MLCC電容失效案例分析
A：多層陶瓷電容器是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極）制成的電容。
MLCC電容特點：
機械強度：硬而脆，這是陶瓷材料的機械強度特點。
熱脆性：MLCC內部應力很復雜，所以耐溫度沖擊的能力很有限。
Q：MLCC電容常見失效模式有哪些？
A：
Q：怎么區(qū)分不同原因的缺陷呢？有什么預防措施呢？
組裝缺陷
1、焊接錫量不當
圖1 電容焊錫量示意圖
圖2 焊錫量過多造成電容開裂
當溫度發(fā)生變化時，過量的焊錫在貼片電容上產生很高的張力，會使電容內部斷裂或者電容器脫帽，裂紋一般發(fā)生在焊錫少的一側；焊錫量過少會造成焊接強度不足，電容從PCB 板上脫離，造成開路故障。
2、墓碑效應
圖3 墓碑效應示意圖
在回流焊過程中，貼片元件兩端電極受到焊錫融化后的表面張力不平衡會產生轉動力矩，將元件一端拉偏形成虛焊，轉動力矩較大時元件一端會被拉起，形成墓碑效應。
原因：本身兩端電極尺寸差異較大；錫鍍層不均勻；PCB板焊盤大小不等、有污物或水分、氧化以及焊盤有埋孔；錫膏粘度過高，錫粉氧化。
措施：
①焊接之前對PCB板進行清洗烘干，去除表面污物及水分；
②進行焊前檢查，確認左右焊盤尺寸相同；
③錫膏放置時間不能過長，焊接前需進行充分的攪拌。
本體缺陷—內在因素
1、陶瓷介質內空洞
圖4 陶瓷介質空洞圖
原因：
① 介質膜片表面吸附有雜質；
② 電極印刷過程中混入雜質；
③內電極漿料混有雜質或有機物的分散不均勻。
2、電極內部分層
圖5 電極內部分層
原因：多層陶瓷電容器的燒結為多層材料堆疊共燒。瓷膜與內漿在排膠和燒結過程中的收縮率不同，在燒結成瓷過程中，芯片內部產生應力，使MLCC產生再分層。
預防措施：在MLCC的制作中，采用與瓷粉匹配更好的內漿，可以降低分層開裂的風險。
3、漿料堆積
圖6 漿料堆積缺陷
原因：
① 內漿中的金屬顆粒分散不均勻；
② 局部內電極印刷過厚；
③ 內電極漿料質量不佳。
本體缺陷—外在因素
1、機械應力裂紋
圖7 MLCC受機械應力開裂示意圖
原因：多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應力，但抗彎曲能力比較差。當PCB板發(fā)生彎曲變形時，MLCC的陶瓷基體不會隨板彎曲，其長邊承受的應力大于短邊，當應力超過MLCC的瓷體強度時，彎曲裂紋就會出現(xiàn)。電容在受到過強機械應力沖擊時，一般會形成45度裂紋和Y型裂紋。
圖8 典型機械裂紋電容
常見應力源：工藝過程中電路板操作；流轉過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試，單板分割；電路板安裝；電路板點位鉚接；螺絲安裝等。
圖9 流轉過程受力開裂示意圖
措施：
①選擇合適的PCB厚度。
②設計PCBA彎曲量時考慮MLCC能承受的彎曲量。比較重的元器件盡量均勻擺放，減少生產過程中由于重力造成的板彎曲。
③優(yōu)化MLCC在PCB板的位置和方向，減小其在電路板上的承受的機械應力，MLCC應盡量與PCB上的分孔和切割線或切槽保持一定的距離，使得MLCC在貼裝后分板彎曲時受到的拉伸應力最小。
圖10 PCB板應力分布比較
④MLCC的貼裝方向應與開孔、切割線或切槽平行，以確保MLCC在PCB分板彎曲時受到的拉伸應力均勻，防止切割時損壞。
⑤MLCC盡量不要放置在螺絲孔附近，防止鎖螺絲時撞擊開裂。在必須放置電容的位置，可以考慮引線式封裝的電容器。
圖11 合理使用支撐桿示意圖
⑥測試時合理使用支撐架，避免板受力彎曲。
2、熱應力裂紋
圖12 典型熱應力開裂電容
電容在受到過強熱應力沖擊時，產生的裂紋無固定形態(tài)，可分布在不同的切面，嚴重時會導致在電容側面形成水平裂紋。
原因：熱應力裂紋產生和電容本身耐焊接熱能力不合格與生產過程中引入熱沖擊有關。可能的原因包括：烙鐵返修不當、SMT爐溫不穩(wěn)定、爐溫曲線變化速率過快等。
措施：①工藝方法應多考慮MLCC的溫度特性和尺寸，1210以上的大尺寸MLCC容易造成受熱不均勻，產生破壞性應力，不宜采用波峰焊接；
②注意焊接設備的溫度曲線設置。參數(shù)設置中溫度跳躍不能大于150℃，溫度變化不能大于2℃/s，預熱時間應大于2 min，焊接完畢不能采取輔助降溫設備，應自然隨爐溫冷卻。
③手工焊接前，應增加焊接前的預熱工序，手工焊接全過程中禁止烙鐵頭直接接觸電容電極或本體。復焊應在焊點冷卻后進行，次數(shù)不得超過2次
3、電應力裂紋
圖13 典型電應力開裂電容
過電應力導致產品發(fā)生不可逆變化，表現(xiàn)為耐壓擊穿，嚴重時導致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。遭受過度電性應力傷害的MLCC，裂紋從內部開始呈爆炸狀分散。
措施：①在器件選型時應注意實際工作電壓不能高 于器件的額定工作電壓；
②避免浪涌、靜電現(xiàn)象對器件的沖擊。
Q：怎么進行MLCC失效分析呢？
A：整個過程分為5個大階段: 外觀觀察、電性測量分析、無損分析、破環(huán)性分析、成分分析，過程中需要進行外觀檢查、電性測試、內部結構檢查、失效點定位、失效原因分析、失效點局部的成分分析，整個 MLCC 的失效分析的流程如圖：
圖14 MLCC失效分析流程圖
圖15 超景深數(shù)碼顯微鏡立體外觀觀察
首先使用超景深數(shù)碼顯微鏡進行外觀立體觀察，檢查電容表面是否有開裂，多角度檢查引腳側面焊錫爬升情況。電容外觀完好，沒有外部裂紋，焊錫爬升良好。
圖16 X-ray檢查
對失效電容進行X射線檢查，在電容右側發(fā)現(xiàn)裂紋。
圖17 切片分析超景深數(shù)碼顯微鏡觀察截面
圖18 切片分析SEM觀察截面裂紋形貌
對電容進行金相切片處理，可以清楚地看出，電容內部裂紋起源于焊端附近，呈Y字型，這是典型的機械應力裂紋形貌，對照可能的應力源排查，規(guī)范操作過程，最終解決電容開裂問題。
