,两种漆都按照85 / 85(也就是说我们只按照行业标准对可用的样品进行了基本的研究)的行业要求经过了完整的认证和发布。另一个重点是必须从最灵敏的阻值范围内选取样品。图3显示了薄膜电子设计的临界边缘,可做借鉴。



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- 第二页:深入研究的测试程序
- 第三页:测试结果和主要发现
- 第四页:尝试使用现有模型
- 第五页:影响参数
- 第六页:在温度-湿度-时间域内标准化参数漂移
- 第七页:开发模型
- 第八页:实际使用模型和ln√t – 1 / T图
- 第九页:结论
对于180 kΩ的薄膜电阻,我们定义并选取ΔR / R of ≤ 0.2 %(我们估计:只有颗粒边缘的氧化会改变电导率,在材料层上也没有体积效应)。经转换后的第1种漆和第2种漆的测试数据见图6(在这个阶段,预估的RH设定值稍微有点差别,但没有关联)。尤其是在较低的温度下,漆的变化很明显。曲线可能匹配指数函数,但匹配度不是很好,尤其是第1种




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- 第五页:影响参数
- 第六页:在温度-湿度-时间域内标准化参数漂移
- 第七页:开发模型
- 第八页:实际使用模型和ln√t – 1 / T图
- 第九页:结论
我们的目的是在很宽的不断变化的温度-时间-湿度范围内,预测元器件的可靠性。因此,使用上面的模型并不能满足我们的要求,因为在一定的相对湿度下,实际的含水量极大程度上取决于温度。测量依赖温度的实际含水量的指标是对应的蒸汽压pvapor。这个数据可以从教科书里导出来。




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- 第七页:开发模型
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- 第九页:结论
我们可以得出结论,对于特性降级和预测特性降级,在给定R层或金属系统时,漆或塑模的参数是决定性因子:· 由吸附作用造成水汽渗透,进而形成水分子的移动à扩散;· 漆的可靠性是由低分子物质的扩散速度决定的;· 为了在漆里保持气体扩散,需要有净容积;· 依赖于温度和漆的有机链段的移动,在扩散的使用和加速过程中会产生新的净容积;· 在界面上或漆里面的空洞会提高浓度梯度,减缓扩散。图14显示把测试数据首先临时转换成与工况有关的依赖于Lawson的模型:标准化ΔR / R ≤ 0.2 %:暴露时间texp与蒸汽压pvapor。这个临时模型使用明确的物理量pvapor而非RH。温度与相应的蒸汽压部分相关。可以推导出加速因子,以年来表示。



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- 第三页:测试结果和主要发现
- 第四页:尝试使用现有模型
- 第五页:影响参数
- 第六页:在温度-湿度-时间域内标准化参数漂移
- 第七页:开发模型
- 第八页:实际使用模型和ln√t – 1 / T图
- 第九页:结论
6.2. 开发模型扩散可以分成与时间相关和与时间无关的两种情况,如图17所示。扩散长度是描述扩散问题的特征参数,随暴露时间的平方根√texp而增加。如果扩散的长度短于漆或塑模的厚度,在金属层表面或在我们案例里漆和R层的界面的水汽浓度会大不相同(见图17,左图)。由于在漆的厚度方向水汽浓度的梯度大,在界面处的浓度与时间高度相关。



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- 第九页:结论
当在图里加入干热特征时(按照与时间相关的Arrhenius定律方法推导),线性度非常好,如图19所示,这很好地表明扩散在干热老化机制里也是一个主要影响参数。当用计算方法标准化对漂移的时间相关性进行补偿时,干热特征只是被驱动的因素,用功能层的活化因子EA来定义。扩散条件是恒定的,与我们在ln√t – 1 / T图与时间无关区域里水饱和界面情况下发现的情形是一致的。




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- 第八页:实际使用模型和ln√t – 1 / T图
- 第九页:结论
在公式8的时间无关区域,推导出二次方程,从我们的测试结果的经验数据估计出来。在时间无关区域检验在较低rh的适用性,要在今后的研究中获得更坚实的测试数据。在几乎所有的技术应用里,电子元器件会在温度超过100 °C的正常大气压下工作。因此,出于实际需要,会在达到元器件的上限温度内,通常在与时间相关区域内进行所有预测。公式11和公式12描述了估算扩散Deff 的系数,以及临界温度相关涂漆或塑模系统的Tcrit 或 Tcrit eff。为了简化计算,这里Deff事实上是表达的是渗透率(S0 x D0),包括与温度相关的气体溶解S,是对漆/R层界面上的实际水汽浓度的相对测量。相关材料数据或功能信息可以直接从ln√t – 1 / T图读出来,或可以给给出的公式简单地算出来。6.3.实际使用模型和ln√t – 1 / T图我们把具体测量数据转换到图19和图20。我们在给定的电阻膜材料上使用了两种不同的漆,现在可以完全显示其特性,并且可能在整个规定温度-湿度-时间域内做预测。
图 22: 第一种漆, 直接读出 EA / k 和ln{xlacq /√(4D x …)}, 用虚线框起来可以获得以下数据:A. 塑模 / 漆:· 扩散系数 D0, Dt crit 和 D20;· 扩散过程的活化能 EA lacq;· 电负载的减速效应 (焦耳热) ΔEAJoule;· 临界温度 Tcrit 是一个特性;· 有效的临界温度 Tcriteff, 与讨论的具体情况相关。
图 23: 第2种漆,直接读出 EA / k 和ln{xlacq/√(4D x …)}, 用虚线框起来B. 功能层 (金属层):· 活化能EAlayer;· 偏置电压加速效应 ΔEAbias, 在层界面上达到临界水汽浓度时;· 非临界暴露时间texp最大值的预测工具,对于每个给定的温度、湿度和负载条件。示例:现在我们可以用具体数据估计和比较第1种和第2种电绝缘漆。未来,我们可以预测现场或测试应用的情况,如在130 °C (T = 403.12 K) 和 155 °C (T = 428.12 K)工作温度、最小负载,以及最坏气候条件41 °C和 75 % RH下的电气应用。
结果见下表。
给定R层的活化能是相同的,可以用EAlayer / k直接读出,如à EAR-layer = 0.96 eV。计算最大与时间无关的偏置湿度加速,做为差值ΔEAbias = 0.16 eV。
*) 备注:有记录的最高温度和湿度是2000年在沙特阿拉伯的Dharhan,温度是41℃,湿度超过70 %( pvapor = 59 hPa; 41 °C / 100 % RH: 78 hPa)。
结果:
两个材料在两个环境条件下都出现了差异。然而,即便在更糟的自然气候条件下和130℃的环境温度下,预计寿命也分别达到4000年或33E+9年,比现场使用对元器件的实际要求高得多。在155℃环境温度下,这些被调查的电绝缘漆之间特性的差异变得十分明显。
结论
-偏置湿度可以是破坏性的,即便满足了标准(AEC-Q200)的官方要求。-独立的85 / 85或HAST测试只适用于评估耐潮能力的相对比较,对推测所研究的薄膜电阻系统没有帮助。两种测试都可能是破坏性的。-对环境里达到非破坏性的漂移水平的暴露时间进行标准化,用于新的预测模型。-分配蒸汽压力,直接读取允许的暴露或加速因子上的信息,就可以产生一个简单实用的预测工具。-公开的模型(如Lawson)不适用于薄膜电阻,也不使用通用方法和与湿度加速有关的问题。-相对湿度是一个描述实际吸附率的重要参数,在试验研究里其影响无疑是可度量的。其他作者根据rh依赖度设计出模型,在一些使用模塑或功能材料的特定情况下已经被采纳。因此他们的结果模型一定是不同,并且只有在不变的模塑材料和功能层的激活能情况下才有效。他们没有考虑到重要的各个扩散情况和系统的氧化特性。-我们的模型遵从与扩散有关的系统特性,如本文所讨论的涂层材料的实际密封特性。-像85 / 85 或HAST测试的标准要求可以用客观数据对实际应用需求和器件使用条件进行评估;-模型和ln√t – 1 / T图的描述是从对薄膜电阻的试验研究推导的,将会形成广泛影响,被转换用于所有模塑或涂漆的有热或湿度有关降级效应和健康预测的有源和无源元器件。附录:符号表及其含义/解释