采用三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計改善片式多層陶瓷電容器產(chǎn)品斷裂問題

一、前言

潮州三環(huán)（集團(tuán)）股份有限公司地處廣東省潮州市，目前公司產(chǎn)業(yè)基地占地面積18萬平方米，廠房面積11萬平方米，現(xiàn)有員工2500名，各類技術(shù)人員200名，總資產(chǎn)人民幣4.5億元。公司是我國專業(yè)生產(chǎn)全系列片式多層陶瓷電容器（MLCC）；HIC和片式電阻用氧化鋁陶瓷基片，光纖連接器陶瓷插芯，微波介質(zhì)陶瓷器件，塑封片式電感器，各種膜類固定電阻器，電阻陶瓷基體等基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)品的知名品牌廠家。近年來，公司先后承擔(dān)完成多項國家、省級科研項目，研發(fā)了多項高新技術(shù)產(chǎn)品，創(chuàng)新了一大批光、機、電一體化的高精度專用設(shè)備，多項科研成果榮獲廣東省科技進(jìn)步獎，公司先后被認(rèn)定為國家級和廣東省優(yōu)秀高新技術(shù)企業(yè)，國家863成果產(chǎn)業(yè)化基地、廣東省第一批創(chuàng)新型企業(yè)。

潮州三環(huán)（集團(tuán)）股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的主打系列產(chǎn)品--片式多層陶瓷電容器（MLCC）具有體積小、精度高、重量輕、穩(wěn)定性好等特點，目前廣泛應(yīng)用于手機、平板電腦、電腦主板、PCB控制板等各類IT電子信息設(shè)備和產(chǎn)品。

但是，片式多層陶瓷電容器（MLCC）產(chǎn)品因其陶瓷材料本身較脆，在產(chǎn)品應(yīng)用過程中常常會因作業(yè)不當(dāng)，出現(xiàn)產(chǎn)品漏電、無容值、短路甚至燒毀等技術(shù)質(zhì)量問題，潮州三環(huán)（集團(tuán)）股份有限公司的科技人員經(jīng)過長期對該類問題的跟蹤分析，最后確認(rèn)導(dǎo)致以上不良的失效模式均為產(chǎn)品斷裂。

二、片式多層陶瓷電容器（MLCC）失效模式分析

失效機理

產(chǎn)品斷裂的主要原因是產(chǎn)品應(yīng)用時受到了彎曲應(yīng)力的作用，使得產(chǎn)品形成微裂紋并隨時間或二次應(yīng)力擴展，終斷裂。

近些年，客戶均已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品斷裂可以通過PCB的設(shè)計以及制程的管控來避免其發(fā)生。但仍存在一些產(chǎn)品在使用中發(fā)現(xiàn)有小比例的斷裂問題，而這些產(chǎn)品大多是X7R材質(zhì)的小容值產(chǎn)品。而X7R小容值產(chǎn)品易斷裂的根本原因是其機械強度較差。

產(chǎn)品強度對比

產(chǎn)品強度對比

根據(jù)以上機械強度對比圖可看出，X7R小容值產(chǎn)品機械強度較差，而COG材質(zhì)均很優(yōu)異。但COG材質(zhì)因其介電常數(shù)極低，僅能制備容值較低的產(chǎn)品，且因材料較貴而不適宜替代同規(guī)格X7R產(chǎn)品。

三、常用改善方法

針對X7R小容值產(chǎn)品斷裂問題，常采用：

①增加產(chǎn)品厚度；

②增加產(chǎn)品內(nèi)部層數(shù)；

③更改強度更高的材料等3個方向來改善產(chǎn)品強度，以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)適應(yīng)性，但從抗彎曲對比圖看，增加產(chǎn)品厚度和層數(shù)對產(chǎn)品的抗彎曲改善幅度較小，且因小容值產(chǎn)品本身容量低，層數(shù)增加空間有限。

四、新型改善方法

而通過更改材料來提高產(chǎn)品機械強度顯然是有效的方法。

我司通過近幾年在材料方面的不斷研究，終研制出一種高介電常數(shù)的材料，但是純粹用此材料所制成的產(chǎn)品成本高且容值范圍小。為更好的推進(jìn)該項工作的改良，公司項目組提出在產(chǎn)品上下表面增加高強度的陶瓷體來提高整體產(chǎn)品強度的設(shè)想，終在 2012年11月我司已確認(rèn)該方法的可行性，并于2013年的5月初完成對產(chǎn)品的各項性能的驗證，此新型設(shè)計方式可大幅度增加0603X7R104K、0805X7R104K及以下容值產(chǎn)品的機械強度，我公司將此新型產(chǎn)品命名為三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如下：

性能對比

1、抗折強度對比

2、抗彎曲強度對比

3、容值分布對比

4、損耗角正切對比 5、絕緣電阻對比

6、耐電壓對比

7、溫度特性對比

8、耐焊接熱

9、穩(wěn)態(tài)濕熱

10、耐濕負(fù)荷

11、耐久性

12、溫度快速循環(huán)

五、高低溫循環(huán)驗證

為了進(jìn)一步確認(rèn)三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的可靠性，對0805X7R104K500D和 0603X7R104K500C產(chǎn)品各做300次高低溫循環(huán)試驗（溫度循環(huán)試驗條件： 40℃/15min→25℃/15S → 125℃/15min → 25℃/15S），驗證結(jié)果見下表：

驗證結(jié)果表明，改善前后產(chǎn)品的高低溫循環(huán)特性相近，均能滿足客戶使用。

六、對 比 小 結(jié)

通過以上性能對比，三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比原產(chǎn)品：

1、機械強度大幅度增加；

2、溫度特性略差，但仍滿足X7R特性，可以滿足客戶使用；

3、其它產(chǎn)品性能相近；

七、研 究 總 結(jié)

通過以上分析，我們看到，采用三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品性能有很大的提高，具體表現(xiàn)在：

1、可顯著地增加產(chǎn)品的機械強度；

2、可極大的降低產(chǎn)品在正常使用時發(fā)生產(chǎn)品斷裂的幾率；

3、能適應(yīng)相對苛刻的使用條件（如獨石等獨特制作工藝）；

4、相對傳統(tǒng)產(chǎn)品價格不會有較大差異；

最后，需要特別說明的是，采用三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品可明顯提高X7R產(chǎn)品強度，但需要注意以下情況：

1、產(chǎn)品斷裂問題不能僅依靠元件廠家來解決，根本解決辦法在客戶端的控制；

2、三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品覆蓋的產(chǎn)品面較窄，一般為104及以下容值，對于高容產(chǎn)品不要隨意提出三明治結(jié)構(gòu)的構(gòu)想。