多層瓷介電容常見失效模式及失效機(jī)理研究

王瑤

（ 航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

引言

電容器作為三大無源元件（電容器、電阻器、電感器）之一，它基本的功能是儲存和釋放電荷，即儲存能量。電容器具有“電壓不可以突變”和“隔直通交”的特性，廣泛應(yīng)用于各種儀器、儀表、電子設(shè)備中起到調(diào)諧、濾波、耦合、隔直、儲能等作用，是電子設(shè)備中不可缺少的主要元件。多層陶瓷電容器具有容體比大，結(jié)構(gòu)致密、損耗小、無極性、貯存方便、適合表面貼裝，大量應(yīng)用在航天、航空、兵器及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。

在整個電容市場中多層陶瓷電容器占比90 %，因此了解其制造工藝，對常見失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行深入研究，為正確使用和失效預(yù)防提供了技術(shù)支持和保障。

1 多層瓷介電容器可靠性

多層瓷介電容器主要的電參數(shù)為電容值、絕緣電阻、擊穿電壓以及損耗角正切值。引起陶瓷電容器上述電參數(shù)超差失效的原因通常為損耗性失效、過應(yīng)力失效、內(nèi)部缺陷以及外部缺陷引起的失效四類，其中損耗失效是指電容器受到的損傷不斷累積超過其材料所能承受的極限值時產(chǎn)生的失效；過應(yīng)力失效是指單一應(yīng)力作用在電容器上引起的災(zāi)難性失效。

產(chǎn)品由制造工藝或原材料自身缺陷引起的失效稱為內(nèi)部缺陷失效，受后續(xù)環(huán)境應(yīng)力(機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力）作用產(chǎn)生的缺陷引起的失效統(tǒng)稱為外部缺陷失效。

2 常見的失效模式和機(jī)理

多層瓷介電容器典型失效模式有：短路、開路以及電參數(shù)漂移。

2.1 短路失效

2.1.1 電擊穿

1）電擊穿失效機(jī)理

電擊穿是由于電容在強(qiáng)電場作用下，瓷介質(zhì)內(nèi)部可自由移動的少量載流子劇烈運(yùn)動，與晶格上原子產(chǎn)生碰撞，從而形成更多的載流子，并產(chǎn)生雪崩式電子流，從而導(dǎo)致?lián)舸瑫趽舸c處出現(xiàn)瞬時打火及崩瓷現(xiàn)象，使層間錯位、內(nèi)電極搭接至熔融，形成短路點，導(dǎo)致電容損耗增大和絕緣下降，形貌如圖1所示。

2）電擊穿失效原因

電擊穿具有電壓作用時間短，電壓高，擊穿點分布隨機(jī)，與環(huán)境溫度、電壓作用時間無關(guān)[1]。因此，電擊穿通常與電容器固有的抗電強(qiáng)度、所施加的電場強(qiáng)度有關(guān)，常見失效原因如下：

①電容器固有抗電強(qiáng)度設(shè)計不合理、原材料不良以及內(nèi)部存在較大程度的孔洞、分層、內(nèi)電極結(jié)瘤等固有缺陷，均會造成電容器固有抗電強(qiáng)度下降，從而在電場作用下引起電擊穿失效。由于固有缺陷分布的隨機(jī)性，其失效也表征出電容器失效區(qū)域不固定，是隨機(jī)分布的。

a.分層

分層，其擴(kuò)展方向平行于電極，特征是裂紋比較大，傳播路徑參差不齊。產(chǎn)生原因：排粘和燒結(jié)工藝不合適、材料之間的匹配問題、局部有機(jī)物殘留、燒成后成分層，形貌如圖2所示。

b.空洞

多層瓷介電容器由于采用固相燒結(jié)，屬于多晶多相無機(jī)材料的結(jié)構(gòu)，不可避免存在空洞。當(dāng)空洞較大，橋連了2個或多個電極，可以變成短路通道和潛在的電缺陷。大的空洞能導(dǎo)致可以測量到的容量的減少，電容器的強(qiáng)度的降低、貫通性空洞的危害更大，形貌如圖3所示。

陶瓷粉中含有有機(jī)或無機(jī)的污染物；不適合的燒結(jié)工藝。

c.結(jié)瘤

陶瓷粉中含有有機(jī)或無機(jī)的污染物；不適合的燒結(jié)內(nèi)電極結(jié)瘤，其凸起部位電場強(qiáng)度則會由于電場畸變而增強(qiáng)，同時導(dǎo)致有效介質(zhì)層減小，抗電強(qiáng)度冗余量減小。如果介質(zhì)存在空洞等缺陷，結(jié)瘤部位可能連通附近兩個或多個電極，變成短路通道，形貌如圖4所示。

圖1 典型電擊穿失效圖

圖2 分層缺陷典型圖

圖3 介質(zhì)空洞典型圖

圖4 結(jié)瘤典型圖

產(chǎn)生原因：內(nèi)電極漿料團(tuán)聚、絲網(wǎng)破損、張力不足等引起。分層、空隙、內(nèi)電極結(jié)瘤等固有缺陷會使其所在部位的有效介質(zhì)厚度減小，造成電容器抗電強(qiáng)度下降，同時對于內(nèi)電極結(jié)瘤其凸起部位電場強(qiáng)度則會由于電場畸變而增強(qiáng)，會在電場作用下出現(xiàn)擊穿失效。擊穿時的應(yīng)力會導(dǎo)致電容器瓷體開裂，通常從擊穿點有多條呈發(fā)散狀裂紋。

措施：調(diào)整介質(zhì)膜片與內(nèi)電極漿料收縮匹配；優(yōu)化排粘工藝曲線；優(yōu)化燒結(jié)工藝；通過超聲檢測手段將這些空氣類缺陷進(jìn)行剔除。另外，通過溫度沖擊、高溫老化等篩選剔除早期失效產(chǎn)品。

②過電應(yīng)力作用

過電應(yīng)力包括：過電壓、過電流及超頻使用。過大的電場強(qiáng)度作用，超過了電容器的抗電強(qiáng)度，就會直接造成電容器介質(zhì)擊穿失效；而瞬時的過電流或超過電容器固有諧振頻率使用也可能引起電容器絕緣強(qiáng)度破壞。

2.1.2 熱擊穿

1）熱擊穿失效機(jī)理

電容器熱擊穿是由于內(nèi)部產(chǎn)生漏電通道，使介質(zhì)發(fā)熱、漏電流增大，伴隨溫度和電應(yīng)力的累積作用，其熱平衡被破壞，最終導(dǎo)致?lián)舸2]。與電擊穿相比，熱擊穿的電壓較低，且隨時間累積，熱擊穿點附近區(qū)域有瓷體燒蝕發(fā)黑、內(nèi)電極金屬熔融燒蝕等現(xiàn)象，形貌如圖5所示。另外，外應(yīng)力作用造成裂紋及過電應(yīng)力作用，也可能引起熱擊穿失效。

2）熱擊穿失效原因

根據(jù)熱擊穿失效機(jī)理，可能造成電容器產(chǎn)生漏電通道而引起熱不平衡的原因通常有：固有缺陷、外應(yīng)力作用造成裂紋及過電應(yīng)力作用[2]。

①固有缺陷

如果電容器內(nèi)部存在一定程度的固有缺陷，缺陷部位可能會在電場作用下逐漸形成漏電通道，使漏電流增大、介質(zhì)發(fā)熱加劇，從而導(dǎo)致熱擊穿失效。由于固有缺陷具有隨機(jī)、偶然性的特點，因此也是隨機(jī)分布的。

②外應(yīng)力作用

多層瓷介電容器由陶瓷介質(zhì)、金屬內(nèi)電極、端電極三部分構(gòu)成，各部分材料的熱傳系數(shù)（δT）和熱膨脹系數(shù)（CTE）差異較大，且陶瓷材料相對存在韌性差、熱導(dǎo)率低的特性，所以當(dāng)電容器承受機(jī)械應(yīng)力和溫度應(yīng)力時，在瓷體和端電極交界面處易出現(xiàn)裂紋。該瓷體裂紋往往由于焊接工藝不當(dāng)或安裝過程中存在印制板翹曲所致。

如果裂紋未使瓷體完全開裂，但已造成內(nèi)電極層間交錯搭接，進(jìn)一步在電應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力等作用下，銀離子遷移，形成漏電通道，即使施加的電場強(qiáng)度可能不大，但隨著漏電流逐漸增加，電容器發(fā)熱量不斷累積增大，最終就會導(dǎo)致介質(zhì)熱擊穿失效。

③夾持傳遞產(chǎn)生的裂紋

夾持傳遞產(chǎn)生的裂紋發(fā)生在元件安裝后，在放置過程中，夾持夾具會有較大的殘余應(yīng)力釋放。這種損傷一般比較小、非常隱蔽，一般當(dāng)時很難發(fā)現(xiàn)，但隨著后期調(diào)試過程中溫度沖擊、機(jī)械應(yīng)力的擴(kuò)展就會發(fā)展成為致命失效。夾持傳遞裂紋典型圖如圖6所示。

④熱沖擊產(chǎn)生的裂紋

熱沖擊產(chǎn)生的裂紋往往是由于手工焊、波峰焊、回流焊或清洗時電容器沒有預(yù)熱，溫度變化過于劇烈，造成由表及里的裂紋向內(nèi)部傳播，方向普遍約為45 °角，形貌如圖7所示。熱沖擊裂紋往往起源于表面。

圖5 熱擊穿失效典型圖

圖6 夾持傳遞裂紋典型圖

⑤彎曲產(chǎn)生的裂紋

彎曲產(chǎn)生的裂紋是由于電路板嚴(yán)重翹曲，會造成電容器開裂。有兩種情況：一種發(fā)生在去除夾持或鑲嵌后，電路板或子板插入測試夾具的過程中；另外，電容器處于安裝孔附近時，安裝螺釘裝卸過程中，造成局部電路板彎曲所致。過應(yīng)力造成的裂紋起源于表面或內(nèi)部，過應(yīng)力造成的裂紋的傳播方向也是成45 °角,形貌如圖8所示。

⑥共焊盤導(dǎo)致電容器受到多次焊接熱沖擊導(dǎo)致的裂紋

這種失效模式往往在工程應(yīng)用中遇到。案例：某型號用片式電容D產(chǎn)品焊接前未進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接順序為：在焊接過程中，存在樣品共焊盤的情況，電容器D需承受3次的焊接熱沖擊，在通電測試及高低溫試驗中反復(fù)存在失效現(xiàn)象，形貌如圖9所示。

解決方案：焊接前對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)熱處理，最后焊接D產(chǎn)品，或者是更改PCB布局，不采用共焊盤。

⑦過電應(yīng)力作用

如果電容器在過電壓、過電流或超頻條件下工作，那么就可能直接造成電容器介質(zhì)擊穿而形成短路點燒毀失效，或造成電容器發(fā)熱量增大，隨著熱量不斷累積而逐漸發(fā)生熱擊穿失效。

2.1.3 表面飛弧擊穿

1）失效機(jī)理

電場在尖端處存在畸變特性，電容器端電極處也應(yīng)是非均勻電場，當(dāng)外加電壓大于起始游離電壓時，該處空氣就會電離存在霧狀電暈。當(dāng)電暈范圍伴隨電壓升高不斷擴(kuò)大，并向?qū)γ娑穗姌O延伸，會在電暈外圍產(chǎn)生枝叉狀輝光放電現(xiàn)象，最終導(dǎo)致表面飛弧擊穿，瞬間會造成電容器表面短路，并在瓷體表面留下飛狐放電痕跡，多層高壓瓷介電容器還會因為瓷體表面拉弧產(chǎn)生表面飛狐擊穿失效。形貌如圖10所示。

2）失效原因

根據(jù)上述機(jī)理，在較強(qiáng)電場作用下，出現(xiàn)表面飛弧擊穿通常與電容器瓷體表面情況、環(huán)境條件因素有關(guān)，原因主要有：

圖7 熱沖擊裂紋典型圖

圖8 彎曲產(chǎn)生的裂紋典型圖

圖9 共焊盤典型應(yīng)用示意圖

圖10 拉弧現(xiàn)象典型示意圖

圖11 開路失效典型圖

①如果電容器表面存在污染或多余物，其中可能存在的自由載流子會在電場作用下，在電容器表面產(chǎn)生漏電甚至擊穿放電。

②如果電容器未作高壓防護(hù)措施，瓷體表面暴露空氣中工作，在電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時就可能在電容器表面產(chǎn)生飛弧放電。

③如果是在高溫或潮濕環(huán)境中工作，使瓷體表面凝有水膜，從而會使其表面絕緣電阻顯著下降，更易引起電暈放電而產(chǎn)生表面極間飛弧擊穿。

2.2 開路失效

1）失效機(jī)理

開路失效主要表現(xiàn)為容量不穩(wěn)定或大幅下降，其儲電功能已不能滿足需求。該失效模式往往是在外應(yīng)力作用下，使端電極與瓷體分離或瓷體間開裂、斷裂，造成內(nèi)、外電極不能正常連接，導(dǎo)致電性能不正常所致。該失效模式不會有擊穿點存在，形貌如圖11所示。

2）失效原因

開路失效原因是由于在外應(yīng)力作用下，引起瓷體間斷開或瓷體與端電極脫離，另外，如果電容器固有的端電極結(jié)合強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也會造成端電極與瓷體分離而引起開路失效。

2.3 電參數(shù)超差

電參數(shù)超差[2]通常是指容量下降、損耗增大以及絕緣電阻下降，相關(guān)影響因素有：原材料固有質(zhì)量、制造工藝以及實際應(yīng)用條件等[3]。

目前，多層瓷介電容器制造工藝技術(shù)成熟，基本沒有由于原材料、成瓷質(zhì)量或固有缺陷等引起的電參數(shù)超差失效，且多層瓷介電容器本身的固有可靠性十分優(yōu)良，可以長時間穩(wěn)定使用。但當(dāng)電容器出現(xiàn)開路失效或短路失效，會伴隨著容值、損耗角、絕緣電阻出現(xiàn)異常，因此，電參數(shù)超差失效往往是開路或短路失效后一種電性能表征。

3 分析與結(jié)論

隨著整機(jī)輕型化、集成化和高可靠性的要求，多層瓷介電容器在武器裝備中的應(yīng)用、使用率越來越多，出現(xiàn)失效不可避免。瓷介電容擊穿、開路、引線斷裂等使電容器完全喪失工作能力的失效屬于致命性失效，其余一些失效會使電容不能滿足使用要求，并逐漸向致命失效過渡。瓷介電容在工作應(yīng)力與環(huán)境應(yīng)力綜合作用下，工作一段時間后，會分別或同時產(chǎn)生某些失效模式。同一種失效模式，有多種失效機(jī)理，失效機(jī)理和失效機(jī)理并不是一一對應(yīng)的。因此研究和掌握各種失效模式和失效機(jī)理，對于提高多層瓷介電容器的可靠性，預(yù)防并采取有效措施，才能避免和減少由于失效帶來的更大損失具有重要作用。