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MLCC失效模式

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​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。

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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:

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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。

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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。

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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。

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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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