關(guān)于片式瓷介電容器檢測(cè)分析

翁澤剛

摘要：電子元器件在軍用和民用的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用，其使用環(huán)境必然不盡相同，有時(shí)還存在很大差異，因此電子元器件的特性也會(huì)有所不同。本文以片式瓷介電容器對(duì)其在檢測(cè)過(guò)程中所采用的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及一些常見失效作一整理分析。

關(guān)鍵詞：多層片式瓷介電容器 國(guó)標(biāo) 國(guó)軍標(biāo) 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn) 失效分析

0 引言

片式多層瓷介電容器(MLCC)——簡(jiǎn)稱片式電容器,是采用燒結(jié)工藝將芯材（介質(zhì)和電極材料）燒結(jié)成一個(gè)整體，它是在若干片陶瓷薄膜坯上覆以電極材料，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)成一塊不可分割的整體，外面再用樹脂包封而成。從而形成一個(gè)類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨(dú)石電容器。片式電容器除有電容器“隔直通交”的通性特點(diǎn)外，其還有容量大、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、電容量穩(wěn)定、耐高溫耐濕性好、適合表面安裝等特點(diǎn)被廣泛用于電子整機(jī)中的振蕩、高頻濾波和電源退耦、旁路電路等設(shè)備中。片式電容器根據(jù)所使用的材料可分為三類：溫度補(bǔ)償類、高介電常數(shù)類和半導(dǎo)體類。隨著表面貼裝技術(shù)（SMT）及便攜式電子產(chǎn)品迅猛發(fā)展，近年來(lái)開發(fā)出各種尺寸小、性能好的貼片式元器件（SMD），貼片式多層陶瓷電容器（MLCC）就是十分出色的貼片式元件之一。由于它有極好的性能、多種不同的品種、規(guī)格齊全、尺寸小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，得到極其廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外片式電容器標(biāo)準(zhǔn)比較齊全，如IEC60384-21（22） ElA-198、MIL-C-55681、CECC32100、JIS-C-6429等，還有一些國(guó)外公司制定的采購(gòu)規(guī)范和樣本，如湯姆遜公司、菲利浦公司、松下公司等。我國(guó)也根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)新制定了等同或等效采用的GB/T21041（2）-2007表面安裝用1、2類多層片式瓷介電容器分規(guī)范(等同采用IEC60384-21（22）和GJB192A-1998有可靠性指標(biāo)的無(wú)包封多層片式瓷介電容器總規(guī)范(等效采用MIL-C-5568lD)。下面就這些標(biāo)準(zhǔn)中的一些測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行比較及片式電容器常見的一些失效進(jìn)行分析。

1 片式瓷介電容器幾種標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)

1.1 可焊性和耐焊接熱試驗(yàn) 可焊性和耐焊接熱試驗(yàn)在多層片式瓷介電容器標(biāo)準(zhǔn)中都 規(guī)定了用浸焊法在錫槽中進(jìn)行試驗(yàn)但兩個(gè)試驗(yàn)的目的不同要求也不同?？珊感栽囼?yàn)主要是考察電容器在較低的焊錫溫度下和較短的時(shí)間內(nèi)電容器的金屬端頭焊錫的潤(rùn)濕情況，確保電容器在裝配過(guò)程中錫焊時(shí)無(wú)虛焊發(fā)生。電容器的耐焊接熱試驗(yàn)是在較高的焊錫溫度下和浸漬較長(zhǎng)的時(shí)間，試驗(yàn)電容器的金屬端頭耐熔蝕以及電容器本身的耐熱沖擊能力。

通常標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可焊性試驗(yàn)一般在230℃左右浸漬2～5s進(jìn)行檢查。耐焊接熱試驗(yàn)通常在260℃下進(jìn)行，浸漬時(shí)間不同。

國(guó)標(biāo)規(guī)定耐焊接熱試驗(yàn)是在(260±5)℃，每一端面(5±1)s。

EIA-198D標(biāo)準(zhǔn)將耐焊接熱試驗(yàn)分成3類，第1類(字母代碼F)對(duì)耐熔蝕端頭:260℃，60s。第2類(字母代碼G)對(duì)一般的引出頭:260℃，30s。第3類(字代碼為H)片式電容器耐焊接熱的最低要求為260℃，10s。CECC32100標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定片式瓷介電容器的耐焊接熱試驗(yàn)是按端頭型式分類，對(duì)三端電極(Ag－Ni-Sn或Sn-Pb)和耐熔蝕的鈀·銀端電極其試驗(yàn)規(guī)范為260℃，30s，其他型式的端電極試驗(yàn)規(guī)范為260℃，5s。關(guān)于可焊性試驗(yàn)的前處理，國(guó)標(biāo)和MIL標(biāo)準(zhǔn)都未作規(guī)定，但在EIA-198D標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了可焊性試驗(yàn)前芯片要進(jìn)行蒸汽老化處理4～8h，而后在(245±5)℃焊錫溫度下(5±0.5)s試驗(yàn)。CECC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可焊性試驗(yàn)前要進(jìn)行高溫155℃下老化4h，而后再在(235士5)℃錫糟中進(jìn)行2s的浸漬試驗(yàn)。

1.2 電容量溫度系數(shù) 國(guó)標(biāo)規(guī)定l類瓷介電容器的電容量溫度系數(shù)是指在溫度20℃到8S℃之間的電容量溫度系數(shù)。在這個(gè)溫度區(qū)間電容量隨溫度的變化是線性的。在此溫度以外電容量的允許變化根據(jù)瓷料的溫度系數(shù)不同要進(jìn)行修正。修正范圍在標(biāo)準(zhǔn)中己給出。

關(guān)于小容量溫度系數(shù)的允許偏差，國(guó)標(biāo)中有一條規(guī)定:“詳細(xì)規(guī)范應(yīng)規(guī)定每個(gè)溫度系數(shù)的最小電容量”。“對(duì)于電容量小于最小電容量時(shí)：①詳細(xì)規(guī)范應(yīng)規(guī)定溫度系數(shù)允許偏差以及在下限和上限類別溫度下電容量的允許變化。②在必要時(shí)可以用特殊的測(cè)量方法，如果有要求應(yīng)在詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定”所以在制定詳細(xì)規(guī)范時(shí)小容量電容器特別是10pF以下的電容器的溫度系數(shù)允許偏差如何規(guī)定，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有所不同。國(guó)內(nèi)一些產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范規(guī)定20pF以下的電容器溫度系數(shù)可以不測(cè)，也有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用同一批介質(zhì)材料相同工藝生產(chǎn)的較大容量電容器測(cè)得的溫度系數(shù)替代。

CECC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)于電容器容量為50pF以下其溫度系數(shù)允許值可以增大一個(gè)倍率，見表1。

1.3 施加電壓時(shí)的電容量溫度特性 2類瓷介電容器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了施加和不施加直流電壓時(shí)電容量溫度特性值。對(duì)于工作電壓高于500V電容器在運(yùn)作中施加規(guī)定電壓測(cè)量就比較困難。MIL-C-55681D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定額定電壓高于200V的電容器可以用一種替代的方法進(jìn)行測(cè)量。即對(duì)采用同一批材料和相同工藝制造，工作場(chǎng)強(qiáng)相同的，低于200V工作電壓的電容器，進(jìn)行施加直流電壓的電容量強(qiáng)度特性測(cè)量。其測(cè)試結(jié)果相當(dāng)于額定電壓超過(guò)200V的電容器的值。EIA-198D標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定多層片式瓷介電容器不加電壓測(cè)量電容量溫度特性。

1.4 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn) 在這里是指標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的潮濕試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)等。這項(xiàng)試驗(yàn)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不完全相同，國(guó)標(biāo)在鑒定批準(zhǔn)試驗(yàn)一覽表中的3.1組和3.2組試驗(yàn)基本上屬于這類試驗(yàn)。3.1組規(guī)定該組樣品經(jīng)附著力試驗(yàn)→溫度快速變化→干熱(高溫16h)→循環(huán)濕熱第一循環(huán)→寒冷(低溫2h)→循環(huán)濕熱其余循環(huán)。3.2組規(guī)定該組樣品在溫度40℃，相對(duì)濕度(93±23)%潮濕箱中按電容器氣候類別規(guī)定的時(shí)間(天)進(jìn)行。在試驗(yàn)時(shí)電容器上不施加電壓。新國(guó)標(biāo)增加了3.4組加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)方法和國(guó)軍標(biāo)的方法類同。在85°C，相對(duì)濕度85%的潮濕箱中，12只電容器與100kΩ電阻串聯(lián)，12只電容器與6.8kΩ電阻串聯(lián)，試驗(yàn)前、后各用1.5V測(cè)量電容器的絕緣電阻應(yīng)大于規(guī)定值。在高溫高濕試驗(yàn)時(shí)，與100kΩ電阻串聯(lián)的電容器施加(1.5土0.1V)電壓與6.8kΩ電阻串聯(lián)電容器施加(50.0±0.1V)電壓。

國(guó)軍標(biāo)在鑒定檢驗(yàn)一覽表中的第3、4、8組試驗(yàn)也屬于此類試驗(yàn)。第3組規(guī)定該類樣品在電容量溫度特性測(cè)量后進(jìn)行高低溫沖擊和浸水試驗(yàn)。浸水試驗(yàn)的方法是將電容器放在65°C的熱水中浸泡15min，而后再在25℃的氯化鈉飽和溶液中浸泡15min，如此重復(fù)2次檢查電容器電容量、損耗角正切和絕緣電阻的變化。第4組規(guī)定樣品進(jìn)行20個(gè)周期的交變濕熱循環(huán)試驗(yàn)檢查電容器的電容量、絕緣電阻變化和耐電壓試驗(yàn)。第8組是穩(wěn)態(tài)溫?zé)嵩囼?yàn)這個(gè)試驗(yàn)和國(guó)標(biāo)規(guī)定的穩(wěn)態(tài)濕熱條件不同。它是在85°C溫度下相對(duì)濕度85%潮濕箱中，在每個(gè)電容器上施加一個(gè)低電壓小電流通過(guò)240h試驗(yàn)后絕緣電阻沒(méi)有減少，每個(gè)電容器的電容量變化在允許范國(guó)內(nèi)。

CECC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)程序和內(nèi)容與國(guó)標(biāo)相同，但在3.2組穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)時(shí)樣品要分成3個(gè)組。第1組不加電壓，第2組加額定電壓，第3組的每個(gè)電容器串聯(lián)一個(gè)100kΩ電阻后，再施加5V電壓進(jìn)行56天的穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)。3.4組加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)方法與國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)的方法類同。CECC標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)比較全面和嚴(yán)酷，現(xiàn)在許多國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)都在采用。

2 片式瓷介電容器常見的問(wèn)題

首先是陶瓷本體問(wèn)題一斷裂或微裂，這是最常見的問(wèn)題之一。斷裂現(xiàn)象較明顯，而微裂一般出在內(nèi)部，不容易觀察到，涉及到片狀電容的材質(zhì)、加工工藝和片狀電容使用過(guò)程中的機(jī)械、熱應(yīng)力等作用因素影響。其次是片狀電容電性能問(wèn)題。片狀電容使用一段時(shí)間后出現(xiàn)絕緣電阻下降、漏電。以上兩個(gè)問(wèn)題往往同時(shí)產(chǎn)生，互為因果關(guān)系。電容器的絕緣電阻是一項(xiàng)重要的參數(shù)，衡量著工作中片狀電容漏電流大小。漏電流大，片狀電容儲(chǔ)存不了電量，片狀電容兩端電壓下降。往往由于漏電流大導(dǎo)致了片狀電容失效，引發(fā)了對(duì)片狀電容可靠性問(wèn)題的爭(zhēng)論。

3 片式電容器幾種常見的失效分析

3.1 失效原因

3.1.1 內(nèi)部原因 片式電容器破損和保護(hù)層崩損，片式瓷介電容器引線焊點(diǎn)焊料不足和黏潤(rùn)不良，多層陶瓷介質(zhì)電容器介質(zhì)中多余導(dǎo)電物及空洞，多層陶瓷介質(zhì)電容器端電極內(nèi)接觸空洞和腐片容失效一般是由介質(zhì)擊穿、內(nèi)電極銀離子的遷移、端電極中玻璃料對(duì)與之接觸的相應(yīng)部分的浸蝕以及介質(zhì)材料中的雜質(zhì)都可以造成的失效。

3.1.2 外部原因 引起電子元器件失效的外因就是存儲(chǔ)、運(yùn)輸和工作過(guò)程中的環(huán)境條件。影響可靠性的環(huán)境條件一般包括下列幾個(gè)：氣候環(huán)境條件；機(jī)械環(huán)境條件；生物條件；化學(xué)條件；電與電磁條件；輻射條件；系統(tǒng)連接條件和人的因素等。其中氣候環(huán)境條件包含的因素。

3.2 故障模式 ①介質(zhì)擊穿:主要是介質(zhì)材料承受不了高強(qiáng)度電場(chǎng)作用而被電擊穿。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。②絕緣電阻嚴(yán)重下降：對(duì)于陶瓷介質(zhì)，其電子被離子鍵和共價(jià)鍵牢牢束縛住，理論上幾乎可以定義該材料的電阻率為無(wú)窮大。但是實(shí)際上絕緣體的電阻率是有限，并非無(wú)窮大，這是因?yàn)椴牧显泳w結(jié)構(gòu)中存在的雜質(zhì)和缺陷會(huì)導(dǎo)致電荷載流子的出現(xiàn)。使絕緣電阻嚴(yán)重下降變?yōu)槭?。究其原因與材料封裝技術(shù)固然有關(guān)，但通常是由于環(huán)境應(yīng)力(特別是高溫高濕的條件下)與電應(yīng)力所致。③容量變化和超差：在脈沖工作狀態(tài)下，由于大脈沖電流而使電容器發(fā)熱，可能導(dǎo)致“干枯”和“熱老化”，致使電容器超差失效。④銀離子的遷移：在高溫、高濕、強(qiáng)直流電場(chǎng)作用下，銀離子容易遷移，時(shí)間一長(zhǎng)，易造成電容器失效。⑤端頭失效：由于端電極材料在燒結(jié)的時(shí)候，部分滲入相應(yīng)部位的陶瓷介質(zhì)中，使與之接觸的那部分陶瓷體變得更脆，甚至改性了。因此，在焊接的過(guò)程中或在線路板裝卸的過(guò)程中，端頭部分易產(chǎn)生裂紋，使電容器失效。⑥熱應(yīng)力：多層陶瓷表面安裝電容器（MLCC）的可靠性是一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，這是因?yàn)樵诓ê负彤a(chǎn)品使用過(guò)程中的環(huán)境應(yīng)力所造成的。其中一個(gè)重要難題就是在焊接過(guò)程中形成的內(nèi)部開裂。一般而言，溫度的升降及金屬電極和陶瓷的熱膨脹差異可在陶瓷中引起熱應(yīng)力。在確定熱沖擊和熱循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力方面，生產(chǎn)材料起到了關(guān)鍵性的作用；生產(chǎn)材料還會(huì)影響這些應(yīng)力形成裂縫的概率。

4 具體案例分析

陶瓷片式電容器——熱應(yīng)力 ①樣品名稱：陶瓷片式電容器；②背景：樣品的使用電壓為30V，焊接在PCB板上后，通電即發(fā)現(xiàn)部分樣品被燒毀。③失效模式：燒毀、破裂。④失效機(jī)理：熱應(yīng)力。⑤分析結(jié)論：電容器由于瓷基體含有鉍形成的玻璃相，玻璃相與陶瓷介質(zhì)材料BaTiO3的熱膨脹系數(shù)有差別，因此焊接時(shí)的熱應(yīng)力使材料產(chǎn)生裂紋，引起內(nèi)電極短路，造成電容燒毀。⑥分析說(shuō)明：電容器明顯燒毀開裂（圖1），微觀檢查發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋從陶瓷表面延伸到內(nèi)電極，造成內(nèi)電極斷裂。

表面能普分析（圖2）表明陶瓷介質(zhì)材料中的秘成分玻璃相含量較多，而玻璃相與陶瓷介質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)有差別，因此焊接時(shí)熱應(yīng)力會(huì)造成裂紋的產(chǎn)生。引起電極短路，造成元件失效。若焊接溫度太高或者時(shí)間太長(zhǎng)，加上陶瓷電容器端電極處由于不同的材料（銀、鎳、錫）等組成，其他膨脹系數(shù)不同，因此外部焊接引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致陶瓷電容器內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或微裂紋。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)片式瓷介電容器電氣、環(huán)境及可靠性能的檢驗(yàn)是片式瓷介電容器生產(chǎn)的主要過(guò)程，也是電容器性能的質(zhì)量保證。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)項(xiàng)目要求基本相同，只是在試驗(yàn)條件和技術(shù)要求的嚴(yán)酷度有所不同，軍用標(biāo)準(zhǔn)如GJB（國(guó)軍標(biāo)）、MIL標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)）嚴(yán)酷度要求高一些。文章給出的是國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)片式瓷介電容器最基本的檢驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)方法和技術(shù)要求的分析，以及對(duì)片式瓷介電容器常見失效模式和機(jī)理的論述，進(jìn)一步明確了片式瓷介電容器的結(jié)構(gòu)和工作原理，將有助于對(duì)片式瓷介電容器的研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞燕軍.電子元器件的可靠性分析[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.10-12.

[2]宋子峰，張尹.片狀多層瓷介電睿器可靠性問(wèn)題分析[J].世界電子元器.2004(3).78.

[3]張昌仁.多層片式瓷介電容器標(biāo)準(zhǔn)中幾個(gè)問(wèn)題的討論[J].電子元件與材料.1999(4).43.

[4]蔡偉.電子元器件失效分析與案例（第九章）.國(guó)防工業(yè)出版社.2006.9