转载检测实验室BCU智能电子制造研究中心2020-09-29 09:30
电容器的结构是什么？
多层陶瓷电容器是由印刷电极（内电极）的陶瓷介质膜组成的电容器，通过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，然后在芯片两端密封金属层（外电极）。
机械强度：硬脆，这是陶瓷材料的机械强度特性。
热脆性：MLCC内部应力非常复杂，因此耐温限。
组装缺陷
图1电容焊锡量示意图
图2焊锡量过多导致电容开裂
当温度发生变化时，过量的焊料会在贴片电容器上产生高张力，导致电容器内部断裂或电容器脱帽。焊料一般发生在焊料较少的一侧；焊料量过少会导致焊接强度不足，电容从PCB板脱离，导致开路故障。
图3墓碑效应示意图
在回流焊接过程中，焊锡熔化后贴片元件两端电极的表面张力不平衡会产生旋转扭矩，离元件一端形成虚拟焊接。当旋转扭矩较大时，元件一端会被拉起，形成墓碑效应。
两端电极尺寸差异较大；锡涂层不均匀；PCB板焊盘尺寸不同，有污垢或水分，氧化和埋孔；锡膏粘度过高，锡粉氧化。
①焊接之前对PCB板材清洗干燥，去除表面污垢和水分；
②焊前检查，确认左右焊盘尺寸相同；
③锡膏放置时间不宜过长，焊接前应充分搅拌。
本体缺陷-内在因素
图4陶瓷介质空洞图
① 介质膜片表面吸附有杂质；
② 杂质混合在电极印刷过程中；
③混合杂质或有机物的内电极浆分散不均匀。
图5电极内部分层
多层陶瓷电容器的烧结是多层材料的堆叠和共烧。瓷膜的收缩率不同于内浆。在烧结过程中，芯片内部产生应力MLCC产生再分层。
在MLCC采用与瓷粉相匹配的内浆，可降低分层开裂的风险。
图6 浆料堆积缺陷
① 内浆中金属颗粒分散不均匀；
② 局部电极印刷过厚；
③ 内电极浆质量差。
本体缺陷-外部因素
图7MLCC机械应力开裂示意图
多层陶瓷电容器的特点是能承受较大的压抗弯能力较差。PCB当板弯曲变形时，MLCC当应力超过短边时，陶瓷基体不会随板弯曲，其长边承受的应力大于短边MLCC当瓷体强度时，会出现弯曲裂纹。当电容器受到过强的机械应力冲击时，通常会形成45度裂纹和Y型裂纹。
图8 典型机械裂纹电容
电路板在工艺过程中操作；流通过程中的人、设备、重力等因素；插入通孔元件；电路测试、单板分割；电路板安装；电路板点铆接；螺钉安装等。
图9流转过程中应力开裂示意图
①选择合适的PCB厚度。
②设计PCBA考虑弯曲量MLCC能承受的弯曲量。尽量均匀放置较重的部件，减少生产过程中重力引起的板材弯曲。
③优化MLCC在PCB电路板上的机械应力降低，MLCC应尽量与PCB上孔与切割线或槽保持一定距离，使MLCC分板弯曲后的拉伸应力最小。
图10PCB板应力分布比较
④MLCC粘贴方向应与开口、切割线或切割槽平行，以确保MLCC在PCB分板弯曲时拉伸应力均匀，切割时防止损坏。
⑤MLCC尽量不要把它放在螺孔附近，以防止锁紧螺钉时撞击开裂。在必须放置电容器的位置，可以考虑导线包装的电容器。
图11合理使用支撑杆示意图
⑥合理使用支撑架进行试验，避免板受力弯曲。
图12 典型热应力开裂电容
电容在受到过强热应力冲击时，产生的裂纹无固定形态，可分布在不同的切面，严重时会导致在电容侧面形成水平裂纹。
热应力裂纹产生和电容本身耐焊接热能力不合格与生产过程中引入热冲击有关。可能的原因包括：烙铁返修不当、SMT炉温不稳定、炉温曲线变化速率过快等。
①工艺方法应多考虑MLCC的温度特性和尺寸，1210以上的大尺寸MLCC容易造成受热不均匀，产生破坏性应力，不宜采用波峰焊接；
②注意焊接设备的温度曲线设置。参数设置中温度跳跃不能大于150℃，温度变化不能大于2℃/s，预热时间应大于2 min，焊接完毕不能采取辅助降温设备，应自然随炉温冷却。
③手工焊接前，应增加焊接前的预热工序，手工焊接全过程中禁止烙铁头直接接触电容电极或本体。复焊应在焊点冷却后进行，次数不得超过2次
图13 典型电应力开裂电容
过电应力导致产品发生不可逆变化，表现为耐压击穿，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。遭受过度电性应力伤害的MLCC，裂纹从内部开始呈爆炸状分散。
①在器件选型时应注意实际工作电压不能高 于器件的额定工作电压；
②避免浪涌、静电现象对器件的冲击。
整个过程分为5个大阶段: 外观观察、电性测量分析、无损分析、破环性分析、成分分析，过程中需要进行外观检查、电性测试、内部结构检查、失效点定位、失效原因分析、失效点局部的成分分析，整个 MLCC 的失效分析的流程如图：
图14 MLCC失效分析流程图
图15 超景深数码显微镜立体外观观察
首先使用超景深数码显微镜进行外观立体观察，检查电容表面是否有开裂，多角度检查引脚侧面焊锡爬升情况。电容外观完好，没有外部裂纹，焊锡爬升良好。
图16 X-ray检查
对失效电容进行X射线检查，在电容右侧发现裂纹。
图17 切片分析超景深数码显微镜观察截面
图18 切片分析SEM观察截面裂纹形貌
对电容进行金相切片处理，可以清楚地看出，电容内部裂纹起源于焊端附近，呈Y字型，这是典型的机械应力裂纹形貌，对照可能的应力源排查，规范操作过程，最终解决电容开裂问题。
参考：
【1】王天午. MLCC电容失效分析总结[J]. 电声技术, 2018, 042(002):36-40,70.
【2】刘锐, 陈亚兰等. 片式多层陶瓷电容失效模式研究[J]. 微电子学, 2013(3):449-452.
【3】张伟, 闫迎军. MLCC的装焊质量控制探讨[J]. 电子工艺技术, 2017(5).