宇航用微波芯片電容器電極鍍層可靠性評價方法研究

韓寶妮，文 平，董作典，唐 旭，宋 燕

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宇航用微波芯片電容器電極鍍層可靠性評價方法研究

韓寶妮，文 平，董作典，唐 旭，宋 燕

（西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100）

微波芯片電容器作為一種新型的電容器，已被廣泛應(yīng)用于宇航，而國軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中目前并無適用的評價方法。針對宇航用芯片電容器的應(yīng)用方式和失效模式，設(shè)計(jì)了一套宇航用微波芯片電容器鍍層可靠性的評價方法，用以評價其可靠性是否滿足宇航應(yīng)用需求。以國產(chǎn)芯片電容器為例對該評價方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該評價方法可有效評價和驗(yàn)證芯片電容器電極鍍層的可靠性。

宇航應(yīng)用；微波元件；芯片電容器；電極鍍層；可靠性；評價方法

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，MCM（多芯片模塊）電路因其高性能、高密度化、小型化、輕量化等諸多優(yōu)勢被越來越多地應(yīng)用在航天器中。在模塊電路中，作為隔直流耦合交流、濾波、去耦等功能的電容器被大量采用。而微波芯片電容器，作為一種新型的電容器，由于其體積小、質(zhì)量輕以及與薄膜混合集成電路工藝的完全兼容性，已被廣泛應(yīng)用于MCM電路。

目前，宇航用芯片電容器主要為瓷介電容器，包括單層芯片電容器和多層芯片電容器兩種；按照表面電極制造工藝類別劃分，可分為薄膜工藝和厚膜印刷工藝。與傳統(tǒng)的片式瓷介電容器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方式不同，芯片電容器的兩個電極為電容器的上下表面；應(yīng)用時，電容器的下表面通過導(dǎo)電膠粘接或共晶焊接安裝在基片上，上表面采用引線鍵合方式引出。這種應(yīng)用方式?jīng)Q定了宇航用戶在選用芯片電容器時，除了關(guān)注電容器的功能性能指標(biāo)以外，還重點(diǎn)關(guān)注電容器表面電極鍍層的質(zhì)量和可靠性。在宇航型號應(yīng)用實(shí)踐中，芯片電容器的主要失效模式表現(xiàn)為鍵合強(qiáng)度不夠或鍵合不上，以及鍍層的附著力不夠。電容器在環(huán)境應(yīng)力尤其是溫度應(yīng)力條件下，其電極與陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度是否滿足要求，是用戶重點(diǎn)關(guān)注的因素。因此，如何評價微波芯片電容器電極鍍層的質(zhì)量和可靠性是航天質(zhì)量保證工作者尤為關(guān)心的問題。

目前，由于芯片電容器無相對應(yīng)的國軍標(biāo)總規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而各類瓷介電容器的通用規(guī)范如GJB4157A—2011[1]、GJB192B—2011[2]、GJB924A— 2012[3]等均無電極鍍層考核相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)定。GJB2438A—2002[4]中附錄第C.2.7.5.3.3條“膜層附著力”試驗(yàn)規(guī)定：“可采用膠帶粘接后觀察基片與膜層的起皮或剝落情況的發(fā)生”來評價基板上的金屬膜層與基板之間的附著力。GJB1941—94[5]中規(guī)定了檢驗(yàn)金鍍層的諸多試驗(yàn)方法，如外觀檢查、金層厚度測試、結(jié)合力、可焊性等。這些試驗(yàn)可有效檢驗(yàn)金電鍍層的質(zhì)量，尤其是結(jié)合力試驗(yàn)，該試驗(yàn)包括彎曲試驗(yàn)、切割試驗(yàn)以及烘烤試驗(yàn)，可多角度地考核金電鍍層與基底材料的結(jié)合強(qiáng)度。然而，這些方法僅適合較大尺寸元器件鍍金層的檢驗(yàn)，且適合基底層為金屬或普通陶瓷（Al2O3）的鍍金層。對于長度/寬度尺寸一般為0.5~1 mm的芯片電容器，GJB1941—94[5]中規(guī)定的結(jié)合力試驗(yàn)方法是不具備操作性的。另外，由于宇航用芯片電容器的陶瓷介質(zhì)材料大多為BT(BaTiO3)系列陶瓷，上述方法并不適用。

筆者根據(jù)宇航用微波芯片電容器固有電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用方式，吸取最新型的宇航元器件質(zhì)保經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套宇航用芯片電容器電極鍍層可靠性的評價方法，并以國產(chǎn)芯片電容器樣品為例對該評價方法進(jìn)行驗(yàn)證。該評價方法主要適用于薄膜芯片電容器，重點(diǎn)關(guān)注芯片電容器薄膜電極的工藝質(zhì)量。國內(nèi)外文獻(xiàn)中對這類新型電容器的應(yīng)用可靠性或可靠性評價相關(guān)方面鮮有報(bào)道。本文提出的芯片電容器鍍層可靠性的評價方法是以宇航型號應(yīng)用需求為牽引，可全面評價宇航新選用的國產(chǎn)或進(jìn)口芯片電容器的電極鍍層的質(zhì)量和可靠性。

本文首先介紹了芯片電容器的結(jié)構(gòu)，接著闡述了電極鍍層可靠性評價試驗(yàn)方法，最后給出了國產(chǎn)芯片電容器的實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果。

1 芯片電容器的結(jié)構(gòu)

宇航用芯片電容器按照結(jié)構(gòu)劃分，包括單層和多層兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。單層芯片電容器是以單層陶瓷介質(zhì)片為基體材料，再在基片上下表面金屬化處理形成電極，最后通過切割而制成的，其外電極鍍金。多層芯片電容器是由印刷好內(nèi)部電極的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，在陶瓷芯片上下兩端金屬化外電極而成，其內(nèi)部電極一般為鈀銀合金，垂直于水平方向，外電極鍍金。

圖1 單層芯片電容器結(jié)構(gòu)圖

圖2 多層芯片電容器結(jié)構(gòu)圖

2 電極鍍層可靠性評價方法

根據(jù)芯片電容器固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一套芯片電容器電極鍍層可靠性的評價方法，試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

評價方法共包括4個分組，包括結(jié)構(gòu)分析、裝聯(lián)工藝適應(yīng)性試驗(yàn)、安裝焊接后溫度沖擊評估試驗(yàn)以及耐焊接熱評估試驗(yàn)。下文將對每個分組的試驗(yàn)?zāi)康摹⒃u價指標(biāo)、試驗(yàn)要求詳細(xì)論述。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是一種常用的宇航元器件評價技術(shù)，它通過一系列破壞性和非破壞性檢驗(yàn)、分析和試驗(yàn)，獲得元器件的設(shè)計(jì)、工藝和材料等滿足評價要求和相關(guān)宇航應(yīng)用要求能力的信息，其目的是為了查明元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝、材料、固有可靠性狀況、潛在危害等[6]。

針對芯片電容器的電極鍍層可靠性評價，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)主要包括兩部分內(nèi)容，即結(jié)構(gòu)可靠性和工藝可靠性。

表1 芯片電容器鍍層可靠性評價方法

2.1.1 結(jié)構(gòu)可靠性

結(jié)構(gòu)可靠性主要審查電容器的電極結(jié)構(gòu)是否合理。為確保芯片電容器的可靠應(yīng)用，要求其薄膜電極與陶瓷材料有很好的結(jié)合力，且電極應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性、焊接性和穩(wěn)定性[7]。因此，外電極一般為復(fù)合結(jié)構(gòu)，推薦膜層結(jié)構(gòu)為三層，從里到外依次是過渡層、阻擋層和焊接層（又稱導(dǎo)電層）。過渡層金屬要求與基底陶瓷相匹配，具有很好的結(jié)合力；中間的阻擋層作用是用于進(jìn)行過渡層與焊接層間的匹配，并有效阻擋焊接時焊料對底層金屬的侵蝕；焊接層一般采用電阻率較低、焊接性好、抗氧化、與焊料能無限互溶、阻抗低的金屬，一般為金層。

2.1.2 工藝可靠性

工藝可靠性主要考核電容器的薄膜電極的制造工藝是否可靠，具體試驗(yàn)項(xiàng)目又包括外觀檢查、掃描電子顯微鏡檢查（SEM）以及剖面檢查，具體試驗(yàn)方法及要求如下。

a) 外觀檢查：通過金相顯微鏡檢查芯片電容器的表面電極質(zhì)量。試驗(yàn)按照GJB548—2005方法2032，無源元件的目檢中的K級要求進(jìn)行[8]。

b) 掃描電子顯微鏡檢查（SEM）：通過電子顯微鏡進(jìn)一步檢查芯片電容器表面金屬化的質(zhì)量。試驗(yàn)按照GJB548—2005方法2018，掃描電子顯微鏡（SEM）檢查中的要求進(jìn)行[8]。

c)剖面檢查：通過制樣鏡檢對芯片電容器的剖面進(jìn)行檢查。檢查時重點(diǎn)關(guān)注：1)電極的剖面形貌；2)電極與陶瓷結(jié)合界面形貌。同時，通過該試驗(yàn)可檢驗(yàn)陶瓷介質(zhì)層是否存在氣孔、分層、裂紋等缺陷，但該條不作為本文的關(guān)注點(diǎn)。

2.2 裝聯(lián)工藝適應(yīng)性試驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用時，芯片電容器的下表面一般采用共晶焊接或?qū)щ娔z粘接在基板上，上表面采用鍵合工藝進(jìn)行安裝。為評價芯片電容器的裝聯(lián)工藝適應(yīng)性能力是否滿足宇航應(yīng)用需求，根據(jù)電容器實(shí)際安裝方式和主要的應(yīng)用失效模式，設(shè)計(jì)了鍵合強(qiáng)度和芯片剪切試驗(yàn)，用于初步評估芯片電容器表面鍍層的可鍵合性和鍍層附著力。其中，鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)按照GJB548—2005方法2011：鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）的規(guī)定進(jìn)行[8]；芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)按照GJB548—2005方法2019：芯片剪切強(qiáng)度的規(guī)定進(jìn)行[8]。

需要說明的是，由于該分組試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)前應(yīng)首先進(jìn)行安裝，因此，在具體實(shí)施時，該分組與第三分組同時進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果可與第三、四分組的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對。

2.3 安裝后溫度沖擊評估試驗(yàn)

芯片電容器應(yīng)用在MCM電路中，根據(jù)宇航應(yīng)用環(huán)境要求，可能經(jīng)歷環(huán)境溫度快速變化的應(yīng)用工況。在溫度應(yīng)力尤其是快速溫變的作用下，陶瓷材料和電極金屬材料由于不同的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)導(dǎo)致的應(yīng)力不同，由此可能造成電容器陶瓷和金屬化電極之間界面的結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致鍍層附著力下降。

為評價芯片電容器鍍層附著力在經(jīng)歷溫度環(huán)境應(yīng)力后是否下降，設(shè)計(jì)了溫度沖擊評估試驗(yàn)。該試驗(yàn)要求電容器首先進(jìn)行安裝，安裝方式覆蓋芯片電容器在宇航應(yīng)用中的常用基板和安裝方式。

2.3.1 安裝

芯片電容器的安裝包括以下幾個要素：

a) 基板的選擇；根據(jù)宇航用戶需求，選擇兩種常用基板：包括陶瓷（Al2O3）和ROGERS基板。

b)電容器下表面的安裝方式：包括導(dǎo)電膠粘接和共晶焊接。

c)電容器的上表面安裝方式：包括金絲鍵合和金帶鍵合。

對以上三種要素進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)的安裝方式包括4個分組，詳見表2。

表2 安裝方式

2.3.2 試驗(yàn)條件及要求

參考ESCC標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)元器件極限評估的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)的溫度沖擊評估試驗(yàn)為沖擊次數(shù)極限評估試驗(yàn)。GJB 2438A—2002中針對混合電路互連工藝鑒定中規(guī)定的溫度沖擊次數(shù)為100次[4]，為進(jìn)一步加嚴(yán)考核芯片電容器鍍層耐快速溫變環(huán)境應(yīng)力的能力，此次設(shè)計(jì)的溫度沖擊試驗(yàn)次數(shù)依次為200次和500次。在依次完成200次、500次極限試驗(yàn)時對樣品進(jìn)行外觀檢查和電性能測試。

試驗(yàn)詳細(xì)條件如下：

a) 試驗(yàn)初始條件：按照GJB360B—2009方法107進(jìn)行：極限溫度為–65~+150 ℃（該溫度為芯片電容器的貯存溫度范圍），高低溫極限溫度下的保持時間為30 min，極限溫度間轉(zhuǎn)換時間不大于1 min，循環(huán)結(jié)束后恢復(fù)至常溫[9]；

b) 試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)：200次，500次；

c) 試驗(yàn)要求：200次、500次試驗(yàn)后分別對電容器進(jìn)行外觀檢查，并測試電容器的介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻(25 ℃)、電容量以及損耗角正切。

2.3.3 鍵合強(qiáng)度和芯片剪切

對完成溫度沖擊評估試驗(yàn)的樣品，每種安裝分組的樣品抽樣進(jìn)行鍵合強(qiáng)度、芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，并與第2分組的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

2.3.4 剖面檢查

對完成溫度沖擊評估試驗(yàn)的樣品，每種安裝方式分組的樣品至少抽樣1只進(jìn)行剖面檢查。剖面檢查時重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)同2.3.1節(jié)的第c)條。

2.4 耐焊接熱評估試驗(yàn)

芯片電容器在采用共晶焊接方式裝聯(lián)時，芯片表面的金屬化電極薄膜除了應(yīng)具有良好的結(jié)合性能以外，還應(yīng)能有效地阻擋焊料對金屬電極膜的反浸蝕作用。電容器在焊接時會有許多復(fù)雜的反應(yīng)交替發(fā)生，如加熱、熔化、結(jié)晶、相態(tài)變化、化學(xué)反應(yīng)等；若金屬電極的耐焊性較差，則在焊接到一定程度時容易出現(xiàn)氧化、吸氣現(xiàn)象，或者是導(dǎo)熱性過高或過低引起的熱脹冷縮嚴(yán)重的情況，導(dǎo)致器件的性能變差[10]。

為評估芯片電容器表面鍍層抗安裝應(yīng)力的能力，在宇航共晶焊接工藝條件的基礎(chǔ)上，加嚴(yán)設(shè)計(jì)了耐焊接熱評估試驗(yàn)?？紤]到宇航共晶焊接溫度一般為290~310℃，此次評估試驗(yàn)溫度設(shè)置為350℃；這樣，相比于實(shí)際應(yīng)用焊接溫度，評估試驗(yàn)溫度具有40~60 ℃的裕量。試驗(yàn)采用次數(shù)步進(jìn)的方式進(jìn)行，具體要求如下：

試驗(yàn)按照GJB 360B—2009方法210及下述規(guī)定進(jìn)行[9]：

a) 初始測量：按規(guī)定測量電容器的初始電容量；

b) 預(yù)處理?xiàng)l件：125 ℃條件下保持2 h，恢復(fù)時間為24 h；

c) 試驗(yàn)條件：將產(chǎn)品放置在熱板上，控制臺溫度為（350±5）℃；時間（10±1）s；

d) 步進(jìn)條件：按次數(shù)進(jìn)行，最高5次；

e) 試驗(yàn)后測量：試驗(yàn)后將電容器在室溫下恢復(fù)后測試電容器的電容量，抽取樣品進(jìn)行鍵合強(qiáng)度、芯片剪切強(qiáng)度以及剖面檢查。

3 驗(yàn)證實(shí)例

3.1 驗(yàn)證樣品

選取國產(chǎn)芯片電容器，采用本文所述的評價方法對電容器的電極鍍層進(jìn)行可靠性評價。由于相同生產(chǎn)廠的單層芯片電容器和多層芯片電容器的表面電極鍍層金屬化結(jié)構(gòu)、工藝、生產(chǎn)線一般相同，因此此次評價選取了國產(chǎn)單層芯片電容器為例進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證樣品的外電極金屬化結(jié)構(gòu)均為TiW/Ni/Au。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)分析

對試驗(yàn)樣品按照前面要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)可靠性和工藝可靠性分析，試驗(yàn)結(jié)果如下。

a）結(jié)構(gòu)可靠性

對驗(yàn)證樣品的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，電容器的端電極內(nèi)層為TiW，中間層為Ni，外層為Au，其中TiW層為過渡層，Ni為阻擋層，Au為導(dǎo)電層。經(jīng)結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為樣品的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

b）工藝可靠性

① 外觀檢查

對試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀檢查，外觀檢查合格，其典型的外觀形貌圖見圖3。

圖3 電容器的外觀形貌

② 剖面檢查

對試樣樣品進(jìn)行剖面檢查，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 剖面檢查形貌

③ 掃描電鏡（SEM）

對試樣進(jìn)行掃描電鏡檢查，結(jié)果如圖5所示。

（a）剖面

(b)電極剖面

圖5 芯片電容器的SEM照片

Fig.5 SEM pictures of the chip capacitor

c）結(jié)果分析

根據(jù)3.2.1 a)節(jié)和3.2.1 b)節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單層芯片電容器樣品電極鍍層結(jié)構(gòu)合理，電極以及電極與陶瓷界面的鍍層連續(xù)致密，形貌正常，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，從結(jié)構(gòu)分析的角度認(rèn)為該芯片電容器適合宇航應(yīng)用。

3.2.2 安裝后溫度沖擊評估試驗(yàn)

將電容器樣品在兩種基材（Al2O3和ROGERS）上分別采用兩種安裝工藝（導(dǎo)電膠粘接和共晶焊接）安裝后，依次經(jīng)歷200次溫度沖擊和500次溫度沖擊試驗(yàn)后，電容器的介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻（25℃）電容量、以及損耗角正切均滿足規(guī)范值要求，電容器的損耗角正切值基本無變化，試驗(yàn)前后電容器的電容量變化情況見表3所示。從表3可以看出，試驗(yàn)前后兩種樣品的電容量變化很小，可以忽略。

表3 溫度沖擊評估試驗(yàn)前后電容量的變化量

試驗(yàn)前后對樣品進(jìn)行鍵合強(qiáng)度和芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，均符合GJB548—2005相應(yīng)方法中規(guī)定的要求，樣品的鍍層附著力在經(jīng)歷500次溫度沖擊評估試驗(yàn)后無退化[7]。

試驗(yàn)后每種安裝方式抽取1只樣品，進(jìn)行剖面檢查，四種安裝方式下的剖面形貌基本一致，200次和500次溫度沖擊評估試驗(yàn)后，樣品電極金屬化層以及金屬層與介質(zhì)層的界面形貌正常，無明顯缺陷。典型的剖面檢查形貌見圖6所示。

圖6 安裝后溫度沖擊評估試驗(yàn)后樣品剖面檢查形貌

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種芯片電容器的鍍層對快速溫變環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，可適應(yīng)多種安裝方式裝聯(lián)應(yīng)用。

3.2.3 耐焊接熱評估試驗(yàn)

電容器樣品在經(jīng)過350℃、10 s、5次的耐焊接熱試驗(yàn)后，各項(xiàng)電性能指標(biāo)滿足要求，無產(chǎn)品失效。試驗(yàn)完成后，對樣品進(jìn)行鍵合強(qiáng)度和芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；試驗(yàn)前后電容量最大變化率為4.2%（要求≤5%）。試驗(yàn)后對樣品進(jìn)行剖面檢查，其電極金屬化層以及金屬層與介質(zhì)層的界面形貌正常、鍍層完整連續(xù)，無明顯缺陷。典型的樣品剖面檢查形貌見圖7所示。

圖7 耐焊接熱評估試驗(yàn)后樣品剖面檢查形貌

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：芯片電容器抗安裝應(yīng)力能力滿足宇航要求，耐焊接溫度能力富有裕量。

4 結(jié)論

本文根據(jù)宇航用微波芯片電容器的電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用方式，設(shè)計(jì)了一套宇航用微波芯片電容器電極鍍層可靠性的評價方法。該方法借鑒了最新型的宇航元器件評價技術(shù)，并充分考慮了宇航應(yīng)用需求，共包括結(jié)構(gòu)分析、裝聯(lián)工藝適應(yīng)性、安裝后溫度沖擊評估試驗(yàn)以及耐焊接熱評估試驗(yàn)四個分組，可全面評價芯片電容器的鍍層工藝和應(yīng)用可靠性。以國產(chǎn)單層芯片電容器為例，對該評價方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該評價方法可有效地評價和驗(yàn)證芯片電容器電極鍍層的可靠性。

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（責(zé)任編輯：陳渝生）

Research on reliability evaluation methods for electrode coating of microwave chip capacitors for aerospace application

HAN Baoni, WEN Ping, DONG Zuodian, TANG Xu, SONG Yan

(Xi’an Space Radio Technology Research Institute, Xi’an 710100, China)

As a new type of capacitors, the microwave chip capacitor has been widely used in aerospace application. However, there is no any applicable evaluation method in military specifications and professional standards. Aiming at application manner and failure modes of chip capacitors for aerospace application, a whole set of method to evaluate the reliability of electrode coating of the microwave chip capacitor was proposed, which could estimate whether the reliability was qualified for aerospace application. Take the domestic monolayer chip capacitor as an example, the method was verified. The experimental results show that the methods can evaluate and verify the reliability of electrode coating of the microwave chip capacitor effectively.

aerospace application; microwave device; chip capacitors; electrode coating; reliability; evaluation methods

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.016

TM53

A

1001-2028（2018）02-0085-07

2017-10-19

韓寶妮

韓寶妮（1983－），女，陜西乾縣人，工程師，從事宇航用微波電子元器件質(zhì)量保證及可靠性研究工作；文平（1968－），男，四川安岳人，高工，從事宇航用微波電子元器件質(zhì)量保證及可靠性研究工作。