MLCC在平板電源中的斷裂分析和改進(jìn)

MLCC在平板電源中的斷裂原因分析與改進(jìn)措施質(zhì)量管理部王磊2014年12月目錄1、

MLCC的介紹2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論MLCC簡(jiǎn)述MLCC(Multi-layerceramiccapacitors)片式多層陶瓷電容器英文縮寫(xiě)特點(diǎn):體積小、比容大、可靠性高、內(nèi)電感小、耐濕容量計(jì)算公式：C：容量值；N：并聯(lián)的電容器個(gè)數(shù)，相當(dāng)于疊層介質(zhì)的層數(shù)；K：介質(zhì)的介點(diǎn)常數(shù)，與介質(zhì)的本身特性相關(guān)d：平行板電容器兩極板的間距，相當(dāng)于介質(zhì)厚度；s：平行板電容器兩極板的正對(duì)面積，相當(dāng)于兩層電極的正對(duì)面積；因此,凡是影響X、d、s、K的因數(shù)均能影響電容的容量值.片式電容器的結(jié)構(gòu)圖1濾波2

耦合3

隔直4交流取樣5

時(shí)間常數(shù)設(shè)定6IC工作頻率調(diào)整電容器的作用電容濾波電路IC工作頻率調(diào)整MLCC屬于陶瓷電容器，常見(jiàn)的可分為以下幾類：（1）I類電容器，線性溫度特性，熱穩(wěn)定性COG電容器（超穩(wěn)定級(jí)）：溫度特性平穩(wěn)、容值小、價(jià)值高（2）II類電容器，非線性溫度特性Z5U/Y5V（能用級(jí)）電容器：溫度特性大、容值大、價(jià)值低X5R/X7R（穩(wěn)定級(jí)）電容器：介于以上兩者之間

不同材質(zhì)電容器電容量以及介質(zhì)損耗隨溫度變化的曲線MLCC的溫度特性目錄1、MLCC的介紹2、MLCC失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論MLCC的失效分析影響MLCC開(kāi)裂的因素主要有兩種：1、內(nèi)因主要涉及MLCC的材料、內(nèi)部缺陷和產(chǎn)品尺寸。瓷體的斷裂韌性主要與瓷體的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子、熱傳導(dǎo)系數(shù)和楊氏模量有關(guān)。一般情況下，瓷體的斷裂韌性按以下順序遞減:NP0>X7R>Z5U,Y5V[3,4]。同時(shí)，多項(xiàng)研究表明產(chǎn)品的尺寸越大產(chǎn)品在焊接和安裝過(guò)程中越容易產(chǎn)生開(kāi)裂。2、外因主要包括在焊接和焊接后的操作過(guò)程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。MLCC的失效分析分析手段：在失效的MLCC進(jìn)行剖面分析、難點(diǎn)：需要剪板分析，直拆會(huì)加損失效現(xiàn)象：失效的大部分樣品經(jīng)過(guò)DPA分析顯示端電極呈現(xiàn)約45℃裂紋（圖1）典型特征：受力最大的部位呈現(xiàn)45℃裂紋（圖2）圖1：MLCC彎曲開(kāi)裂圖2：45℃裂紋可見(jiàn)平板電源中MLCC的失效模式主要以彎曲開(kāi)裂為主!!!判斷廠家比較困難，但有辦法，案例如14004742（0805-50V-X7R272K）14000538（0805-50V-X7R222K）從產(chǎn)線失效樣板可以看到PCB彎曲嚴(yán)重，彎曲應(yīng)力會(huì)延伸到MLCC案例2:14003452（0805-50V-Y5V105Z）分析過(guò)程：首先無(wú)法識(shí)別供應(yīng)商，辦法首先從庫(kù)存抽樣送各供應(yīng)商進(jìn)行端強(qiáng)度、耐焊接熱測(cè)試，再進(jìn)行及DPA分析，確認(rèn)各家內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給多家并行協(xié)助分析外觀發(fā)現(xiàn)：失效品多為0.85mm厚度產(chǎn)品，庫(kù)存多家為1.25MM厚度,鎖定0.85mm產(chǎn)品找原因！DPA內(nèi)部結(jié)構(gòu)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)不良樣品2#內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很大差異，不良樣品2#內(nèi)部設(shè)計(jì)層數(shù)為64層、不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部設(shè)計(jì)層數(shù)為74層,說(shuō)明有2家產(chǎn)品失效。波峰焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使得0.85mm厚度產(chǎn)品的使用效果不及1.25mm厚度的產(chǎn)品。通過(guò)歷次不良樣品分析，統(tǒng)計(jì)失效產(chǎn)品分為以下幾個(gè)樣式：MLCC是由陶瓷和金屬的共燒體，因兩類材料的收縮率存在較大的差異，在受到驟然的熱沖擊時(shí)易產(chǎn)生熱沖擊開(kāi)裂。開(kāi)裂后產(chǎn)品內(nèi)部短路，繼續(xù)通電內(nèi)部漏電流極大，產(chǎn)生高溫，將內(nèi)部介質(zhì)和金屬燒毀熔融，形成鎳球。因此在焊接時(shí)推薦用回流焊接工藝，該工藝焊接時(shí)溫度均衡，熱應(yīng)力極小。針對(duì)客戶方面的波峰焊接工藝，供應(yīng)商只能從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方面改進(jìn)，以適應(yīng)客戶端的使用。將現(xiàn)有的0.85mm厚度產(chǎn)品更改為1.25mm厚度，耐焊性方面表現(xiàn)相近（見(jiàn)以下對(duì)比表），但在波峰焊接時(shí)可以將應(yīng)力分散至端頭處，產(chǎn)生熱沖擊幾率要小很多，更適宜目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀。

規(guī)格耐焊性溫度耐焊性結(jié)果不良樣式0805Y5V105Z500D270℃OK

280℃OK290℃OK300℃OK310℃1/80耐焊開(kāi)裂0805Y5V105Z500F270℃OK

/280℃OK290℃OK300℃OK310℃OK備注：1、耐焊性采用同一組樣品分別經(jīng)過(guò)270℃到310℃的耐焊性檢驗(yàn)；2、耐焊性方面產(chǎn)品均可以滿足生產(chǎn)使用，兩種厚度產(chǎn)品耐焊性結(jié)果應(yīng)相近，此次結(jié)果1.25mm產(chǎn)品較優(yōu)；MLCC的失效分析彎曲失效的原因主要有電容器材質(zhì)本身問(wèn)題和使用不當(dāng)。對(duì)于材質(zhì)耐受彎曲能力業(yè)界有一個(gè)界定標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定抗彎曲強(qiáng)度≧1mm。判斷MLCC材質(zhì)是否達(dá)到抗機(jī)械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用BENGDING試驗(yàn)測(cè)試端電極結(jié)合強(qiáng)度（即彎折強(qiáng)度）。判斷MLCC材質(zhì)是否達(dá)到抗機(jī)械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用BENGDING試驗(yàn)測(cè)試端電極結(jié)合強(qiáng)度（即彎折強(qiáng)度），將片狀電容器安裝在測(cè)試夾具上，按圖所示方向以1.0mm/s的速率施加壓力，彎曲1mm，供應(yīng)商內(nèi)控指標(biāo)要高于標(biāo)準(zhǔn)BENGDING示意圖BENDGING實(shí)物圖目錄1、MLCC的介紹2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論1、MLCC材質(zhì)選擇2、MLCC尺寸選擇3、優(yōu)化MLCC安裝方式7、改進(jìn)檢驗(yàn)方式6、優(yōu)化焊接工藝4、改進(jìn)PCB板設(shè)計(jì)5、改進(jìn)貼裝工藝七大改善措施1、MLCC材質(zhì)選擇

因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)的差異，2類陶瓷的X7R和X5R、Y5V材質(zhì)是較脆弱的一類。I類陶瓷C0G/NP0等因?yàn)楹穸鹊纫蛩兀涞目箯澢鷱?qiáng)比X7R的強(qiáng)很多。因此4700pF以下容量的，建議更換為C0G/NP0材料，大于4700pF以上容量產(chǎn)品如果改用C0G/NP0材質(zhì)，成本上升幅度很大。為提升可靠性，該改必須改1、MLCC材質(zhì)選擇1、MLCC材質(zhì)選擇14003452改進(jìn)措施：1：停止0.85mm厚度產(chǎn)品供貨，2：開(kāi)發(fā)ECO更改改用0805/1.0uF±10%X7R025V材質(zhì)1、MLCC材質(zhì)選擇供應(yīng)商改進(jìn)和保證措施

失效機(jī)型

對(duì)應(yīng)位號(hào)

對(duì)應(yīng)的電容規(guī)格34005565C759\C764片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006602C765\C767\C762\C760片式陶瓷電容0805-50V-X7R471K34006703C765\C778片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006723C786\C770\C777\C791片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006601C752\C754片式陶瓷電容0805-50V-X7R472K34006620C711\C718片式陶瓷電容0805-50V-X7R103K表1：電源模塊中電容斷裂失效機(jī)型與MLCC規(guī)格表上述失效電容都是X7R材質(zhì)的電容，將上述電容的材質(zhì)由X7R更改為NP0材質(zhì)，我們看一下改善效果：自主電源型號(hào)更改材質(zhì)前情況更改材質(zhì)后情況更改前上機(jī)數(shù)更改前電容失效數(shù)更改前電容失效PPM更改后上機(jī)數(shù)更改后電容失效數(shù)更改后失效PPM340066015694138667345270034006703423164811343343800340067236650022633987948200

將上述電容的材質(zhì)由X7R更改為NP0材質(zhì)，由于NP0材質(zhì)的強(qiáng)度比X7R高，產(chǎn)品成品的失效情況得到了較好的解決，失效比率由更換前的667~3398ppm均降至0ppm。

表2:電容由X7R材質(zhì)更改為NP0材質(zhì)后失效比率的改善2、MLCC尺寸選擇

由于陶瓷為脆性材料，PCB板彎曲相同的程度時(shí)大尺寸MLCC兩端頭將會(huì)承受更大的應(yīng)力，故而比小尺寸MLCC更容易產(chǎn)生開(kāi)裂失效，可以優(yōu)先選擇小尺寸MLCC產(chǎn)品來(lái)改善MLCC在PCB板上的失效現(xiàn)象。如用于遙控電路的濾波電容14005963（1206-Y5V-10uf）改用14008275（0805-X5R-10uf)3、優(yōu)化MLCC安裝方式

實(shí)際安裝到主板上之后，主板的彎曲會(huì)引起MLCC受到機(jī)械性的疲勞，容易產(chǎn)生裂紋或者裂縫，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)絕緣電阻不良以及短路等問(wèn)題。

改善措施：

為了避免此類問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)大電路板而言需要通過(guò)將MLCC橫向放置，也就是呈主板的反方向放置。這樣放置可以減輕MLCC的疲勞

。對(duì)需要分板的小板

電路板，設(shè)計(jì)上盡量避免產(chǎn)品接近垂直于分板線，建議產(chǎn)品設(shè)計(jì)位置平行于分板線并遠(yuǎn)離分板線，避免由于手工分板時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品斷裂失效4、改進(jìn)PCB板設(shè)計(jì)PCB板設(shè)計(jì)對(duì)電容器的彎曲開(kāi)裂具有較多的影響因素，具體影響因素和改善措施如表3所示。PCB板影響因素改善措施焊盤(pán)方向與分切線垂直焊盤(pán)方向與分切線平行PCB板高溫變形增加PCB板厚度焊接厚度過(guò)大焊接厚度適中電路板分割槽太淺電路板分割槽不能太淺表3：PCB板影響因素與改進(jìn)措施5、改進(jìn)貼裝工藝現(xiàn)象:

設(shè)備的吸嘴噴嘴壓力、位置不當(dāng)、或者過(guò)低于下止點(diǎn)、安裝用力過(guò)度、以及安裝速度過(guò)快等等操作，往往會(huì)使MLCC產(chǎn)生碎片以及裂紋。沖擊裂紋均在元件的表面，一般在中心或附近出現(xiàn)褪色的圓環(huán)狀或半月牙裂紋。這些小的裂紋在后續(xù)加工過(guò)程中因?yàn)楦郊討?yīng)力可以演化成大裂紋，也包括引起PCB板彎曲的應(yīng)力。措施：1、貼裝時(shí)需要掌握吸嘴的尺寸和上下方向的吸力是否位于電容器中心位置，避免吸嘴打擊電容器，引起電容器產(chǎn)生裂紋。2、功能測(cè)試時(shí)也要注意測(cè)試頂針是否有異常下壓而引起主板彎曲使電容器開(kāi)裂。

3、定期對(duì)定位銷(xiāo)進(jìn)行檢查、保養(yǎng)。因?yàn)槎ㄎ讳N(xiāo)一旦過(guò)度磨損，就會(huì)對(duì)局部產(chǎn)生機(jī)械性的沖擊，也容易產(chǎn)生碎片以及裂紋。6、優(yōu)化焊接工藝工藝

由于MLCC電極和陶瓷本體的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)差異較大，

回流零件上進(jìn)行焊接時(shí)，MLCC就會(huì)因熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋以及接口電極腐蝕，進(jìn)而出現(xiàn)接口電極固定低下，靜電容量減少等后果。另外所用焊料的量的大小會(huì)影響芯片抗機(jī)械應(yīng)力的能力，從而可能導(dǎo)致電容器破碎或開(kāi)裂措施：1、焊接方面要注意溫度沖擊帶來(lái)的不當(dāng)熱應(yīng)力損傷，保證充分的預(yù)熱效果和合適的焊接溫度，行業(yè)推薦為：預(yù)熱1-2分鐘，預(yù)熱溫度120-150℃，波峰焊接溫度控制在260℃左右。2、焊接時(shí)還要格外注意焊錫量的多少，焊錫量過(guò)少時(shí)接口電極固定力就會(huì)不夠，接觸不良以及電容器脫落；焊錫量一旦過(guò)剩，會(huì)由于焊接的收縮力產(chǎn)生機(jī)械性的疲勞、破損、裂紋、破裂等后果。電容端頭焊錫量控制在電容器厚度的1/2~1/3，且兩端錫量盡量均勻MLCC所使用的配伍材料，具有不同的CET和δT，容易引起內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)溫度變化率太高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱沖擊裂紋。這些裂紋首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)最薄弱并且機(jī)械應(yīng)力集中的地方。即出現(xiàn)在陶瓷/外露交接處或其附近。瓷片最結(jié)實(shí)的拐角處其機(jī)械應(yīng)力最大：在結(jié)構(gòu)最薄弱處往往出現(xiàn)裂紋。在控制欠佳的波峰焊過(guò)程中，當(dāng)溫度變化率過(guò)大時(shí)，在陶瓷組件端頭上會(huì)產(chǎn)生如下圖所示的作用力，會(huì)形成較大的、可見(jiàn)的表面裂紋或暗裂紋。熱沖擊有兩種征象：有些明顯可見(jiàn)的裂紋、和更多的潛伏的看不見(jiàn)的微小裂紋。在同樣的力作用下，較小的熱沖擊產(chǎn)生較小的裂紋。開(kāi)始它們出現(xiàn)在裸露表面的中央或恰好在陶瓷/電極交接處的下面。裂紋隨著加工過(guò)程溫度變化或裝配件彎曲慢慢延伸。大約幾周后，小裂紋通過(guò)陶瓷延伸，產(chǎn)生開(kāi)路、間斷接觸或大的漏電流。這是加工過(guò)程中留下的一顆“定時(shí)炸彈”6、優(yōu)化焊接工藝工藝7、改進(jìn)檢驗(yàn)方式

為防止機(jī)芯板有焊接不良、元件接觸等不穩(wěn)定因素存在，往往采用敲擊檢驗(yàn)手段，然而，敲擊時(shí)很容易直接碰到或撞擊到MLCC表面，導(dǎo)致