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    MLCC失效模式

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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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