一文讀懂 MLCC 電應力擊穿，硬件工程師必備知識

在電子設備的硬件設計中，多層陶瓷電容器（MLCC）是極為常見且關鍵的電子元件。它以其體積小、容量大、等效串聯(lián)電阻低等優(yōu)勢，廣泛應用于各類電路。然而，MLCC 在工作過程中可能會遭遇電應力擊穿問題，這不僅影響設備的性能，還可能導致嚴重的失效。對于硬件工程師而言，深入了解 MLCC 電應力擊穿機理，掌握失效分析方法和可靠性設計要點，是確保電子設備穩(wěn)定運行的關鍵。

一、陶瓷電容的基本結(jié)構(gòu)

片式多層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分:陶瓷介質(zhì)，金屬內(nèi)電極，金屬外電極。在 其內(nèi)部，金屬電極層與陶瓷介質(zhì)層交替堆疊；金屬內(nèi)電極一端與外電極相連的話，則另一端 必定被埋在陶瓷介質(zhì)內(nèi)不與另一側(cè)外電極相連；每兩個相鄰的金屬內(nèi)電極與其中間的陶瓷介質(zhì)一起，構(gòu)成了多個并聯(lián)平板電容器。

這種巧妙的結(jié)構(gòu)設計特別適宜于連續(xù)的自動化生產(chǎn)，并能夠顯著提高單位體積的電容量。但也正是由于這種結(jié)構(gòu)，造成了在 MLCC 內(nèi)部的邊緣電 場發(fā)生畸變，同時也使內(nèi)部的金屬電極之間電流分布不均勻。

如果在 MLCC 內(nèi)部無材料和加 工方面的缺陷，則 MLCC 的擊穿容易發(fā)生在這些部位上，造成 MLCC 的失效。片式多層陶瓷電容器原理圖、結(jié)構(gòu)示意圖和實物切片圖如下圖所示。

二、MLCC 電應力擊穿的基本概念

電介質(zhì)與擊穿現(xiàn)象

MLCC 的核心部分是電介質(zhì)，它在正常工作電壓下起到隔離電荷的作用，使電容器能夠儲存電荷。但當施加在 MLCC 兩端的電壓超過其額定值，達到一定程度時，電介質(zhì)的絕緣性能會被破壞，電流急劇增大，這種現(xiàn)象就是電應力擊穿。

對 MLCC 來說，電應力擊穿主要有兩種擊穿失效模式：一種是電壓擊穿，或者稱為電擊穿；另一種 是電流擊穿，屬于熱擊穿。

這兩種擊穿規(guī)律不同，物理過程也不同，存在著較大的差異。另外還有一些其他類型的擊穿，如電應力擊穿等，電應力擊穿一般發(fā)生在介質(zhì)層很薄、大容量的 MLCC 中，擊穿機理同電壓擊穿。本次失效模式為電壓擊穿，對電壓擊穿機理詳細展開進行分析：電容器在電場作用下，瞬時發(fā)生的擊穿為電壓擊穿。其機理是電容器介質(zhì)中的自由電子 在強電場作用下，碰撞中性分子，使之電離產(chǎn)生正離子和新的自由電子，這種電離過程的急 劇進行,形成雪崩式的電子流，導致介質(zhì)擊穿。這類擊穿通常發(fā)生在環(huán)境溫度不高的情況下， 擊穿的發(fā)生與施加電壓的時間和環(huán)境溫度無關，主要取決于介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，也和介質(zhì)厚度、 電極面積等因素有關。

對于 MLCC 來說，發(fā)生電擊穿除了與上述提到的因素有關外，還與其內(nèi)部電極的邊緣電場畸變有更為直接的關系。在 MLCC 的內(nèi)部，電場分布情況見下左圖所示。在 A、B兩點的左側(cè)，鄰近的兩個金屬電極平行相對，是典型的平板電容器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分布著均勻電場 E1；在 A、B 兩點的右側(cè)，上面一層是短電極，金屬電極層在 A 點被陶瓷介質(zhì)阻斷，與相鄰外電極 CD 不相連，下面一層金屬長電極與外電極在 C 點緊密連接，這種長短不齊的結(jié)構(gòu)造成了 電場畸變，使之在 ABCD 區(qū)域內(nèi)為非均勻電場。在陶瓷介質(zhì)中取兩個柱形高斯閉合面，詳見下圖。

假設在 MLCC 內(nèi)部陶瓷介質(zhì)均勻、介質(zhì)層無任何缺陷，電極層完整、厚薄一致和層疊 整齊的情況下，可以得出以下結(jié)論：對 MLCC 施加高電壓，如果超過了其所承受的能力， MLCC 會發(fā)生電壓擊穿。由于 MLCC 內(nèi)部存在畸變電場，則 A 點的場強最高，擊穿易發(fā)生 在 AB 兩點附近。電壓擊穿的發(fā)生與施加電壓的時間和環(huán)境溫度無關，但長時間施加高電壓 會介質(zhì)性能退化，導致?lián)舸┑陌l(fā)生。由于 MLCC 生產(chǎn)工藝多，在流延、印刷、疊層和層壓均有可能引入缺陷，如流延介質(zhì) 厚度偏下限會導致介質(zhì)變窄，則也會出現(xiàn)在其他位置發(fā)生電壓擊穿的情況，詳見下圖。

失效分析方法

外觀檢查

通過顯微鏡等工具觀察擊穿的 MLCC 外觀，可能會發(fā)現(xiàn)表面有燒焦、開裂、鼓包等異?，F(xiàn)象。這些外觀特征可以為進一步分析提供線索。

電氣性能測試

使用專業(yè)的測試設備，如 LCR 測試儀，測量擊穿后的 MLCC 的電容、損耗角正切、絕緣電阻等參數(shù)。與正常元件的參數(shù)對比，判斷其失效程度和類型。

解剖分析

將擊穿的 MLCC 進行解剖，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢允褂镁劢闺x子束（FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）等設備，分析電介質(zhì)層、電極等部位的微觀結(jié)構(gòu)變化，確定擊穿的起始位置和原因。

MLCC可靠性設計要點

合理選擇元件參數(shù)

根據(jù)電路的工作電壓、電流、頻率等要求，選擇合適額定電壓、電容值、溫度特性的 MLCC。避免在接近或超過其額定參數(shù)的條件下使用。

降額設計

在設計時，使 MLCC 的實際工作電壓遠低于其額定電壓，一般建議降額 50% 以上。這樣可以有效降低電應力擊穿的風險，提高可靠性。

優(yōu)化散熱設計

確保 MLCC 在工作過程中有良好的散熱條件，降低其工作溫度?？梢酝ㄟ^合理布局電路板、增加散熱片等方式實現(xiàn)。

避免電壓沖擊

在電路啟動、關閉或發(fā)生瞬態(tài)變化時，可能會產(chǎn)生電壓沖擊。通過添加緩沖電路、濾波電路等措施，減少電壓沖擊對 MLCC 的影響。

MLCC 電應力擊穿是硬件工程師在設計和應用中必須重視的問題。通過深入了解擊穿機理，掌握有效的失效分析方法和可靠性設計要點，可以提高電子設備的穩(wěn)定性和可靠性，減少因元件失效帶來的損失。在未來的硬件設計中，不斷探索和應用新的技術和方法，將有助于進一步提升 MLCC 的性能和可靠性。