印制电路板内埋薄膜电阻和聚合厚膜电阻的可靠性初步评估（二）

PCB

　　4 焊接过程模拟实验
　　内埋式电阻在对流传送炉内经受两次无铅回流焊冲击，并测定回流焊冲击后电阻值的稳定性。流程按照SAC305焊膏的时间-温度曲线操作。PCB表面最高温度达到250 ℃，液相线（217 ℃）以上时间为76 s（图7）。实验测试了4块T1薄膜电阻板（每块板测试了18块电阻）和6块T2厚膜电阻板（每块板测试了40个电阻）。

　　回流焊冲击前后，使用Agilent 34401A四探针数字万用表测试电阻值。测试探针插入激光烧制的800 mm的孔中和电阻相连。内埋薄膜电阻阻值变化可见图8和图9,聚合厚膜电阻阻值变化见图10.高温焊接会造成薄膜电阻阻值发生微小变化，但阻值上升还是下降，由电阻层参数决定。使用方阻为25 Ω/米电阻层制作的电阻，阻值变化范围为0%~0.5%,方阻100 Ω/米的电阻层制作的电阻，变化范围为0%~1.6%.这表明内埋薄膜电阻，不管形状如何，对于无铅焊接的冲击并不敏感。在其他无铅回流焊试验中，对于内埋薄膜电阻的重复测量数据证实了这一结论。
　　聚合厚膜电阻（裸铜连接）显示了和NiP电阻很不一样的状况。焊接流程过后，观测到适中的阻值减小，取决于电阻宽度和电阻膏种类（尤其是填料类型）（图10）。使用Ag膏填充的最小宽度的电阻（0.5 mm）阻值变化最大，下降4%,如ED7500_20 Ω、ED7500_5KΩ。由此看出，就较短的电阻而言，终端接触电阻占总电阻值很大一部分，这也是其阻值变化的原因。而对于较长的电阻，接触部分的作用没有这么明显。所有使用碳膏ED7100_200 Ω的电阻，不管宽度多少，阻值都下降了约2%.

　　5 温度循环测试
　　为了确认内埋电阻对于高温和低温的敏感度，印制板在CTS-70/200气候试验箱中进行了120个温度循环测试（-40 ℃ ~ +85 ℃）。单个测试循环的参数见图11.

　　120个温度循环前后测试内埋电阻阻值。温度循环测试造成内埋薄膜电阻（25 Ω/米和100 Ω/米）的阻值变化百分比见图12,聚合厚膜电阻见图13.表3列明了阻值变化情况的比较，影响因素包括使用的电阻材料，和厚膜电阻接触导线的类型。
　　120个温度循环测试之后，阻值变化范围为0~2%,与NiP层厚度和电阻宽度无关。即使是0.1 mm厚和0.5 mm宽的电阻也能达到上述变化值。一般来说，宽度较小的电阻较不稳定。

　　直接印制在裸铜线路上的聚合厚膜电阻（ED7500_20Ω，ED7500_5kΩ），电阻宽度为1.0 mm和0.5 mm时，阻值显着上升。比如，ED7500_20 Ω电阻浆制作的电阻，阻值分别上升24%和50%（图13和表3）。电阻宽度为1.5 mm时，阻值变化明显减小（最多至5%）。
　　相比直接和裸铜接触电阻，聚合厚膜电阻上铜导线有Ni/Au或Ag层保护的电阻测试结果大不相同。
　　这两类电阻，不管其宽度如何，在温度循环测试之后，阻值变化相似，并且偏向于0% ~ -6%的范围内。
　　使用不含Ag填料的ED7100_200 Ω电阻膏制作的电阻元件，其阻值变化最小。
　　在裸铜终端浸镀金属银或网印银膏，极大地提高了电阻对抗热冲击的稳定性，同时表明这些金属改变了铜和碳膏接触面间的反应。

　　6 讨论和结论
　　无铅焊接模拟测试和温度循环测试的结果，清晰说明了多层板内埋的薄膜电阻和聚合厚膜电阻之间的不同。
　　无铅焊接的高温处理只引起薄膜电阻阻值的微小改变，且和电阻的形状无关。使用25 Ω/米电阻材料制作的厚膜电阻，变化范围在0~0.5%,使用100 Ω/米电阻材料制作的厚膜电阻，变化范围在0~-1.6%.阻值的变化范围表明无铅焊接的热冲击对内埋薄膜电阻的影响很小。
　　焊接模拟流程之后，铜导线上印制的厚膜电阻出现了比薄膜电阻更显着的变化。这种变化，和电阻值大小无关，取决于电阻宽度和使用的电阻浆类型。最大的变化（大约-4%）出现于最短的电阻（0.5 mm）之上，使用的是包含Ag填料的电阻浆。
　　使用碳膏印制的所有电阻都出现了-2%的阻值变化，和受测电阻的宽度无关。
　　温度循环测试结果表明，电阻膜裸铜界面是裸铜导线聚合厚膜电阻稳定性差的原因。测试后阻值有明显增长，甚至1.0 mm和0.5 mm宽的电阻分别增长了50%和70%.带有化学镍金涂层或网印聚合银膏层保护的铜导线终端，使得聚合厚膜电阻在温度循环测试热冲击下的稳定性大幅提高。导线受到保护后，电阻阻值减小范围在-1%~-5.5%.在Salzano的研究中，温度循环测试失败定义为：内埋式电阻阻值变化超过±50%,或是某一次测试循环出现了开路或短路。如果考虑裸铜接触终端和聚合厚膜电阻的结构变化，这一结论还有争议。
　　阻值大幅上升对聚合厚膜电阻稳定性的影响有几个方面。其中一个影响稳定性关键因素是电阻材料和其沉积的导线表面间的结合情况。第二个关键因素是电阻材料和铜层间的化学反应以及电阻膜和铜层间的分层现象。电阻宽度小于1.5 mm时碳膏和碳银膏与铜端面间的结合力在某些区域非常差，以至于经受热冲击之后，电阻和铜导线间的互连出现断裂。电阻的SEM测试图片展示了导体层和电阻层接触面间有一些小裂纹（图14）。这些裂纹会造成阻值可逆或不可逆的增长。

　　另一个影响稳定性的关键因素在于印制板上铜导体图形的厚度。厚铜箔影响周围电阻材料烘烤固化过程的温度，铜导体加热电阻浆，然后蒸发溶剂从而降温。电阻膏趋向于积聚在铜导体图形边缘。
　　这两个原因都会造成电阻终端附近的方阻较低。对于较长的电阻，终端部分只占总电阻的一小部分，因此影响很小。而短的电阻，受影响部分占比很大，从而导致电阻值较低。考虑到终端导线厚度的影响，最大铜箔厚度设计需限制在10 mm ~ 14 mm.
　　现有结果表明，电阻和铜间接触面的保护涂层十分重要。在铜层和电阻膜间加入镍金层或是网印聚合厚膜银层作为保护层，可以减少铜/碳膜层间的界面氧化，甚至是腐化情况，所以大幅提高了电阻稳定性。

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