多層片式瓷介電容基板彎曲強(qiáng)度的失效研究

范凌云 張琨 李鵬

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000；2.中國家用電器研究院 北京 100037

1 引言

多層片式瓷介電容器（MLCC：Multi-Layer Ceramic Capacitor，以下簡(jiǎn)稱為：片狀電容）是一種以陶瓷作為介質(zhì)并具有多層結(jié)構(gòu)的貼片式電容器。其具有高容值、小體積、高絕緣電阻、環(huán)境適應(yīng)性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，常作用于濾波、隔直、耦合、振蕩等，被廣泛應(yīng)用于家用電器、信息電子、汽車電子的整機(jī)中。

作為PCBA上使用最多的基礎(chǔ)被動(dòng)元器件之一，隨著片狀電容逐步向小尺寸、大容量的方向發(fā)展，使用范圍越來越廣，使用工況越來越復(fù)雜，其可靠性的等級(jí)直接影響整機(jī)使用壽命。

本文從片狀電容的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并介紹了一種新的收集片狀電容的抗彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)的測(cè)試方法，為今后的片狀電容使用及失效模式分析提供建議。

2 多層片式瓷介電容介紹

2.1 多層片式瓷介電容結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

片狀電容的整體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由三部分組成：陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極、端電極。因此也被稱為三明治結(jié)構(gòu)。其端電極通常也為三層結(jié)構(gòu)，分別為外部電極（一般為Cu或Ag層，連接內(nèi)部電極）、阻擋層（Ni鍍層，起到熱阻擋作用，能夠避免焊接時(shí)Sn層脫落）和焊接層（Sn鍍層，提供焊接）。

圖1 MLCC整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)電容量計(jì)算公式可知：在介電常數(shù)不變時(shí)，電容量C與有效面積成正比，與正負(fù)極距離成反比。由圖2可知，通過內(nèi)電極的交錯(cuò)疊層，控制器層間厚度、上下層正對(duì)面積與疊層數(shù)量對(duì)片狀電容進(jìn)行容值設(shè)計(jì)。因此小封裝高容值的片狀電容內(nèi)部電極層數(shù)往往高達(dá)幾百層，目前已知國產(chǎn)廠家1206封裝能做到600層以上。

圖2 MLCC內(nèi)電極

2.2 多層片式瓷介電容材質(zhì)分類

常見的片狀電容根據(jù)陶瓷介質(zhì)材料可分為非鐵電電容器陶瓷、鐵電電容器陶瓷、反鐵電電容器陶瓷三類。其中非鐵電電容器陶瓷是不具有鐵電性的材料，進(jìn)一步根據(jù)材料介電系數(shù)的溫度系數(shù)α的大小，可分為溫度補(bǔ)償電容陶瓷（金紅石瓷、鈦酸鈣陶瓷）及溫度穩(wěn)定電容陶瓷（鈦酸鎂）；鐵電電容器陶瓷是具有鐵電性的材料，在一定溫度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下自發(fā)極化并重新取向，常用的有鈦酸鋇和鈦酸鍶；反鐵電電容器陶瓷是較好的高壓介質(zhì)陶瓷，不會(huì)出現(xiàn)介電飽和且無剩余極化，常被用于高壓電容，其組成通式為Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3。

EIA標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)電容器的使用溫度、溫度特性及溫度系數(shù)偏差將片狀電容材質(zhì)分為了兩類：Ⅰ類為溫度補(bǔ)償型，常用的材質(zhì)為C0G，介電常數(shù)K＜150；Ⅱ類為高介電常數(shù)型，常用材質(zhì)為X7R、X5R，介電常數(shù)150＜K＜4000。C0G材質(zhì)具有介質(zhì)損耗低、溫度特性極佳的特點(diǎn)，容值基本不隨時(shí)間、電壓、頻率等因素變化而變化，具有很好的穩(wěn)定性。且材質(zhì)強(qiáng)度高，耐彎曲能力強(qiáng)。但由于介電常數(shù)低，通常只能制備低容值高精度產(chǎn)品。X7R、X5R材質(zhì)的介電常數(shù)較高，介質(zhì)損耗較低，溫度特性也較穩(wěn)定。但是由于Ⅱ類材質(zhì)具有老化和直流偏壓特性，常用于制備精度一般的高容產(chǎn)品。

2.3 多層片式瓷介電容工藝流程

片狀電容的制造工藝流程復(fù)雜，其主要步驟為：配料、流延、印刷、疊層、壓合、切割、排膠、燒結(jié)、倒角、端電極沾覆、電鍍。其中的最重要的工藝為燒結(jié)，其過程直接決定了產(chǎn)品良率。同時(shí)由于片狀電容為本質(zhì)為燒結(jié)陶瓷，因此片狀電容具有和陶瓷相同的機(jī)械特性。其本身的機(jī)械強(qiáng)度很大，但受到壓力的時(shí)候會(huì)表現(xiàn)出陶瓷脆性，陶瓷體出現(xiàn)破裂或裂紋進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)電極的短路或開路，最終片狀電容出現(xiàn)容值下降或短路失效。

3 失效數(shù)據(jù)分析

取片狀電容失效物料進(jìn)行容值測(cè)試和金相觀察時(shí)，當(dāng)容值超出規(guī)格要求的偏差且片狀電容內(nèi)部瓷介材料出現(xiàn)明顯裂紋，裂紋方向從金屬化端電極沿45°角向器件內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，將此片狀電容的失效歸結(jié)為：片狀電容因基板彎曲失效。

為研究片狀電容的彎曲斷裂失效數(shù)據(jù)，調(diào)查某空調(diào)企業(yè)兩年的售后數(shù)據(jù)，其中片狀電容因PCB彎曲導(dǎo)致斷裂失效共出現(xiàn)300單，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 MLCC失效數(shù)據(jù)

結(jié)合售后數(shù)據(jù)分析可以得出初步結(jié)論：容值越大、封裝越大的片狀電容基板彎曲強(qiáng)度更差，所有材質(zhì)中X7R材質(zhì)基板彎曲強(qiáng)度最差。由于X7R為通用材質(zhì)，后文中以X7R為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 基板彎曲試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)原理

多層片式瓷介電容器是一種具有多層結(jié)構(gòu)的片式電容器，當(dāng)焊接的基板彎曲時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)電極斷裂，容值表現(xiàn)為變小。而由于本體材質(zhì)為鈦酸鋇陶瓷，在彎曲的過程中容易出現(xiàn)閃崩，容值會(huì)從正常范圍突變?yōu)楫惓Ｖ?。因此片狀電容基板極限彎曲強(qiáng)度的測(cè)試方法的原理就是：通過精確測(cè)量容值出現(xiàn)突變時(shí)的拉力機(jī)下壓深度可計(jì)算出片狀電容基板彎曲強(qiáng)度。

測(cè)量片狀電容基板彎曲強(qiáng)度的裝置結(jié)構(gòu)包括交流電源、指示燈、控制開關(guān)、LCR電橋、電子拉力機(jī)、控制電路（存儲(chǔ)器、控制器）和顯示電路七個(gè)部分。（1）交流電源：給控制電路及LCR電橋供電；（2）指示燈：用于表示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)正常工作顯示“綠色”，當(dāng)達(dá)到閥值或停止時(shí)顯示“紅色”；（3）控制開關(guān)：用于控制整個(gè)系統(tǒng)的工作啟停；（4）LCR電橋：用于實(shí)時(shí)測(cè)量片狀電容的容值；（5）電子拉力機(jī)：使用伺服電機(jī)控制，能夠返回下壓距離和壓力大小；（6）控制電路：實(shí)時(shí)采集電橋數(shù)據(jù)、拉力機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)算和儲(chǔ)存容值初始值、初始下壓位置等，控制電子拉力機(jī)開關(guān)的通斷；（7）顯示電路：用于顯示初始容值、初始下壓位置、極限下壓距離等參數(shù)，顯示窗口可以是電腦顯示屏。測(cè)試程序流程如圖3所示。

圖3 片狀電容極限彎曲強(qiáng)度測(cè)試程序流程圖

4.2 試驗(yàn)樣品

按照EIA標(biāo)準(zhǔn)選擇0603、0805、1206、1210、1812五種封裝，材質(zhì)選用X7R，容值范圍從1000 pF到10 uF。為避免批次差異性，從兩個(gè)國產(chǎn)主流廠家的5個(gè)不同的批次中進(jìn)行選擇，每批次隨機(jī)抽5個(gè)。

4.3 試驗(yàn)設(shè)備

LCR電橋、電子拉力機(jī)。

4.4 試驗(yàn)方法

按照GB/T 2423.60《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)U：引出端及整體安裝件強(qiáng)度》中試驗(yàn)Ue1進(jìn)行試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，焊接基板采用厚度為1.6 mm±0.20 mm的PCB板，錫膏成分Sn96.5Ag3.0Cu0.5，觸頭下壓速度確定為0.1 mm/s（國標(biāo)中速度為1 mm/s）。試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)用LCR電橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電容容值（1 uF及以上容量物料測(cè)試時(shí)需開恒電平模式），當(dāng)容值超出下限時(shí)即判定為失效，此時(shí)觸頭下降距離D即可計(jì)算出基板彎曲強(qiáng)度。如圖4所示。

圖4 片狀電容極限彎曲強(qiáng)度測(cè)試裝置

閉合控制器開關(guān)，LCR電橋開始對(duì)試樣電容進(jìn)行測(cè)量，控制器接收數(shù)值并計(jì)算出容值下限，同步控制電子拉力機(jī)進(jìn)行下壓動(dòng)作，并當(dāng)拉力機(jī)觸頭開始?jí)毫χ捣答仌r(shí)將該位置記為初始下壓位置。拉力機(jī)繼續(xù)以1 mm/s的速度下壓直到控制器接收到LCR反饋的容值超出容值下限，控制器儲(chǔ)存拉力機(jī)下壓的最大深度并控制拉力機(jī)觸頭上升待下一次測(cè)量。此時(shí)顯示器將初始容值、容量下限值、初始下壓位置、極限下壓深度等參數(shù)一一顯示出來，并列成曲線顯示。如圖5所示。

圖5 測(cè)量片狀電容極限彎曲強(qiáng)度裝置的結(jié)構(gòu)圖

5 測(cè)試結(jié)果與分析

選取不同容值的0603封裝6個(gè)、0805封裝32個(gè)、1206封裝12個(gè)容值物料的摸底數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。

表2 彎曲強(qiáng)度摸底數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制0603封裝、0805封裝、1206封裝及同容值不同封裝的X7R電容基板彎曲強(qiáng)度隨容值變化的折線圖，如圖6至圖8。

圖6中，0603封裝物料的基板彎曲強(qiáng)度的最小值曲線較平滑，有逐步向上趨勢(shì)；最大值曲線出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)范圍在2 mm左右；平均值曲線平滑，無明顯趨勢(shì)。

圖7中，0805封裝物料的基板彎曲強(qiáng)度最小值曲線平滑，先平緩后有向上趨勢(shì)；最大值曲線波動(dòng)大，呈現(xiàn)震蕩趨勢(shì)；平均值曲線先平滑向下，后急速提升。

圖8中，1206封裝物料的基板彎曲強(qiáng)度最小值曲線平緩，且逐步向上趨勢(shì)；最大值曲線先迅速提升后又迅速下降，然后震蕩向上；平均值曲線也呈震蕩向上。

結(jié)合圖6、圖7和圖8，每個(gè)容值均取三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行繪制，分別為試驗(yàn)樣品的基板彎曲強(qiáng)度最大值、最小值和平均值。其中平均值最能體現(xiàn)變化趨勢(shì)，最小值的波動(dòng)很小趨于直線，最大值波動(dòng)大，呈震蕩曲線。

圖6 0603封裝X7R片狀電容基板彎曲強(qiáng)度

圖7 0805封裝X7R片狀電容基板彎曲強(qiáng)度

圖8 1206封裝X7R片狀電容基板彎曲強(qiáng)度

從最小值的曲線進(jìn)行分析：最小值的波動(dòng)趨于穩(wěn)定，主要是由于片狀電容的材質(zhì)和工藝流程決定了其強(qiáng)度下限，所以不同批次或是容值的物料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的下限值基本平穩(wěn)無波動(dòng)。

從最大值的曲線進(jìn)行分析：最大值波動(dòng)較大原因同樣是由于片狀電容的材質(zhì)和工藝流程，陶瓷本體的燒結(jié)質(zhì)量直接影響到其強(qiáng)度，即使同批次的物料一致性也很差。

從平均值曲線進(jìn)行分析：當(dāng)X7R片狀電容在較低容值（＜100 pF）時(shí)，平均彎曲強(qiáng)度曲線會(huì)有向下或者不變的趨勢(shì)。通過對(duì)片狀電容生產(chǎn)工藝的了解可知：隨著容值得逐漸增加，低容值的片狀電容本體厚度是固定不變，內(nèi)部電極層數(shù)則會(huì)逐步增加，平均彎曲強(qiáng)度的值逐漸變??；當(dāng)X7R片狀電容超過100 pF時(shí)，此時(shí)電極層數(shù)已經(jīng)增加到物料本體厚度，為滿足片狀電容的耐壓等級(jí)，電容的整體厚度會(huì)逐漸增加，彎曲強(qiáng)度也會(huì)隨之增加。因此彎曲強(qiáng)度的平均值隨容值增加時(shí)，先微弱下降后逐漸上升。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)X7R介質(zhì)材料的片狀電容進(jìn)行試驗(yàn)摸底，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了不同容值范圍、不同封裝大小的基板彎曲強(qiáng)度要求值，為行業(yè)內(nèi)公司提供了合理建議值，以便產(chǎn)品IQC檢驗(yàn)階段能制定合理的片狀電容彎曲下限值，并選用符合國標(biāo)的工裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)提出了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中需充分考慮機(jī)械應(yīng)力情況，以便PCBA的設(shè)計(jì)階段針對(duì)不同位置應(yīng)力大小進(jìn)行仿真和摸底測(cè)試。

隨著汽車電子對(duì)片狀電容的需求越來越大，汽車電子對(duì)片狀電容的可靠性要求也遠(yuǎn)超家電、信息電子等行業(yè)。目前已有部分廠家采用樹脂銀漿、金屬支架等方式，通過“內(nèi)部變軟”或“外部加固”來增加片狀電容的基板彎曲強(qiáng)度，未來片狀電容將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。