湿度环境下关于薄膜电阻的稳定性测试

　　摘要：在以往的论文里，提到过薄膜电阻的阻值随时间变化而发生漂移的现象，描述的是在"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仍然是一个挑战。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。

　　1. 引言

　　在前一篇论文里已经介绍了在最高到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。

　　图 1：试验结果的差别

　　这些事实包含了很多开放式问题：

　　· 为什么测试温度仅仅增加45K，偏置湿度的影响会这么大？

　　· 为什么薄膜电阻对偏置湿度的反应比干热更敏感？

　　· 为什么更高的电压会导致更低的漂移？

　　· 在偏置湿度测试中，降级的加速机制是什么？

· 是否有合适的方法，能够估计和预测经过偏置湿度应力后的阻值漂移