片狀多層陶瓷電容機械應(yīng)力失效分析

周睿 項永金 王少輝 陳秀秀

摘 要：因片式多層陶瓷電容器脆性較強、抗彎曲能力較差，封裝尺寸直接影響電器產(chǎn)品使用壽命。組裝生產(chǎn)過程中對片狀多層陶瓷電容產(chǎn)生應(yīng)力極易導(dǎo)致貼片電容開裂。本文通過優(yōu)化電容器選型，更改電容器結(jié)構(gòu)，從根本上杜絕貼片電容機械應(yīng)力問題。

關(guān)鍵詞：片式多層陶瓷電容；機械應(yīng)力；彈性銀層；封裝選型

0 引言

片式多層陶瓷電容器是各電路中重要的電子元器件，因其體積小、電容量范圍寬、介質(zhì)損耗小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，被廣泛使用在各種電路中。但在使用過程中片式電容器一旦失效將對整體電路造成嚴(yán)重影響。因此需對片式電容的選型、失效機理及材質(zhì)特性進行深入研究分析。

1 片狀多層陶瓷電容簡介

片式多層陶瓷電容器是多層疊合結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于多個簡單平板電容器的并聯(lián)體，之所以采用多層結(jié)構(gòu)是為了以較小的體積獲取較大的電容量。

多層片式陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：陶瓷介質(zhì)、金屬內(nèi)電極和金屬外電極。圖1所示的多層陶瓷電容器是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極）制成。

1.1 失效特性描述

平行電極之間的裂紋主要有兩大原因：一是外部機械應(yīng)力，這種開裂特征基本存在于電極兩端，會造成電容器數(shù)個平行電極之間開裂。二是電容器制造過程中的工藝缺陷，在電容器非常窄的兩個相鄰電極之間產(chǎn)生微裂紋，或電容器電極間存在裂縫，電極之間介質(zhì)開裂，可導(dǎo)電的污染物夾雜其中，介質(zhì)介電能力下降而發(fā)生漏電甚至擊穿。

1.2 材質(zhì)特性

片式多層陶瓷電容通常采用鈦酸或鈦酸銀等陶瓷材料作為電介質(zhì)，陶瓷材料具有硬脆的物理特性，其塑性形變范圍很小，斷裂時呈脆性，這使得片式多層陶瓷電容的彎曲形變超過其承受范圍時極易產(chǎn)生破裂失效。另外，陶瓷材料耐熱沖擊性能較差，在環(huán)境溫度急劇變化或內(nèi)部受熱不均情況下，陶瓷電容也易產(chǎn)生裂紋而失效。

1.3 抗彎曲性

片式多層陶瓷電容能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源包括：貼片對中工藝過程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接、螺絲安裝等。類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45°角向器件內(nèi)部擴展。該類缺陷也是實際發(fā)生最多的一種類型缺陷。

2 常見應(yīng)力失效分析

除了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的失效問題，片式多層陶瓷電容器在裝配過程中極易發(fā)生應(yīng)力失效，如運輸震動、機械沖擊、貼片應(yīng)力、單邊焊料堆積、焊接等。

2.1 PCB板彎曲

PCB板彎曲導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖2所示。

原因分析：在生產(chǎn)組裝過程中，避免不了運輸、打螺釘、裝配，探針測試等，產(chǎn)生PCB板彎曲應(yīng)力導(dǎo)致器件破損失效。

2.2 單邊焊料過多

單邊焊料過多導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖3所示。

原因分析：當(dāng)過程導(dǎo)致焊料堆積，焊錫膏的收縮易導(dǎo)致片式電容器發(fā)生斷裂。

2.3 吸嘴貼裝

吸嘴貼裝導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖4所示。

原因分析：下壓壓力過大及下壓壓力過深，導(dǎo)致吸嘴沖擊，造成電容破損。

2.4 夾具應(yīng)力

夾具應(yīng)力導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖5所示。

原因分析：定位夾具夾力較大時，或因夾具磨損至形狀變尖時，會在貼片外部電極處留下劃痕，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生斷裂。

2.5 烙鐵熱量不足

導(dǎo)致片式多層陶瓷電容失效如圖6所示。

原因分析：使用烙鐵返修時，如未充分預(yù)熱，片式電容會因應(yīng)力導(dǎo)致變形。

2.6 波峰焊預(yù)熱不足

失效原因分析：因波峰焊接Dip前預(yù)熱不足，當(dāng)片式電容器施加超過允許限度的熱應(yīng)力時，陶瓷外部及內(nèi)部均會發(fā)生斷裂。

3 案例分析

故障主板片式多層陶瓷電容器問題突出，分析為主板采用的大封裝貼片電容抗彎曲能力較差，故障為片狀多層陶瓷電容開裂導(dǎo)致，如圖7所示。結(jié)合片式多層陶瓷電容抗彎曲能力差的特點分析研究，并排查生產(chǎn)過程。

3.1 故障失效分析判斷

3.1.1 失效機理

根據(jù)對故障件的失效分析模式判斷，造成電容暗裂的根源是受到來自生產(chǎn)和檢驗過程中產(chǎn)生的機械應(yīng)力。

3.1.2 電容抗彎曲能力

根據(jù)片式多層陶瓷電容的抗彎曲能力，相關(guān)規(guī)范中明確1206及以上封裝抗彎曲能力為2 mm，型號越大的電容抗彎曲能力越弱，而此款電容采用的封裝為1812。根據(jù)前期測試驗證數(shù)據(jù)和售后失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1206及以上型號封裝的電容失效故障率相對較高，見圖8。

3.2 過程排查及驗證

3.2.1 單體抗彎曲強度試驗?zāi)M

從表1測試數(shù)據(jù)得出，該片式陶瓷電容器件的重力可以造成器件破損，最小應(yīng)力在700 ue以上，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的抗應(yīng)力指標(biāo)接近，單體抗彎曲強度、抗應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)存在波動。

3.2.2 過程ICT工裝結(jié)構(gòu)排查

目前過程使用此款機型的工裝共計設(shè)置13根壓棒，其中在A面的失效電容位置（C26在B面與之對應(yīng)的位置：圖10紅色區(qū)域）也設(shè)置了1根壓棒。

3.2.3 過程ICT工裝應(yīng)力測試

在現(xiàn)有工裝測試情況下，ICT應(yīng)力測試值符合要求，如圖11所示，測試峰值為238 ue，取消該失效電容位置上方的壓棒后測試應(yīng)力峰值為282 ue。

人工設(shè)置壓棒，并在壓棒定點的紅色區(qū)域移動壓棒位置進行驗證，兩次驗證均沒有使用一體化工裝的應(yīng)力效果好，驗證情況見圖12。

第1次驗證在失效電容位置的上方，失效電容應(yīng)力峰值為577 ue，輕微超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

第2次驗證在失效電容位置的左上方，失效電容的應(yīng)力峰值為637 ue，應(yīng)力大于第1次驗證。

3.3 排查驗證總結(jié)

一體化ICT工裝在測試過程中對失效片狀電容產(chǎn)生的機械應(yīng)力相對較小。驗證人工設(shè)置壓棒的方式由于位置上存在差異，失效片狀電容受到的機械應(yīng)力也有相對差異，同時人工設(shè)置壓棒存在操作上的不一致性，受到的機械應(yīng)力相對較大。

故障主板電容型號為1812，型號越大，貼片電容抗彎曲能力越弱，只有從器件選型上去優(yōu)化，才能完全規(guī)避貼片電容破損問題。

相比1206、0805封裝電容，1812封裝器件本體抗機械應(yīng)力偏弱，個體也存在差異，在過程中存在施加應(yīng)力導(dǎo)致電容內(nèi)應(yīng)力損傷的情況。

3.4 改善方案

3.4.1 ICT測試工裝采用一體化工裝，如圖13（天板、拖盤、針床一體化），確保測試應(yīng)力一致性，避免測試下壓過程導(dǎo)致貼片受力破損。

3.4.2 將電路進行了優(yōu)化，將原先的并聯(lián)改為兩個片狀電容，從選型上優(yōu)化并更改為串聯(lián)，增加冗余設(shè)計。有效避免了片狀電容破損問題。見圖14和15。

3.4.3 如圖16所示，針對1206封裝片狀電容，通過增加電容本體彈性銀層提高抗彎曲能力，目前已徹底解決上述片式多層陶瓷電容開裂的問題。

4 規(guī)避片式多層陶瓷電容斷裂建議

通過片式陶瓷電容常見應(yīng)力損傷案例及分析，為避免封裝帶來的問題，現(xiàn)提出以下改善建議。

1）如圖17所示，面對壓力方向，將零件橫向安裝，可減緩來自電路板的壓力；

2）無論橫豎擺放，片式電容應(yīng)遠離板邊；

3）使用小封裝電容，減少電容應(yīng)力故障風(fēng)險；

4）調(diào)整電容布局，使用大封裝電容情況下避免近距離并聯(lián)設(shè)計；

5）通過增加電容本體的彈性銀層提高抗彎曲能力。

5 結(jié)束語

片式多層陶瓷電容因本身脆性特質(zhì)，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力破裂現(xiàn)象，直接影響使用及整體可靠性，本文針對生產(chǎn)過程中的應(yīng)力對陶瓷電容的影響，結(jié)合失效分析研究進行探索。

參考文獻：

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