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MLCC失效模式

來源:北京歐波同光學(xué)技術(shù)有限公司   2023年12月09日 11:20  

?基本概念:電子元器件主要分為有源和無源器件, 無源器件以電阻、電容和電感為主。其中,多層陶瓷電容器(MLCC:Mltiplayer Ceramic Chip Capacitors) 是三大無源電子元器件中產(chǎn)值占比最多的元器件。MLCC 憑借小尺寸、大比容和高頻, 以及寬頻性能優(yōu)異、低等效串聯(lián)電阻、適用表面貼裝和高可靠性等優(yōu)點, 占據(jù)了大部分的電容器市場份額。

隨著MLCC制造工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展, MLCC 對質(zhì)量可靠性的要求也在不斷地提高。隨著5G、新能源汽車和通信等行業(yè)對集成電路的需求增大, MLCC 的市場規(guī)模將會進一步地提升, 技術(shù)發(fā)展也會更加的多元和多樣化。

結(jié)構(gòu)特點:片式多層陶瓷電容整體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示的三明治結(jié)構(gòu),且由三部分組成A:陶瓷介質(zhì)B:內(nèi)電極和C:端電極構(gòu)成,其中端電極一般為三層結(jié)構(gòu),分別為外部電極( 與內(nèi)部電極相連接,引出容量,一般為Cu 或Ag、阻擋層Ni 鍍層,起到熱阻擋作用,可焊的Ni 層能夠避免焊接時Sn 層熔落) 和焊接層( Sn 鍍層,提供焊接金屬層。MLCC 的物理特性接近陶瓷材料的特性,具有機械強度低、易碎等特點。

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圖1 MLCC 結(jié)構(gòu)示意圖


工藝流程:MLCC 的制作工藝復(fù)雜,大致流程如下:

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失效模式:多層瓷介電容器失效的機理和失效的原因很多,單一失效模式也有可能對應(yīng)著多種的失效機理和原因,常見的各種MLCC 電容的失效機理如下。

介質(zhì)層存在孔洞、分層、電極結(jié)瘤和電極短路陶瓷介質(zhì)內(nèi)的空洞可能是因為介質(zhì)層內(nèi)部含有水汽或其它雜質(zhì)離子,在MLCC 在電路中正常施加工作電壓時,因為雜質(zhì)和水汽的存在降低此位置的電壓的耐受程度,導(dǎo)致施加正常的電壓都會導(dǎo)致此位置發(fā)生過電擊穿的現(xiàn)象;電極結(jié)瘤是因為生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致出現(xiàn)部分凸起,凸起的地方位置介質(zhì)層的厚度明顯變薄,導(dǎo)致電極的耐壓變低,正常施加工作電壓在MLCC 的電極兩端可能也會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

MLCC 電容介質(zhì)層孔洞、電極結(jié)瘤、電極互聯(lián)和介質(zhì)層分層均為電容本身工藝缺陷引起的失效,類似現(xiàn)象可直接判定為電容質(zhì)量事故。

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圖3 MLCC失效樣品形貌


熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋MLCC 電容在實際產(chǎn)品的使用中很難避免出現(xiàn)溫度變化,溫度變化就會出現(xiàn)電容熱量的變化,比如電容的兩端受熱不均,就出現(xiàn)熱脹冷縮不均勻,電容在不同的熱量的的地方發(fā)生不一致的形變,這就是熱應(yīng)力不同,會導(dǎo)致MLCC 內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋基本上分布區(qū)域為MLCC外部陶瓷體靠近端電極的兩端,常見失效形貌為貫穿陶瓷體的裂紋。

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圖4 介質(zhì)層開裂形貌

 

通過在微觀下對MLCC表面形貌的觀察,可以獲得樣品具體失效點的位置和大小,從而分析產(chǎn)生的原因。對比金相和掃描電鏡(SEM)圖片,SEM具有高分辨,大景深,多襯度等多個優(yōu)勢,可應(yīng)用于MLCC原材料檢測、常規(guī)檢測、研發(fā)新機種和可焊性表征等多種應(yīng)用場景。

掃描電鏡作為材料微觀結(jié)構(gòu)表征的利器,已經(jīng)成為MLCC制造商必不可少的分析工具。賽默飛超高分辨場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2兼具高質(zhì)量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術(shù),超低電壓下可直接分析不導(dǎo)電樣品,且無需做噴鍍處理。如下圖5所示,直接將MLCC樣品置于Apreo 2電鏡中,憑借快捷的FLASH功能,設(shè)備可自動執(zhí)行精細調(diào)節(jié)動作,只需移動幾次鼠標,就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學(xué)者也能充分發(fā)揮Apreo 2的最佳性能。

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圖5 MLCC內(nèi)電極和外電極表面形貌

 

 

參考資料:
1. 任艷等. MLCC 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及質(zhì)量分析.
2. 王天午. MLCC 電容失效分析總結(jié).
3. 田述仁,陸亨. MLCC端電極孔洞問題分析.

 

 

 

 

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