多層片式陶瓷電容器容量命中率的研究

唐迎春

（深圳市宇陽科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 523686）

目前，我國MLCC產(chǎn)能逐年增長，各類工藝技術(shù)水平均大幅提高，但是我國企業(yè)的產(chǎn)能命中率始終偏低，我國電容器的容量命中率只有80%，剩下的20%視為廢品，對于大容量和規(guī)格小的電容器來說，其容量更分散，而且這20%的廢品除容量不能達(dá)到要求外，其余的各項(xiàng)電性能均能符合要求。要從根本上解決這種問題，就必須對MLCC新材料系統(tǒng)進(jìn)行研究，對其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，完善其制備技術(shù)，強(qiáng)化工藝控制。該文從微觀結(jié)構(gòu)、制備工藝等方面對多層片陶瓷電容的電容命中率進(jìn)行分析，以探究到電容分布的原因。

1 陶瓷介質(zhì)

用于生產(chǎn)MLCC的陶瓷屬于結(jié)構(gòu)陶瓷，即電子陶瓷，又稱電容器瓷。根據(jù)美國EIA的國際通用標(biāo)準(zhǔn)可知，按照其溫升性能可以將電容器陶瓷劃分為I級電容器陶瓷（COG）和II級電容器陶瓷（7、5、5和5）。根據(jù)美國電氣行業(yè)協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)可知，II 級電容器陶瓷的第一個(gè)編碼是工作溫度的下限，第二個(gè)編碼是最高的工作溫度范圍，第三個(gè)編碼是最大的電容，詳細(xì)情況見表1。

表1 MLCC介質(zhì)特性代碼表

2 金屬內(nèi)電極

MLCC的內(nèi)部電極采用印刷燒結(jié)工藝，與陶瓷介質(zhì)交替堆疊，形成電極板的正向區(qū)域。目前，大容量MLCC大多采用賤金屬鎳作為內(nèi)電極，銅作為外部電極，而純鉛的內(nèi)部電極價(jià)格較高，因此使用頻率較低。盡管Ni和Pd-Ag的電子遷移速率比Ag和Pd-Ag小，但是Ni和Pd-Ag在高溫下容易氧化為綠色氧化亞鎳，因此無法保證內(nèi)部電極的質(zhì)量。

3 末端電極

其下層是與內(nèi)部電極相連的銅或銀電極，可以引出電流。阻擋層為鍍鎳，具有阻熱性，可以焊鎳隔離層，還可以防止錫在焊接過程中熔化。焊錫層為電鍍錫，可以形成一層焊錫。

3.1 MLCC失敗模型

這是大容量MLCC不可回避的致命缺點(diǎn)。MLCC已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)百、數(shù)千層，每一層都是微米級的厚度，任何一點(diǎn)變形都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂。另外，同樣的材料，同樣的尺寸，同樣的壓力，MLCC的體積更大，層數(shù)更多，厚度更小，更有可能出現(xiàn)裂縫。在材料、容量和電壓相同的情況下，體積較小的電容需要較薄的材料，從而使其更容易破裂。另外，裂縫的另一個(gè)問題就是其非常隱秘，不能被修復(fù)，一旦出現(xiàn)裂縫，就不能被檢測出來，只有在工廠進(jìn)行檢查時(shí)，才會被發(fā)現(xiàn)。

MLCC的特點(diǎn)是“瓷”，當(dāng)受到物理力的沖擊時(shí)，會發(fā)生內(nèi)部破壞。物理撞擊有吸口型、墜落型傷害等。MLCC具有抗壓強(qiáng)度高、抗彎性能低等優(yōu)點(diǎn)。因此，電路板的彎曲也會導(dǎo)致MLCC出現(xiàn)裂縫。由于MLCC為長方形，且焊接端位于短側(cè)，因此當(dāng)PCB變形時(shí)，長側(cè)的應(yīng)力比短側(cè)大，易產(chǎn)生裂縫。安裝螺栓等零件會造成應(yīng)力，也會導(dǎo)致MLCC出現(xiàn)裂縫。這類裂縫通常是從器件的上下金屬化末端開始的，沿著45 ℃的角度向器件內(nèi)部擴(kuò)散。這一類故障也是所有故障中最常見的。

熱沖擊裂縫主要由器件在焊接特別是波峰焊時(shí)承受溫度沖擊所致，不當(dāng)返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重要原因。在焊接過程中，由于受熱不均，因此MLCC在溫度很低的情況下就會出現(xiàn)裂縫，隨著體積的增大，它的脆性也會增大，特別是大尺寸的MLCC，其原因是大容量電容的熱傳導(dǎo)比小容量電容差，導(dǎo)致電容受熱不均，膨脹的程度也不一樣，從而引起破壞。此外，MLCC與PCB在焊接后的冷卻過程中，由于其膨脹系數(shù)的差異，因此也會因應(yīng)力而引起裂縫。與回流焊接相比，在波峰焊接中，這類缺陷會顯著增大。為了符合MLCC在表面貼裝技術(shù)下其耐旱性以及可焊性的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以利用三層端電極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的最外層應(yīng)設(shè)置為Sn，中間鍍層為Ni，底層為Cu電極。其中，Ni鍍層可以起到良好的保護(hù)作用，即全面包裹Cu端電極，保護(hù)Cu電極層不受影響，同時(shí)抵制260 ℃波峰焊料產(chǎn)生的熱量侵蝕作用，預(yù)防Cu離子出現(xiàn)異動(dòng)情況。此外，還能在產(chǎn)品逐漸熱老化時(shí)有效預(yù)防Sn焊料分散至Cu電極層中。這些都說明了三層端電極質(zhì)量對MLCC的可靠性會產(chǎn)生相應(yīng)的制約作用，因此需要對問題樣品的端電極進(jìn)行物理分析。

3.2 陶瓷介質(zhì)的孔隙與分層

空穴主要是由陶瓷粉體中的有機(jī)物、無機(jī)物的污染以及燒結(jié)工藝不合理等因素造成的?？紫逗苋菀自斐陕╇娏?，漏電流會導(dǎo)致陶瓷介質(zhì)局部發(fā)熱，從而降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能，進(jìn)而使漏電流增大。這一過程的反復(fù)出現(xiàn)使多個(gè)陶瓷電容出現(xiàn)裂縫、爆炸甚至是燃燒。分層是MLCC生產(chǎn)過程中的一個(gè)主要質(zhì)量問題，其產(chǎn)生的原因很多，有關(guān)的工藝有印刷、疊片、熱壓以及切割等，有關(guān)的物料有內(nèi)電漿、瓷膜以及端漿等。事實(shí)上，由于工藝與物料出現(xiàn)分層，因此有時(shí)會產(chǎn)生相互作用，例如內(nèi)部電極與陶瓷薄膜的黏接性較差，切削時(shí)會產(chǎn)生切向應(yīng)力，而在排膠及燒結(jié)過程中，會加重分層現(xiàn)象。層間裂縫與孔隙裂縫的危險(xiǎn)性相似，是多層陶瓷電容器內(nèi)部的主要缺陷。

3.3 介質(zhì)擊穿

介質(zhì)擊穿是指在大電流的作用下，介質(zhì)中的漏電流急劇增加，從而導(dǎo)致介質(zhì)因無法承受而被擊穿。電擊穿場強(qiáng)是一種衡量固體介質(zhì)在電場作用下的強(qiáng)度，它是一種材料的特性常數(shù)，因此也被稱為電介質(zhì)的抗電強(qiáng)度。

3.4 銀離子的轉(zhuǎn)移

使用Ag/Pd作為內(nèi)電極，在高溫、高濕和強(qiáng)直流電場中，銀離子很容易遷移，隨著時(shí)間的推移，會導(dǎo)致電容損壞。

3.5 終端故障

因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，端電極材料會在一定程度上滲透到陶瓷介質(zhì)中，所以會導(dǎo)致與其接觸的陶瓷層發(fā)生脆化或變性。因此，在焊接和裝貨的過程中，端部容易出現(xiàn)裂縫，從而導(dǎo)致電容損壞。近年來，國際上又研制了一種新型的端部電極材料，它是一種新型的環(huán)氧導(dǎo)電性材料，它不會對陶瓷產(chǎn)生腐蝕，而且能在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形。

4 片式鉭電容器的優(yōu)點(diǎn)

盡管MLCC具有無極性、低ESR特性值和較好的高頻特性，但是與MLCC相比，片式鉭電容器有以下5個(gè)特點(diǎn): 1） 穩(wěn)定性。當(dāng)直流偏壓增大或MLCC電容升高時(shí)，電容值會降低，從而使放大器性能及穩(wěn)定性降低，而鉭電容的電容則會隨著DC偏壓的增大而降低。2） 過濾光潔。在鉭電解電容器的工作過程中，它具有自動(dòng)修復(fù)或隔離氧化膜缺陷的性能，因此氧化膜介質(zhì)可以隨時(shí)增強(qiáng)和恢復(fù)，而不會持續(xù)累積損壞。這種獨(dú)特的自愈性能確保了其壽命長和可靠性高的優(yōu)勢。鉭電解電容器具有非常高的工作電場強(qiáng)度，并且比其他類型的電容器更大，以確保其小型化。3） 可靠性。鉭電容的介電氧化膜化學(xué)特性穩(wěn)定，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，長期使用后仍能保持優(yōu)良的性能。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，片狀多層陶瓷電容器的失效率比鉭電容器高30%。4）機(jī)械性能。高值陶瓷電容在豎向下降試驗(yàn)中易發(fā)生斷裂，而片式鉭電容獨(dú)特的引線框模壓封裝結(jié)構(gòu)具有很好的抗沖擊性能。5） 自我修復(fù)能力。當(dāng)鉭電容器工作時(shí)，可以自動(dòng)修復(fù)或隔離氧化膜上的缺陷，從而使氧化膜在任何時(shí)候都能被強(qiáng)化并恢復(fù)其應(yīng)有的絕緣能力，不會出現(xiàn)持續(xù)的累積性損壞。而MLCC則沒有自我修復(fù)能力。

5 MLCC在實(shí)踐中的運(yùn)用

與片狀鉭電容相同，多層狀陶瓷電容的主要用途包括旁路、濾波器等。與片狀鉭電容器相同，多層陶瓷電容的阻抗會隨著頻率的升高而降低，阻抗會變成等價(jià)的串聯(lián)阻值；此時(shí)的頻率叫做共振。在頻率超出共振頻率后，其阻抗再次增大，這種阻抗在很高的高頻（超高頻、 射頻）中是不可想像的。因此，當(dāng)遇到低頻率的情況時(shí)，會使過濾頻率也降低。這種方式充分利用了小型多層板電容的優(yōu)點(diǎn)，在高頻、射頻環(huán)境中也能達(dá)到很低的電阻。

在常規(guī)旁路電容中，由于不需要特別的損失因子，因此旁路線路中的紋波不會很高，即使采用了具有高損失系數(shù)的電容，對線路的作用也不大，只要旁通電容不過度加熱即可，因此多層陶瓷電容因其造價(jià)最低而被選用。在大功率的高頻線路中，旁路電容必須能夠經(jīng)受旁路負(fù)荷引起的高頻率的交變。因此，在這種情況下，旁通電容既要有較小的等效級阻，又要有很小的介電頻率損失；多層陶瓷電容是一個(gè)很好的替代方案。在超薄、大容量MLCC生產(chǎn)方面，太陽誘電公司最知名，X7R系列最大功率MLCC的最大功率為10 μF，X5R最大功率為100 μF。VISHAY公司制造的MLCC最大功率為22 μF，W1BC（Y5V）；X7R型號最大功率為6.8 μF，KEMETY5V型號最大功率為22 μF，X7R型號最大功率為2.2 μF。

6 試驗(yàn)程序

6.1 漿液調(diào)配

將介質(zhì)、膠粘劑、溶劑、潤濕劑、增塑劑以及分散劑按規(guī)定的配比，用50 mm的圓筒形ZrO研磨料進(jìn)行球磨16 h。進(jìn)行切片、干燥、層壓、切割、裝缽、排膠、燒制、封端、電鍍和清洗。全部按照大生產(chǎn)流程進(jìn)行，排膠時(shí)間320 ℃，時(shí)間分別為46 h、73 h，燒成溫度為1 300 ℃，端燒750 ℃。

6.2 性能檢驗(yàn)和分析

用HP-4278ACAPAACITANCEMETER對試樣進(jìn)行試驗(yàn)，在1 Vrms、1 kHz的交流電壓下，隨機(jī)選取不同體積的試樣，經(jīng)水磨、拋光處理后，通過顯微鏡觀察其內(nèi)部組織，利用SSM-350擴(kuò)展電阻計(jì)對電容器的介電層和電極層的厚度進(jìn)行測量，并通過計(jì)算機(jī)處理獲得相應(yīng)的厚度。

7 研究成果和分析

7.1 內(nèi)耗對產(chǎn)能的影響

該文利用200倍顯微鏡對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以分析其內(nèi)部缺陷對多層陶瓷電容的影響。顯微鏡下容量正偏差（/10%）和標(biāo)準(zhǔn)的電容器（/≤1%）的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特征為電極連續(xù)、介質(zhì)層致密均勻，沒有分層、孔洞、裂紋等缺陷；而在負(fù)偏移（-/10%）下，電容器出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象和電極不連續(xù)。電容的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)具有較大的負(fù)偏移。電極層不均勻是由印刷漏印和印版厚度不均引起的，而在燒制過程中，電極層的厚度不均勻會導(dǎo)致電極層的破裂。電極層的間斷對應(yīng)電極的有效面積縮小，并且在電氣性能方面具有較低的電容。在實(shí)際操作中，漿料粘度、網(wǎng)版厚度、張力、硬度、壓力、角度以及速度等因素都會對電極的印刷產(chǎn)生細(xì)微的影響。生坯分層是介質(zhì)與干燥電極在生坯狀態(tài)下發(fā)生分離，生坯脫皮是由電極層印刷后的干燥時(shí)間太長，而在疊壓過程中，陶瓷薄膜沒有附著而造成的；在烘干和熱壓過程中，如果溫度太高或者時(shí)間太長，就會使電極層和陶瓷薄膜之間的粘合性能降低，從而產(chǎn)生層狀。層狀結(jié)構(gòu)使空氣介質(zhì)增加，陶瓷材料的媒質(zhì)相對較少，因此使電容偏小。在該基礎(chǔ)上，對各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，并選擇合適的粘度漿液，從而有效地解決板坯的分層問題，提高了電容的容量和電容的命中率。另外，在張啟龍等人的研究中，燒結(jié)工藝也是一個(gè)不容忽視的原因。

7.2 介電層厚度對電容量的影響

M-350擴(kuò)阻器測量的電極厚度和介質(zhì)厚度的數(shù)據(jù)如圖1所示，電容器容量分散如圖2所示。高質(zhì)量的試樣的介電層厚度更薄，電阻率更高。從電極層厚度對MLC電氣特性的影響可以看出，電極層的電導(dǎo)率高達(dá)5 S/m，電容率高的電極層厚度為4 mm～6 mm。當(dāng)體積變化較大時(shí)，試樣的介質(zhì)厚度只有17 mm，而合格試樣的厚度可以達(dá)到20 mm。當(dāng)電容值較高時(shí)，電容值較大時(shí)，其介電層厚度的誤差為15%容電量如公式（1）所示。

圖1 合格樣品電極厚度和介質(zhì)厚度測試數(shù)據(jù)圖

式中：為電容量；為電容極板的正對面積；為靜電力常量；為電容極板的距離。

經(jīng)計(jì)算，其容積誤差為1 716%。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電容偏大時(shí)，電容的電容偏差為151 033%，顯微組織分析表明，電容的密度較高，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。在相同的燒結(jié)溫度下，較薄的介電層燒結(jié)程度較高，介電常數(shù)增加也會使電容偏大。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)介質(zhì)厚度增加時(shí)，高溫區(qū)的Δ/值下降，低溫區(qū)的/值增加，試驗(yàn)溫度為常溫，也就是低溫區(qū)。當(dāng)介質(zhì)厚度較薄時(shí)，/的變化比常規(guī)介質(zhì)的Δ/小。通過調(diào)整載體線速、料漿流速以及刮刀口間隙可以精確控制膜片的厚度，從而縮小容量偏差，提高容量命中率。

7.3 鍍層氧化帶來的影響

為了研究MLCC 端電極表面氧化會對端口電極可靠性的影響，合理運(yùn)用釬料鋪展面積法進(jìn)行錫鍍層研究試驗(yàn)。該試驗(yàn)分為2組，一組是正常樣品，另一組為氧化樣品；將這些檢測樣品放到可靠性試驗(yàn)臺，將適量中性焊劑涂抹到端頭錫鍍層，然后把它泡在（230±5）℃的焊錫中，經(jīng)過（5±0.5）s后將其取出冷卻，且保證測試端面的浸潤面積符合標(biāo)準(zhǔn)，并將這一過程重復(fù)3次，計(jì)算焊錫平均浸潤面積比。試驗(yàn)全過程切記不可隨意改變樣品位置或結(jié)構(gòu)等變量，這樣才能提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)度。與純Sn鍍層氧化程度相比，異常區(qū)域的錫浸潤性未達(dá)到焊接標(biāo)準(zhǔn)。另外，金屬錫需要按照相應(yīng)溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，如果焊接溫度過低，則錫的氧化物將難以熔化，這樣會導(dǎo)致錫鍍層可靠性逐漸降低。

8 結(jié)語

電極漏印和生坯分層是導(dǎo)致電容不足的重要因素。提高印刷質(zhì)量、采用高質(zhì)量的網(wǎng)片并對熱壓工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制等方法可以提高電容的命中率。介電層厚度過小是造成電容高的主要原因，通過調(diào)節(jié)載體線速度、料漿流速和刮刀間隙可以準(zhǔn)確地控制薄膜的厚度，以降低體積分散。延長排膠時(shí)間、控制加熱速度可以使黏結(jié)劑完全排出，減少后期工藝中的缺陷。

圖3 電容器容量分散圖