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MLCC失效模式

MLCC失效模式
歐波同  2023-11-29  |  閱讀:2095

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基本概念:電子元器件主要分為有源和無源器件, 無源器件以電阻、電容和電感為主。其中,多層陶瓷電容器(MLCC:Mltiplayer Ceramic Chip Capacitors) 是三大無源電子元器件中產值占比最多的元器件。MLCC 憑借小尺寸、大比容和高頻, 以及寬頻性能優異、低等效串聯電阻、適用表面貼裝和高可靠性等優點, 占據了大部分的電容器市場份額。


隨著MLCC制造工藝和技術的不斷發展, MLCC 對質量可靠性的要求也在不斷地提高。隨著5G、新能源汽車和通信等行業對集成電路的需求增大, MLCC 的市場規模將會進一步地提升, 技術發展也會更加的多元和多樣化。


結構特點:片式多層陶瓷電容整體的結構如圖1 所示的三明治結構,且由三部分組成A:陶瓷介質B:內電極和C:端電極構成,其中端電極一般為三層結構,分別為外部電極( 與內部電極相連接,引出容量,一般為Cu 或Ag) 、阻擋層( Ni 鍍層,起到熱阻擋作用,可焊的Ni 層能夠避免焊接時Sn 層熔落) 和焊接層( Sn 鍍層,提供焊接金屬層) 。MLCC 的物理特性接近陶瓷材料的特性,具有機械強度低、易碎等特點。


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圖1 MLCC 結構示意圖


工藝流程:MLCC 的制作工藝復雜,大致流程如下:


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失效模式:多層瓷介電容器失效的機理和失效的原因很多,單一失效模式也有可能對應著多種的失效機理和原因,常見的各種MLCC 電容的失效機理如下。


介質層存在孔洞、分層、電極結瘤和電極短路:陶瓷介質內的空洞可能是因為介質層內部含有水汽或其它雜質離子,在MLCC 在電路中正常施加工作電壓時,因為雜質和水汽的存在降低此位置的電壓的耐受程度,導致施加正常的電壓都會導致此位置發生過電擊穿的現象;電極結瘤是因為生產工藝不穩定導致出現部分凸起,凸起的地方位置介質層的厚度明顯變薄,導致電極的耐壓變低,正常施加工作電壓在MLCC 的電極兩端可能也會出現擊穿現象。


MLCC 電容介質層孔洞、電極結瘤、電極互聯和介質層分層均為電容本身工藝缺陷引起的失效,類似現象可直接判定為電容質量事故。


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圖3 MLCC失效樣品形貌


熱應力導致的裂紋:MLCC 電容在實際產品的使用中很難避免出現溫度變化,溫度變化就會出現電容熱量的變化,比如電容的兩端受熱不均,就出現熱脹冷縮不均勻,電容在不同的熱量的的地方發生不一致的形變,這就是熱應力不同,會導致MLCC 內部產生裂紋。熱應力產生的裂紋基本上分布區域為MLCC外部陶瓷體靠近端電極的兩端,常見失效形貌為貫穿陶瓷體的裂紋。


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圖4 介質層開裂形貌


通過在微觀下對MLCC表面形貌的觀察,可以獲得樣品具體失效點的位置和大小,從而分析產生的原因。對比金相和掃描電鏡(SEM)圖片,SEM具有高分辨,大景深,多襯度等多個優勢,可應用于MLCC原材料檢測、常規檢測、研發新機種和可焊性表征等多種應用場景。


掃描電鏡作為材料微觀結構表征的利器,已經成為MLCC制造商必不可少的分析工具。賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2兼具高質量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術,超低電壓下可直接分析不導電樣品,且無需做噴鍍處理。如下圖5所示,直接將MLCC樣品置于Apreo 2電鏡中,憑借快捷的FLASH功能,設備可自動執行精細調節動作,只需移動幾次鼠標,就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學者也能充分發揮Apreo 2的最佳性能。


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圖5 MLCC內電極和外電極表面形貌


參考資料:

1. 任艷等. MLCC 產業現狀及質量分析.

2. 王天午. MLCC 電容失效分析總結.

3. 田述仁,陸亨. MLCC端電極孔洞問題分析.

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