陶瓷電容失效分析

1、多層陶瓷電容器(MLCC)的典型結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體一般為Ag或AgPd，陶瓷介質(zhì)一般為(SrBa)TiO3， 多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過高溫?zé)Y(jié)而成。器件端頭鍍層一般為燒結(jié)Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(以阻擋內(nèi)部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn發(fā)生反應(yīng))，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接。近年來，也出現(xiàn)了端頭使用Cu的MLCC產(chǎn)品。根據(jù)MLCC的電容數(shù)值及穩(wěn)定性，MLCC劃分出NP1、COG、 X7R、 Z5U等。根據(jù)MLCC的尺寸大小，可以分為1206，0805，0603，0402，0201等。 MLCC 的常見失效模式 多層陶瓷電容器本身的內(nèi)在可靠性十分優(yōu)良，可以長時間穩(wěn)定使用。但如果

2、器件本身存在缺陷或在組裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。陶瓷多層電容器失效的原因分為外部因素和內(nèi)在因素 內(nèi)在因素主要有以下幾種： 1.陶瓷介質(zhì)內(nèi)空洞 (Voids) 導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無機(jī)污染，燒結(jié)過程控制不當(dāng)?shù)??？斩吹漠a(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，而漏電又導(dǎo)致器件內(nèi)部局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，嚴(yán)重時導(dǎo)致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴(yán)重后果。 2.燒結(jié)裂紋 (firing crack) 燒結(jié)裂紋常起源于一端電極，沿垂直方向擴(kuò)展。主要原因與燒結(jié)過程中的冷卻速度有關(guān)，裂紋和危害與空洞相仿。3.分層 (delam

3、ination) 多層陶瓷電容器的燒結(jié)為多層材料堆疊共燒。燒結(jié)溫度可以高達(dá)1000以上。層間結(jié)合力不強(qiáng)，燒結(jié)過程中內(nèi)部污染物揮發(fā)，燒結(jié)工藝控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致分層的發(fā)生。分層和空洞、裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內(nèi)在缺陷。 外部因素主要為： 1.溫度沖擊裂紋(thermal crack) 主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致，不當(dāng)返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重要原因。 2.機(jī)械應(yīng)力裂紋(flex crack) 多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操作

4、；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；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。該類缺陷也是實際發(fā)生最多的一種類型缺陷。 MLCC器件的失效分析方法 掃描超聲分析:掃描超聲方法是分析多層陶瓷電容器的最重要的無損檢測方法?？梢允钟行У靥綔y空洞、分層和水平裂紋。由于超聲的分析原理主要是平面反射，因而對垂直裂紋如絕大多數(shù)的燒結(jié)裂紋、垂直分量較大的彎曲裂紋的分辨能力不強(qiáng)。同時一般多層陶瓷電容器的檢測需要較高的超聲頻率。圖2為典型的空洞和分層的掃描超聲檢測結(jié)果。 甲醇檢漏法:對于嚴(yán)重的分層或開裂，可以使用甲醇檢

5、漏法，即將失效器件浸入甲醇溶液中。由于甲醇為極性分子，且具有很強(qiáng)的滲透力，因而可以通過毛細(xì)管作用滲透進(jìn)入嚴(yán)重分層或開裂部位。加電后產(chǎn)生很大的漏電流，從而可幫助診斷。 金相剖面法: 金相剖面既是最經(jīng)典，同時也是最有效的陶瓷電容器的失效分析方法。其優(yōu)點是通過剖面及相應(yīng)的光學(xué)或掃描電子顯微鏡檢測，可以得到失效部位的成分、形貌等精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而幫助失效機(jī)理的分析。但其缺點是制備比較復(fù)雜，對制備技術(shù)要求比較高，同時為破壞性檢測手段。圖35 為金相剖面分析多層陶瓷電容器的失效的典型案例。多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制 多層陶瓷電容器的特點是在沒有內(nèi)在缺陷并且組裝過程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性優(yōu)越。但是如果存

6、在缺陷，則無論是內(nèi)在的還是外在的都可能對器件可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時組裝后的陶瓷電容器潛在缺陷很難通過無損、在線檢測等發(fā)現(xiàn)，因而多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制主要必須通過預(yù)防性措施解決。常見預(yù)防措施包括：1.對供應(yīng)商進(jìn)行認(rèn)真選擇、對其產(chǎn)品進(jìn)行定期抽樣檢測等。2.對組裝工藝中所有可能導(dǎo)致熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的操作進(jìn)行認(rèn)真的分析及有效的控制?？紤]到多層陶瓷電容器的特點，對器件進(jìn)行的檢測可以主要包括： 1.結(jié)構(gòu)分析: 即采用金相剖面手段抽檢樣品?？梢詫ζ骷a(chǎn)生的制造水平，內(nèi)在缺陷等有一全面了解。2.掃描超聲分析 : 可以十分有效地探測空洞、分層、水平裂紋等缺陷耐溫度試驗考察高溫及溫度沖擊可能帶來的器件開裂、A

7、g/Pd層外露等缺陷。彎曲試驗: 按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將器件組裝在規(guī)定的印刷電路板上，進(jìn)行彎曲試驗，以考察器件抗彎曲能力。當(dāng)然陶瓷電容器還有很多其它檢測指標(biāo)，可根據(jù)具體情況增加或減少檢查項目，以達(dá)到用最低的成本達(dá)到最有效的控制。組裝工藝中主要考察及控制項目：1.回流或波峰焊溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關(guān)的建議曲線。通過組裝良品率的積累和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。2.在組裝工藝中印刷線路板操作和流轉(zhuǎn)過程中特別是手工插件、鉚釘連接、手工切割等工藝需要特別加以注意。必要時甚至需要對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行修改，以最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工藝過程中可能產(chǎn)生較大機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域。3.檢查組裝過程中的電檢測

8、ICT工藝，必須注意盡量減小測試點機(jī)械接觸所帶來的機(jī)械應(yīng)力。4.返修工藝中溫度曲線的設(shè)置。如使用烙鐵返修，則焊頭接觸焊點的位置、時間等都必須加以規(guī)范。多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制為一系統(tǒng)工程，首先必須對實際生產(chǎn)中的失效樣品進(jìn)行分析以確定失效的根本原因，在此基礎(chǔ)上逐步提出改進(jìn)措施并最終達(dá)到最優(yōu)化的控制。2.1 陶瓷電容規(guī)格日本國內(nèi)以JIS標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。JIS標(biāo)準(zhǔn)本身也是隨著技術(shù)進(jìn)步逐漸和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC接軌的。世界各國有各自的標(biāo)準(zhǔn)，稍有差異，美國為EIA標(biāo)準(zhǔn)，軍工標(biāo)準(zhǔn)MIL，按照用途差異有不同的要求水準(zhǔn)。各國各自標(biāo)準(zhǔn)的存在與運用，實際上就是非關(guān)稅貿(mào)易壁壘，WTO（世貿(mào)組織）/TBT協(xié)議現(xiàn)在要求實現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)

9、的統(tǒng)一，電容器也不例外。JIS標(biāo)準(zhǔn)中陶瓷電容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4，這三個標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于試驗方法和測定方法都引用品種別標(biāo)準(zhǔn)JISC51011，所以日本陶瓷電容標(biāo)準(zhǔn)就是由這4項標(biāo)準(zhǔn)組成。 表4JIS陶瓷電容標(biāo)準(zhǔn)JIS編號標(biāo)準(zhǔn)名對應(yīng)IEC標(biāo)準(zhǔn)C51018瓷固定電容  種類160384 8C51019瓷固定電容種類260384 9C510110片式瓷固定電容60384 10 表EIAJ陶瓷電容器標(biāo)準(zhǔn)種類特性靜電容量許容偏差CC種類1溫度補(bǔ)償用CG（0±30ppm/）CH（0±60ppm/）CJ（0±120ppm/）CK（250ppm/）SL（3501

10、000ppm/）F（± 1%）J（± 5%）K（±10）M（±20）Z（80，20） CK種類2高介電率系不加電壓         加1/2額定電壓B（±10        10，20）R（±15        15，40）F（30，80  30，95） 隨著最近積層陶瓷電容器的高容量化、

11、低額定電壓化、以及高耐壓化的需求增加，誕生了許多上述JISC510110覆蓋范圍外的新產(chǎn)品，例如高容量品中的10V以下額定電壓品種、以及高耐壓的200V以上額定電壓品種?，F(xiàn)在，這些新品種的標(biāo)準(zhǔn)正由EIAJ（日本電子機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行起草。表5是EIAJ標(biāo)準(zhǔn)分類表。分類代號還根據(jù)形狀、尺寸、特性等項目進(jìn)行細(xì)分。作為補(bǔ)充，EIAJ標(biāo)準(zhǔn)的來源是美國EIA標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 陶瓷電容溫度特性JIS標(biāo)準(zhǔn)中，如下表4將陶瓷電容分為種類1（溫度補(bǔ)償用陶瓷電容器）和種類2（高介電率型陶瓷電容器）。按照形狀分的話，陶瓷電容有圓盤狀和片狀，其中片狀占到全部的80以上。陶瓷電容的一個重要特征是，可以按照需要制造滿足特定溫度特性要求的產(chǎn)品，因此，標(biāo)準(zhǔn)對溫度特性進(jìn)行了細(xì)分，EIA的靜電容量和溫度特性分類代號見表6和7，表中的例子X8R特性的意義是，從55到150的范圍內(nèi)，靜電容量的溫度變化在±15以內(nèi)。表6EIA 標(biāo)準(zhǔn)CLASS （種類1 溫度補(bǔ)償用）分類代號容量溫度系數(shù)溫度系數(shù)公差Ppm/代號倍數(shù)代號ppm/代號0.0C10± 30G1.0M101± 60H1.5P1002± 120J2.2R10003± 250K3.3S100004± 500L4.7T15± 1000M7.5U106&#