MLCC的失效原因分析

MLCC由陶瓷介質(zhì)、端電極、金屬電極三種材料構(gòu)成。由于陶瓷的特性一般比較脆，所以會因為應(yīng)力或溫度導(dǎo)致破裂或與金屬電極錯位是MLCC失效的主要原因。陶瓷電容也同樣會應(yīng)為電應(yīng)力過大導(dǎo)致失效。MLCC的失效原因可能是本身制造方面遺留的問題造成的，也可能是在MLCC被用于制造PCBA，或者電路使用過程中造成的。PCB板彎曲導(dǎo)致陶瓷電容焊接到印刷電路板的部分產(chǎn)生裂紋，并且裂紋會沿45度角向陶瓷電容內(nèi)部擴(kuò)展，這是MLCC失效的主要現(xiàn)象，如圖18.1所示。

圖 18.1 MLCC失效的主要現(xiàn)象

1）MLCC本身制造方面的因素

介質(zhì)材料缺陷與生產(chǎn)工藝缺陷可能的原因如下。

（1）介質(zhì)內(nèi)的空洞導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度降低發(fā)生過電擊穿，與電應(yīng)力過大導(dǎo)致電極融入形貌相似。

（2）介質(zhì)分層導(dǎo)致的介質(zhì)擊穿引起短路失效，與電應(yīng)力過大導(dǎo)致電極融入形貌相似。

（3）電極結(jié)瘤導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度降低發(fā)生擊穿，與電應(yīng)力過大導(dǎo)致電極融入形貌相似。

可能引入的環(huán)節(jié)有以下兩個。

MLCC燒結(jié)時溫控失調(diào)，有機(jī)物揮發(fā)速率不均衡，嚴(yán)重時會出現(xiàn)微裂紋。短時間內(nèi)不影響電氣性能，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)沒有被檢驗出來，但是由于有微裂紋會在運輸、加工、使用的過程中進(jìn)一步裂紋增大。

內(nèi)電極金屬層與陶瓷介質(zhì)燒結(jié)時因熱膨脹系數(shù)不同，收縮不一致導(dǎo)致瓷體內(nèi)部產(chǎn)生了微裂。這個MLCC質(zhì)量隱患，如果不影響性能指標(biāo)則不會被發(fā)現(xiàn)出來。

2）MLCC應(yīng)用生產(chǎn)工藝方面因素

（1）熱應(yīng)力失效。

熱應(yīng)力裂紋是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不能在短時間內(nèi)消除因溫度急劇變化所帶來的機(jī)械張力而形成，這種張力是由熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性及溫度變化率間的差異所造成。熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋主要分布區(qū)域為陶瓷體靠近端電極的兩側(cè)，常見表現(xiàn)形式為貫穿陶瓷體的裂紋，有的裂紋與內(nèi)電極呈現(xiàn)90°）。需要注意的是，這些裂紋產(chǎn)生后，不一定在現(xiàn)場就表現(xiàn)出來失效，除非是非常嚴(yán)重的裂紋有可能表現(xiàn)為開路的失效模式，大多數(shù)在剛剛使用時均可以使整機(jī)正常工作，在使用一段時間后，這些裂紋內(nèi)部會不斷進(jìn)入水汽或離子，在外加電壓的情況下，致使兩個端電極間的絕緣電阻降低而導(dǎo)致電容器失效，如圖18.2所示。

圖 18.2 MLCC熱應(yīng)力失效

焊接是MLCC焊盤承受熱沖擊比較嚴(yán)重的一個情況，此時會出現(xiàn)焊接導(dǎo)致的熱應(yīng)力失效，如圖18.3所示。

圖 18.3 MLCC焊接熱應(yīng)力失效

（２）機(jī)械應(yīng)力失效。

機(jī)械應(yīng)力：MLCC的特點是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但陶瓷介質(zhì)層的脆性決定了其抗彎曲能力較差，因此在實際使用過程中由于PCB變形引起陶瓷體出現(xiàn)裂紋的情況很多。PCB板組裝過程任何可能的彎曲變形操作都可能導(dǎo)致MLCC開裂，常見應(yīng)力源有貼片過程中吸嘴產(chǎn)生的撞擊、單板分割、螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于元件上下金屬化端，沿45°角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。典型機(jī)械應(yīng)力失效如圖18.4所示

圖 18.4機(jī)械應(yīng)力形成的45°角裂紋和Y型裂紋

此種失效的可能性很多，以下這些環(huán)節(jié)可能造成機(jī)械應(yīng)力失效。

①貼裝應(yīng)力，主要是由于真空拾放頭或?qū)χ袏A具引起的損傷。

②上電擴(kuò)展的裂紋，貼裝時表面產(chǎn)生了缺陷，后經(jīng)多次通電擴(kuò)展的微裂紋。

③翹曲裂紋，在印制板裁剪、測試、元器件安裝、插頭座安裝、印制版焊接、產(chǎn)品最終組裝時引起的彎曲或焊接后有翹曲的印制板主要是印制板的翹曲。

④印制板剪裁，手工分開拼接印制板、剪刀剪切、滾動刀片剪切、沖壓或沖模剪切、組合鋸切割和水力噴射切割都有可能導(dǎo)致印制板彎曲

⑤焊接后變形的PCB，過度的基材彎曲和元器件的應(yīng)力。

⑥PCB在安裝的過程中，受到應(yīng)力有可能導(dǎo)致MLCC受力。例如，電路板螺絲固定時，多個固定點應(yīng)力分布不均引起板變形致使電容器開裂；PCB分板應(yīng)力、板級測試單手持板、元器件安裝、插頭座安裝、印制版焊接、產(chǎn)品最終組裝時引起的彎曲或焊接后有翹曲機(jī)械應(yīng)力，如圖18.5所示。

圖 18.5 MLCC應(yīng)力失效

（3）電應(yīng)力失效。

陶瓷電容也同樣會因為電應(yīng)力過大導(dǎo)致失效，如超規(guī)格使用或MLCC本身耐電壓不足。MLCC的電應(yīng)力失效一般表現(xiàn)為短路。失效為過電應(yīng)力導(dǎo)致電極熔融，如圖18.6所示。

圖 18.6 MLCC電應(yīng)力失效電極熔融