陶瓷電容MLCC失效分析案例

Q：MLCC電容是什么結構的呢？

A：多層陶瓷電容器是由印好電極（內電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極）制成的電容。

MLCC電容特點(diǎn)：

機械強度：硬而脆，這是陶瓷材料的機械強度特點(diǎn)。

熱脆性：MLCC內部應力很復雜，所以耐溫度沖擊的能力很有限。

Q：MLCC電容常見(jiàn)失效模式有哪些？

A：

Q：怎么區分不同原因的缺陷呢？有什么預防措施呢？

組裝缺陷

1、焊接錫量不當

圖1 電容焊錫量示意圖

圖2 焊錫量過(guò)多造成電容開(kāi)裂

當溫度發(fā)生變化時(shí)，過(guò)量的焊錫在貼片電容上產(chǎn)生很高的張力，會(huì )使電容內部斷裂或者電容器脫帽，裂紋一般發(fā)生在焊錫少的一側；焊錫量過(guò)少會(huì )造成焊接強度不足，電容從PCB 板上脫離，造成開(kāi)路故障。

2、墓碑效應

圖3 墓碑效應示意圖

在回流焊過(guò)程中，貼片元件兩端電極受到焊錫融化后的表面張力不平衡會(huì )產(chǎn)生轉動(dòng)力矩，將元件一端拉偏形成虛焊，轉動(dòng)力矩較大時(shí)元件一端會(huì )被拉起，形成墓碑效應。

原因：本身兩端電極尺寸差異較大；錫鍍層不均勻；PCB板焊盤(pán)大小不等、有污物或水分、氧化以及焊盤(pán)有埋孔；錫膏粘度過(guò)高，錫粉氧化。                                                                    

措施：

①焊接之前對PCB板進(jìn)行清洗烘干，去除表面污物及水分；

②進(jìn)行焊前檢查，確認左右焊盤(pán)尺寸相同；

③錫膏放置時(shí)間不能過(guò)長(cháng)，焊接前需進(jìn)行充分的攪拌。

本體缺陷—內在因素

1、陶瓷介質(zhì)內空洞

圖4 陶瓷介質(zhì)空洞圖

原因：

① 介質(zhì)膜片表面吸附有雜質(zhì)；

② 電極印刷過(guò)程中混入雜質(zhì)；

③內電極漿料混有雜質(zhì)或有機物的分散不均勻。

2、電極內部分層

圖5 電極內部分層

原因：多層陶瓷電容器的燒結為多層材料堆疊共燒。瓷膜與內漿在排膠和燒結過(guò)程中的收縮率不同，在燒結成瓷過(guò)程中，芯片內部產(chǎn)生應力，使MLCC產(chǎn)生再分層。

預防措施：在MLCC的制作中，采用與瓷粉匹配更好的內漿，可以降低分層開(kāi)裂的風(fēng)險。

3、漿料堆積

圖6 漿料堆積缺陷

原因：

① 內漿中的金屬顆粒分散不均勻；

② 局部?jì)入姌O印刷過(guò)厚；

③ 內電極漿料質(zhì)量不佳。

本體缺陷—外在因素

1、機械應力裂紋

圖7 MLCC受機械應力開(kāi)裂示意圖

原因：多層陶瓷電容器的特點(diǎn)是能夠承受較大的壓應力，但抗彎曲能力比較差。當PCB板發(fā)生彎曲變形時(shí)，MLCC的陶瓷基體不會(huì )隨板彎曲，其長(cháng)邊承受的應力大于短邊，當應力超過(guò)MLCC的瓷體強度時(shí)，彎曲裂紋就會(huì )出現。電容在受到過(guò)強機械應力沖擊時(shí)，一般會(huì )形成45度裂紋和Y型裂紋。

圖8 典型機械裂紋電容

常見(jiàn)應力源：工藝過(guò)程中電路板操作；流轉過(guò)程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試，單板分割；電路板安裝；電路板點(diǎn)位鉚接；螺絲安裝等。

圖9 流轉過(guò)程受力開(kāi)裂示意圖

措施：

①選擇合適的PCB厚度。

②設計PCBA彎曲量時(shí)考慮MLCC能承受的彎曲量。比較重的元器件盡量均勻擺放，減少生產(chǎn)過(guò)程中由于重力造成的板彎曲。

③優(yōu)化MLCC在PCB板的位置和方向，減小其在電路板上的承受的機械應力，MLCC應盡量與PCB上的分孔和切割線(xiàn)或切槽保持一定的距離，使得MLCC在貼裝后分板彎曲時(shí)受到的拉伸應力最小。

圖10 PCB板應力分布比較

④MLCC的貼裝方向應與開(kāi)孔、切割線(xiàn)或切槽平行，以確保MLCC在PCB分板彎曲時(shí)受到的拉伸應力均勻，防止切割時(shí)損壞。

⑤MLCC盡量不要放置在螺絲孔附近，防止鎖螺絲時(shí)撞擊開(kāi)裂。在必須放置電容的位置，可以考慮引線(xiàn)式封裝的電容器。

圖11 合理使用支撐桿示意圖

⑥測試時(shí)合理使用支撐架，避免板受力彎曲。

2、熱應力裂紋
 

圖12 典型熱應力開(kāi)裂電容

電容在受到過(guò)強熱應力沖擊時(shí)，產(chǎn)生的裂紋無(wú)固定形態(tài)，可分布在不同的切面，嚴重時(shí)會(huì )導致在電容側面形成水平裂紋。

原因：熱應力裂紋產(chǎn)生和電容本身耐焊接熱能力不合格與生產(chǎn)過(guò)程中引入熱沖擊有關(guān)?？赡艿脑虬ǎ豪予F返修不當、SMT爐溫不穩定、爐溫曲線(xiàn)變化速率過(guò)快等。

措施：①工藝方法應多考慮MLCC的溫度特性和尺寸，1210以上的大尺寸MLCC容易造成受熱不均勻，產(chǎn)生破壞性應力，不宜采用波峰焊接；

②注意焊接設備的溫度曲線(xiàn)設置。參數設置中溫度跳躍不能大于150℃，溫度變化不能大于2℃/s，預熱時(shí)間應大于2 min，焊接完畢不能采取輔助降溫設備，應自然隨爐溫冷卻。

③手工焊接前，應增加焊接前的預熱工序，手工焊接全過(guò)程中禁止烙鐵頭直接接觸電容電極或本體。復焊應在焊點(diǎn)冷卻后進(jìn)行，次數不得超過(guò)2次

3、電應力裂紋

圖13 典型電應力開(kāi)裂電容

過(guò)電應力導致產(chǎn)品發(fā)生不可逆變化，表現為耐壓擊穿，嚴重時(shí)導致多層陶瓷電容器開(kāi)裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。遭受過(guò)度電性應力傷害的MLCC，裂紋從內部開(kāi)始呈爆炸狀分散。 

措施：①在器件選型時(shí)應注意實(shí)際工作電壓不能高 于器件的額定工作電壓；

②避免浪涌、靜電現象對器件的沖擊。

Q：怎么進(jìn)行MLCC失效分析呢？

A：整個(gè)過(guò)程分為5個(gè)大階段: 外觀(guān)觀(guān)察、電性測量分析、無(wú)損分析、破環(huán)性分析、成分分析，過(guò)程中需要進(jìn)行外觀(guān)檢查、電性測試、內部結構檢查、失效點(diǎn)定位、失效原因分析、失效點(diǎn)局部的成分分析，整個(gè) MLCC 的失效分析的流程如圖：

圖14 MLCC失效分析流程圖

圖15 超景深數碼顯微鏡立體外觀(guān)觀(guān)察

首先使用超景深數碼顯微鏡進(jìn)行外觀(guān)立體觀(guān)察，檢查電容表面是否有開(kāi)裂，多角度檢查引腳側面焊錫爬升情況。電容外觀(guān)完好，沒(méi)有外部裂紋，焊錫爬升良好。

圖16 X-ray檢查

對失效電容進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，在電容右側發(fā)現裂紋。

圖17 切片分析超景深數碼顯微鏡觀(guān)察截面

圖18 切片分析SEM觀(guān)察截面裂紋形貌

      對電容進(jìn)行金相切片處理，可以清楚地看出，電容內部裂紋起源于焊端附近，呈Y字型，這是典型的機械應力裂紋形貌，對照可能的應力源排查，規范操作過(guò)程，最終解決電容開(kāi)裂問(wèn)題。

參考：

【1】王天午. MLCC電容失效分析總結[J]. 電聲技術(shù), 2018, 042(002):36-40,70.

【2】劉銳, 陳亞蘭等. 片式多層陶瓷電容失效模式研究[J]. 微電子學(xué), 2013(3):449-452.

【3】張偉, 閆迎軍. MLCC的裝焊質(zhì)量控制探討[J]. 電子工藝技術(shù), 2017(5).