多層瓷介電容器的應用現狀及失效分析

黨杰

海軍裝備部，甘肅 蘭州 730000

0 引言

電容器廣泛應用于各類信息化裝備和航天航空中，并已基本實現自產。宏明電子、火炬電子、鴻遠電子、宏達電子等是我國主要的電容器供應商，其主要產品為陶瓷電容、鉭電容、高電壓電容器、射頻微波電容器、瓷介電容器等，多層瓷介電容器的國軍標通用規范見表1[1]。本文主要介紹多層瓷介電容器（multilayer ceramic capacitor，縮寫為MLCC）相關研究現狀及其失效分析。

1 多層瓷介電容器相關理論及研究現狀

電容器在電路中的應用，究其實質是應用電容器的本質特性：①存儲電荷（變化率為電流）；②電壓不能突變（電荷的積累形成電勢-電壓）；③隔離直流電壓（絕緣）。電路的工作特性本質為放大、選擇、衰減以及各種數學運算。元（器）件工作特性物理量為電壓、電流、頻率以及由此伴生的電場和磁場。電容器在集總電路分析中的集總參數特性表達就是標稱電容量。多層瓷介電容器也可稱為獨石電容器，通過多個印好電極（內電極）的陶瓷膜片以錯位疊加的形式組合而成，經過均勻壓制、切割、排塑、高溫燒結形成細密精確的陶瓷坯體，緊接著陶瓷坯體的兩端封裝上端電極（一般端電極為三層結構），形成類似獨石的結構體[2]。因此，多層瓷介電容器的相關標準見表1，其結構主要包括三部分：陶瓷介質、金屬內電極、金屬端電極。典型結構示意如圖1所示。

表1 多層瓷介電容器相關標準

圖1 多層瓷介電容器結構示意圖

多層瓷介電容器可以看作是由若干個平行板電容器并聯起來形成的，切面圖如圖2所示。

圖2 多層瓷介電容器切面圖

多層瓷介電容器的優點主要是小體積、大容量、高可靠性，同時還具有較好的耐濕性、較高的機械強度，在高頻特性上表現較好，適合于在嚴酷的條件下使用的電子設備。特別是片式多層瓷介電容器，普遍應用于混合集成電路中，且對于一些對輕量化和可靠性要求較高的電子設備中，MLCC也是非常不錯的選擇[3]。而且近幾年，大容量多層瓷介電容器以其在電性能、可靠性方面的優異表現替代了越來越多的鉭電解電容器，甚至還有鋁電解電容器。在對某型DC/DC電源模塊輸出端濾波電容進行研究時，對高頻紋波的抑制方面MLCC表現優于鉭電容，甚至可以用1/2～1/10容值的多層瓷介電容器替代固體鉭電解電容器。對于同規格的鉭電容和MLCC來說，二者的主要應用區別是MLCC適用于高頻場合，而鉭電容隨著頻率增高而電容減小，同時鉭電容在高溫環境下的漏電流是大于MLCC的，且在對更高的紋波電流承受能力和耐電壓能力方面，MLCC明顯優于鉭電容。

多層陶瓷電容器在向小型化、大容量化、高性能發展中對質量和可靠性的要求非常高。從20世紀90年代開始，多層陶瓷電容器開始大規模生產，其材料和工藝是國家重點研究項目，隨著其向小型化和集成化的進一步發展，疊層精度的要求也越來越嚴格，其中瓷膜燒結收縮率是必須考慮的一項重要指標，例如分層、開叉和裂紋等問題就是由內電極和介質層收縮率失配引起的，從而導致電容器質量不合格[4]。武器電子設備的使用環境比較惡劣，因此對電子元器件的選用、所用材料和制備工藝的要求更加嚴格。MLCC在使用中尤其是在進行介質耐電壓或絕緣電阻測試時，因施加直流電壓是電容器的充電過程，因此在測試完成后要注意放電過程，釋放其存儲的電荷，防止對MLCC造成的損傷。依據GJB 1940A-2012《高壓多層瓷介固定電容器通用規范》4.5.5.1，電容器應放在惰性介質中（例如：氟利昂）進行試驗，以防止飛弧或產生較大的漏電流，因此在進行介質耐電壓要按規定要求進行。在一些環境試驗中，MLCC被要求測量試驗前后電容量變化，而為了防止老化干擾的影響，通常會進行預處理，處理方法是將其在高溫上限下放置1小時后，再在常溫下恢復24小時后進行檢測。

2 多層瓷介電容器的失效分析

在某型電源變換器（圖3）的研發設計中，電氣功能分為“EMI濾波”“整流濾波”“DC/DC變換”“過流保護等”四個部分，輸入濾波電路采用“EMI”共模濾波和“π”型濾波網絡相結合的方式，以有效濾除電源輸入端的低頻共模電源噪聲和傳導射頻干擾。輸出端設計“Y”電容濾波網絡，抑制開關電源產生的噪聲反饋到輸入電源或模塊輸出端。電容器通俗來說具有隔直流通交流、阻止低頻的特性，被廣泛應用在耦合、隔直、旁路、濾波、調諧、能量轉換和自動控制等電路中[5]。在電路設計過程中，濾波和退耦的作用都是為了減少電源噪聲和紋波雜波。濾波主要是為了減少供電電源上的紋波、噪聲及雜波對電路器件的干擾；退耦是為了減少器件產生的紋波、噪聲及雜波對供電電源的干擾。

圖3 某型電源變換器原理圖

某型電源變換電路在環境應力篩選中出現故障后，被發現是起濾波作用的MLCC被燒毀了，根據故障樹分析方法，結合可能出現的故障，給出故障樹，如圖4所示。經故障定位分析及復現試驗，確定引起該故障的原因是操作工人焊接時沒有按照規定操作。

圖4 MLCC電容燒毀故障樹

根據GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》中表7-1，可知1類和2類瓷介電容器的失效模式及比例如表2所示。究其原因主要有兩類：一是電容器存在自身缺陷；二是在裝配和使用過程中引入缺陷。

表2 1類和2類瓷介電容器的失效模式及比例

常見的電容器自身缺陷包括電極結瘤、介質空隙、電極與介質分層等，常見的引入缺陷包括；電容器瓷體表面附著導電多余物形成導電通道；過壓或過流產生的電應力；使用過程中電容器受到過大的機械應力導致瓷體產生裂紋；焊接過程受熱應力引入裂紋等[6]。在裝配過程中使用貼片機裝配MLCC已經非常普遍了，在使用貼片機時應主要考慮吸嘴定位爪的定期校對維修和更換。在裝配后的手工清洗過程也要注意，比如在焊接完成后，應注意使其自然冷卻；待其冷卻至常溫后開始清洗，清洗過程中要注意防護，防止其受外界損傷。清洗過程很多廠家采用的是超聲波清洗，在《航天專項工程電子元器件標準要求（試行）》中對其有要求，明確“慎用超聲清洗工藝，所選功率、時間等工藝參數應經充分論證和試驗論證”。如需采用超聲工藝進行清洗，應盡量采用低功率的清洗設備，并注意不要振動PCB。設備清洗功率不能超過20W/L，頻率不能超過40kHz，清洗時間保持在5min以內。多層瓷介電容器焊接在陶瓷基板上使用時，如果溫度在較大范圍內快速變化（如溫沖），由于焊錫的熱膨脹系數同電容器和陶瓷基板相差較大，焊錫的熱脹冷縮會對電容器端電極產生應力，且焊錫量越多，產生的應力越大，而陶瓷基板韌性較差，不會變形，對應力緩沖差，若多次循環，可能使電容器端電極邊緣位置瓷體產生裂紋，引起電容器失效。通過入廠篩選一般可以剔除這些自身有缺陷的電容器，但是使用過程中引入的缺陷則主要由設計人員、工藝人員及檢測人員在設計和使用過程中提供保障，常見的引入缺陷原因主要有以下幾個方面。

（1）機械應力。片式多層瓷介電容器安裝后產生裂紋是常見的失效現象，常因電容器受到外界過大的機械應力所致，而機械應力主要是由于電路板彎曲引起的。過強或過急彎曲電路板都會使兩焊接點產生反向的機械應力，在電容器最弱的位置（一般在瓷體和端頭的交接點）產生裂紋。該裂紋初期可能很細微而沒有貫穿相鄰的內電極，常規測試一般都無法發現，在后續應力試驗或溫度突變情況下會使裂紋擴大，可能發生災難性的短路失效。操作過程中的主要影響因素：裝配過程中鉚釘附近的應力較大；電路板的堆放和貯存過程對電路板產生機械過應力；板裁切電路或切邊時產生較大應力等。對于層數很多的印制線路板，在裝配前應保證烘烤時間足夠常，以去除水汽影響并釋放殘余應力。MLCC承受機械應力的能力還與焊點的情況有關。

（2）熱應力。片式陶瓷電容器由于其制造工藝上的特點，能承受相當高的溫度，但如果出現急冷急熱的溫度變化，就可能導致瓷體產生裂紋。

（3）電應力。電容器受到超過自身承受能力的電應力作用時，在相對薄弱位置會產生擊穿燒毀失效，這也是常見的多層瓷介電容器失效原因，過大的電應力包括過壓和過流（可能包括過大的浪涌電壓、過大的沖擊電流、過大的交流電壓、過大的紋波電流等）。當MLCC兩端的實際電壓超過了電容器的額定電壓時或者電容器兩端的峰值電壓超過了電容器的額定電壓時，則可能導致電容器發生過壓擊穿失效，此外如果電路中存在過大的di/dt，則可能產生浪涌電壓，也可能引起擊穿失效。對此類問題，除了應注意電壓降額設計以外，還應識別確認電路實際工作電壓，同時還要考慮MLCC的低電壓失效。所謂低電壓失效是指電容器在低于額定工作電壓下出現的絕緣失效現象。電容器制造工藝中的一些不足及膨脹系數不同，容易導致冷卻過程中產生應力而造成瓷體中小區域內的龜裂，或者形成其他缺陷點（雜質或孔隙），從而在多層瓷介電容器內部形成細微的通道，且這些通道對大氣開放。同時還應考慮過流的影響，若未考慮允許的最大紋波電流、熱阻、熱容、功耗等，易引起溫度應力（穩態、瞬時），從而燒毀器件；諧振電流或電壓遠超預期引起的瞬時熱點也會燒毀器件；電路中存在較大dv/dt 產生沖擊電流等也會造成電容器失效。

3 結語

MLCC雖然結構簡單，但是實際的制造過程卻非常復雜，難度比較高。其主要制造工序包括陶瓷介質薄膜成型、內電極制作、燒結成瓷、外電極制作、性能測試、包裝等。陶瓷電容的力學性能、電性能、可靠性主要影響因素為內電極燒結的好壞。內電極分層問題、內電極分叉問題、共燒中的其他問題，這些缺陷是制造中造成質量和可靠性降低的重要原因。一般情況下，如果是外用造成失效，可以使用DPA分析。MLCC具有體積小、容量大、可靠性性高的優點，廣泛應用于電子整機的振蕩、耦合、濾波電路中，但對其可靠性與質量的要求也越來越高。多層瓷介電容器的缺點是瓷體性脆，較易因受到機械應力及熱應力而導致瓷體產生裂紋；機械應力和熱應力是導致多層瓷介電容器失效的主要原因，所以在裝配、焊接等使用過程中要避免引入過大的機械應力及熱應力。