關(guān)鍵詞：NTC 熱敏電阻失效；防水；離子遷移；焊錫污染；膨脹系數(shù)

中圖分類號(hào)：TN372；O474 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在溫控系統(tǒng)中，負(fù)溫度系數(shù)（negative temperaturecoefficient，NTC）熱敏電阻器是一個(gè)重要的元件，用于檢測(cè)環(huán)境溫度，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給中央處理器（central processing unit，CPU）。CPU 根據(jù)這些信號(hào)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)NTC 出現(xiàn)故障時(shí)，溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)偏移[1]。例如，在被測(cè)環(huán)境為25℃ 時(shí)，設(shè)備檢測(cè)的顯示溫度卻高達(dá)50℃，這可能導(dǎo)致設(shè)備誤報(bào)故障，降低用戶的體驗(yàn)。為了解決這一問題，本文對(duì)不同封裝和不同模式失效的熱敏電阻進(jìn)行了深入調(diào)查和分析。

通過使用多種分析方法，詳細(xì)研究了NTC 熱敏電阻在不同環(huán)境下的工作特性、生產(chǎn)工藝、加工制作、設(shè)計(jì)選型等，還成功復(fù)現(xiàn)了市場(chǎng)主流的故障模式，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的改善方案。這些研究結(jié)果有助于提高NTC 熱敏電阻在各種嚴(yán)苛環(huán)境下的工作性能穩(wěn)定性，為相關(guān)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

在溫控系統(tǒng)中，NTC 熱敏電阻是核心元件，其性能和可靠性至關(guān)重要。對(duì)于批量故障的NTC，深入調(diào)查和分析是必要的[2]。通過了解NTC 熱敏電阻在不同封裝和不同模式下的工作特性，以及各種影響因素，可以優(yōu)化其生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)選型，提高其性能和可靠性。這不僅可以解決現(xiàn)有問題，還可以為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 焊片式環(huán)氧封裝NTC熱敏電阻失效原因分析

1.1 NTC 熱敏電阻失效品測(cè)試

NTC 熱敏電阻阻值存在偏移，正常值約為100 kΩ，故障時(shí)的阻值為3 kΩ，部分甚至表現(xiàn)為0.1 kΩ。將故障NTC 熱敏電阻與正常品進(jìn)行調(diào)換，使用后再次出現(xiàn)故障現(xiàn)象，鎖定故障點(diǎn)為熱敏電阻問題。

1.2 解剖分析

對(duì)多個(gè)失效樣品進(jìn)行開封， 便于觀察晶圓表面是否存在其他物質(zhì)導(dǎo)致阻值偏移。本文使用電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electronmicroscope，SEM）對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障品存在離子遷移、錫渣污染和剪腳破損等3 類問題。其中，離子遷移問題最為突出，占總故障的90%。

1.2.1 離子遷移

在解剖故障NTC 熱敏電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶圓芯子上出現(xiàn)明顯的白色晶枝，晶枝上有明顯的生長(zhǎng)痕跡，這是電遷移的典型特征。經(jīng)過能譜儀（energydispersive spectrometer，EDS）成分分析，晶枝中54% 的成分為Ag+，確認(rèn)為離子遷移問題。離子遷移是直流電路設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。在直流電作用下，帶有離子的電解質(zhì)會(huì)在電極作用下分別向陰極和陽極集中。由于金屬離子帶正電荷，它們會(huì)向陰極集中，最終形成通路，導(dǎo)致短路。這種現(xiàn)象被稱為電遷移。為了調(diào)查離子遷移的來源，需要進(jìn)一步研究離子和電遷移的特性。

1.2.2 錫渣污染

在解剖故障品時(shí)，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體芯子部位存在明顯的錫渣。錫渣的高度超過了芯子高度的50%，雖然沒有導(dǎo)致短路，但對(duì)芯子性能產(chǎn)生了影響。錫渣來源于晶圓浸錫過程，在工藝上需要優(yōu)化清洗技術(shù)，加強(qiáng)過程管控和改進(jìn)措施。

1.2.3 剪腳破損

觀察部分設(shè)備的解剖情況，發(fā)現(xiàn)在NTC 熱敏電阻組裝剪腳過程中出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。剪腳是印刷電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）常見的工藝步驟，用于分立元件插裝焊接后的引腳處理。如果引腳長(zhǎng)度過長(zhǎng)，容易造成短路。此外，在剪腳過程中，需要考慮引腳可能受到損傷的問題。

1.3 電鏡分析

對(duì)NTC 熱敏電阻芯子進(jìn)行解剖掃描，發(fā)現(xiàn)晶枝的主要成分為Ag+，占比達(dá)到54%。Ag+ 具有良好的導(dǎo)電能力，其主要來源于NTC 熱敏電阻芯子兩面的Ag 鍍層。電解液是由空調(diào)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的冷凝水所提供。冷凝水侵入電阻體內(nèi)部，與Ag 接觸后形成電解質(zhì)，并在電極作用下發(fā)生電泳現(xiàn)象，最終導(dǎo)致熱敏電阻失效。解決這一問題的關(guān)鍵在于采取有效的防潮措施。因此需要從外部結(jié)構(gòu)和環(huán)氧材料兩個(gè)方面進(jìn)行研究，以隔絕潮濕環(huán)境對(duì)電阻體的影響，從而有效控制NTC 熱敏電阻失效問題的發(fā)生。

1.4 使用年限與遷移現(xiàn)象的關(guān)系

在出現(xiàn)電遷移問題后，對(duì)歷年使用過的NTC熱敏電阻進(jìn)行排查。結(jié)果顯示，使用過的熱敏電阻均出現(xiàn)了電遷移現(xiàn)象。隨著使用時(shí)間的增加，離子遷移的面積逐漸增大，但在使用約2 年后，遷移面積的增長(zhǎng)基本趨于穩(wěn)定。研究表明，在熱敏電阻的使用過程中，電遷移是一個(gè)持續(xù)且逐步發(fā)展的過程，其影響范圍和使用年限有一定關(guān)聯(lián)。

1.5 助焊劑殘留對(duì)焊接的影響

如圖1 所示，通過觀察解剖后的故障NTC 熱敏電阻晶圓發(fā)現(xiàn)，故障晶圓表面出現(xiàn)明顯銀遷移區(qū)域，在遷移聚集區(qū)使用SEM 做成分測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)聚集區(qū)周圍存在Br- 殘留。Br- 是一種水溶性助焊劑成分，通常用于焊接NTC 熱敏電阻引線。在焊接過程中，助焊劑被用來輔助焊接，但在焊接完成后，應(yīng)該進(jìn)行清洗以去除殘留的助焊劑。在故障件中，這些集中的Br- 表明助焊劑沒有被完全清洗，這加劇了電遷移現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該發(fā)現(xiàn)，本文進(jìn)行了一項(xiàng)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，將助焊劑殘留在晶圓表面，同時(shí)增加了相應(yīng)濕度條件下的通電老化環(huán)節(jié)。在120 h 后，研究人員發(fā)現(xiàn)在晶圓表面助焊劑殘留的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的遷移現(xiàn)象和典型的晶枝生長(zhǎng)情況。這一模擬故障現(xiàn)象（圖2）與市場(chǎng)上的問題一致，進(jìn)一步證實(shí)了水溶性助焊劑殘留是導(dǎo)致電遷移的重要原因。

為了更深入地了解電遷移現(xiàn)象，使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（time of flight secondary ion massspectrometry，TOF-SIMS）技術(shù)測(cè)試了表面無明顯助焊劑殘留的故障件。通過檢測(cè)其淺表層的情況，發(fā)現(xiàn)故障件中確實(shí)存在Cl-、Br- 殘留。通過這些殘留的助焊劑成分測(cè)試到了對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)，因此進(jìn)一步證實(shí)了水溶性助焊劑殘留是電遷移的重要原因。

綜上，水溶性助焊劑殘留是導(dǎo)致NTC 熱敏電阻出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象的關(guān)鍵因素之一。為了解決該問題，必須確保在焊接和清洗過程中完全去除殘留的助焊劑，并加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過程的控制和管理。同時(shí)，對(duì)相關(guān)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

2 玻璃體封裝工藝NTC熱敏電阻失效原因分析

2.1 故障檢測(cè)排查

對(duì)正常NTC 熱敏電阻進(jìn)行了常溫測(cè)試，測(cè)得阻值為100 kΩ。故障NTC 熱敏電阻的測(cè)試結(jié)果顯示，其阻值僅為0.5 kΩ。通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)負(fù)極處引腳有明顯氧化痕跡，如圖3 所示，因此需要進(jìn)一步排查原因。

2.2 材質(zhì)排查

玻封熱敏電阻引腳材質(zhì)為銅線材，同時(shí)使用銅線材作為引線和玻璃體封裝。采用杜鎂絲工藝進(jìn)行焊接，完成玻璃體熱敏電阻封裝，杜鎂絲的膨脹系數(shù)與玻璃非常接近，因此常被用作金屬和玻璃之間的連接材料。在故障品中，發(fā)現(xiàn)杜鎂絲與玻璃之間的熔接處出現(xiàn)了發(fā)黑氧化的現(xiàn)象。為了查明原因，需要進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)來復(fù)現(xiàn)這一問題。

2.3 水煮實(shí)驗(yàn)

取10 只樣品進(jìn)行水煮實(shí)驗(yàn)，分別在95℃ 的5% NaCl 溶液中煮6 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，9 只樣品的玻璃管發(fā)生破裂。NTC 熱敏電阻封裝引腳為銅絲，其膨脹系數(shù)約為16.5×10?6/℃。不同材質(zhì)的玻璃，其膨脹系數(shù)在7.8×10?7 ～ 50×10?7/℃，部分玻璃的膨脹系數(shù)小于銅絲的膨脹系數(shù)，因此在水煮實(shí)驗(yàn)中玻璃管會(huì)發(fā)生脹裂。

2.4 高溫通電浴水

為了避免水煮實(shí)驗(yàn)中過高溫度導(dǎo)致玻璃管破裂問題，對(duì)玻璃管NTC 熱敏電阻進(jìn)行高溫浴水實(shí)驗(yàn)。高溫浴水實(shí)驗(yàn)條件為在85℃ 下，對(duì)5 個(gè)熱敏電阻通電浴水72 h。實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，NTC 熱敏電阻的杜鎂絲完好，沒有腐蝕痕跡，這與售后故障現(xiàn)象不一致，因此排除了高溫失效的原因。

2.5 低溫通電浴水

由于低溫環(huán)境下使用NTC 熱敏電阻可能出現(xiàn)故障，因此開展低溫通電浴水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為取5 個(gè)NTC 熱敏電阻在5℃ 的水溫下，通電浴水72 h。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NTC 熱敏電阻的杜鎂絲發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象且主要集中在負(fù)極，如圖4 所示。腐蝕比例達(dá)到100%，其中2 個(gè)樣品的阻值出現(xiàn)偏移，正常情況下應(yīng)為100 kΩ，但實(shí)際測(cè)量值為0.9 kΩ，該現(xiàn)象與市場(chǎng)上的故障情況一致。

3 結(jié)語與展望

通過對(duì)NTC 熱敏電阻在不同溫度和環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝特性不同，焊片工藝NTC 熱敏電阻是由于水侵入和助焊劑污染導(dǎo)致的遷移故障；玻封NTC 熱敏電阻故障是由于低溫對(duì)熱敏電阻材料膨脹系數(shù)的影響，在低溫浴水過程中，水汽通過低溫產(chǎn)生不同材料間的焊接縫隙，影響NTC 的可靠性。在兩種工藝下，NTC 熱敏電阻的可靠性提升方式均需要控制水的影響。

整改方向應(yīng)聚焦于防水設(shè)計(jì)：無論是環(huán)氧結(jié)構(gòu)還是玻璃體結(jié)構(gòu)的NTC 熱敏電阻，都應(yīng)該進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。通過使用增加環(huán)氧防水材料、阻隔水進(jìn)入晶圓、切斷電腐蝕的產(chǎn)生條件，以及采用NTC 熱敏電阻外部防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施，可以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

通過實(shí)施整改措施，能夠提高NTC 的可靠性和穩(wěn)定性，從而避免檢測(cè)溫度異常情況的發(fā)生。同時(shí)，這些方向也為從業(yè)者在NTC 熱敏電阻的選型、使用、工藝控制、過程防護(hù)和市場(chǎng)問題應(yīng)對(duì)等方面提供參考依據(jù)。未來將繼續(xù)關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展，不斷完善和優(yōu)化產(chǎn)品，以滿足客戶的需求和市場(chǎng)變化[3]。

目前國(guó)標(biāo)、行標(biāo)均對(duì)NTC 熱敏電阻的高溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行要求，但關(guān)于低溫浴水通電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均未形成正式的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)。本文利用低溫通電浴水測(cè)試探究的熱膨脹系數(shù)對(duì)玻封NTC 的可靠性影響具有重要意義，對(duì)NTC 熱敏電阻可靠性設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。