片狀多層陶瓷電容機(jī)械應(yīng)力失效分析

0   引言

片式多層陶瓷電容器是各電路中重要的電子元器件，因其體積小、電容量范圍寬、介質(zhì)損耗小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在各種電路中。但在使用過程中片式電容器一旦失效將對(duì)整體電路造成嚴(yán)重影響。因此需對(duì)片式電容的選型、失效機(jī)理及材質(zhì)特性進(jìn)行深入研究分析。

1   片狀多層陶瓷電容簡(jiǎn)介

片式多層陶瓷電容器是多層疊合結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于多個(gè)簡(jiǎn)單平板電容器的并聯(lián)體，之所以采用多層結(jié)構(gòu)是為了以較小的體積獲取較大的電容量。

多層片式陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：陶瓷介質(zhì)、金屬內(nèi)電極和金屬外電極。圖1 所示的多層陶瓷電容器是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位方式疊合起來(lái)，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極）制成。

圖1 片式陶瓷電容結(jié)構(gòu)圖

1.1 失效特性描述

平行電極之間的裂紋主要有兩大原因：一是外部機(jī)械應(yīng)力，這種開裂特征基本存在于電極兩端，會(huì)造成電容器數(shù)個(gè)平行電極之間開裂。二是電容器制造過程中的工藝缺陷，在電容器非常窄的兩個(gè)相鄰電極之間產(chǎn)生微裂紋，或電容器電極間存在裂縫，電極之間介質(zhì)開裂，可導(dǎo)電的污染物夾雜其中，介質(zhì)介電能力下降而發(fā)生漏電甚至擊穿。

1.2 材質(zhì)特性

片式多層陶瓷電容通常采用鈦酸或鈦酸銀等陶瓷材料作為電介質(zhì)，陶瓷材料具有硬脆的物理特性，其塑性形變范圍很小，斷裂時(shí)呈脆性，這使得片式多層陶瓷電容的彎曲形變超過其承受范圍時(shí)極易產(chǎn)生破裂失效。另外，陶瓷材料耐熱沖擊性能較差，在環(huán)境溫度急劇變化或內(nèi)部受熱不均情況下，陶瓷電容也易產(chǎn)生裂紋而失效。

1.3 抗彎曲性

片式多層陶瓷電容能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源包括：貼片對(duì)中工藝過程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測(cè)試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接、螺絲安裝等。類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45°角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。該類缺陷也是實(shí)際發(fā)生最多的一種類型缺陷。

2 常見應(yīng)力失效分析

除了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失效問題，片式多層陶瓷電容器在裝配過程中極易發(fā)生應(yīng)力失效，如運(yùn)輸震動(dòng)、機(jī)械沖擊、貼片應(yīng)力、單邊焊料堆積、焊接等。

2.1 PCB板彎曲

PCB 板彎曲導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖2所示。

圖2 PCB板彎曲導(dǎo)致電容應(yīng)裂失效

原因分析：在生產(chǎn)組裝過程中，避免不了運(yùn)輸、打螺釘、裝配，探針測(cè)試等，產(chǎn)生PCB 板彎曲應(yīng)力導(dǎo)致器件破損失效。

2.2 單邊焊料過多

單邊焊料過多導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖3所示。

圖3 焊料過多導(dǎo)致電容應(yīng)裂失效

原因分析：當(dāng)過程導(dǎo)致焊料堆積，焊錫膏的收縮易導(dǎo)致片式電容器發(fā)生斷裂。

2.3 吸嘴貼裝

吸嘴貼裝導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖4 所示。

圖4 貼裝導(dǎo)致電容應(yīng)裂失效

原因分析：下壓壓力過大及下壓壓力過深，導(dǎo)致吸嘴沖擊，造成電容破損。

2.4 夾具應(yīng)力

夾具應(yīng)力導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖5 所示。

圖5 夾具應(yīng)力導(dǎo)致電容應(yīng)裂失效

原因分析：定位夾具夾力較大時(shí)，或因夾具磨損至形狀變尖時(shí)，會(huì)在貼片外部電極處留下劃痕，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生斷裂。

2.5 烙鐵熱量不足

導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖6 所示。

圖6 烙鐵熱量不足導(dǎo)致電容應(yīng)裂失效

原因分析：使用烙鐵返修時(shí)，如未充分預(yù)熱，片式電容會(huì)因應(yīng)力導(dǎo)致變形。

2.6 波峰焊預(yù)熱不足

失效原因分析：因波峰焊接Dip 前預(yù)熱不足，當(dāng)片式電容器施加超過允許限度的熱應(yīng)力時(shí)，陶瓷外部及內(nèi)部均會(huì)發(fā)生斷裂。

3   案例分析

故障主板片式多層陶瓷電容器問題突出，分析為主板采用的大封裝貼片電容抗彎曲能力較差，故障為片狀多層陶瓷電容開裂導(dǎo)致，如圖7 所示。結(jié)合片式多層陶瓷電容抗彎曲能力差的特點(diǎn)分析研究，并排查生產(chǎn)過程。

圖7 故障主板片式電容破裂

3.1 故障失效分析判斷

3.1.1 失效機(jī)理

根據(jù)對(duì)故障件的失效分析模式判斷，造成電容暗裂的根源是受到來(lái)自生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。

3.1.2 電容抗彎曲能力

根據(jù)片式多層陶瓷電容的抗彎曲能力，相關(guān)規(guī)范中明確1206 及以上封裝抗彎曲能力為2 mm，型號(hào)越大的電容抗彎曲能力越弱，而此款電容采用的封裝為1812。根據(jù)前期測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)和售后失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1206 及以上型號(hào)封裝的電容失效故障率相對(duì)較高，見圖8。

圖8 各類封裝片式電容失效對(duì)比

3.2 過程排查及驗(yàn)證

3.2.1 單體抗彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)M

從表1 測(cè)試數(shù)據(jù)得出，該片式陶瓷電容器件的重力可以造成器件破損，最小應(yīng)力在700 ue 以上，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的抗應(yīng)力指標(biāo)接近，單體抗彎曲強(qiáng)度、抗應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)存在波動(dòng)。

圖9 抗彎曲強(qiáng)度模擬實(shí)驗(yàn)

3.2.2 過程ICT工裝結(jié)構(gòu)排查

目前過程使用此款機(jī)型的工裝共計(jì)設(shè)置13根壓棒，其中在A 面的失效電容位置（C26 在B 面與之對(duì)應(yīng)的位置：圖10 紅色區(qū)域）也設(shè)置了1 根壓棒。

3.2.3 過程ICT工裝應(yīng)力測(cè)試

在現(xiàn)有工裝測(cè)試情況下，ICT 應(yīng)力測(cè)試值符合要求，如圖11 所示，測(cè)試峰值為238 ue，取消該失效電容位置上方的壓棒后測(cè)試應(yīng)力峰值為282 ue。

人工設(shè)置壓棒，并在壓棒定點(diǎn)的紅色區(qū)域移動(dòng)壓棒位置進(jìn)行驗(yàn)證，兩次驗(yàn)證均沒有使用一體化工裝的應(yīng)力效果好，驗(yàn)證情況見圖12。

第1 次驗(yàn)證在失效電容位置的上方，失效電容應(yīng)力峰值為577 ue，輕微超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

第2 次驗(yàn)證在失效電容位置的左上方，失效電容的應(yīng)力峰值為637 ue，應(yīng)力大于第1 次驗(yàn)證。

圖10 測(cè)試工裝排查

圖11 ITC應(yīng)力測(cè)試

圖12 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 排查驗(yàn)證總結(jié)

一體化ICT 工裝在測(cè)試過程中對(duì)失效片狀電容產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力相對(duì)較小。驗(yàn)證人工設(shè)置壓棒的方式由于位置上存在差異，失效片狀電容受到的機(jī)械應(yīng)力也有相對(duì)差異，同時(shí)人工設(shè)置壓棒存在操作上的不一致性，受到的機(jī)械應(yīng)力相對(duì)較大。

故障主板電容型號(hào)為1812，型號(hào)越大，貼片電容抗彎曲能力越弱，只有從器件選型上去優(yōu)化，才能完全規(guī)避貼片電容破損問題。

相比1206、0805 封裝電容，1812 封裝器件本體抗機(jī)械應(yīng)力偏弱，個(gè)體也存在差異，在過程中存在施加應(yīng)力導(dǎo)致電容內(nèi)應(yīng)力損傷的情況。

3.4 改善方案

3.4.1 ICT 測(cè)試工裝采用一體化工裝，如圖13（天板、拖盤、針床一體化），確保測(cè)試應(yīng)力一致性，避免測(cè)試下壓過程導(dǎo)致貼片受力破損。

圖13 TCT改善

3.4.2 將電路進(jìn)行了優(yōu)化，將原先的并聯(lián)改為兩個(gè)片狀電容，從選型上優(yōu)化并更改為串聯(lián)，增加冗余設(shè)計(jì)。有效避免了片狀電容破損問題。見圖14 和15。

圖14 電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖15 電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)

3.4.3 如圖16 所示， 針對(duì)1206 封裝片狀電容，通過增加電容本體彈性銀層提高抗彎曲能力，目前已徹底解決上述片式多層陶瓷電容開裂的問題。

圖16 增加彈性銀層

4   規(guī)避片式多層陶瓷電容斷裂建議

通過片式陶瓷電容常見應(yīng)力損傷案例及分析，為避免封裝帶來(lái)的問題，現(xiàn)提出以下改善建議。

1）如圖17 所示，面對(duì)壓力方向，將零件橫向安裝，可減緩來(lái)自電路板的壓力；

圖17 模擬縱橫向試壓

2）無(wú)論橫豎擺放，片式電容應(yīng)遠(yuǎn)離板邊；

3）使用小封裝電容，減少電容應(yīng)力故障風(fēng)險(xiǎn)；

4）調(diào)整電容布局，使用大封裝電容情況下避免近距離并聯(lián)設(shè)計(jì)；

5）通過增加電容本體的彈性銀層提高抗彎曲能力。

5   結(jié)束語(yǔ)

片式多層陶瓷電容因本身脆性特質(zhì)，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力破裂現(xiàn)象，直接影響使用及整體可靠性，本文針對(duì)生產(chǎn)過程中的應(yīng)力對(duì)陶瓷電容的影響，結(jié)合失效分析研究進(jìn)行探索。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王玉,賈忠中,劉哲.電子產(chǎn)品組裝中陶瓷電容常見失效模式及改善建議[J].電子工藝技術(shù),2018,(3):182-186.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）