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(huì)因?yàn)閼?yīng)力或溫度導(dǎo)致破裂或與金屬電極錯(cuò)位是MLCC失效的主要原因。陶瓷電容也同樣會(huì)應(yīng)為電應(yīng)力過(guò)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(wèn)題造成的，也可能是在MLCC被用于制造PCBA，或者電路使用過(guò)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(huì)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(guò)電擊穿，與電應(yīng)力過(guò)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(guò)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(guò)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(gè)。

MLCC燒結(jié)時(shí)溫控失調(diào)，有機(jī)物揮發(fā)速率不均衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂紋。短時(shí)間內(nèi)不影響電氣性能，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)沒(méi)有被檢驗(yàn)出來(lái)，但是由于有微裂紋會(huì)在運(yùn)輸、加工、使用的過(guò)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(shí)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(gè)MLCC質(zhì)量隱患，如果不影響性能指標(biāo)則不會(huì)被發(fā)現(xiàn)出來(lái)。

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(shí)間內(nèi)消除因溫度急劇變化所帶來(lái)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?yàn)樘沾审w靠近端電極的兩側(cè)，常見(jiàn)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(chǎng)就表現(xiàn)出來(lái)失效，除非是非常嚴(yán)重的裂紋有可能表現(xiàn)為開(kāi)路的失效模式，大多數(shù)在剛剛使用時(shí)均可以使整機(jī)正常工作，在使用一段時(shí)間后，這些裂紋內(nèi)部會(huì)不斷進(jìn)入水汽或離子，在外加電壓的情況下，致使兩個(gè)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(gè)情況，此時(shí)會(huì)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(diǎn)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(shí)際使用過(guò)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(guò)程任何可能的彎曲變形操作都可能導(dǎo)致MLCC開(kāi)裂，常見(jiàn)應(yīng)力源有貼片過(guò)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(shí)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(cè)試、元器件安裝、插頭座安裝、印制版焊接、產(chǎn)品最終組裝時(shí)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(kāi)拼接印制板、剪刀剪切、滾動(dòng)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(guò)度的基材彎曲和元器件的應(yīng)力。

⑥PCB在安裝的過(guò)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(shí)，多個(gè)固定點(diǎn)應(yīng)力分布不均引起板變形致使電容器開(kāi)裂；PCB分板應(yīng)力、板級(jí)測(cè)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(shí)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(huì)因?yàn)殡姂?yīng)力過(guò)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(guò)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