陶瓷電容 失效分析

片式多層瓷介電容器（MLCC）除有電容器“隔直通交”的通性特點(diǎn)外，還有體積小、比容大、壽命長(zhǎng)、可靠性高和適合表面安裝等特點(diǎn)。隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，作為電子行業(yè)的基礎(chǔ)元件，片式多層磁介電容器也以驚人的速度向前發(fā)展，每年以10%~15%的速度遞增。 毫不夸張地說(shuō)，MLCC是電子大米，不可或缺。當(dāng)MLCC失效時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因此本文將MLCC的選型和失效分析做一個(gè)簡(jiǎn)單的科普介紹。 MLCC結(jié)構(gòu)主要包括三大部分:陶瓷介質(zhì)，金屬內(nèi)電極，金屬外電極。而片式多層瓷介電容器它是一個(gè)多層疊合的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單地說(shuō)它是由多個(gè)簡(jiǎn)單平行板電容器的并聯(lián)體，結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。 MLCC大致可分為I類（低電容率系列）和II類（高電容率系列）兩類，根據(jù)溫度特性還可以進(jìn)一步細(xì)分，溫度特性由EIA規(guī)格與JIS規(guī)格等制定。 I類MLCC長(zhǎng)處是由溫度引起的容量變化小，短處是因電容率低不能具有太大容量，因此I類常用于溫度補(bǔ)償、高頻電路和濾波器電路等；II類MLCC長(zhǎng)處是因電容率高能夠具有大容量，短處是由溫度引起的容量變化大，因此II類常用于平滑電路、耦合電路和去耦電路等。

MLCC的關(guān)鍵參數(shù)為電容值、容差、耐壓、絕緣電阻和相關(guān)特性曲線等，其中設(shè)計(jì)人員比較關(guān)注電容值、容差、耐壓和絕緣電阻這幾個(gè)參數(shù)，但是也要充分考慮MLCC在不同工作溫度的容量變化率和DC-Bias效應(yīng)導(dǎo)致的容量下降問(wèn)題。

1）電容值：即靜電容量，MLCC發(fā)展方向是小型化、大容量。

2）容差：在特定條件下測(cè)試的容值允許偏差范圍，通常通過(guò)測(cè)試MLCC實(shí)際容值來(lái)檢查是否滿足被檢MLCC容差是否符合規(guī)格要求。

3）損耗角正切（DF）：MLCC的損耗角正切值(Dissipation Factor)，定義為有功功率與無(wú)功功率的比值，DF＝tanδ＝ω·C·ESR。II類MLCC具有很高的介電系數(shù)和較大的損耗角正切值。DF是一種材料本征特性，是與介質(zhì)材料、制造工藝等相關(guān)的重要質(zhì)量參數(shù)。

4）耐壓：即介質(zhì)擊穿強(qiáng)度，介質(zhì)強(qiáng)度表征的是介質(zhì)材料承受高強(qiáng)度電場(chǎng)作用而不被電擊穿的能力，通常用伏特/密爾(V/mil)或伏特/厘米(V/cm)表示。 當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料晶體點(diǎn)陣中的電子克服電荷恢復(fù)力的束縛并出現(xiàn)場(chǎng)致電子發(fā)射，產(chǎn)生出足夠多的自由電子相互碰撞導(dǎo)致雪崩效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致突發(fā)擊穿電流擊穿介質(zhì)，使其失效。 除此之外，介質(zhì)失效還有另一種模式，高壓負(fù)荷下產(chǎn)生的熱量會(huì)使介質(zhì)材料的電阻率降低到某一程度，如果在這個(gè)程度上延續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，將會(huì)在介質(zhì)最薄弱的部位上產(chǎn)生漏電流，這種模式與溫度密切相關(guān)，介質(zhì)強(qiáng)度隨溫度提高而下降。 任何絕緣體的本征介質(zhì)強(qiáng)度都會(huì)因?yàn)椴牧衔⒔Y(jié)構(gòu)中物理缺陷的存在而出現(xiàn)下降，由于材料體積增大會(huì)導(dǎo)致缺陷隨機(jī)出現(xiàn)的概率增大，因此介質(zhì)強(qiáng)度反比于介質(zhì)層厚度；類似地，介質(zhì)強(qiáng)度反比于MLCC內(nèi)部電極層數(shù)和其物理尺寸?；谝陨峡紤]，需對(duì)MLCC進(jìn)行耐壓測(cè)試(一般為其工作電壓的2.5倍)檢查其耐壓性能，要求被檢MLCC不發(fā)生擊穿失效。

5）絕緣電阻：絕緣電阻表征的是介質(zhì)材料在直流偏壓梯度下抵抗漏電流的能力，對(duì)于陶瓷介質(zhì)來(lái)說(shuō)，理論上其電阻率是無(wú)窮大的，但因?yàn)椴牧显泳w結(jié)構(gòu)中存在雜質(zhì)和缺陷會(huì)導(dǎo)致電荷載流子出現(xiàn)，因此實(shí)際上陶瓷介質(zhì)的電阻率也是有限的，并非無(wú)窮大。MLCC的絕緣電阻取決于介質(zhì)材料配方、工藝過(guò)程（燒結(jié)）和測(cè)量時(shí)的溫度，同耐壓一樣，絕緣電阻會(huì)隨溫度的提高而下降。通過(guò)在常溫測(cè)試MLCC的絕緣電阻可以考核其燒結(jié)質(zhì)量。

5）其他參數(shù)：除上述參數(shù)外，MLCC設(shè)計(jì)選用時(shí)還需參考相關(guān)特性曲線，如電壓-電容量變化率特性圖、阻抗-頻率特性圖等。在特定條件下，一個(gè)合格的MLCC電容值會(huì)表現(xiàn)出“失效”的狀態(tài)，例如，一個(gè)10μF，0603，6.3V的電容在-30℃下直流偏置1.8V時(shí)測(cè)量值可能只有4μF。

特別重要的，選型除了對(duì)規(guī)格參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)外，還需要考慮MLCC的質(zhì)量等級(jí)是否與產(chǎn)品質(zhì)量需求所匹配。傳統(tǒng)的MLCC質(zhì)量等級(jí)只有消費(fèi)級(jí)和車規(guī)級(jí)，但是三星機(jī)電因?yàn)橐恍v史故事，因此在消費(fèi)級(jí)和車規(guī)級(jí)中間增加了工業(yè)級(jí)的分級(jí)。

常見(jiàn)的失效模式主要為短路，導(dǎo)致短路的因素主要有如下幾個(gè)：

1、制造方面因素

1）介質(zhì)材料缺陷

介質(zhì)內(nèi)空洞：陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染、燒結(jié)過(guò)程控制不當(dāng)?shù)葧?huì)導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)空洞產(chǎn)生。空洞會(huì)使耐壓強(qiáng)度降低，發(fā)生過(guò)電擊穿，與電應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致電極融入形貌相似，還會(huì)引起漏電，漏電導(dǎo)致器件內(nèi)部局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使MLCC開(kāi)裂、爆炸甚至燃燒。

介質(zhì)分層：MLCC燒結(jié)為多層材料堆疊共燒，燒結(jié)溫度高（可達(dá)1000℃以上）。層間結(jié)合力不強(qiáng)、燒結(jié)過(guò)程中內(nèi)部污染物揮發(fā)、燒結(jié)工藝控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致分層。分層會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)擊穿引起短路失效，與電應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致電極融入形貌相似。

2）生產(chǎn)工藝缺陷

電極結(jié)瘤：電極結(jié)瘤會(huì)導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度降低發(fā)生擊穿，與電應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致電極融入形貌相似。MLCC燒結(jié)時(shí)溫控失調(diào)，有機(jī)物揮發(fā)速率不均衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂紋。這些微裂紋在短時(shí)間內(nèi)可能不影響電氣性能，若未在生產(chǎn)環(huán)節(jié)檢驗(yàn)出來(lái)，在運(yùn)輸、加工、使用過(guò)程中裂紋可能進(jìn)一步增大。

2、生產(chǎn)工藝方面因素

熱應(yīng)力裂紋形成機(jī)制：熱應(yīng)力裂紋是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不能在短時(shí)間內(nèi)消除因溫度急劇變化所帶來(lái)的機(jī)械張力而形成，這種張力是由熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性及溫度變化率間的差異所造成。熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋主要分布區(qū)域?yàn)樘沾审w靠近端電極的兩側(cè)，常見(jiàn)表現(xiàn)形式為貫穿陶瓷體的裂紋，有的裂紋與內(nèi)電極呈現(xiàn)90°。這些裂紋產(chǎn)生后，多數(shù)情況下在剛剛使用時(shí)整機(jī)可正常工作，但使用一段時(shí)間后，裂紋內(nèi)部會(huì)不斷進(jìn)入水汽或離子，在外加電壓的情況下，致使兩個(gè)端電極間的絕緣電阻降低而導(dǎo)致電容器失效。

焊接導(dǎo)致的熱應(yīng)力失效：焊接是MLCC焊盤承受熱沖擊比較嚴(yán)重的情況，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接導(dǎo)致的熱應(yīng)力失效。主要由于器件在焊接（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。

3、應(yīng)用不當(dāng)因素

溫度過(guò)高：MLCC工作環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致電容值下降、漏電流增大等現(xiàn)象。

電壓過(guò)高：MLCC的額定工作電壓是在一定條件下得出的，超過(guò)額定電壓使用會(huì)使電容器內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。

頻率過(guò)高：當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，電容器的阻抗會(huì)減小，導(dǎo)致電流過(guò)大，使電容器發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀。并且高頻下電容器的介質(zhì)損耗也會(huì)增大，降低電容器的使用壽命。

機(jī)械應(yīng)力：MLCC在安裝和使用過(guò)程中受到機(jī)械應(yīng)力（如振動(dòng)、沖擊等）作用時(shí)，可能導(dǎo)致電容器內(nèi)部的電極斷裂、介質(zhì)破碎等現(xiàn)象。MLCC抵抗彎曲能力比較差，在器件組裝過(guò)程中（如貼片對(duì)中、工藝過(guò)程中電路板操作、流轉(zhuǎn)過(guò)程中的人、設(shè)備、重力等因素、通孔元器件插入、電路測(cè)試、單板分割、電路板安裝、電路板定位鉚接、螺絲安裝等操作）任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開(kāi)裂。這種裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿一定方向擴(kuò)展。

濕度和腐蝕性環(huán)境：濕度過(guò)高可能使電容器內(nèi)部的介質(zhì)吸濕，導(dǎo)致電容值下降；腐蝕性環(huán)境可能腐蝕電容器內(nèi)部的電極和介質(zhì)，使電容器失效。

失效分析流程與方法：

1、電特性測(cè)試：使用LCR電橋進(jìn)行容值和DF值的測(cè)試，使用絕緣測(cè)試儀測(cè)試絕緣耐壓，通常MLCC失效樣品以短路為主。

2、外觀檢查：通常進(jìn)行6面檢查，檢查是否有明顯的異常。

3、故障點(diǎn)粗定位：使用Thermal進(jìn)行故障點(diǎn)定位，如果沒(méi)有該步驟直接進(jìn)入到步驟4也可，但通過(guò)故障點(diǎn)粗定位可以大致了解故障點(diǎn)位置，以便清楚的掌握切片觀察的位置。

4、制樣切片，缺陷觀察：本文將介紹最常見(jiàn)的集中典型的故障形貌。

1）“EOS過(guò)電形貌”：通常是點(diǎn)失效，會(huì)伴隨著二次損傷導(dǎo)致分層或者裂紋

案例1：點(diǎn)擊穿短路，由點(diǎn)向兩側(cè)延伸

案例2：點(diǎn)擊穿短路，發(fā)熱導(dǎo)致發(fā)生二次損傷，形成介質(zhì)分層形貌

怎么判斷是過(guò)電壓還是物料缺陷導(dǎo)致的“EOS”：對(duì)于MLCC來(lái)說(shuō)，發(fā)生電擊穿除了與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)外，還與其內(nèi)部電極的邊緣電場(chǎng)畸變有更為直接的關(guān)系。在MLCC的內(nèi)部，電場(chǎng)分布情況見(jiàn)下左圖所示。在A、B兩點(diǎn)的左側(cè)，鄰近的兩個(gè)金屬電極平行相對(duì)，是典型的平板電容器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分布著均勻電場(chǎng)E1；在A、B兩點(diǎn)的右側(cè)，上面一層是短電極，金屬電極層在A點(diǎn)被陶瓷介質(zhì)阻斷，與相鄰?fù)怆姌OCD不相連，下面一層金屬長(zhǎng)電極與外電極在C點(diǎn)緊密連接，這種長(zhǎng)短不齊的結(jié)構(gòu)造成了電場(chǎng)畸變，使之在ABCD區(qū)域內(nèi)為非均勻電場(chǎng)。在陶瓷介質(zhì)中取兩個(gè)柱形高斯閉合面，詳見(jiàn)下右圖。

兩個(gè)柱狀高斯閉合面一個(gè)是在均勻電場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)方形柱體，另一個(gè)是在非均勻電場(chǎng)但與均勻電場(chǎng)交界的梯形柱體。兩個(gè)柱體的上下底面均與金屬電極平行，下底S4、S5取在金屬電極層內(nèi)，上底S1、S2取在陶瓷介質(zhì)中并靠近金屬電極層。設(shè)金屬電極層內(nèi)的電荷密度均為σ。

對(duì)于均勻電場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)方體柱體，在金屬下電極層內(nèi)E=0、D=0（注：D代表電位移矢量），故S5上無(wú)通量；側(cè)壁可視作電力管，與電力線平行，也無(wú)通量，唯一有通量的是在S1面。則包圍在此閉合高斯面內(nèi)的自由電荷Q1=σ*S5，它分布在短電極下側(cè)的表面上，按照有介質(zhì)時(shí)的高斯定理：

ΦSD1dS=Q1=σ*S5=D1S1 （1）

式中D1為均勻電場(chǎng)E1中的電位移矢量。

同理，對(duì)于非均勻電場(chǎng)內(nèi)的梯形柱體，在金屬下電極層內(nèi)E=0、D=0，故S4上無(wú)通量；側(cè)壁亦可視作電力管，與電力線平行，也無(wú)通量，只有在S2面上有通量，包圍在此閉合高斯面內(nèi)的自由電荷Q2=σ*S4：

ΦSD3dS=Q2=σ*S4 （2）

式中D3為均勻電場(chǎng)E3中的電位移矢量，當(dāng)S2中的邊長(zhǎng)b取足夠小，則D3可近似為均勻，同時(shí)考慮到D3與S2的外法線方向存在夾角θ，則有：

ΦSD3dS=D3S2cosθ=Q2=σ*S4 （3）

如令S4=S5，由于金屬電極內(nèi)的電荷密度σ處處相等，則Q1=Q2，則有：

D1S1= D3S2cosθ （4）

根據(jù)電位移矢量公式D=εE，則有：

E1S1= E3S2cosθ→S1/S2= E3*cosθ/E1= E2/E1 （5） 

因?yàn)閎足夠小，S2很小，因此S1/S2>>1，可得出E2>>E1。說(shuō)明在A點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E2遠(yuǎn)大于均勻電場(chǎng)E1。上述分析僅針對(duì)下電極BC段，其實(shí)外電極CD段的E4對(duì)E2方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度也有貢獻(xiàn)，所以A點(diǎn)的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度比所分析的E2還要強(qiáng)。

所以，如果是過(guò)電壓導(dǎo)致的失效，故障點(diǎn)基本上是發(fā)生在A點(diǎn)，故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果可以佐證，詳見(jiàn)下圖。

注：通過(guò)此理論，可以對(duì)故障可能原因進(jìn)行一個(gè)初步的判斷。2）機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的失效形貌案例1：最常見(jiàn)的MLCC機(jī)械應(yīng)力失效，通常為典型的45°裂紋。案例2：撞件導(dǎo)致MLCC失效。