尝试使用现有模型 - 湿度环境下关于薄膜电阻的稳定性测试

　　5.尝试使用现有模型

　　在很多论文和应用报告里，Lawson模型还是非常常用的的，尤其是评估有源元器件的潮湿加速动作。因此，为了评估我们的测试结果，我们选用了这个模型。我们使用Lawson建议的数值，比较在不同相对湿度rh （公式 1）下试验结果的加速因子。

　　公式 1：

　　我们选用了第2种漆，因为它的指数趋势线的线性相关最好。首先，我们把测量数据代到Lawson等式里，选定激活能EA （设为0.9 eV）和因子 b （设为1.0）。在测量温度范围内挑取几个点，忽略相对湿度变化之间的偏置电压，我们的结果是“不适合”，如图7所示。

　　

　　图 7： 估算加速因子 （Lawson）

　　检索现有文献，Peck是提到的另一个作者。他改变了Lawson建议值，发现使用相对湿度能够适应他自己的测试结果。在一篇文章里，Hallberg很好地概括了所有湿度测试和加速模型，包括他自己的。过去30年，他与Peck对湿度加速进行了大量研究。在很多出版物里都提到，他们的研究成果的适应性最好。图8是Hallberg收集的可用模型。除了温度意外，他们都使用相对湿度做为主要的测量参数。检索最近几年有关湿度加速的出版物，我们发现，人们还在使用与Hallberg和Peck 描述或收集的模型相同的或可比较的模型。

　　

　　图8

　　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。

　　

　　图 9： 蒸汽压与温度

　　图9显示了温度对pvapor （100 % RH）的依赖关系，包括我们在40℃、70℃、85℃和130℃下做试验的测试点。在我们的试验里，实际的蒸汽压可以用pvapor x rh （例如在130℃： 2700 hPa x 0.85 = 2295 hPa）来直接计算。

　　5.1. 影响参数

　　仔细分析所研究的薄膜电阻的设计，推导出下面这些影响参数，如图10到图13所示。

　　电子元件一般是在芯部材料上覆盖一层敏感的功能金属层，外面再用密封、漆或塑模保护。我们的薄膜电阻有一个铝、R层的底座或芯部材料，外面涂一层电绝缘漆，如图10所示。元件的漆层直接暴露在测试或应用（例如85℃）的环境温度下，不存在温度梯度。水分子被吸收到漆的表面，吸收度取决于温度。在漆层界面与外部环境之间存在压差，压差大小取决于实际的蒸汽压。

　　

　　图10： 水汽浓度，蒸汽压

　　压力平衡导致水或其他低分子物质的扩散到漆体里，如图11所示。水或其他低分子量物质的汇集会扩大压力扩散效应的界面面积。有水的时候，高温和偏置电压会加速氧化，在金属层上产生电化学腐蚀，由于在层的表面存在电势差，在最坏的情况下会在R层上产生电化学腐蚀。水浓度对温度依赖程度较高，因此在热和偏置的状态下，器件被破坏的风险较高。

　　

　　图11：蒸汽扩散，施加电压加速

　　当施加电功率时，会发生特殊的减速效应。电功率会被转换成电阻层里的焦耳热。电阻层的温度会比环境温度高一点，减缓了在漆里面和界面上水汇集处的扩散（见图12）。

　　

　　图12： 焦耳热减缓扩散

　　这就解释了由于相应的负载和焦耳热分别在漆里面和R层里面影响扩散过程，较高电压的电阻样品降级速度较慢的现象。最后，在漆里面失效或缺陷的地方（气泡，空洞，小孔或由表面引脚的分层引起本地扩散），会强化或引发毁灭性的的加速，如图13所示。

　　

　　图 13： 缺陷加速

　　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⇒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。

　　

　　图 14： 蒸汽压加速，预测

　　现在可以回答有关预测的要求了。例如，“在60 °C和45% RH下，保持ΔR / R of ≤ 0.2 %的使用时间有多长？”通过简单的计算，199 hPa * 0.45 ⇒90 hPa （数据pvapor 见图9），就可以直接得出在现场的实际偏置湿度条件下，暴露时间可以达到15到30年，如图14所示。

　　这个模型没有全面考虑水扩散对温度的依赖，尤其是较高的温度和低蒸汽压的情况。另一个物理方法能够更好地考虑这个影响和实际扩散的依赖以及吸附，这个方法是必需的。