宇航用瓷介電容器膜層厚度對(duì)可靠性影響的試驗(yàn)研究

劉富品 呂素果 孫淑英

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宇航用瓷介電容器膜層厚度對(duì)可靠性影響的試驗(yàn)研究

劉富品1呂素果2孫淑英2

（1. 中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071；2. 北京元六鴻遠(yuǎn)電子有限責(zé)任公司，北京100073）

瓷介電容器通過減薄介質(zhì)膜層厚度可以實(shí)現(xiàn)小型化、大容量。針對(duì)減薄后能否滿足宇航應(yīng)用可靠性要求，我們開展了試驗(yàn)研究與驗(yàn)證，探索了宇航用瓷介電容器介質(zhì)厚度確定的理論和試驗(yàn)依據(jù)，研究分析了目前材料、制造和控制水平與宇航標(biāo)準(zhǔn)要求的差異，對(duì)比了不同介質(zhì)厚度產(chǎn)品性能和可靠性的差異，試驗(yàn)驗(yàn)證了介質(zhì)厚度與產(chǎn)品性能及可靠性的理論模型。

宇航用瓷介電容器；介質(zhì)膜厚；可靠性設(shè)計(jì)；試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

多層瓷介電容器的電容值理論計(jì)算如下公式（1）所示，其中代表電容量，代表介電常數(shù)，代表介質(zhì)層數(shù)，代表相對(duì)面積，代表單層介質(zhì)厚度。由公式可見，介質(zhì)層數(shù)越多、相對(duì)面積越大、介質(zhì)厚度越薄，電容值越大。在滿足質(zhì)量可靠性要求的條件下，減薄單層介質(zhì)厚度，對(duì)增大容量具有直接意義，需要通過理論和試驗(yàn)驗(yàn)證減薄的極限厚度。

查閱有關(guān)瓷介電容器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，GJB 4157A—2011、GJB 6788—2009以及MIL—PRF—49470B/C、MIL—PRF—123D—2005等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了介質(zhì)厚度的最低要求，相關(guān)要求可歸結(jié)為：“額定電壓50V時(shí)介質(zhì)厚度不小于20μm；額定電壓大于50V時(shí)介質(zhì)厚度不小于25μm。介質(zhì)厚度特指燒成后單層陶瓷介質(zhì)厚度，且要求孔洞或其累積不能超過介質(zhì)厚度的50%”。

針對(duì)國(guó)內(nèi)的材料、設(shè)計(jì)、工藝水平，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)缺少支撐。開展試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析、驗(yàn)證不同介質(zhì)厚度產(chǎn)品性能和可靠性，探討了修訂宇航用瓷介電容器標(biāo)準(zhǔn)中介質(zhì)厚度的可能性。

2 可靠性理論模型

NASAS—311—P—838標(biāo)準(zhǔn)中給出了對(duì)于介質(zhì)厚度和可靠性的關(guān)系，在NASA哥達(dá)德空間中心的研究報(bào)告系列中，也給出了相關(guān)理論模型[1,2]。對(duì)于電容器中每層的可靠性設(shè)計(jì)，有如下公式（2）：

其中是常數(shù)；是失效時(shí)間；是失效曲線的斜率；指的是63.2%產(chǎn)品失效時(shí)的標(biāo)尺參數(shù)。

當(dāng)電容器有層時(shí)，其可靠性為每一層可靠性的乘積，如下公式（3）：

由上述公式可導(dǎo)出電容器壽命的方程為如下公式（4）：

（4）

—產(chǎn)品預(yù)計(jì)可靠性；—測(cè)量平均晶粒尺寸；—介質(zhì)膜層厚度；—介質(zhì)層總層數(shù)；

當(dāng)電容器的介質(zhì)層很厚時(shí)，＞，R→1；隨著介質(zhì)厚度越來(lái)越薄，晶粒尺寸（早期的晶粒缺陷）對(duì)產(chǎn)品的影響越來(lái)越大，當(dāng)≈時(shí)，此時(shí)R→0。

設(shè)計(jì)相關(guān)組合試驗(yàn)，驗(yàn)證基于國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)、材料、工藝水平的瓷介電容器產(chǎn)品可靠性，由此探討介質(zhì)膜層厚度減薄的可行性。

3 驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證方案，既需要考慮方案覆蓋性、科學(xué)性、有效性，同時(shí)也必須兼顧驗(yàn)證方案的經(jīng)濟(jì)性、可操作性和實(shí)用性。考慮到I類瓷溫度穩(wěn)定性高，加偏壓條件下容量變化率較小，利于排除驗(yàn)證干擾因素，因此本次驗(yàn)證針對(duì)國(guó)內(nèi)外宇航通用的普通鈀銀內(nèi)電極I類瓷介電容產(chǎn)品開展實(shí)施。

目前，國(guó)內(nèi)外用于宇航的瓷介電容，從耐壓范圍來(lái)分有16V 、25V、50V和100V四種，考慮到高壓產(chǎn)品對(duì)耐壓要求更為苛刻，本試驗(yàn)驗(yàn)證選擇額定電壓50V和100V兩款產(chǎn)品；同等額定電壓條件下，大尺寸產(chǎn)品有內(nèi)部缺陷的比例會(huì)比小尺寸的高，其可靠性相對(duì)降低，本次驗(yàn)證選用元六鴻遠(yuǎn)公司工藝成熟、最大尺寸規(guī)格（1812）的電容器，即暴露可靠性缺陷最顯著的樣本。

本次研究?jī)?nèi)容聚焦于介質(zhì)厚度與產(chǎn)品可靠性的關(guān)系，同樣介質(zhì)厚度時(shí)層數(shù)越多則容量越大，如果規(guī)定了容值，則需考慮不同介質(zhì)層數(shù)的產(chǎn)品，而介質(zhì)層數(shù)不同對(duì)于產(chǎn)品的可靠性會(huì)有影響。為排除這一干擾因素，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣品規(guī)格時(shí)，選取介質(zhì)層數(shù)為定量、容值為變量。結(jié)合生產(chǎn)單位情況，選擇工藝最為成熟、具備連續(xù)大批量生產(chǎn)的樣品，即設(shè)計(jì)100V樣品的介質(zhì)層數(shù)為26層，50V樣品的介質(zhì)層數(shù)為42層，容量則隨著介質(zhì)厚度的變化而變化，不做具體規(guī)定。

同時(shí)，收集了國(guó)內(nèi)外9家主流供貨廠商的產(chǎn)品樣本，通過制樣和測(cè)試，分析得出，市面流通的產(chǎn)品中，50V瓷介電容的介質(zhì)厚度范圍為12～20μm，100V樣品的介質(zhì)厚度范圍在16～25μm?？紤]到宇航要求50V額定電壓產(chǎn)品的介質(zhì)厚度不能低于20μm，驗(yàn)證樣品驗(yàn)證范圍確定為：50V樣品介質(zhì)厚度12～20μm，100V樣品介質(zhì)厚度21～25μm。介質(zhì)厚度均為燒結(jié)后的單層介質(zhì)膜的厚度。試驗(yàn)樣品規(guī)格如表1所示。

表1 介質(zhì)厚度設(shè)計(jì)表

4 樣品選取及制備

基于上述要求，為排除工藝差異干擾因素，選擇工藝穩(wěn)定、控制水平一致的同一條生產(chǎn)線來(lái)加工試驗(yàn)樣品。結(jié)合生產(chǎn)過程的實(shí)際控制精度，并考慮燒成膜片收縮率（60%左右），針對(duì)流延膜片厚度做出相應(yīng)設(shè)計(jì)。

為保證試驗(yàn)樣品生產(chǎn)過程中的工藝一致性，本項(xiàng)目樣品投產(chǎn)了9個(gè)規(guī)格型號(hào)，投產(chǎn)時(shí)間到全部測(cè)量結(jié)束時(shí)間間隔不超過3個(gè)月，以保證生產(chǎn)條件因素的一致性和確定性。具體產(chǎn)品規(guī)格、介質(zhì)厚度、批次見表2。

表2 試驗(yàn)樣品批次列表

5 考核試樣方案設(shè)計(jì)

可靠性評(píng)估方案，兼顧產(chǎn)品鑒定要求和宇航極限評(píng)估要求，試驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋GJB4157A—2011，宇航級(jí)極限評(píng)估項(xiàng)目包括結(jié)構(gòu)分析、溫度沖擊、電壓步進(jìn)篩選、溫度步進(jìn)篩選、穩(wěn)態(tài)壽命等，同時(shí)追加了4000h壽命考核，并另外選取參照組開展了加速壽命比對(duì)。評(píng)估還選取耐焊接熱、抗彎、抗折、擊穿電壓等項(xiàng)目進(jìn)行極限評(píng)估，用于確定產(chǎn)品使用可靠性。綜上，評(píng)估試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案

6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)目的9個(gè)規(guī)格樣品在試驗(yàn)過程中，按照GJB4157A—2011進(jìn)行考核的項(xiàng)目均滿足要求。其中流延膜厚度22μm、燒成后介質(zhì)厚度14.76μm的電容器在797.1h出現(xiàn)一只失效（4157A壽命試驗(yàn)允許1只失效）。流延膜厚度25μm、燒成后介質(zhì)厚度16.98μm的電容器在2UR的壽命試驗(yàn)中均合格，但在4UR的高加速壽命的851.1h出現(xiàn)一只失效（等效2UR的試驗(yàn)時(shí)間為6808.8h）。對(duì)失效樣品進(jìn)行DPA分析，發(fā)現(xiàn)2只樣品均為內(nèi)部擊穿，推測(cè)是由電容器內(nèi)部存在缺陷，高溫加電條件下導(dǎo)致?lián)舸?。由于擊穿點(diǎn)已經(jīng)燒熔，無(wú)法判斷樣品內(nèi)部存在什么類型的缺陷。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到以下證據(jù)：

6.1 抗折強(qiáng)度

隨介質(zhì)膜厚度改變而發(fā)生變化。當(dāng)介質(zhì)厚度小于20μm時(shí)，隨著膜片厚度的增加，瓷體的抗折強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)介質(zhì)厚度大于20μm時(shí)，其抗折強(qiáng)度呈較隨機(jī)的波動(dòng)狀態(tài)。

6.2 抗彎強(qiáng)度

在彎曲1mm后，所有樣品均合格；彎曲2mm后，合格樣品數(shù)量呈相對(duì)正態(tài)分布，說明在彎曲2mm時(shí)，介質(zhì)厚度對(duì)樣品的抗彎性能影響不大；彎曲3mm后，隨著介質(zhì)厚度的降低，樣品合格數(shù)量明顯上升；彎曲4mm后，隨著介質(zhì)厚度的降低，樣品合格數(shù)量也呈上升趨勢(shì)；在彎曲5mm后，所有樣品均失效。

6.3 耐焊接熱后容量變化率

溫度越高，焊接后容量變化率越大。對(duì)于50V產(chǎn)品，膜片厚度為28μm時(shí)，產(chǎn)品容量變化最?。粚?duì)于100V產(chǎn)品，膜片厚度為40μm，產(chǎn)品容量變化最小。所有產(chǎn)品容量變化均在0.004%～0.016%之間，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.4 溫度系數(shù)

由于Ι類瓷產(chǎn)品加偏壓對(duì)溫度系數(shù)影響極小，試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)厚度的變化對(duì)溫度系數(shù)的最大值基本沒有影響，但溫度系數(shù)的最小值隨著介質(zhì)厚度的增加呈明顯上升的趨勢(shì)，說明介質(zhì)厚度降低后，電容器的溫度系數(shù)會(huì)變大，但最大的變化量仍滿足原標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.5 擊穿電壓

匯總各規(guī)格產(chǎn)品擊穿電壓情況，并繪制了不同流延膜片厚度下?lián)舸╇妷簲?shù)據(jù)和變化曲線。分析可知，隨著設(shè)計(jì)介質(zhì)厚度的增加，產(chǎn)品的擊穿電壓隨之增加，擊穿電壓和介質(zhì)厚度基本為線性正相關(guān)，而擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介質(zhì)厚度負(fù)相關(guān)。

6.6 失效數(shù)、元件小時(shí)數(shù)與介質(zhì)厚度的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)不同介質(zhì)厚度樣品的壽命試驗(yàn)失效情況、元件小時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：100V樣品，燒成后介質(zhì)膜厚度≥22μm時(shí)，壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)均未出現(xiàn)失效現(xiàn)象；50V樣品，燒成后介質(zhì)膜厚度＜17μm時(shí)，3個(gè)規(guī)格中有2個(gè)發(fā)生失效現(xiàn)象，這說明當(dāng)介質(zhì)厚度低于17μm時(shí)，其可靠性明顯降低。

6.7 壽命后容量變化率

分析不同介質(zhì)厚度產(chǎn)品在4UR、125℃下，經(jīng)過250h、500h、1000h、2000h、3000h加速壽命后容量變化率，在-0.12%～0.08%之間，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。250h，容量變化率較高，其他時(shí)間變化不大，也意味著早期老化效果在250h已能基本達(dá)到。另外在500h、1000h、2000h加速實(shí)驗(yàn)中，隨著介質(zhì)厚度的降低，電容器的容量變化率逐漸降低，且變化規(guī)律基本一致。

6.8 不同溫度絕緣電阻值

分析不同溫度下、不同膜片厚度的絕緣電阻值可以看出，每一單介質(zhì)層的絕緣電阻基本相同的，介質(zhì)層厚度的變化對(duì)絕緣電阻基本沒有影響。由于整個(gè)電容器的絕緣電阻是多層的并聯(lián)，因此層數(shù)越多其絕緣電阻值越低，相同層數(shù)電容器的絕緣電阻相同。

7 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果符合已知可靠性理論模型，較為明確的驗(yàn)證結(jié)論包括以下三個(gè)方面：

a. 介質(zhì)厚度與可靠性正相關(guān)、介質(zhì)層數(shù)與可靠性負(fù)相關(guān)，宇航標(biāo)準(zhǔn)中介質(zhì)厚度要求適用于當(dāng)前工藝水平介質(zhì)厚度越厚、層數(shù)越少，可靠性越高，與前述介質(zhì)厚度和可靠性的理論模型完全吻合。

當(dāng)介質(zhì)厚度在20μm以下時(shí)，電容器的經(jīng)受熱應(yīng)力后容量變化率隨著介質(zhì)厚度的降低而明顯的降低，變化率增大了25%～50%，但絕對(duì)值降低很少，只降低了0.003%。當(dāng)介質(zhì)厚度在20μm以上時(shí)，電容器的耐焊接熱后的容量變化率變化比較平穩(wěn)。

由此，驗(yàn)證出宇航標(biāo)準(zhǔn)中要求的“額定電壓50V時(shí)介質(zhì)厚度不小于20μm；額定電壓大于50V時(shí)介質(zhì)厚度不小于25μm”，這一條件，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)、工藝、材料條件下，依然適用。

b. 減薄介質(zhì)膜厚對(duì)提高容量有貢獻(xiàn)，但不能帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

電應(yīng)力極限分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)（壽命、擊穿電壓）與理論模型吻合。同種介質(zhì)材料，隨著介質(zhì)厚度增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降但擊穿電壓上升。Ι類瓷的多層瓷介電容器，50V額定電壓的產(chǎn)品，介質(zhì)厚度小于17μm時(shí)，可靠性降低明顯，最低介質(zhì)厚度不應(yīng)低于17μm；對(duì)于100V額定電壓的產(chǎn)品，介質(zhì)厚度降低到22.56μm時(shí)仍可以滿足宇航級(jí)的初始鑒定要求，并且與25μm時(shí)的數(shù)據(jù)無(wú)明顯差異，可以探討進(jìn)一步降低介質(zhì)厚度的可能性。

選取的1812規(guī)格尺寸產(chǎn)品計(jì)算，如果電極層數(shù)、材料、留邊量都不變，50V系列需將介質(zhì)厚度從20μm降低到18.33μm，才可將容量提高一檔，100V系列需將介質(zhì)厚度從25μm降低到22.76μm才可將容量提高一檔。參照本項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果，將宇航級(jí)產(chǎn)品的容量提高一檔是可以實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)容量公式計(jì)算，在不增加產(chǎn)品總體厚度的情況下，減薄介質(zhì)膜厚對(duì)提高容量有貢獻(xiàn)，但不能帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

c. 介質(zhì)厚度對(duì)耐壓能力、機(jī)械應(yīng)力影響明顯，但熱應(yīng)力和濕熱環(huán)境應(yīng)力不敏感。

電應(yīng)力耐受分析顯示，介質(zhì)厚度增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，但耐擊穿電壓上升。

熱應(yīng)力影響分析顯示，宇航溫度沖擊極限試驗(yàn)中，所有介質(zhì)厚度的樣品均發(fā)生失效，因此，介質(zhì)厚度的變化對(duì)電容器承受熱應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計(jì)。

機(jī)械應(yīng)力（抗折、抗彎）分析顯示，同樣層數(shù)下單層介質(zhì)厚度越小，樣品的抗機(jī)械應(yīng)力能力越強(qiáng)。

濕熱環(huán)境應(yīng)力分析顯示，加嚴(yán)考核耐濕和穩(wěn)態(tài)濕熱項(xiàng)目，所有介質(zhì)厚度的樣品均未發(fā)生不合格或失效，表明介質(zhì)厚度的變化對(duì)耐濕熱環(huán)境不敏感。

1 David L, Michael J. Sampson reliability evaluation of base-metal-electrode multilayer ceramic capacitors for potential space applications, NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD 20771, CARTS International, Las Vegas, NV, 2014

2 David L, Michael J. Sampson. Some aspects of the failuer mechanisms in BaTiO3-based multilayer ceramic capacitors, NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD 20771, CARTS International, Las Vegas, NV, 2012

Experimental Study on Influences of Layer Thickness on Reliability of Ceramic Dielectric Capacitors for Space Application

Liu Fupin1Lv Suguo2Sun Shuying2

(1. China Aerospace Standard Institute, Beijing 100071；2. Beijing Yuanliuhongyuan Electronic Co. Ltd., Beijing 100073)

The miniaturization and large capacity of the ceramic dielectric capacitor can be realized by decreasing the dielectric layer thickness. It remains unknown whether the modified capacitor can fulfill the reliability requirements of space application. In order to answer this question, the related experimental study and verification work are carried out, to explore the theoretical and experimental basis, analyze the discrepance between the requirements from aerospace standards and the current materials, manufacturing and controlling level, and compare the distinction in performance and reliability of varied dielectric layer thickness. From this sense, the study has verified the theoretical model that explains the relationships between the dielectric layer thickness and the performance and reliability of ceramic dielectric capacitors.

ceramic dielectric capacitor for space application；dielectric layer thickness；reliability design；experimental verification

劉富品（1970-），碩士，電子工程專業(yè)；研究方向：電子元器件產(chǎn)品認(rèn)證、質(zhì)量保證技術(shù)研究，型號(hào)用元器件產(chǎn)品質(zhì)量問題分析和應(yīng)用技術(shù)研究。

2016-11-29