面向方案設計的BME MLCC宇航鑒定關鍵技術

(中國空間技術研究院,北京 100191)

隨著對鎳-陶瓷界面特征研究的深入,新抗還原陶瓷介質和鎳內電極漿料開發(fā)成功,工業(yè)領域Ni-Cu電極多層瓷介電容器 (也稱Base Metal Electrode Multilayer Ceramic Capacitors,BME MLCC)的技術成熟度已經達到較高水平[1]。BME MLCC擁有單位體積高容量和低成本的優(yōu)勢。現(xiàn)在幾乎99%的MLCC都在使用BME技術制造,一些高可靠的模塊和混合電路已經用BME MLCC。20世紀90年代開始,美國軍方就以商用貨架 (Commercial on Shelf,COTS)形式大量選用了BME MLCC產品。近幾年,美國、歐洲分別建立了相關宇航標準,如:NASA S-311-P-838[2]、ESCC 3009/041[3]等,規(guī)范 BME MLCC生產和質保。2015年,AVX公司部分BME MLCC已在歐空局被正式認證為宇航等級。BME MLCC已經成為高可靠電容器的研究熱點[4],我國也需要針對國內生產廠的具體情況,建立BME MLCC的宇航準入機制。

從 “初步評估、詳細評估、鑒定檢驗”思路出發(fā),本文針對BME電容器具有緩慢老化失效特性、較PME電容器介質減薄特性、以及由此帶來的長壽命領域使用風險,提出了鑒定范圍、結構分析和微觀結構生產一致性、長壽命可靠性、環(huán)境適應性等宇航鑒定關注點及典型評估、鑒定試驗項目,給出了在方案設計中,BME電容器宇航鑒定流程和要求。

1 宇航鑒定思路

航天型號電子系統(tǒng)性能的提升是以元器件性能指標提升為基礎的,其質量等級確定和長期穩(wěn)定供應是宇航用元器件管理必須解決的重要問題。GB/T29074-2012《宇航元器件鑒定要求》是宇航鑒定標準體系的頂層文件,提出了 “初步評估、詳細評估、鑒定檢驗”思路,與傳統(tǒng)的 “生產線審查+鑒定檢驗”的鑒定模式相比,能夠在評估過程客觀審視元器件指標、要求,形成產品改進意見并閉環(huán)處理。隨著元器件技術發(fā)展的日新月異,高集成度、高性能、高指標的元器件層出不窮,采用國標鑒定,也能夠快速將民用技術復用到宇航型號中。

BME MLCC具有典型的MLCC結構,與PME MLCC相比,在疊印、切割、涂端等工藝上有很高的相似性。在宇航鑒定的方案設計中,需要以宇航用PME MLCC的評估試驗、鑒定檢驗要求和試驗數(shù)據為基礎,以國外現(xiàn)有的宇航級BME MLCC應用和研究成果為參照,從材料、結構、失效機理等方面分析,重點針對鎳電極電容器可能出現(xiàn)的高溫絕緣特性等問題,設計宇航鑒定程序和相關要求。宇航鑒定程序見圖1。

圖1 BME MLCC宇航鑒定程序Fig.1 Test procedure for space qualification of BME multilayer ceramic capacitors

2 BME MLCC特性及可靠性風險

2.1 結構

BME MLCC結構與傳統(tǒng)PME MLCC結構相似,都是由內電極、陶瓷介質、外電極三個主要部分組成,結構示意圖見圖2,三部分的主要組成材料見表1。實現(xiàn)大容量產品的開發(fā)方式一般通過提高材料介電常數(shù)、降低介質層厚度來實現(xiàn)。

圖2 BME MLCC結構示意圖Fig.2 Construction structure of BME MLCC

2.2 特性

BME MLCC在結構、材料、工藝上與 PME MLCC的相似性決定了其特性與傳統(tǒng)多層瓷介電容器是類似的,電極、介質材料不同使得在微觀結構、電極金屬電化學穩(wěn)定性等方面存在區(qū)別。BME MLCC的主要特性如下:

(1)氧空位遷移帶來了緩慢老化失效模式

由于在還原氣氛燒結,陶瓷介質中不能避免出現(xiàn)氧空位。BME MLCC出現(xiàn)之初,因氧空位問題引起電容器絕緣特性差,未直接大量使用,表現(xiàn)為:高溫漏電流相對于PME MLCC明顯增加,表現(xiàn)出較差的絕緣性能。近年來,陶瓷材料和燒結工藝的進步有效彌補了BME MLCC在絕緣特性的缺點。因此,需要基于現(xiàn)有的工業(yè)技術條件,針對具體產品的絕緣特性,尤其是高溫絕緣特性進行評價。

圖3 BME MLCC的漏電流與應力時間的關系曲線中,可以看到兩種失效模式:突然失效和緩慢失效。突然失效機理是指漏電流隨著時間急劇增加,從而引起電容器嚴重損壞 (雪崩式電擊穿或熱失控)。緩慢失效機理是指氧空位電遷移后,逐漸降低晶界處勢壘高度,引起電容器漏電流逐漸增加,這是BME MLCC主要和獨特的失效機理[5]。

圖3 BME MLCC突然失效與緩慢失效示意圖[5]Fig.3 General view for sudden failure and slow failure of BME MLCC[5]

(2)更理想的微觀結構帶來了介質減薄可能

為了保證電容器的可靠性,在MIL-PRF-123的3.4.1節(jié)給出了宇航級PME MLCC最薄的介質厚度25 μm(額定電壓大于 50 V)。但是 BME MLCC的微觀結構是不同的。Ni更適合且容易與介質層結合,氧空位的存在有利于介質材料的燒結和致密化,而且燒結溫度相對Ag、Pd電極要高。因此,很多BME MLCC有比PME MLCC更理想的微觀結構:具有較致密均勻的陶瓷顆粒和較小的晶粒尺寸。對于具有相同的厚度d和施加相同電壓V的兩個介電層,較小晶粒尺寸的介質層晶粒分得的電壓較低,可能具有較好的可靠性。相對于PME MLCC,BME MLCC具備介質減薄的可能性。

(3)電化學穩(wěn)定性較PME MLCC好

金屬鎳的電子遷移速度較Pd/Ag小,具有良好的電化學穩(wěn)定性,出現(xiàn)金屬離子遷移形成導電通路的概率低。

2.3 風險分析

BME MLCC相對于PME MLCC在工藝實現(xiàn)上存在困難。Ni在高溫下易氧化,需在還原氣氛中燒成。而BaTiO3陶瓷在還原氣氛中Ti4+會被還原成低價離子而使陶瓷的絕緣性能下降。因此對共燒技術提出了很高要求,如果設備和工藝控制不當,易造成產品質量可靠性問題。

BME MLCC的優(yōu)勢在于能夠減薄介質層厚度,但薄的介質層厚度給產品可靠性帶來了不確定因素。

在長期可靠性上,BME MLCC燒結的氧空位帶來絕緣電阻下降等風險問題[6]。盡管近年來試驗數(shù)據表明部分國產BME MLCC失效率已可以達到六級,仍需在長壽命可靠性方面進行重點考核。

3 宇航要求與工業(yè)要求比較

3.1 宇航元器件特點

宇航用元器件具有高質量、高可靠要求,例如:對真空、輻射等空間環(huán)境適應能力,六級以上高失效率等級,15年以上長期工作可靠性要求。

3.2 標準對比

工業(yè)標準以汽車電子標準AEC-Q200[7]為例。汽車電子行業(yè)對元器件的鑒定注重應力環(huán)境,潮濕、振動等條件部分比軍用元器件要求高;汽車電子委員會在AEC-Q200[7]中給出了陶瓷電容器的鑒定要求,其鑒定試驗要求與MIL-PRF-32535[8]宇航級鑒定要求對比見表2。MIL中各電容器通用規(guī)范對比見表3,體現(xiàn)了BME MLCC與PME MLCC鑒定要求的區(qū)別。例如:由于沒有低電壓失效模式,BME MLCC在穩(wěn)態(tài)濕熱試驗中不再采用1.3 V低電壓,而是選取了對其來說嚴酷的UR電應力[8]。

表2 AEC-Q200與MIL-PRF-32535鑒定對比 (BME MLCC)Tab.2 Qualification test comparisons on AEC-Q200 and MIL-PRF-32535 of BME MLCC

表3 MIL中MLCC通用規(guī)范不同點Tab.3 The differences between the general specification of each MLCC in MIL standard

4 BME MLCC宇航鑒定關注點

4.1 鑒定范圍和材料結構要求

鑒定范圍需綜合考慮宇航應用需求,已驗證的結構、工藝等,確定宇航鑒定的電容器額定電壓、尺寸、容量等范圍。根據宇航型號母線電壓需求選擇合適的額定電壓范圍,根據電裝工藝技術水平選擇合適的尺寸范圍,根據結構可靠性已知數(shù)據選擇電容器采用的材料結構范圍。在宇航鑒定中,要通過DPA的方法,配合設計準則審查,確認產品能夠滿足表4規(guī)定的結構材料要求。

表4 Ⅱ類瓷BME MLCC材料結構要求 (額定電壓100 V)[2]Tab.4 Material and structural requirements of BME MLCC,typeⅡ[2]

另外,由于易被損壞的特點,不推薦使用厚度在0.5 mm以下的電容器;0402以下的電容器由于太小,需要的試驗成本較高,同時在相同的流程下,很難保證可靠性,也不推薦使用。

4.2 結構分析和生產一致性

研究表明,微晶結構、瓷質致密性對電容器質量和可靠性均有影響[9]。微觀結構與漏電流的產生存在聯(lián)系。因此宇航鑒定中,需確認微觀結構,同時也要確認工藝一致性情況,可以選取BME MLCC與PME MLCC生產中區(qū)別較大的工序:燒結、燒端等。表5給出了一些典型的工序控制參數(shù)。

表5 典型工序一致性參數(shù)Tab.5 Typical process consistency parameters

一般認為,較小晶粒尺寸的介質層晶粒分得的電壓較低,較小的晶粒具有較好的可靠性。NASA給出了可靠性與微觀結構的關系(公式(1))[2],可用于在生產過程進行初始可靠性計算。規(guī)定初始可靠度 (Rt)的下限值,相當于對微觀結構提出要求。

4.3 長壽命可靠性

鑒于BME MLCC可能存在的突然失效和緩慢老化失效,壽命評估試驗考慮實際使用中可能出現(xiàn)的組合應力條件、兩種機理的競爭關系,通過電參數(shù)退化或突變評估電容器的壽命特性[10]。宇航電容器在介質厚度方面有嚴格的要求,在耐電壓和可靠性方面的余量極大,應采用適當?shù)募铀賶勖囼灧椒?獲得產品壽命特征的有效數(shù)據。

4.4 環(huán)境適應性

需要考慮在熱、力、電等應力作用下特性的變化,獲得電容器的失效模式、薄弱環(huán)節(jié)等信息,并通過極限試驗摸底確定鑒定和篩選試驗的具體條件,表6列出了常見環(huán)境應力、試驗項目、失效機理等考慮因素。在鑒定中需要予以考慮。

表6 環(huán)境試驗項目Tab.6 Typical construction comparisons on BME MLCC and PME MLCC

(1)耐紋波電流

20世紀80年代初,Schabauer和Blumkin建立了MLCC的熱結構[5],確認PME MLCC無需進行紋波電流試驗。陶瓷塊內部的電極板越多,產生的熱量越容易流出陶瓷塊。與相同尺寸、相同額定電壓的PME MLCC相比,BME MLCC通常有更多內部電極板和更薄的介質層。因此,BME MLCC具有散熱更好的散熱結構。MIL-PRF-32535、AEC Q200標準同樣未要求BME MLCC的紋波電流試驗。不再對BME MLCC進行耐紋波電流的鑒定。

(2)ESD特性

電容器并非靜電敏感器件。另外,考慮到宇航型號中BME MLCC大多用于濾波、旁路,沒有用作靜電保護作用的需求,無需鑒定ESD特性。

(3)溫度沖擊

考慮環(huán)境溫度變化對不同熱膨脹系數(shù)材料引起應力的影響,薄弱環(huán)節(jié)為端電極應力集中處,且與安裝基板有關。需要對電容器的溫度沖擊特性進行鑒定。

(4)耐焊接熱

考慮焊接溫度對不同熱膨脹系數(shù)材料引起應力的影響,薄弱環(huán)節(jié)為端電極應力集中處。采用耐焊接熱試驗評估,可采取提高溫度、延長加熱時間的方法。需要對電容器的耐焊接熱特性進行鑒定。

(5)彎曲應力

在未電裝的情況下,BME MLCC的獨石結構抗機械應力的能力較強,機械應力極限主要考慮電裝前后,使用過程可能產生的機械應力。使用操作容易產生電容器彎曲失效。產品受到振動等應力時,對電容器來說同樣也可能反映為電路板彎曲帶來的應力。需要對電容器耐彎曲應力特性進行鑒定。

5 結論

考慮到BME MLCC的特性、風險和宇航鑒定關注點,為減小風險,按照國標GB/T29074-2012中 “初步評估、詳細評估、鑒定檢驗”的思路,以設計準則審查、結構分析、詳細規(guī)范審查、重點工序參數(shù)一致性分析、過程可靠性驗證試驗作為初步評估內容,以評估試驗、應用驗證、PID審查和產品詳細規(guī)范、應用指南的確認作為詳細評估內容。針對本文提到的宇航鑒定關注點,在技術狀態(tài)確認、生產線能力初步確認、產品性能與可靠性評估等環(huán)節(jié)反復確認產品標準,客觀審視元器件指標、要求,確定最終鑒定項目和應力水平,最終根據鑒定試驗結果綜合判斷BME MLCC的宇航可用性。