關于MLCC加速壽命試驗加速指數(shù)的研究

黃翔，敖宏，宋進祥，鄧積吉

（廣東微容電子科技有限公司，廣東 云浮 527200）

0 引言

多層片式陶瓷電容器（MLCC：Multiplayer Ceramic Chip Capacitors）作為電子設備中不可或缺的組件，被廣泛地應用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換和控制電路等方面。隨著技術的升級，不同的應用場合對MLCC的可靠性提出了更高的要求[1]。在消費電子領域一般要求MLCC具有5年以上的使用壽命，工業(yè)級應用領域要求具有10年以上的壽命，而車載應用領域甚至需要達到15年的壽命。

MLCC制造商一般使用1 000 h的耐久性指標來描述電容器能達到的基本可靠性水平。為了對標不同領域下的使用要求，需要進行額外的試驗來模擬電容器在實際使用中的失效率及其可能達到的壽命。然而，更長周期的試驗所耗費的時間和人工成本巨大，MLCC制造商往往通過加速壽命試驗來推算其在正常使用條件下的壽命特征和失效率[2-3]。目前，加速壽命試驗已經(jīng)被廣泛地應用于通訊、電子、能源和汽車等領域，它可以解決高可靠、長壽命產(chǎn)品的可靠性增長、評估問題，也可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約產(chǎn)品的研發(fā)成本，讓產(chǎn)品在市場競爭中搶占先機。

加速壽命試驗是在不改變失效機理的條件下加大應力進行的試驗。它選擇比正常使用環(huán)境更加惡劣的應力水平來加快產(chǎn)品失效以縮短試驗時間，在獲得的失效數(shù)據(jù)的基礎上運用加速模型對產(chǎn)品在正常應力條件下的各種壽命特征進行統(tǒng)計推斷[4-5]。在MLCC領域，常用的加速應力為溫度和電壓，所以加速試驗一般是通過提升試驗溫度和提高施加電壓來進行的[6-7]。加速壽命試驗的準確性取決于加速模型的合理性，因此，估算加速模型中的加速因子成為各大MLCC制造商亟需解決的問題。本文通過研究不同的溫度應力和電壓應力下MLCC的失效情況，擬合計算得到相應的加速因子，進而可預測相同的材料體系下MLCC的使用壽命及失效率分布情況。

1 實驗

選取已經(jīng)過篩測后的0402-475規(guī)格的MLCC產(chǎn)品進行加速試驗，加速試驗的溫度應力取3個：105、125和140℃；試驗的電壓應力為：50.4、47.2、44.1、40.9、37.8、34.6、31.5和25.2 V。樣品數(shù)量為56 pcs。

2 結(jié)果分析

將各種試驗條件下的漏電流隨時間的變化情況以曲線形式表示，以105℃為例，結(jié)果如圖1所示。電容在試驗過程中，隨著試驗的進行，漏電流先緩慢地上升，到達某一時間點后，樣品內(nèi)部通過的電流急劇地升高，然后穩(wěn)定在一個高電流水平處。樣品失效時間點的判定為電流急速升高所對應的時間，在相同的溫度下，隨著施加電壓的降低，樣品的失效時間逐漸地增大。

圖1 105℃下電容在不同電壓下的漏電流曲線

將上述的失效時間記錄下來，就形成了特定溫度下的失效分布。電容器的失效分布使用最廣的是雙參數(shù)的Weibull模型，它在可靠性理論中被廣泛地使用，大多數(shù)電子、機械和機電產(chǎn)品的壽命都可以認為服從Weibull分布[8-9]。利用它描述電子設備的壽命和維修時間，可以更全面地分析早期故障、偶然故障和耗損故障3個階段的系統(tǒng)可靠性。公式如下：

式（3）中：β——無量綱的形狀參數(shù)，其值通常是特定的故障模式下的特征研究，可以反映失效的機理；

η——特征時間尺度參數(shù)，與所有的其他相關特征時間有關，如平均故障時間（MTTF）。

在進行加速模型的研究過程中，要求失效分布必須代表相同的失效機理，以保證外推正常工作條件下壽命的準確性和可信性，也就是Weibull分布中的形狀參數(shù)β需要相近[10]。對Weibull分布公式進行變換可以得到：

圖2 基于Weibull分布的失效率擬合

表1 形狀參數(shù)β的擬合結(jié)果

為了保證不同電壓下的失效分布具有相同的失效機理，需要對形狀參數(shù)β進行異常點的判別和剔除。以下采用拉依達準則（也就是3σ準則）進行異常數(shù)據(jù)的判定，因數(shù)據(jù)點較少，3σ范圍的精度無法達到，此處使用2σ范圍進行識別，相當于顯著性水平α=0.05。3個溫度點下，不同的電壓下失效分布的β參數(shù)的異常數(shù)據(jù)判定圖如圖3所示。從圖3中可以看出，140℃下25.2 V時的β參數(shù)存在顯著異常，表明其失效分布機理與其他電壓條件時不一致，該數(shù)據(jù)予以剔除，不在后續(xù)的擬合中使用。

圖3 形狀參數(shù)β的異常判定

在上述加速試驗條件下，樣品并非在同一時間失效，這里采用56顆樣品的平均失效時間來衡量在該試驗條件下的樣品壽命，如表2所示。從表2中可以看出，樣品平均失效時間隨著測試電壓的降低而增大，隨著測試溫度的降低而增大。

表2 加速試驗的平均失效時間

在上述試驗中，樣品受到兩種加速應力的作用，一種是溫度，另一種是電壓。溫度應力和電壓應力的作用機制都是加速電子的遷移，從而促使樣品快速地失效。但這兩種應力的加速程度不同，溫度加速符合Arrhenius模型，而電壓加速一般更接近逆冪律模型，具體可由以下經(jīng)驗公式表示[11-13]：

式（3）-（4）中：η——失效時間參數(shù)；

A1、A2——常數(shù)；

Ea——激活能，與樣品材料屬性有關；

k0——Boltzmann常數(shù)，取值為1.38×10-23J/K；

T——試驗溫度；

V——試驗電壓；

n——電壓加速指數(shù)。

因此，針對MLCC的失效模型，一般采用上面兩種的組合得到，可以表示為：

對于激活能Ea，因其與材料屬性相關，在BME-MLCC中，其數(shù)值一般在0.9～1.7 eV之間，其中最常用的是1.1 eV。而電壓加速指數(shù)n可以采用相同溫度下不同電壓的加速試驗計算得到，且它在不同的溫度下也具有不同的數(shù)值。對公式（4）取對數(shù)變換得到：

采用線性擬合可以得到不同溫度下的電壓加速指數(shù)n，如圖4所示。最終結(jié)果為：140℃下，n值為3.74；125℃下，n值為4.37；105℃下，n值為5.54。電壓加速指數(shù)隨溫度降低而呈現(xiàn)增大的趨勢，可以理解為在較低的溫度應力下，MLCC產(chǎn)品對電壓加速更敏感；而隨著溫度的升高，溫度的加速效應逐漸地上升，電壓加速效應將弱化，導致電壓加速指數(shù)降低。也就是表明在MLCC中，溫度應力和電壓應力的合應力處于一種平衡狀態(tài)。

圖4 電壓加速指數(shù)n的擬合計算

利用上面得到的電壓加速指數(shù)n和Ea經(jīng)驗值，在失效機制沒有發(fā)生改變的前提下，可以估算在任一試驗條件下的失效時間，從而可以評估比較正常應力條件下的各種壽命特征，這對于MLCC產(chǎn)品的開發(fā)意義重大。

3 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地研究了MLCC樣品的加速壽命試驗，采用不同的溫度加速和電壓加速條件，得到樣品的失效分布狀況，根據(jù)Weibull分布模型判斷加速條件的失效機制是否一致，利用形狀參數(shù)的變異排除掉異常點。最后，計算各個加速試驗的失效時間，根據(jù)經(jīng)驗公式計算電壓加速指數(shù)，最終結(jié)果對于MLCC壽命評估起到一定的參考和借鑒作用。