SMT片式多層陶瓷(MLCC)電容常見失效分析及預防措施

摘要

      本文介紹瞭片式多層瓷介電容器在使用過程中齣現的常見失效模式，分析瞭導緻失效的原因，給齣瞭失效分析方法，併從器件質量、PCB設計、SMT工藝控製、器件管控等方麵提齣瞭相應的預防措施。

關鍵詞：片式多層陶瓷電容；失效；預防措施

前言

      隨著電子産品曏小型化、多功能化方曏髮展，設計和組裝密度越來越大，片式多層陶瓷電容MLCC（Multilayer Ceramic Capacitor，以下簡稱MLCC）以其體積小、成本低、高比容、高可靠性及便於錶麵貼裝得到瞭廣泛應用，MLCC是用量最大、髮展最快的片式元件之一。但MLCC失效問題一直存在，如電容瓷體斷裂、微裂和絶緣電阻下降等，嚴重影響瞭産品的可靠性。現從MLCC的結構特點、失效模式、分析方法、預防措施等方麵進行總結，便於對MLCC失效進行分析，盡量減少MLCC的失效。

1、MLCC結構特點

      MLCC基本結構由陶瓷介質、內部電極和外部電極組成，如圖1所示。電極導體一般爲Ag或AgPd，陶瓷介質一般爲BaTiO₃，多層陶瓷結構通過高溫燒結而成。器件端頭鍍層一般爲燒結Ag/AgPd，然後製備一層Ni阻擋層（以阻擋內部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn髮生反應），再在Ni層上製備Sn或SnPb層用以焊接。

圖1 MLCC結構

由於MLCC的端電極、金屬電極和陶瓷介質之間的熱膨脹繫數不衕，若加工過程中溫陞控製不當易造成MLCC的損壞。正是由於MLCC的這種封裝結構，客觀上片式MLCC的損壞率遠高於片式電阻。

2、MLCC常見失效模式

 MLCC本身的內在可靠性十分優良，可以長時間穩定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程中引起缺陷，則會對其可靠性産生嚴重影響。

 MLCC的常見失效模式有：介質擊穿、開路、電蔘數變化（包括電容量超差、損耗角正切值增大、絶緣電阻下降或漏電流上陞等）、腐蝕、斷裂或微裂等。造成MLCC失效的原因是否複雜多樣的，其失效機理也是不衕的。歸納起來，MLCC失效模式主要有以下幾種。

2.1  介質內空洞

導緻空洞産生的主要因素爲陶瓷粉料內的有機或無機汙染，燒結過程控製不當等。外部水汽和雜質離子（如Na離子）很容易進入內部空洞，在潮濕和雜質離子的作用下，這些空洞成爲Ag離子遷移通道，從而導緻電容絶緣電阻下降，漏電流增大，齣現電容擊穿、燒譭而失效。見圖2所示。  

圖2 介質內部空洞及空洞引髮漏電併導緻斷裂

2.2    燒結裂紋

 燒結裂紋常起源於一端電極，沿垂直方曏擴展。從本質上講，裂紋是由於內電極金屬層和陶瓷介質在燒結過程中收縮不一緻引起的。微裂紋一般不會對電性能産生影響，但影響産品的可靠性。主要錶現爲絶緣電阻下降、漏電。

2.3  內部分層

 多層陶瓷電容器的燒結爲多層材料堆疊共燒。燒結溫度可以高達1000℃以上。層間結閤力不強，燒結過程中內部汙染物揮髮，燒結工藝控製不當都可能導緻分層的髮生。分層和空洞、裂紋的危害相仿，是MLCC製造中最重要的質量問題。介質分層如圖3所示。

圖3 內電極與介質分層和端電極與介質分層

2.4  介質缺陷

      在MLCC的常用介質中，大多屬於鈣鈦礦晶型，併含有陽離子八麵體網。以這種鈣鈦礦晶型結構爲基礎，人們開髮齣複閤鈣鈦礦型的鐵電陶瓷介質。由於鐵電晶粒內部的電緻應變，會是晶界産生裂紋，併逐漸加劇，最終使介質材料擊穿。

2..5  金屬離子遷移

      由於MLCC的內部電極是Ag/Pd閤金，端電極是Sn/Ni/Ag三層鍍的一次燒結工藝與多層疊片結構。燒結過程中，Ag蔘與瞭陶瓷介質錶麵的固相反應，滲入瞭瓷-銀接觸處形成的界麵層，如圖4（a）所示。Ag本身非常容易擴散遷移，如果陶瓷介質不夠緻密，銀離子遷移會擴散到陶瓷介質內部，引起漏電流增大，嚴重時會使因電極之間短路，導緻MLCC擊穿。如圖4（b）所示。

（a）銀離子（白色斑點）遷移                  （b）介質內部漏電

圖4 離子遷移導緻內部漏電

2.6  溫度衝擊（熱應力）裂紋

 在元器件和電路闆之間的熱膨脹(CTE)不匹配繫數會在不衕物料的連接處産生過大的力，驟熱或驟冷都會導緻MLCC齣現裂紋。如圖5所示。器件在焊接特彆是波峰焊時承受較高的溫度衝擊，不當返修也是導緻溫度衝擊裂紋的重要原因。若電容內部齣現裂紋或微裂紋，用烙鐵補焊時，明顯裂紋錶現爲斷裂，微裂紋大多錶現爲電性能恢複正常，漏電現象消失。但整機齣廠後過一段時間，MLCC可靠性差的問題就體現齣來瞭。這是比較常見的現象，值得認真研究分析。

圖5 熱應力裂紋

2.7 機械應力裂紋

 多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應力，但抵抗彎麴能力比較差。器件組裝過程中任何可能産生彎麴變形的操作都可能導緻器件開裂。常見應力源有：貼片對中，工藝過程中電路闆操作；運輸過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單闆切割；電路闆安裝；電路闆定位鉚接；螺絲安裝等。如圖6（a）與（b）所示。

        （a）  PCB彎麴導緻MLCC開裂             （b）貼裝應力引起的典型器件開裂

圖6 機械應力裂紋

 以常見的單闆切割爲例：在切割工藝過程中，各單闆可能會輕微扭麴。扭麴造成的應力必鬚通過某處釋放，而釋放點可能會是錶麵貼裝的MLCC，因爲牠們比闆上的很多其牠元件更具脆性。在過去使用SnPb焊料時，剛性小得多的SnPb焊料可以吸收部分應力，可能會防止電容開裂。但無鉛焊料剛性要大得多，應力完全傳遞到電容上的可能性也大得多。在早期，裂縫的程度通常是有限的，裂縫到達電容錶麵的可能性很小，因而難以被髮覺，而且牠們在測試中造成大的電氣問題的可能性很小。從長期看，作爲熱週期循環的結果，裂縫可能會髮展併導緻越來越多的電極片破裂。最終，闆上的一箇或多箇電容的劣化會到達一定程度，緻使整體繫統性能受到影響，或導緻繫統故障。

 該類裂紋一般起源於器件上下金屬化端，沿45℃角曏器件內部擴展，併且裂紋會擴大到MLCC焊接部分高度的一半左右。該類缺陷是貼裝到電路闆上的MLCC最普遍的失效模式。

3、MLCC失效分析方法

      解決MLCC失效問題的方法有外觀檢查、自動光學檢查、X-Ray檢查、金相切片、能譜和掃描電鏡分析（EDS & SEM）、超聲波掃描檢測等。

3.1  電容外觀檢查

 主要檢查電容錶麵有無開裂、破損，焊點形狀是否符閤要求。用洗闆水清洗焊點後檢查是否有明顯的外來汙染物（導電物質）引起失效。主要工具：立體顯微鏡，X-Ray。

3.2  金相切片分析

 通過剖麵及相應的電子顯微鏡檢測，可以得到失效部位的成分、形貌等精細結構，從而幫助失效機理的分析。主要工具：取樣機、拋磨機、金相顯微鏡。

3.3  掃描超聲分析（C-SAM）

 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衝擊可能帶來的器件開裂、Ag/Pd層外露等缺陷。主要工具：超聲掃描顯微鏡。

3.4  能譜和掃描電鏡分析（EDS & SEM）-成份分析

 IMC組織成份分析及離子汙染物元素分析。主要工具：電鏡和能譜儀。

失效分析的一般原則：

 先進行非破壞性試驗，後進行破壞性試驗。

失效分析的一般步驟：

 外觀檢查→X-Ray檢查→掃描超聲分析C-SAM→能譜和掃描電鏡分析（EDS & SEM）→金相切片分析。（註：以上步驟可根據實際情況進行調整或增刪）

案例：

 故障現象：MLCC漏電導緻阻抗明顯降低，由MΩ級降低爲KΩ或者更低，重新焊接後故障現象排除。故障闆圖7所示。

   圖7  MLCC失效圖片

（1） 外觀檢查

     如圖8所示。

圖8 立體顯微鏡觀察本體及焊點

（2）X-Ray檢查

    如圖9所示。

圖9 用X-Ray焊點內部情況

（3） 掃描超聲分析C-SAM

    如圖10（a）與（b）所示。

          （a）分離裂縫顯示齣黑色聲學陰影          （b）亮區爲MLCC內部分層

圖10  C-SAM檢查內部分層

（4） 能譜和掃描電鏡分析（EDS & SEM）

    如圖11所示。

圖11 檢查有無異常元成份

（5）金相切片分析

    如圖12、圖13所示。

圖12 陶瓷層有微小Crack

圖13 本體開裂

4  預防措施

4.1 器件本身質量改進

（1）改進電介質材料，提高MLCC介質的緻密程度，減少空洞，杜絶銀遷移的通道，消除在高溫下一次燒結時金屬電極曏瓷介質層的熱擴散現象，使瓷料燒結緻密化。建議使用高溫（1300℃）燒結BaTiO3基MLCC，採用高Pd（Ag30Pd70）作爲內電極。

（2）改進電極材料，使用鎳電極，在陶瓷基片上採用化學鍍鎳工藝。由於鎳的化學穩定性比銀好，電遷移率低，提高瞭陶瓷電容器的性能和可靠性。或者提高內電極中Pd的含量,也可以抑製Ag遷移。

（3）衕時從材料加工工藝及産品製造工藝過程上改進。例如AVX公司的MLCC在終端材料中附加瞭FlexiTerm層，對機械彎麴增加瞭阻力，用於防止繫統産生的失效。見圖14。

圖14 附加瞭FlexiTerm層

4.2  PCB 設計

PCB焊盤設計必鬚考慮以下幾點：

（1）焊料的多少會影響到MLCC抗機械應力的能力，從而可能導緻MLCC破碎或開裂。因此在PCB Design時，必鬚慎重考慮焊盤的大小和匹配性。如圖15所示。

圖15 焊盤設計

（2）貼裝後MLCC將承受下一加工過程中産生的機械應力，因此，在排佈MLCC的位置時，應考慮把應力減到最低點。1206封裝以下距離闆邊至少5mm，1206封裝以上距離闆邊至少10mm。如圖16所示。

（3）MLCC元件盡量避免放在貼片、包裝或運輸中容易碰到的位置。如圖17所示

圖16 不衕排版方式應力對比

圖17 緊靠PCB的闆邊容易碰到

4.3    PCBA組裝過程工藝控製

 嚴格按照SOP要求進行操作，禁止單手拿闆，禁止人工摺闆操作，減少PCBA變形、翹麴等對MLCC造成的機械應力損傷。如圖18、圖19所示。

圖18  手持PCBA要求

圖19 生産中正確及錯誤的操作

 根據廠傢建議的迴流或波峰焊溫度麴線，進行工藝優化。爲瞭避免MLCC在焊接過程中因熱應力造成損傷，嚴格控製焊接過程中陞溫速度，重點控製波峰焊中的預熱溫度，使其保持足夠高的預熱溫度，減少熱衝擊對器件造成的損傷。如圖20。

圖20 無鉛焊接溫度麴線

PCBA組裝過程中需特彆註意事項：

（1）在SMT貼裝過程中，若貼片機吸嘴頭壓力過大髮生彎麴，容易産生變形導緻裂紋。對於麵積較大的PCB應在底麵正確設置支撐桿。如圖21所示。

圖21 正確設置支撐桿

（2）機插、手插、分闆、ICT、FCT、打螺釘等工序會産生較大的機械應力，應註意操作的規範性，必鬚盡量減小機械接觸所帶來的機械應力。若産品存在嚴重設計缺陷，可以提齣修改。

（3）返修工藝中溫度的設置和正確的操作方式。焊接時會産生熱衝擊，如果操作者將烙鐵尖端直接接觸電容電極，就會齣現熱衝擊引起陶瓷貼片電容器本體的微裂，一段時間後陶瓷貼片電容就會失效。如圖22所示。因此，返修時焊頭接觸焊點的位置、時間等都必鬚加以規範。

圖22 錯誤的焊接方式

（4）指定僅可用於迴流焊接的MLCC，不可用於波峰焊接。

（5）可靠性試驗溫度範圍不能超過MLCC正常使用溫度。

4.4  供應商認定及來料質量控製

 MLCC的特點是在沒有內在缺陷併且組裝過程也未引入其牠缺陷的前提下，可靠性優越。但是如果存在缺陷，則無論是內在的還是外在的都可能對器件可靠性産生嚴重影響。因此加強MLCC來料質量控製也是預防性措施之一。對供應商進行認真選擇，盡量選擇口碑比較好的，如Murata、TAIYO、TDK、AVX等。進行定期的抽樣檢測，增加片式電容的可靠性測試（例如耐焊接熱、抗彎麴性等）。

 註意事項：

（1）絶緣電阻IR不閤格的料可能電容值和Q值都是OK的，IQC在進行檢測時務必註意。

（2）供應商在絶緣耐壓測試時可能將電容內部燒成Crack，如果混料就會造成不良。

4.5  存儲條件

 爲控製端電極的可焊性和保證包裝材料處於良好的狀態，要註意控製好存儲區域的溫度和濕度。推薦條件：室溫25±5 ℃，濕度30%~60%，存放有效期6箇月，如果保存時間超過6箇月，在使用之前應檢查産品的可焊接性。

 包裝材料不應存放在腐蝕性環境中（比如含硫化物或氯化物的氣體、痠、鹼）。

 高介電常數的電容器（2類，3類）的容量值將隨著時間的推移而下降，因此在設計電路時應考慮到這一點。如果電容器的容值減少瞭，在150℃的條件下對電容進行預熱。

結束語

      造成MLCC失效的原因比較複雜，內部空洞和分層、燒結裂紋、離子遷移、熱應力和機械應力裂紋是MLCC失效的主要模式。可以通過器件質量改進，優化PCB排版設計，正確的貼裝、焊接、返修工藝等方麵進行改進，減少MLCC的失效，提高産品的質量和可靠性。

蔘考文獻

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