MLCC失效模式

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。