柔性端電極多層瓷介電容器失效模式分析與改進(jìn)措施

薄 鵬,曹 瑞,徐 琴,周丹丹,孟 猛

(1.中國空間技術(shù)研究院,北京 100098;2.成都宏科電子科技有限公司,四川 成都 610100)

表貼多層瓷介電容器(MLCC)在元器件封裝與電子產(chǎn)品板級(jí)裝聯(lián)中有廣泛的應(yīng)用。然而,在裝聯(lián)或使用過程中,安裝板翹曲或焊接所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致MLCC 的瓷體發(fā)生開裂,這也是MLCC 產(chǎn)品在使用過程中最主要的失效模式。在武器裝備和航空航天領(lǐng)域,長期可靠性是至關(guān)重要的,外力導(dǎo)致的MLCC 瓷體開裂和相應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn),會(huì)直接影響相關(guān)型號(hào)裝備的安全。

柔性端電極多層瓷介電容器(FTMLCC)是在不降低容量或增大安裝高度的前提下,提升電容經(jīng)受外力性能、降低瓷體開裂風(fēng)險(xiǎn)的一種有效方案。其在端電極的底銀層與鍍鎳層間增加由樹脂-導(dǎo)電填充物構(gòu)成的柔性電極層,柔性電極層通過發(fā)生彈性或塑性形變有效吸收焊接熱應(yīng)力或在板機(jī)械應(yīng)力,顯著降低了電容瓷體開裂的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。Keimasi 等采用應(yīng)力仿真與高溫老化驗(yàn)證的方法發(fā)現(xiàn),在采用無鉛焊料或鉛錫共晶焊料進(jìn)行組裝時(shí),FTMLCC 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)端電極MLCC表現(xiàn)出更出色的抗板彎性能[5]。Brock 和Gu 等認(rèn)為柔性電極層可降低磁體開裂風(fēng)險(xiǎn),但柔性層內(nèi)存在的空洞為銀遷移提供了通道,因此FTMLCC 在經(jīng)歷溫濕度偏壓測(cè)試后,其可靠性低于標(biāo)準(zhǔn)端電極MLCC[6-7]。曾雨和侯喜路從FTMLCC 柔性層制備工藝優(yōu)化方面開展研究,通過改善柔性電極層的結(jié)合性與可鍍性,以提升電極層間結(jié)合性能[8-9]。Lee 等通過仿真模擬和可靠性評(píng)估試驗(yàn),展示了柔性電極的優(yōu)異性能[10]。

上述研究從柔性層生產(chǎn)工藝優(yōu)化和電容性能對(duì)比角度出發(fā),對(duì)FTMLCC 進(jìn)行評(píng)價(jià)。但在電容器的生產(chǎn)、質(zhì)保與使用各環(huán)節(jié)中,理解與FTMLCC 相關(guān)的潛在失效模式,對(duì)開展有效的生產(chǎn)工藝提升、制定針對(duì)性質(zhì)保方案和避免裝聯(lián)應(yīng)用失效都至關(guān)重要。例如,柔性電極層與相鄰電極層的分離、柔性層自身強(qiáng)度不足或空洞過多,都是由生產(chǎn)階段引入的失效風(fēng)險(xiǎn);柔性層內(nèi)樹脂組分可能引入的長期可靠性衰減和吸潮等風(fēng)險(xiǎn),需要在質(zhì)保和使用階段進(jìn)行控制。因此,為了有效識(shí)別和降低這些風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)開展相關(guān)研究明確FTMLCC 產(chǎn)品的失效模式與機(jī)理,并制定針對(duì)性改進(jìn)措施,提升FTMLCC 服役可靠性,滿足其在軍事和航空航天領(lǐng)域的高可靠應(yīng)用需求。

本研究選取兩款1812 尺寸的典型FTMLCC 產(chǎn)品,通過分析其端電極結(jié)構(gòu)和故障模式,探究其物理本征結(jié)構(gòu)和焊接裝聯(lián)性能。采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、聚焦離子束(Focused Ion Beam,FIB)剖切與3D 重構(gòu)分析方法,詳細(xì)研究了柔性端電極層的界面結(jié)構(gòu)及樹脂-導(dǎo)電填充物的結(jié)構(gòu)特征。在此過程中,識(shí)別與柔性電極層結(jié)構(gòu)相關(guān)的薄弱環(huán)節(jié)及其對(duì)應(yīng)的失效機(jī)制。結(jié)合PCB 彎曲測(cè)試,評(píng)估了這兩款FTMLCC 在外部板彎應(yīng)力下的性能表現(xiàn),表征兩款電容的容量變化及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的潛在損傷模式。根據(jù)試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)表征的失效模式,提出產(chǎn)品改進(jìn)方法或裝聯(lián)應(yīng)用階段的控制措施。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 電容結(jié)構(gòu)和材料

本研究選擇了兩款來自不同制造商的帶有柔性端電極的1812 尺寸的MLCC 作為主要的研究對(duì)象,分別標(biāo)注為樣品1(S1)和樣品2(S2)。相較于典型的三層結(jié)構(gòu),柔性端電極增加的柔性層位于底銀層和鎳層之間。圖1 為柔性端電極的示意圖,柔性層由包含導(dǎo)電填充物(如銀顆?；蚱瑮l)的樹脂構(gòu)成。柔性電極層提供了一定柔性特性,能夠吸收熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,以最大程度降低瓷體開裂風(fēng)險(xiǎn)。上述的柔性端電極MLCC 通過回流焊接方法,使用63Sn37Pb 焊料裝聯(lián)于FR4 印刷電路板,以開展抗彎性能測(cè)試。

圖1 柔性端電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the flexible end electrode structure

1.2 試驗(yàn)方法

參照IPC/JEDEC—9702 標(biāo)準(zhǔn)《Monotonic bend characterization of board-level interconnects》 標(biāo)準(zhǔn)中表貼電容器板彎實(shí)驗(yàn)方法,將FTMLCC 樣品安裝在FR4 測(cè)試板上,按照試驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行不同深度的彎曲。采用外觀檢查與電容容量原位測(cè)試的方法,評(píng)價(jià)電容是否發(fā)生失效: 當(dāng)電容外觀有可見的損傷或原位測(cè)試電容衰減達(dá)到5%,即判定樣品已經(jīng)失效。為評(píng)價(jià)柔性層的耐焊接性能,參照GJB 192B—2011 標(biāo)準(zhǔn)《有失效率等級(jí)的無包封多層片式瓷介固定電容器通用規(guī)范方法》相關(guān)要求,測(cè)試電極耐焊接性能。為評(píng)價(jià)柔性層服役可靠性,選取部分彎曲4 mm 試驗(yàn)后的合格樣品,串聯(lián)進(jìn)行了后續(xù)環(huán)境試驗(yàn): 溫度沖擊(-55～125 ℃,500 次循環(huán))、穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)(40 ℃,90%RH～95%RH,96 h)和高溫老化試驗(yàn)(2 倍額定電壓,125 ℃,96 h)。

使用體式顯微鏡和金相顯微鏡對(duì)MLCC 橫截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查,利用掃描電子顯微鏡(SEM)和聚焦離子束(FIB)分析柔性端電極的界面結(jié)構(gòu)。通過能量色散X 射線分析(EDX)分析了柔性層界面的成分和元素分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)檢查

圖2 為S1 電容焊接前的典型橫截面金相和SEM形貌。如圖2(a)及2(b)所示,FTMLCC 的端電極由燒結(jié)銀層作為底層。在燒結(jié)底銀表面上,經(jīng)由端涂固化以及電鍍等工序構(gòu)建了柔性電極層、鍍鎳層和鉛錫層。柔性端電極的四層結(jié)構(gòu)連續(xù)完整,未見明顯缺陷。觀察電極層整體結(jié)構(gòu),由于樹脂部分在固化過程中存在表面張力的收縮作用,使得電容瓷體端面和側(cè)面的柔性層較厚,而在邊角處柔性層則相對(duì)較薄。

圖2 S1 電容焊接前的典型橫截面金相和SEM 形貌。(a)金相形貌;(b)端電極SEM;(c)底銀層與柔性層結(jié)合界面;(d)柔性層與鍍鎳層結(jié)合界面Fig.2 Metallographic and SEM morphologies of the cross section of S1 capacitor before welding.(a) Metallographic morphology;(b) SEM of end electrode;(c) Interface between bottom silver layer and flexible layer;(d) Interface between flexible layer and nickel plating layer

為了減少截面樣品制備過程中機(jī)械拋光引起的柔性層塑性變形對(duì)微小缺陷的掩蓋效應(yīng),使用FIB 剖切方法制樣以觀察柔性層與相鄰層之間的界面結(jié)構(gòu)。如圖2(c)所示,底銀層由襯度較暗的玻璃相和襯度較亮的銀晶粒組成,柔性層由導(dǎo)電銀填充物和樹脂構(gòu)成,其中導(dǎo)電銀填充物包括直徑為0.5～1.5 μm 的銀球和片狀銀帶。盡管底銀層和柔性層整體結(jié)合緊密,但在部分界面或柔性層內(nèi)部仍存在一些交錯(cuò)的空洞。如圖2(d)所示,柔性層的樹脂和銀填充物與表面鍍鎳層緊密結(jié)合,樹脂相中隨機(jī)分布有一些空洞。

圖3 為S2 電容焊接前的典型橫截面金相和SEM 形貌。從圖3(a)可知,S2 電極的基本結(jié)構(gòu)與S1 電極相似,但在端面的中部位置,S2 樣品的柔性層局部更厚,且側(cè)面電極翻邊的長度更短。如圖3(b)所示,柔性層中的導(dǎo)電填充物也由球狀和片狀銀填料構(gòu)成,導(dǎo)電銀通過交叉和重疊的方式搭接,以確保良好的導(dǎo)電性能。如圖3(c)和3(d)所示,柔性層與底銀層結(jié)合的界面存在較多由銀片圍擋搭接形成的空洞,而柔性層與鍍鎳層的整體結(jié)合則良好。相比于S1 樣品,S2 樣品的柔性層內(nèi)銀球填料為中空結(jié)構(gòu),而非實(shí)心,不過,兩者在柔性層內(nèi)的樹脂組分占比較為接近。

圖3 S2 電容焊接前的典型橫截面金相和SEM 形貌。(a) 金相形貌;(b) 端電極SEM;(c) 底銀層與柔性層結(jié)合界面;(d) 柔性層與鍍鎳層結(jié)合界面Fig.3 Metallographic and SEM morphologies of the cross section of S2 capacitor before welding.(a) Metallographic morphology;(b) SEM of end electrode;(c) Interface between bottom silver layer and flexible layer;(d) Interface between flexible ayer and nickel plating layer

前文所述的FIB 剖面僅反映出兩款電容器隨機(jī)制備的某一處柔性電極剖面的結(jié)構(gòu)和層間結(jié)合狀態(tài)。為更客觀地表征電容柔性電極結(jié)構(gòu),采用步進(jìn)式FIB 剖面方法,重構(gòu)了S1 與S2 柔性層和底銀層結(jié)合界面附近的3D 結(jié)構(gòu)。如圖4 所示,重構(gòu)后可以對(duì)一定體積內(nèi)環(huán)氧樹脂中隨機(jī)分布的空洞、銀填充物和環(huán)氧的相對(duì)含量以及銀填充物的典型幾何形狀進(jìn)行表征和比較。根據(jù)SEM 的圖像襯度對(duì)比,染色標(biāo)定了柔性層中樹脂和銀導(dǎo)電填充物的體積占比。結(jié)果顯示,S1 中導(dǎo)電銀填充物的體積分?jǐn)?shù)為80.2%,而S2 中為77.3%。

圖4 步進(jìn)FIB 重構(gòu)的柔性層與底銀層界面位置的3D模型示意圖。(a) S1;(b) S2Fig.4 Schematic diagrams of the 3D model of the interface position between the flexible layer and the bottom silver layer reconstructed by step FIB.(a) S1;(b) S2

2.2 缺陷檢查

如圖5(a)所示,對(duì)于S1 樣品,柔性層表面某些位置的鍍鎳層不連續(xù),導(dǎo)致柔性層直接與電極表面的鉛錫層接觸。使用FIB 方法觀察鎳鍍層不連續(xù)位置的界面,相關(guān)的SEM 形貌如圖5(b)所示。鍍鎳層在柔性層內(nèi)部某些銀填充物的表面上呈現(xiàn)間歇覆蓋,這可能是由電鍍過程導(dǎo)致的。在電鍍過程中,過多的電鍍?nèi)芤簼B入柔性層縫隙,并結(jié)合電流作用,使得電鍍鎳層在柔性層內(nèi)部銀填充物和樹脂之間的縫隙內(nèi)優(yōu)先沉積,進(jìn)而導(dǎo)致了柔性層相應(yīng)區(qū)域表面上鎳鍍層的不連續(xù)。對(duì)于S2 樣品,觀察其柔性層表面鎳鍍層相應(yīng)位置的金相和SEM 形貌如圖5(c,d)。結(jié)果顯示,S2 樣品表面呈現(xiàn)連續(xù)完整的鎳鍍層,并且在界面附近的柔性層內(nèi)部銀填充物表面上沒有觀察到間隙覆蓋的鎳鍍層。

圖5 柔性層在S1 的不連續(xù)Ni 層附近的剖面形貌。(a)金相形貌;(b)SEM 形貌;柔性層在S2 的Ni 層附近的剖面形貌。(c)金相形貌;(d)SEM 形貌Fig.5 Cross-sectional morphologies of the flexible layer near the discontinuous Ni layer in S1.(a) Metallographic morphology;(b) SEM morphology.Cross-sectional morphologies of the flexible layer near the Ni layer in S2.(c) Metallographic morphology;(d) SEM morphology

同時(shí),步進(jìn)FIB 剖面檢查顯示,在S1 和S2 樣品的柔性層內(nèi)部,均可觀察到直徑小于1 μm 的樹脂內(nèi)空洞以及由填料圍擋形成的直徑大于2 μm 的空洞,這些空洞均呈現(xiàn)出隨機(jī)的分布模式。樹脂內(nèi)空洞在圖2、圖3已有標(biāo)注,其形成原因與樹脂相內(nèi)氣泡未及時(shí)排出相關(guān)。直徑大于2 μm 的空洞結(jié)構(gòu)如圖6 所示,這些空洞位于柔性層的樹脂相內(nèi)部,是由于銀填充物交叉排列形成的內(nèi)部空間阻礙氣體排出生成的。盡管這些空洞并未造成柔性層的導(dǎo)電性能失效,但有可能對(duì)其機(jī)械性能產(chǎn)生影響,相關(guān)性能需在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行關(guān)注。

圖6 柔性端電極中大尺寸空洞的形貌。(a) S1;(b)S2Fig.6 Morphologies of relative larger size voids in the flexible terminal electrode.(a) S1;(b) S2

如圖7 所示,部分S1 樣品在電極翻邊邊緣處出現(xiàn)了電極與陶瓷體之間的剝離。剝離發(fā)生在底銀層外沿處柔性層與瓷體的直接結(jié)合界面,其原因?yàn)槿嵝詫优c瓷體的粘接強(qiáng)度不足。值得注意的是,由于這種剝離尺度較小,因此在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行目視檢查時(shí),這種缺陷難以被檢測(cè)出來。

圖7 S1 中端電極翻邊邊緣柔性層與瓷體剝離處的截面形貌Fig.7 Cross-sectional morphology of the flexible layer peeling from the ceramic at the edge of the terminal electrode in S1

2.3 性能測(cè)試和失效分析

考慮到在MLCC 的端電極中引入導(dǎo)電柔性層可能會(huì)引入新的故障模式,選取標(biāo)準(zhǔn)端電極和柔性端電極MLCC 進(jìn)行板彎曲性能比較分析。參照IPC/JEDEC-9702 標(biāo)準(zhǔn),MLCC 樣品被裝配在FR4 板上,并在室溫下進(jìn)行彎曲測(cè)試。在整個(gè)測(cè)試過程中,實(shí)時(shí)測(cè)量了電容和板載應(yīng)變,以檢測(cè)MLCC 樣品的容量和抗彎性能。每個(gè)測(cè)試分組包含15 個(gè)MLCC 樣品,電容損失達(dá)到5%或外觀發(fā)生損傷時(shí)被定義為失效。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 印制電路板不同彎曲深度處的電容故障數(shù)量Tab.1 Number of capacitor failures at different bending depths of the printed circuit board

表1 的結(jié)果顯示,在彎曲深度為2 mm 時(shí),具有標(biāo)準(zhǔn)端電極的1812 MLCC 樣品即開始出現(xiàn)失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,柔性端電極有效地提升了1812 電容器對(duì)板彎曲的抵抗能力。在板彎曲深度為4 mm 時(shí),具有柔性端電極結(jié)構(gòu)的S1 和S2 樣品并未發(fā)生故障。然而,在彎曲深度為5 mm 時(shí),S1 的3 個(gè)樣品出現(xiàn)了故障。為了進(jìn)行進(jìn)一步的分析,選擇在彎曲深度為5 mm 時(shí)出現(xiàn)失效的S1 樣品和未出現(xiàn)失效的S1、S2 樣品進(jìn)行截面檢查。

圖8(a)和圖8(b)展示了兩個(gè)失效的S1 樣品的橫截面形貌。雖然這兩個(gè)電容器都發(fā)生了超過5%的電容減少,但其失效原因卻不同。如圖8(a)所示,電容器陶瓷體的一端柔性層開裂的同時(shí),瓷體出現(xiàn)了裂紋,裂紋起始于安裝表面電極的邊緣,并以45°的角度向陶瓷體內(nèi)部的終端電極擴(kuò)展,最終導(dǎo)致陶瓷體的斷裂。在圖8(b)中,S1 樣品的陶瓷體中并未觀察到明顯的裂紋。然而,柔性層和底銀層之間的界面出現(xiàn)了明顯的分層,這導(dǎo)致了電容器內(nèi)部電極和終端電極的完全分離,從而使電容量減小。

圖8 印制板彎曲試驗(yàn)后失效S1 樣品的橫截面形貌。(a) 瓷體開裂&柔性層分層;(b)柔性層分層Fig.8 Cross-sectional morphologies of failed S1 sample after printed circuit board bending test.(a) Ceramic body cracking&flexible layer delamination;(b) Flexible layer delamination

在板彎曲測(cè)試后,除了失效的S1 樣品外,部分未失效的S1 或S2 樣品的柔性層也出現(xiàn)了損壞或結(jié)構(gòu)變化。如圖9 所示,柔性層內(nèi)部(圖9(a))或柔性層和底銀層的界面(圖9(b))可能出現(xiàn)剝離或結(jié)構(gòu)裂紋。柔性層和底銀層之間發(fā)生剝離,底銀層側(cè)并未出現(xiàn)可見的撕裂或殘留痕跡,說明S1 樣品底銀層與柔性層界面結(jié)合處為相對(duì)薄弱點(diǎn)。

圖9 未失效的S1 樣品中的柔性層損壞位置形貌。(a)柔性層內(nèi)開裂分層;(b)柔性層與底銀層剝離Fig.9 Morphologies of damaged positions in the flexible layer of the unfailed S1 sample.(a) Internal cracking and delamination of the flexible layer;(b) Delamination of the flexible layer and the bottom silver layer

在S2 樣品的端面上,外觀并未顯示出柔性層的損壞跡象。如圖10 所示,個(gè)別樣品端面和側(cè)面的柔性層內(nèi)出現(xiàn)了局部開裂。裂紋在柔性層內(nèi)部擴(kuò)展,但并未擴(kuò)展到瓷體,說明柔性層經(jīng)受外力超過彈性形變范圍時(shí),發(fā)生塑性變形直至結(jié)構(gòu)撕裂。此外,開裂界面兩側(cè)均粘附有柔性層,這表明在S2 樣品中,柔性層與相鄰電極層之間的結(jié)合良好。當(dāng)受到來自印制電路板的彎曲應(yīng)力時(shí),柔性層以開裂形式吸收了應(yīng)力,避免了瓷體發(fā)生開裂失效,并有一定概率保持電容容量正常引出而不發(fā)生容量衰減。鑒于前文所述,柔性層內(nèi)隨機(jī)分布的空洞結(jié)構(gòu)可能在受到外力時(shí)造成局部不均勻變形,進(jìn)一步導(dǎo)致柔性層內(nèi)的撕裂損傷。因此,為了使柔性層能夠發(fā)生均勻的彈性形變,努力減少甚至消除柔性層內(nèi)的空洞成為一項(xiàng)必要的措施。

圖10 未失效的S2 樣品中的柔性層損壞位置形貌Fig .10 Morphology of the damaged position of the flexible layer in the non-failed S2 sample

此外,還應(yīng)考慮FTMLCC 在使用過程中,結(jié)構(gòu)偏離或裝聯(lián)工藝波動(dòng)可能引發(fā)的失效風(fēng)險(xiǎn),并考慮柔性層的裝聯(lián)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于前文提及的S1 樣品柔性層表面鎳鍍層局部不連續(xù)的問題,圖11 展示了板彎曲試驗(yàn)后,鍍鎳層不連續(xù)位置的焊接界面SEM 形貌,表2 為相應(yīng)標(biāo)注位置的局部EDS 結(jié)果。圖11 顯示在鍍鎳層處,鎳層與焊料形成了金屬間化合物(譜圖3)。然而在鍍鎳層不連續(xù)的區(qū)域,可觀察到焊料與柔性層內(nèi)的銀填料發(fā)生反應(yīng),形成了銀錫化合物(譜圖1),而更深處銀填料不與焊料接觸則未形成銀錫化合物(譜圖2)。界面處銀錫化合物的生成,或附近區(qū)域柔性層與焊料接觸造成的樹脂分解,都可能導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度的降低,進(jìn)而發(fā)展成為鍍鎳層失效或從柔性層分離的裂紋的來源。為了避免這種情況的發(fā)生,有必要在生產(chǎn)階段就提升鍍鎳層的連續(xù)性以及層間的結(jié)合力[9]。

表2 圖11 標(biāo)注位置能譜測(cè)試結(jié)果Tab.2 EDS results at the positions marked in Fig.11 %

圖11 鍍鎳層不連續(xù)處的焊接界面的SEM 形貌Fig.11 SEM morphology of the welding interface at the discontinuous nickel plating layer

在選擇FTMLCC 進(jìn)行封裝或裝聯(lián)時(shí),雖然柔性電極層可以減小陶瓷在外力下破裂的風(fēng)險(xiǎn),但由于柔性電極層的存在,需對(duì)焊接工藝進(jìn)行更為嚴(yán)格的管控。與標(biāo)準(zhǔn)電極MLCC 相比,過高的焊接溫度或侵入柔性層的水汽均可能對(duì)FTMLCC 的焊接特性有負(fù)面的影響。對(duì)S1和S2 樣品進(jìn)行了三種不同條件的耐焊接熱試驗(yàn): 260℃,280 ℃和濕熱后未除潮的260 ℃,以評(píng)估柔性層的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)剖面的檢查,260 ℃條件下并未觀察到柔性層的損傷。然而,當(dāng)溫度升至280 ℃時(shí),S1樣品的柔性層與底銀層出現(xiàn)了分層,如圖12(a)所示。在濕熱后未除潮的260 ℃條件下,S1 樣品的柔性層出現(xiàn)了開裂,如圖12(b)所示。而在上述三個(gè)條件下進(jìn)行耐焊接熱試驗(yàn)后,對(duì)S2 樣品進(jìn)行金相檢查,其柔性層均未表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)損傷。經(jīng)歷280 ℃耐焊接熱試驗(yàn)后的S2樣品柔性端電極典型形貌見圖12(c)所示。

圖12 耐焊接熱試驗(yàn)后的樣品剖面金相。(a) S1@280 ℃;(b) 未除潮S1@260 ℃;(c) S2@280 ℃Fig.12 Metallographic cross-sections of the samples after the welding heat resistance test.(a) S1 @280 ℃;(b) Non-dehumidified S1@260 ℃;(c) S2@280 ℃

過高的焊接溫度或水汽可能導(dǎo)致柔性層面臨潛在風(fēng)險(xiǎn),表現(xiàn)為局部分層或開裂。柔性層內(nèi)的樹脂組分對(duì)熱的耐受度低于金屬基電極材料,過高的焊接溫度可能導(dǎo)致樹脂分解。當(dāng)水汽滲入FTMLCC 的樹脂層,可能在焊接的高溫下轉(zhuǎn)化為蒸汽,產(chǎn)生內(nèi)部壓力,從而在柔性電極層內(nèi)形成裂紋。此外,吸收的水汽可能與焊接材料發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致焊接點(diǎn)的可靠性下降。

為了降低這些裝聯(lián)工藝相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn),可以采取幾項(xiàng)預(yù)防措施。首先,在焊接前,應(yīng)該對(duì)電容器進(jìn)行烘烤,以消除水汽;同時(shí)妥善的存儲(chǔ)至關(guān)重要,FTMLCC 應(yīng)在濕度可控的環(huán)境中,用防潮包裝進(jìn)行存儲(chǔ)。最后,焊接過程應(yīng)遵循制造商推薦的焊接條件,特別是關(guān)于峰值溫度和持續(xù)時(shí)間的規(guī)定。遵守這些建議將有助于避免FTMLCC 中可能的吸潮或焊接溫度過高相關(guān)的裝聯(lián)失效。

研究表明,與標(biāo)準(zhǔn)電極MLCC 相比,FTMLCC 的服役可靠性、柔性層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與內(nèi)部填料遷移效應(yīng)直接相關(guān)[5,10]。圖13 為在板彎曲4 mm 未失效的FTMLCC 經(jīng)歷溫度沖擊、穩(wěn)態(tài)濕熱和高溫老化試驗(yàn)后的柔性層內(nèi)部截面SEM 形貌。如圖13(a)所示,S1 樣品的柔性層內(nèi)存在銀導(dǎo)電填料的聚集,且內(nèi)部存在縫隙。在圖13(b)所示的S2 樣品中,柔性層內(nèi)存在空洞,且與未經(jīng)過環(huán)境試驗(yàn)的樣品相比,銀填料的截面幾何形狀已發(fā)生改變。銀球截面不再呈正圓形,而片狀銀填料的邊緣發(fā)生了不規(guī)則變化,不再平滑。上述變化與銀的電遷移特性有直接的關(guān)系,因此對(duì)于有長期壽命需求的應(yīng)用環(huán)境,應(yīng)關(guān)注FTMLCC 電極層長期電化工作的穩(wěn)定性,并進(jìn)行針對(duì)性驗(yàn)證。

圖13 環(huán)境試驗(yàn)后柔性層剖面SEM 形貌。(a) S1;(b)S2Fig.13 SEM morphologies of the flexible layer cross-section after environmental testing.(a) S1;(b) S2

3 結(jié)論

通過對(duì)FTMLCC 的柔性端電極結(jié)構(gòu)表征、電容抗彎曲與裝聯(lián)性能對(duì)比驗(yàn)證以及對(duì)柔性層相關(guān)失效模式的研究,形成以下結(jié)論:

(1)FTMLCC 柔性端電極結(jié)構(gòu)顯著提高了MLCC的抗彎曲性能。然而,柔性層內(nèi)樹脂相中的空洞或較弱的層間結(jié)合力可能會(huì)引發(fā)新的失效模式,進(jìn)而對(duì)FTMLCC 的長期可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,對(duì)這些性能的改善顯得尤為重要。

(2)在理想情況下,柔性電極會(huì)通過彈性變形來應(yīng)對(duì)外界的應(yīng)力,從而減小瓷體經(jīng)受的應(yīng)力。然而,更大的應(yīng)力可能導(dǎo)致柔性層發(fā)生內(nèi)部開裂或界面剝離,以釋放應(yīng)力。這種情況可能會(huì)導(dǎo)致電容量的降低,但相比由于瓷體破裂引發(fā)的短路和燒毀,其影響較小。

(3)在生產(chǎn)或選用FTMLCC 產(chǎn)品時(shí),應(yīng)充分考慮柔性層材料特性,生產(chǎn)方面,應(yīng)提升柔性層的耐焊接性能,并清晰說明產(chǎn)品的焊接使用條件。使用方面,應(yīng)嚴(yán)格控制裝聯(lián)條件,并在焊接前進(jìn)行適當(dāng)?shù)某凉裉幚?以最大程度地發(fā)揮柔性電極對(duì)瓷體的保護(hù)作用,提高FTMLCC 焊接后的可靠性。

上述研究對(duì)FTMLCC 的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考,有助于支撐其在航空航天和武器裝備等高可靠性需求領(lǐng)域的應(yīng)用。