柔性端電極MLCC工藝研究

（廣東風華高新科技股份有限公司，新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室，廣東 肇慶 526020）

柔性端電極MLCC工藝研究

曾 雨，陳長云，伍尚穎，王海洋

（廣東風華高新科技股份有限公司，新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室，廣東 肇慶 526020）

為了得到高可靠性、高抗彎曲性能的多層片式陶瓷電容器（MLCC），采用銀、環氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛樹脂以及無水乙醇等原材料制備柔性端電極漿料。研究了固化工藝和表面處理技術對柔性端電極MLCC的電性能和可靠性的影響。結果表明：柔性端電極漿料在250 ℃溫度以上固化至少30 min，保證了樹脂層良好的連接性及可鍍性；電鍍前采用抽真空和填充技術進行預處理，保證了柔性端電極MLCC的耐熱沖擊性能和抗彎曲能力。

多層陶瓷電容器；柔性端電極；固化工藝；表面處理；抗彎曲能力；可靠性

近年來片式多層陶瓷電容器（MLCC，又稱獨石電容器）作為主要的片式元件之一，市場需求巨大，發展迅速。為適應各種電子設備的發展需求，MLCC產品向小型化、集成化發展，同時對MLCC的質量要求也越來越高[1]，包括高容值、耐高壓、抗彎曲抗拉強度高、高頻應用以及高可靠性等。

在質量要求較嚴苛的線路上，例如汽車電子、高溫環境、電源線路、TFT-LED逆變器等場合，常規的MLCC抗彎曲能力較差。在表面貼裝MLCC過程中，經過波峰焊或回流焊，電子線路板變形，使MLCC既受到熱沖擊作用，又受到機械變形應力作用，致使電容器陶瓷內部產生裂縫[2]，這些裂縫會貫穿多層陶瓷電容器內部正負電極層，從而導致電容器短路引起嚴重的燒毀熔融現象；而對于電源和電池線路來說，MLCC的使用過程中絕不能容許發生短路現象[3]。針對這種失效模式，本文對柔性端電極MLCC的工藝進行了研究，制備出了內外電極連接良好、可靠性高、抗彎曲能力好的柔性端電極MLCC，可以有效防止由于機械應力造成的貼片電容斷裂失效問題。

1 實驗與制作

1.1 柔性端電極制作

通過研究并制作出由銀和環氧樹脂等材料組成的連接性良好、可鍍性好的柔性端電極漿料，其端電極漿料的組分包括：50%～70%（質量分數，下同）的銀、10%～30%的環氧樹脂、10%～20%的聚乙烯醇縮丁醛樹脂及5%～10%的無水乙醇[4]。

在電容器陶瓷體的銅層上涂覆柔性端電極漿料，經過干燥及固化后在銅層上形成樹脂層，對樹脂層進行表面技術處理后，再在樹脂層上依次電鍍上鎳層和錫層，得到結構如圖1所示的柔性端電極MLCC。

圖1 柔性端電極MLCC結構示意圖Fig.1 Structure of flexible terminal electrode MLCC

1.2 實驗流程

封端銅/銀端漿→燒端銅/銀端漿→封端柔性端電極漿料→固化柔性端電極漿料→對樹脂層表面處理→鍍鎳→鍍錫→測試。

1.3 測試及分析儀器

采用OLYMPUS BX51M型顯微鏡觀察固化后的柔性端電極外觀；采用HP4278A電橋測量電容器容量；采用抗彎曲試驗板檢測MLCC抗彎曲能力；采用STRUERS公司的ROTOPOL-11設備進行磨片，再采用HIROX公司的HI-SCOPE KH-2700三維顯微鏡觀察分析MLCC端電極連接情況。

2 結果與討論

2.1 柔性端電極漿料固化工藝

由于柔性端電極漿料是在已封端的銅層上進行涂覆，在涂覆后需要進行一定溫度的烘干、固化，在此過程中，陶瓷體兩端的銅層容易被氧化，因此，必須要保證封端后形成的樹脂層完全包裹住銅層。固化后的樹脂層必須充分與銅端頭或者銀端頭形成一個牢固致密的結合體，使樹脂層起到良好的電極連接作用，防止柔性端電極漿料里的溶劑排不干凈，導致電容器在測試時因內外電極連接不良而出現電性能不合格的現象。因此，筆者設計了不同的固化工藝方案，首先將封有柔性電極漿料的芯片在80 ℃下干燥10 min，接著在210～290 ℃溫度下對柔性端電極漿料分別固化10～50 min，從而形成樹脂層[4]，并對不同固化工藝后的樹脂層在 OLYMPUS BX51M型顯微鏡下進行外觀檢驗，試驗方案及觀察的外觀結果如表1所示。

表1 柔性端電極漿料在不同固化工藝下的外觀結果Tab.1 Appearance of flexible terminal electrode paste under different curing processes

由于柔性端電極漿料的金屬成分為銀，固化后的樹脂層表現為銀白色，因此，柔性端電極漿料固化效果的好壞可以通過固化后樹脂層的外觀顏色來進行初步判斷。如圖2所示，圖2（a）為固化不良的樣品外觀，樹脂層顏色微暗，而圖2（b）為固化良好的樣品外觀，呈現出銀白色。由表1可以看出，柔性端電極漿料在250 ℃以下不管多長時間都無法達到良好的固化效果，而在250 ℃以上的溫度下至少固化20 min以上才能獲得銀白色的樹脂層。

圖2 固化后不良品與合格品的外觀對比Fig.2 Comparison of the appearance of bad products and qualified products after curing

為了進一步判斷柔性端電極漿料的固化效果，采用HP4278A電橋對不同固化工藝處理后的樣品進行電性能測量，各方案電性能測量結果如表2所示。

柔性端電極漿料固化后的樹脂層與銅端頭或者銀端頭結合性能的好壞，可以通過測量其電性能結果進行判斷。如果柔性端電極漿料固化效果不良，則意味著該樹脂層中的溶劑殘留過多，從而影響銅端頭電極的引出，導致樣品電性能異常。由表2可以看出，250 ℃以下的樣品均出現100%容量異常現象，在250 ℃固化20 min后的樣品中仍然存在2%的樣品容量異常，在250 ℃固化30 min后才得到良好的電性能。

表2 不同固化工藝處理后的電性能結果Tab.2 Results of electrical properties after different curing processes

柔性端電極漿料形成的樹脂層在MLCC芯片中主要起著類似彈簧的作用，既能耐較高的外力撞擊，又可耐外力的拉伸，在承受一定的變形條件下仍然能夠保持MLCC良好的電性能，從而防止由于機械應力造成的貼片電容斷裂失效[5]。因此，可以通過抗彎曲試驗對不同固化工藝下MLCC芯片的抗彎曲能力進行檢驗。該試驗是將固化后的MLCC芯片固定在規格100 mm×40 mm的PCB板上，再對PCB板施加一個恒定的外力使PCB板彎曲，每彎曲1 mm就對MLCC芯片進行一次容量測量，當容量變化率超過客戶要求的范圍時，記錄下此時PCB板彎曲的高度，從而對柔性端電極MLCC的抗彎曲能力進行評估。不同固化工藝后的芯片抗彎曲試驗結果如表3所示。

表3 各樣品在抗彎曲試驗中PCB板的彎曲高度Tab.3 The bending height of the PCBs in the anti-bending test of each sample

由表3可以看出，250 ℃以下的樣品在PCB板剛開始彎曲時容量已發生變化并超出客戶可使用范圍；在250 ℃固化30 min后，樣品在PCB板下壓3 mm的情況下容量均保持在正常范圍內，在270 ℃則需要固化20 min以上才能在PCB板下壓3 mm的條件下容量保持正常范圍。

2.2 柔性端頭表面處理技術

烘干固化后含有樹脂層的芯片需要再電鍍上鎳和錫，從而構成具有承受形變應力的柔性端頭[5]，但由于柔性端電極漿料在250 ℃下已固化完成，屬于低溫固化工藝，固化后的樹脂層相對疏松，在電鍍鎳錫層時電鍍液極易滲入，容易導致電鍍后的芯片受熱沖擊出現端頭爆裂的缺陷[6]，浸錫后不良品與合格品外觀如圖3所示。

圖3 浸錫后不良品與合格品外觀對比Fig.3 Comparison of the appearance of bad products and qualified products after dip tin

圖3（a）中樹脂層未經過表面技術處理直接鍍鎳鍍錫，由于電鍍液的滲入，芯片受熱沖擊時滲入的電鍍液膨脹導致外面的鎳錫層爆裂，而圖3（b）中樣品的樹脂層經過表面技術處理后再鍍鎳鍍錫，可以保持良好的焊接性能。因此，固化后的芯片在鍍鎳鍍錫前必須經過一系列的表面處理。筆者針對經過250 ℃固化30 min后的樣品設計了不同的表面處理方案，分別選擇抽真空和填充兩種表面處理方法進行交叉實驗，并對不同表面處理方案的樣品采用HP4278A電橋進行電性能測量，同時對不同樣品的抗彎曲能力以及抗熱沖擊能力進行檢驗，表面處理方案及實驗結果如表4所示。

表4 各樣品經過表面處理后的電性能及可靠性結果Tab.4 The electrical properties and reliability of each sample after surface treatment

由表4可以看出，方案1中的樣品沒有進行抽真空和填充劑處理，樣品在鍍鎳鍍錫過程中電鍍液滲入，導致MLCC樣品內外電極連接不良，部分芯片出現容量異常的現象，在抗彎曲試驗中，由于內外電極連接不良，導致PCB板下壓1 mm后已開始出現容量超標，在焊接過程中出現25/40比例爆端頭的現象，嚴重影響其焊接能力；方案2中樣品的樹脂層只進行抽真空處理，未經過填充直接鍍鎳鍍錫，仍然有電鍍液滲入，導致部分芯片容量異常及可靠性試驗不合格；方案3中的樣品先經過抽真空，然后在真空環境下加入填充劑進行填充，最后再依次鍍鎳鍍錫，由于經過抽真空處理，填充劑可以完美填充樹脂層的孔隙，形成保護膜，電鍍過程中防止了電鍍液的滲入，保證了內外電極的連接效果，抗彎曲及焊接試驗均合格；方案4中的樣品在不經過抽真空的條件下直接進行填充劑處理，雖然能夠填充大部分孔隙，但由于在填充前有空氣的存在，導致填充不夠充分，仍然有小部分樣品出現容量異常，受熱沖擊出現爆端頭的現象。因此，先經過抽真空處理，并在真空環境下進行填充劑處理，可以保證固化后的樣品具有良好的連接性和可鍍性能。

3 結論

通過由質量分數50%～70%的銀、10%～30%的環氧樹脂、10%～20%的聚乙烯醇縮丁醛樹脂以及5%～10%的無水乙醇和環氧樹脂制備出的柔性端電極漿料，并選擇在250 ℃以上的溫度下固化至少30 min，再通過抽真空、填充劑填充等表面處理技術處理后，成功制備了電性能優良、抗彎曲能力強、并具有良好焊接性能的柔性端電極 MLCC。這種電容器可以有效地防止由于機械應力造成貼片電容斷裂失效的現象，能夠廣泛地運用在汽車電子、高溫環境、電源線路、TFT-LED逆變器等場合。

[1] 劉欣, 李萍, 蔡偉, 等. 多層瓷介電容器失效模式和機理[J]. 電子元件與材料, 2011, 30(7): 72-75.

[2] 宋子峰. 大容量 MLCC的工藝設計 [J]. 電子元件與材料, 2008, 27(8): 43-45.

[3] 盧藝森, 劉新, 肖培義. Ni電極片式多層陶瓷電容器產生開裂的幾種因素分析 [J]. 電子質量, 2008(9): 35-37.

[4] 黃必相, 陳長云, 曾雨. 片式多層陶瓷電容器的封端漿料、片式多層陶瓷電容器及其制備方法: CN104629260 [P]. 2015-05-20.

[5] 陸亨, 宋子峰, 唐浩, 等. Ni電極X8R多層陶瓷電容器的制備及性能 [J]. 電子元件與材料, 2010, 29(8): 28-31.

[6] 桂龍, 包生祥, 饒真真, 等. 一種 MLCC焊接失效分析[J]. 電子元件與材料, 2013, 32(9): 56-58.

Research on flexible terminal electrode MLCC process

ZENG Yu, CHEN Changyun, WU Shangying, WANG Haiyang
(State Key Laboratory of Advanced Materials and Electronic Components, Guangdong Fenghua Advanced Technology Co., Ltd, Zhaoqing 526020, Guangdong Province, China)

In order to obtain multilayer ceramic capacitors (MLCC) with high reliability and bending resistance, flexible terminal electrode paste was prepared by adopting silver, epoxy resin, polyvinyl butyral resin and anhydrous ethanol as raw materials. The effects of curing process and surface treatment on electrical properties and reliability of MLCC with flexible terminal electrode were studied. The results show that good connectivity and platability of the resin layer can be ensured by curing flexible terminal electrode paste above 250 ℃ for at least 30 min. Adopting vacuuming and filling technology for pretreatment before electroplating ensure high thermal shock resistance and bending resistance of MLCC with flexible terminal electrode.

multilayer ceramic capacitors; flexible terminal electrode; curing process; surface treatment; bending resistance; reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.004

TM28

A

1001-2028（2018）01-0019-04

國家國際科技合作項目（2010DFB33920）

2017-10-20

曾雨

曾雨（1985－），男，四川資陽人，工程師，從事MLCC的工藝技術研究。

（編輯：陳豐）