2023-11-29 13:26:36, 沈宁 北京欧波同光学技术有限公司
基本概念:电子元器件主要分为有源和无源器件, 无源器件以电阻、电容和电感为主。其中,多层陶瓷电容器(MLCC:Mltiplayer Ceramic Chip Capacitors) 是三大无源电子元器件中产值占比最多的元器件。MLCC 凭借小尺寸、大比容和高频, 以及宽频性能优异、低等效串联电阻、适用表面贴装和高可靠性等优点, 占据了大部分的电容器市场份额。
随着MLCC制造工艺和技术的不断发展, MLCC 对质量可靠性的要求也在不断地提高。随着5G、新能源汽车和通信等行业对集成电路的需求增大, MLCC 的市场规模将会进一步地提升, 技术发展也会更加的多元和多样化。
结构特点:片式多层陶瓷电容整体的结构如图1 所示的三明治结构,且由三部分组成A:陶瓷介质B:内电极和C:端电极构成,其中端电极一般为三层结构,分别为外部电极( 与内部电极相连接,引出容量,一般为Cu 或Ag) 、阻挡层( Ni 镀层,起到热阻挡作用,可焊的Ni 层能够避免焊接时Sn 层熔落) 和焊接层( Sn 镀层,提供焊接金属层) 。MLCC 的物理特性接近陶瓷材料的特性,具有机械强度低、易碎等特点。
图1 MLCC 结构示意图
工艺流程:MLCC 的制作工艺复杂,大致流程如下:
失效模式:多层瓷介电容器失效的机理和失效的原因很多,单一失效模式也有可能对应着多种的失效机理和原因,常见的各种MLCC 电容的失效机理如下。
介质层存在孔洞、分层、电极结瘤和电极短路:陶瓷介质内的空洞可能是因为介质层内部含有水汽或其它杂质离子,在MLCC 在电路中正常施加工作电压时,因为杂质和水汽的存在降低此位置的电压的耐受程度,导致施加正常的电压都会导致此位置发生过电击穿的现象;电极结瘤是因为生产工艺不稳定导致出现部分凸起,凸起的地方位置介质层的厚度明显变薄,导致电极的耐压变低,正常施加工作电压在MLCC 的电极两端可能也会出现击穿现象。
MLCC 电容介质层孔洞、电极结瘤、电极互联和介质层分层均为电容本身工艺缺陷引起的失效,类似现象可直接判定为电容质量事故。
图3 MLCC失效样品形貌
热应力导致的裂纹:MLCC 电容在实际产品的使用中很难避免出现温度变化,温度变化就会出现电容热量的变化,比如电容的两端受热不均,就出现热胀冷缩不均匀,电容在不同的热量的的地方发生不一致的形变,这就是热应力不同,会导致MLCC 内部产生裂纹。热应力产生的裂纹基本上分布区域为MLCC外部陶瓷体靠近端电极的两端,常见失效形貌为贯穿陶瓷体的裂纹。
图4 介质层开裂形貌
通过在微观下对MLCC表面形貌的观察,可以获得样品具体失效点的位置和大小,从而分析产生的原因。对比金相和扫描电镜(SEM)图片,SEM具有高分辨,大景深,多衬度等多个优势,可应用于MLCC原材料检测、常规检测、研发新机种和可焊性表征等多种应用场景。
扫描电镜作为材料微观结构表征的利器,已经成为MLCC制造商必不可少的分析工具。赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2兼具高质量成像和多功能分析性能于一体,采用双引擎技术,超低电压下可直接分析不导电样品,且无需做喷镀处理。如下图5所示,直接将MLCC样品置于Apreo 2电镜中,凭借快捷的FLASH功能,设备可自动执行精细调节动作,只需移动几次鼠标,就可完成必要的合轴对中、消像散和图像聚焦校正,即使电镜初学者也能充分发挥Apreo 2的最佳性能。
图5 MLCC内电极和外电极表面形貌
参考资料:
1. 任艳等. MLCC 产业现状及质量分析.
2. 王天午. MLCC 电容失效分析总结.
3. 田述仁,陆亨. MLCC端电极孔洞问题分析.
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