SMT片式多层陶瓷(MLCC)电容常见失效分析及预防措施

摘要

      本文介绍了片式多层瓷介电容器在使用过程中出现的常见失效模式，分析了导致失效的原因，给出了失效分析方法，并从器件质量、PCB设计、SMT工艺控制、器件管控等方面提出了相应的预防措施。

关键词：片式多层陶瓷电容；失效；预防措施

前言

      随着电子产品向小型化、多功能化方向发展，设计和组装密度越来越大，片式多层陶瓷电容MLCC（Multilayer Ceramic Capacitor，以下简称MLCC）以其体积小、成本低、高比容、高可靠性及便于表面贴装得到了广泛应用，MLCC是用量最大、发展最快的片式元件之一。但MLCC失效问题一直存在，如电容瓷体断裂、微裂和绝缘电阻下降等，严重影响了产品的可靠性。现从MLCC的结构特点、失效模式、分析方法、预防措施等方面进行总结，便于对MLCC失效进行分析，尽量减少MLCC的失效。

1、MLCC结构特点

      MLCC基本结构由陶瓷介质、内部电极和外部电极组成，如图1所示。电极导体一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为BaTiO₃，多层陶瓷结构通过高温烧结而成。器件端头镀层一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡层（以阻挡内部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn发生反应），再在Ni层上制备Sn或SnPb层用以焊接。

图1 MLCC结构

由于MLCC的端电极、金属电极和陶瓷介质之间的热膨胀系数不同，若加工过程中温升控制不当易造成MLCC的损坏。正是由于MLCC的这种封装结构，客观上片式MLCC的损坏率远高于片式电阻。

2、MLCC常见失效模式

 MLCC本身的内在可靠性十分优良，可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引起缺陷，则会对其可靠性产生严重影响。

 MLCC的常见失效模式有：介质击穿、开路、电参数变化（包括电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘电阻下降或漏电流上升等）、腐蚀、断裂或微裂等。造成MLCC失效的原因是否复杂多样的，其失效机理也是不同的。归纳起来，MLCC失效模式主要有以下几种。

2.1  介质内空洞

导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。外部水汽和杂质离子（如Na离子）很容易进入内部空洞，在潮湿和杂质离子的作用下，这些空洞成为Ag离子迁移通道，从而导致电容绝缘电阻下降，漏电流增大，出现电容击穿、烧毁而失效。见图2所示。  

图2 介质内部空洞及空洞引发漏电并导致断裂

2.2    烧结裂纹

 烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。从本质上讲，裂纹是由于内电极金属层和陶瓷介质在烧结过程中收缩不一致引起的。微裂纹一般不会对电性能产生影响，但影响产品的可靠性。主要表现为绝缘电阻下降、漏电。

2.3  内部分层

 多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。烧结温度可以高达1000℃以上。层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿，是MLCC制造中最重要的质量问题。介质分层如图3所示。

图3 内电极与介质分层和端电极与介质分层

2.4  介质缺陷

      在MLCC的常用介质中，大多属于钙钛矿晶型，并含有阳离子八面体网。以这种钙钛矿晶型结构为基础，人们开发出复合钙钛矿型的铁电陶瓷介质。由于铁电晶粒内部的电致应变，会是晶界产生裂纹，并逐渐加剧，最终使介质材料击穿。

2..5  金属离子迁移

      由于MLCC的内部电极是Ag/Pd合金，端电极是Sn/Ni/Ag三层镀的一次烧结工艺与多层叠片结构。烧结过程中，Ag参与了陶瓷介质表面的固相反应，渗入了瓷-银接触处形成的界面层，如图4（a）所示。Ag本身非常容易扩散迁移，如果陶瓷介质不够致密，银离子迁移会扩散到陶瓷介质内部，引起漏电流增大，严重时会使因电极之间短路，导致MLCC击穿。如图4（b）所示。

（a）银离子（白色斑点）迁移                  （b）介质内部漏电

图4 离子迁移导致内部漏电

2.6  温度冲击（热应力）裂纹

 在元器件和电路板之间的热膨胀(CTE)不匹配系数会在不同物料的连接处产生过大的力，骤热或骤冷都会导致MLCC出现裂纹。如图5所示。器件在焊接特别是波峰焊时承受较高的温度冲击，不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。若电容内部出现裂纹或微裂纹，用烙铁补焊时，明显裂纹表现为断裂，微裂纹大多表现为电性能恢复正常，漏电现象消失。但整机出厂后过一段时间，MLCC可靠性差的问题就体现出来了。这是比较常见的现象，值得认真研究分析。

图5 热应力裂纹

2.7 机械应力裂纹

 多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。常见应力源有：贴片对中，工艺过程中电路板操作；运输过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件插入；电路测试、单板切割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等。如图6（a）与（b）所示。

        （a）  PCB弯曲导致MLCC开裂             （b）贴装应力引起的典型器件开裂

图6 机械应力裂纹

 以常见的单板切割为例：在切割工艺过程中，各单板可能会轻微扭曲。扭曲造成的应力必须通过某处释放，而释放点可能会是表面贴装的MLCC，因为它们比板上的很多其它元件更具脆性。在过去使用SnPb焊料时，刚性小得多的SnPb焊料可以吸收部分应力，可能会防止电容开裂。但无铅焊料刚性要大得多，应力完全传递到电容上的可能性也大得多。在早期，裂缝的程度通常是有限的，裂缝到达电容表面的可能性很小，因而难以被发觉，而且它们在测试中造成大的电气问题的可能性很小。从长期看，作为热周期循环的结果，裂缝可能会发展并导致越来越多的电极片破裂。最终，板上的一个或多个电容的劣化会到达一定程度，致使整体系统性能受到影响，或导致系统故障。

 该类裂纹一般起源于器件上下金属化端，沿45℃角向器件内部扩展，并且裂纹会扩大到MLCC焊接部分高度的一半左右。该类缺陷是贴装到电路板上的MLCC最普遍的失效模式。

3、MLCC失效分析方法

      解决MLCC失效问题的方法有外观检查、自动光学检查、X-Ray检查、金相切片、能谱和扫描电镜分析（EDS & SEM）、超声波扫描检测等。

3.1  电容外观检查

 主要检查电容表面有无开裂、破损，焊点形状是否符合要求。用洗板水清洗焊点后检查是否有明显的外来污染物（导电物质）引起失效。主要工具：立体显微镜，X-Ray。

3.2  金相切片分析

 通过剖面及相应的电子显微镜检测，可以得到失效部位的成分、形貌等精细结构，从而帮助失效机理的分析。主要工具：取样机、抛磨机、金相显微镜。

3.3  扫描超声分析（C-SAM）

 可以十分有效地探测空洞、分层、水平裂纹等缺陷耐温度试验考察高温及温度冲击可能带来的器件开裂、Ag/Pd层外露等缺陷。主要工具：超声扫描显微镜。

3.4  能谱和扫描电镜分析（EDS & SEM）-成份分析

 IMC组织成份分析及离子污染物元素分析。主要工具：电镜和能谱仪。

失效分析的一般原则：

 先进行非破坏性试验，后进行破坏性试验。

失效分析的一般步骤：

 外观检查→X-Ray检查→扫描超声分析C-SAM→能谱和扫描电镜分析（EDS & SEM）→金相切片分析。（注：以上步骤可根据实际情况进行调整或增删）

案例：

 故障现象：MLCC漏电导致阻抗明显降低，由MΩ级降低为KΩ或者更低，重新焊接后故障现象排除。故障板图7所示。

   图7  MLCC失效图片

（1） 外观检查

     如图8所示。

图8 立体显微镜观察本体及焊点

（2）X-Ray检查

    如图9所示。

图9 用X-Ray焊点内部情况

（3） 扫描超声分析C-SAM

    如图10（a）与（b）所示。

          （a）分离裂缝显示出黑色声学阴影          （b）亮区为MLCC内部分层

图10  C-SAM检查内部分层

（4） 能谱和扫描电镜分析（EDS & SEM）

    如图11所示。

图11 检查有无异常元成份

（5）金相切片分析

    如图12、图13所示。

图12 陶瓷层有微小Crack

图13 本体开裂

4  预防措施

4.1 器件本身质量改进

（1）改进电介质材料，提高MLCC介质的致密程度，减少空洞，杜绝银迁移的通道，消除在高温下一次烧结时金属电极向瓷介质层的热扩散现象，使瓷料烧结致密化。建议使用高温（1300℃）烧结BaTiO3基MLCC，采用高Pd（Ag30Pd70）作为内电极。

（2）改进电极材料，使用镍电极，在陶瓷基片上采用化学镀镍工艺。由于镍的化学稳定性比银好，电迁移率低，提高了陶瓷电容器的性能和可靠性。或者提高内电极中Pd的含量,也可以抑制Ag迁移。

（3）同时从材料加工工艺及产品制造工艺过程上改进。例如AVX公司的MLCC在终端材料中附加了FlexiTerm层，对机械弯曲增加了阻力，用于防止系统产生的失效。见图14。

图14 附加了FlexiTerm层

4.2  PCB 设计

PCB焊盘设计必须考虑以下几点：

（1）焊料的多少会影响到MLCC抗机械应力的能力，从而可能导致MLCC破碎或开裂。因此在PCB Design时，必须慎重考虑焊盘的大小和匹配性。如图15所示。

图15 焊盘设计

（2）贴装后MLCC将承受下一加工过程中产生的机械应力，因此，在排布MLCC的位置时，应考虑把应力减到最低点。1206封装以下距离板边至少5mm，1206封装以上距离板边至少10mm。如图16所示。

（3）MLCC元件尽量避免放在贴片、包装或运输中容易碰到的位置。如图17所示

图16 不同排版方式应力对比

图17 紧靠PCB的板边容易碰到

4.3    PCBA组装过程工艺控制

 严格按照SOP要求进行操作，禁止单手拿板，禁止人工折板操作，减少PCBA变形、翘曲等对MLCC造成的机械应力损伤。如图18、图19所示。

图18  手持PCBA要求

图19 生产中正确及错误的操作

 根据厂家建议的回流或波峰焊温度曲线，进行工艺优化。为了避免MLCC在焊接过程中因热应力造成损伤，严格控制焊接过程中升温速度，重点控制波峰焊中的预热温度，使其保持足够高的预热温度，减少热冲击对器件造成的损伤。如图20。

图20 无铅焊接温度曲线

PCBA组装过程中需特别注意事项：

（1）在SMT贴装过程中，若贴片机吸嘴头压力过大发生弯曲，容易产生变形导致裂纹。对于面积较大的PCB应在底面正确设置支撑杆。如图21所示。

图21 正确设置支撑杆

（2）机插、手插、分板、ICT、FCT、打螺钉等工序会产生较大的机械应力，应注意操作的规范性，必须尽量减小机械接触所带来的机械应力。若产品存在严重设计缺陷，可以提出修改。

（3）返修工艺中温度的设置和正确的操作方式。焊接时会产生热冲击，如果操作者将烙铁尖端直接接触电容电极，就会出现热冲击引起陶瓷贴片电容器本体的微裂，一段时间后陶瓷贴片电容就会失效。如图22所示。因此，返修时焊头接触焊点的位置、时间等都必须加以规范。

图22 错误的焊接方式

（4）指定仅可用于回流焊接的MLCC，不可用于波峰焊接。

（5）可靠性试验温度范围不能超过MLCC正常使用温度。

4.4  供应商认定及来料质量控制

 MLCC的特点是在没有内在缺陷并且组装过程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性优越。但是如果存在缺陷，则无论是内在的还是外在的都可能对器件可靠性产生严重影响。因此加强MLCC来料质量控制也是预防性措施之一。对供应商进行认真选择，尽量选择口碑比较好的，如Murata、TAIYO、TDK、AVX等。进行定期的抽样检测，增加片式电容的可靠性测试（例如耐焊接热、抗弯曲性等）。

 注意事项：

（1）绝缘电阻IR不合格的料可能电容值和Q值都是OK的，IQC在进行检测时务必注意。

（2）供应商在绝缘耐压测试时可能将电容内部烧成Crack，如果混料就会造成不良。

4.5  存储条件

 为控制端电极的可焊性和保证包装材料处于良好的状态，要注意控制好存储区域的温度和湿度。推荐条件：室温25±5 ℃，湿度30%~60%，存放有效期6个月，如果保存时间超过6个月，在使用之前应检查产品的可焊接性。

 包装材料不应存放在腐蚀性环境中（比如含硫化物或氯化物的气体、酸、碱）。

 高介电常数的电容器（2类，3类）的容量值将随着时间的推移而下降，因此在设计电路时应考虑到这一点。如果电容器的容值减少了，在150℃的条件下对电容进行预热。

结束语

      造成MLCC失效的原因比较复杂，内部空洞和分层、烧结裂纹、离子迁移、热应力和机械应力裂纹是MLCC失效的主要模式。可以通过器件质量改进，优化PCB排版设计，正确的贴装、焊接、返修工艺等方面进行改进，减少MLCC的失效，提高产品的质量和可靠性。

参考文献

[1]魏建中.银钯内电极与多层陶瓷电容器MLC的可靠性，可靠性物理与失效分析技术，

    2002年6月，第3期

[2]李世岚等，导致MLCC 失效的常见微观机理，电子元件与材料，2007，26(5)

[3[丁祥金等，MLCC的质量控制与失效分析，世界电子元器件，2002（9）

[4[宋子峰等，片状多层瓷介电容器可靠性问题分析，世界电子元器件，2004（3）

[5[汪洋等，贴片电容器失效分析，电子元件与材料，2008（11）

[6[陈增生，MLCC常见问题及解决途径，电子工艺技术，2006（11）