失效分析通常需要对测试数据进行仔细的分析,因此,测试设备的数据准确性和可靠性是至关重要的基本要求。为了确保数据的准确性,失效分析所使用的测试设备需要进行定期计量。
测试设备选择
在测试电阻、电容和电感的设备中,最常见的是普通万用表(大部分万用表不能测试电感)。虽然万用表是普及率很高的设备,但普通手持式万用表的测试精度一般在 0.5%至 1%之间。
而且,由于绝大部分万用表都没有进行定期计量,各个表之间的测试结果差异往往很大,这种差异在大部分失效分析中是不能容忍的。如果需要测试数据,建议采用精度更高的专用 LCR 测试设备,这些设备的测试精度一般都好于 0.1%。
如果需要测试的电阻较大(大于 10^8 欧姆),可能还需要使用高阻测试仪这类设备,该设备的电阻测试可以达到 10^16 欧姆。
对于特殊应用所需要的设备,其复杂度要高得多。例如,在电力电子方面使用的阻容感元件,需要的电流可能高达数百安培,电压在 1000V 以上,这导致测试成本和复杂度比普通元件高很多。这些方面应用的测试设备往往都是根据应用自行搭建的,相关的设备可以参考其领域的专门文献。
电阻值测试方法
电阻测试比较简单, 在无须考虑接触电阻的条件下, 只需将电阻直接连接到设备测量端口的两端即可。有的人可能会这么测试:
对于小电阻, 需要考虑接触电阻的影响, 采用四线法进行测试。如下图所示,电流源给电阻加一定的电流,为了避免电阻连接到仪器线缆电阻的影响,使用电压表夹在最靠近电阻体的两端,得到电压后除以电流,计算出电阻。
对于专用设备, 有专用的线缆或夹具(一般为开尔文夹)来实现四线法电阻测试。
电阻测试注意事项
如果用自行搭建四线法测试设备, 电压测试的接触点注意要加在电流接触点的内侧。当然在市面上可能会看到如下两种不同的夹具1和2。可以看到1的结构比较小巧,有点像镊子,夹元件是很方便的。2的结构是分成两个了,测试员不可能一个手完成测试,比较不方便。
但仔细看,1的夹子的结构电压检测线和电流线还没到元件位置就汇合了(共焊点),检测和电流线是共夹片的。而2的结构是有两个焊点,然后通过自己的夹片到被测试元件。
因此在测试过程中,特别是对于小阻值电阻,1的结构将引入更多的误差。也就是说1所测试出来的电阻值可能会大于2结构。
电阻失效的表现
国内研究表明, 失效分析中电阻器失效中的大部分属于致命性失效, 测试结果的主要表现为开路;小部分是阻值漂移, 短路的失效模式在电阻器中很少见到。
在高频电阻的失效分析中, 还需要考虑元件高频性能退化。 高频特性主要是由集肤效应、 介质损耗等因素决定的, 在失效分析过程中需要考虑这些方面的影响。
电阻的温度特性和噪声特性
除了考虑电阻的阻值以外, 电阻的温度特性和噪声特性在某些特殊应用中也需要考虑,下图是松下的某表贴电阻的温度特性的规范上限 , 可以看到, 温度系数在低阻区和高阻区都相对较大。
温度系数的测试需要在元件的工作温度范围内选择3个以上的温度点进行阻值测试, 测试的阻值-温度曲线的斜率就是元件的温度系数, 单位是ppm/℃。
图是松下电阻的噪声特性, 可以看到, 厚膜电阻高阻的噪声特性比低阻要大很多, 而薄膜电阻的噪声特性比较稳定, 而且比厚膜电阻小。 电阻的噪声包括热噪声和1/f噪声, 一般情况下1/f噪声占主要部分。
噪声测试需要使用9812DX这样的专用设备进行测试。
电阻测试的结果往往和电阻的失效机理相关, 测试结果的变化反映了电阻内部材料和结构特性的改变。 例如, 在《电子元器件失效分析技术》书籍出给出了国外某研究机构对某种电阻做过一个统计 ,电阻测试结果的一个分类, 包括电测试失效模式、 失效机理和失效比例, 可以看到开路和阻值漂移是主要的失效模式。 通过这样的大量数据积累, 电阻的电测试结果可以帮助失效分析工程师对其失效机理进行初步判断。
某类型电阻的失效机理:
测试结果 | 失效机理 | 占全部失效比例(%) |
---|---|---|
阻值漂移 | 水汽侵入 | 45 |
阻值漂移,开路 | 材料不均匀 | 15 |
阻值漂移 | 沾污 | 15 |
开路 | 引线缺陷 | 25 |