陶瓷電容MLCC失效分析案例

Q：MLCC電容是什么結(jié)構(gòu)的呢？

A：多層陶瓷電容器是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫燒結(jié)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：

機械強度：硬而脆，這是陶瓷材料的機械強度特點。

熱脆性：MLCC內(nèi)部應(yīng)力很復(fù)雜，所以耐溫度沖擊的能力很有限。

Q：MLCC電容常見失效模式有哪些？

A：

Q：怎么區(qū)分不同原因的缺陷呢？有什么預(yù)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 焊錫量過多造成電容開裂

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

2、墓碑效應(yīng)

圖3 墓碑效應(yīng)示意圖

在回流焊過程中，貼片元件兩端電極受到焊錫融化后的表面張力不平衡會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，將元件一端拉偏形成虛焊，轉(zhuǎn)動力矩較大時元件一端會被拉起，形成墓碑效應(yīng)。

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

措施：

①焊接之前對PCB板進行清洗烘干，去除表面污物及水分；

②進行焊前檢查，確認左右焊盤尺寸相同；

③錫膏放置時間不能過長，焊接前需進行充分的攪拌。

本體缺陷—內(nèi)在因素

1、陶瓷介質(zhì)內(nèi)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 電極印刷過程中混入雜質(zhì)；

③內(nèi)電極漿料混有雜質(zhì)或有機物的分散不均勻。

2、電極內(nèi)部分層

圖5 電極內(nèi)部分層

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

預(yù)防措施：在MLCC的制作中，采用與瓷粉匹配更好的內(nèi)漿，可以降低分層開裂的風險。

3、漿料堆積

圖6 漿料堆積缺陷

原因：

① 內(nèi)漿中的金屬顆粒分散不均勻；

② 局部內(nèi)電極印刷過厚；

③ 內(nèi)電極漿料質(zhì)量不佳。

本體缺陷—外在因素

1、機械應(yīng)力裂紋

圖7 MLCC受機械應(yīng)力開裂示意圖

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

圖8 典型機械裂紋電容

常見應(yīng)力源：工藝過程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)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；電路板點位鉚接；螺絲安裝等。

圖9 流轉(zhuǎn)過程受力開裂示意圖

措施：

①選擇合適的PCB厚度。

②設(shè)計PCBA彎曲量時考慮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(yīng)力，MLCC應(yīng)盡量與PCB上的分孔和切割線或切槽保持一定的距離，使得MLCC在貼裝后分板彎曲時受到的拉伸應(yīng)力最小。

圖10 PCB板應(yīng)力分布比較

④MLCC的貼裝方向應(yīng)與開孔、切割線或切槽平行，以確保MLCC在PCB分板彎曲時受到的拉伸應(yīng)力均勻，防止切割時損壞。

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

圖11 合理使用支撐桿示意圖

⑥測試時合理使用支撐架，避免板受力彎曲。

2、熱應(yīng)力裂紋
 

圖12 典型熱應(yīng)力開裂電容

電容在受到過強熱應(yīng)力沖擊時，產(chǎn)生的裂紋無固定形態(tài)，可分布在不同的切面，嚴重時會導(dǎo)致在電容側(cè)面形成水平裂紋。

原因：熱應(yīng)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(wěn)定、爐溫曲線變化速率過快等。

措施：①工藝方法應(yīng)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(yīng)力，不宜采用波峰焊接；

②注意焊接設(shè)備的溫度曲線設(shè)置。參數(shù)設(shè)置中溫度跳躍不能大于150℃，溫度變化不能大于2℃/s，預(yù)熱時間應(yīng)大于2 min，焊接完畢不能采取輔助降溫設(shè)備，應(yīng)自然隨爐溫冷卻。

③手工焊接前，應(yīng)增加焊接前的預(yù)熱工序，手工焊接全過程中禁止烙鐵頭直接接觸電容電極或本體。復(fù)焊應(yīng)在焊點冷卻后進行，次數(shù)不得超過2次

3、電應(yīng)力裂紋

圖13 典型電應(yīng)力開裂電容

過電應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生不可逆變化，表現(xiàn)為耐壓擊穿，嚴重時導(dǎo)致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。遭受過度電性應(yīng)力傷害的MLCC，裂紋從內(nèi)部開始呈爆炸狀分散。 

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

②避免浪涌、靜電現(xiàn)象對器件的沖擊。

Q：怎么進行MLCC失效分析呢？

A：整個過程分為5個大階段: 外觀觀察、電性測量分析、無損分析、破環(huán)性分析、成分分析，過程中需要進行外觀檢查、電性測試、內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查、失效點定位、失效原因分析、失效點局部的成分分析，整個 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(shù)碼顯微鏡立體外觀觀察

首先使用超景深數(shù)碼顯微鏡進行外觀立體觀察，檢查電容表面是否有開裂，多角度檢查引腳側(cè)面焊錫爬升情況。電容外觀完好，沒有外部裂紋，焊錫爬升良好。

圖16 X-ray檢查

對失效電容進行X射線檢查，在電容右側(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖17 切片分析超景深數(shù)碼顯微鏡觀察截面

圖18 切片分析SEM觀察截面裂紋形貌

      對電容進行金相切片處理，可以清楚地看出，電容內(nèi)部裂紋起源于焊端附近，呈Y字型，這是典型的機械應(yīng)力裂紋形貌，對照可能的應(yīng)力源排查，規(guī)范操作過程，最終解決電容開裂問題。

參考：

【1】王天午. MLCC電容失效分析總結(jié)[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, 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).