淺析PCB設(shè)計引起的MLCC失效

深圳市中識健康科技有限公司 史世江 涂田軍

1.引言

片式多層陶瓷電容器（MLCC）具有體積小，體積容量比大，性價比高等特點，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備、儀器儀表電路中。在分析客訴及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)約有15%的不良品是由于MLCC失效導(dǎo)致，且MLCC出現(xiàn)斷裂約占80%。根據(jù)平板電容器的容量公式：

可以看出，MLCC的電容量與絕緣介質(zhì)相對介電常數(shù)、極板面積、極板層數(shù)及極板間距離有關(guān)。式中為真空介電常數(shù)；為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，陶瓷的相對介電常數(shù)約為5.8；n為極板層數(shù)；A（m2）為極板面積；d（m）為極板間距離；同樣材質(zhì)尺寸和耐壓，容量越高越容易斷裂。裂紋的危害是漏電，嚴重斷裂時將引起MLCC內(nèi)部層間錯位，斷裂處的電極絕緣間距將低于擊穿電壓,導(dǎo)致電極之間的電弧放電、短路，從而徹底損壞MLCC。

2.原因及對策

2.1 電路板彎曲變形引起的拉伸和壓縮應(yīng)力

MLCC陶瓷介質(zhì)的自身脆性決定其抵抗彎曲能力比較差。從機械結(jié)構(gòu)上來說，其電極端頭焊接在PCB上直接承受來自于外界的各種機械應(yīng)力；而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機械應(yīng)力。當PCBA發(fā)生彎曲變形時，MLCC的陶瓷基體不會隨板彎曲，其長邊承受的應(yīng)力大于短邊（如圖1所示），從而容易引起MLCC斷裂。

圖1 彎曲引起的拉伸和壓縮應(yīng)力

可采用的對策 ：①選擇合適的PCB厚度。當PCB的板面積大于100時，PCB厚度不小于1.0mm。②C0G、X7R和Y5V材質(zhì)的MLCC能承受的彎曲量分別約為3.3mm、2.7mm和2.7mm。因此，PCBA的彎曲量最多不超過2mm。如有比較重的元器件應(yīng)盡量均勻擺放，以減少生產(chǎn)、運輸過程中由重力造成電路板彎曲變形的影響。在上述方法實施困難時，可增加PCB支架來減少其彎曲程度。

圖2 MLCC在PCBA上不同位置受機械應(yīng)力的影響

2.2 PCBA分板或分割時彎曲引起的機械應(yīng)力

表面貼裝后的PCBA分板是一個特別精密的工序，分板時的任何彎曲都會帶來機械應(yīng)力，此外MLCC與PCBA板分割面的接近度和方向極為重要。如圖2所示，在分板時，電容A受的應(yīng)力最大，C、D其次。電容B和E在最佳位置，電容E因遠離分割線，受的應(yīng)力最小?？偟膩碚f，其位置遠離分割線，受到的應(yīng)力小，反之，越接近分割線，所受應(yīng)力就越大。

對策：①優(yōu)化MLCC在PCB板的位置和方向，減小其在電路板上的承受的機械應(yīng)力，MLCC應(yīng)盡量與PCB上的分孔和切割線或切槽保持一定的距離，使得MLCC在PCB貼裝后分板彎曲時受到的拉伸應(yīng)力最小。②MLCC的貼裝方向應(yīng)與開孔、切割線或切槽平行，以確保MLCC在PCB分板彎曲時受到的拉伸應(yīng)力均勻，防止板切割時損壞MLCC。

2.3 在螺絲固定孔或測試點附近的MLCC被螺絲刀或測試工具撞擊

PCBA在定位鉚接、單板測試時測試點機械接觸的位置容易產(chǎn)生形變。對策：MLCC盡量不要放置在螺絲孔附近，防止鎖螺絲時撞擊開裂。在必須放置電容的位置，可以考慮使用引線式封裝的電容器。

2.4 與電路板的熱膨脹系數(shù)的差異引起的機械應(yīng)力

焊接時MLCC受熱不均，容易從焊端開始產(chǎn)生裂紋，大尺寸的MLCC導(dǎo)熱性能較小尺寸的差，造成其受熱不均，膨脹幅度不同，從而產(chǎn)生破壞性應(yīng)力。采用表面貼裝技術(shù)（SMT）進行裝聯(lián)時，安裝密度得到提高，但元器件本體沒有引線緩沖和吸收應(yīng)力。在MLCC焊接過后的冷卻過程中，由于MLCC和PCB的膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致裂紋。對策：①應(yīng)盡量選用材料熱膨脹系數(shù)（CTE）和MLCC的熱膨脹系數(shù)相匹配的PCB板材。②在滿足電氣要求的情況下，盡量選擇封裝尺寸小的電容器，優(yōu)先選用0805、0603或0402的封裝。當小尺寸封裝MLCC電容量不夠可采用多只并聯(lián)。并聯(lián)后的MLCC有更小的等效串聯(lián)電阻，能更好地吸收電源的紋波電流。

2.5 焊盤尺寸對MLCC的影響

良好的焊盤尺寸和形狀能在焊接過程保證焊料熔融時，作用于MLCC上所有焊點的表面張力保持平衡，以利于形成彎月形輪廓的優(yōu)質(zhì)焊點。分兩種情況：一是當MLCC兩端焊盤中有一個與地面的連接，或附近有其他的焊點時，或是有一側(cè)的焊盤面積過大時，會因熱容量的不均勻而引起其濕潤力的不平衡，使得MLCC一端焊盤的焊錫量過多。發(fā)生這種情況時會在MLCC兩端產(chǎn)生不一致的應(yīng)力分布，應(yīng)力集中在一端；第二種是過多的焊錫量會在PCB板彎曲時增加對MLCC的拉伸應(yīng)力，陶瓷材料壓迫強度大拉伸強度低，從而導(dǎo)致MLCC產(chǎn)生裂紋。適合波峰焊和回流焊的焊盤尺寸略有差異，特別是焊盤的阻焊區(qū)域。比較合適的焊錫量是MLCC焊點高度約占MLCC高度的50～75%。對策：①優(yōu)化MLCC在PCB上的擺放位置，避免MLCC的兩個焊盤出現(xiàn)熱容量差異過大的狀況；②根據(jù)不同焊接工藝，選用合適焊盤尺寸，特別注意在PCB設(shè)計時要給焊盤設(shè)置合適的阻焊區(qū)域。

3.結(jié)語

在PCB設(shè)計階段應(yīng)重視機械應(yīng)力對MLCC的影響，應(yīng)采取適當?shù)念A(yù)防措施，減小MLCC在PCBA上承受的機械應(yīng)力，從而改善MLCC失效率。