多层陶瓷电容器（Multi-Layer Ceramic Capacitors，MLCC）常见的失效模式与常见故障汇总分类 ：

 

      介质击穿、开路、电参数变化（电容量超差、损耗角正切值增大、绝缘电阻下降或漏电流上升等）、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等。

 

      钽电解电容器—电压过载击穿烧毁；浪涌电压冲击漏电流增大；极性反向短路；高温降额不足失效；

 

      铝电解电容器—漏电流增大击穿；极性反向短路；高温降额不足失效；

 

      有机薄膜电容器—热冲击失效；寄生电感过大影响高频电路功能实现；

 

      MLCC（2类）—SMT工艺不当导致断裂或绝缘失效；Y5V温度特性不佳导致电路故障；

 

      MLCC（1类）—RF设计选型匹配。

 

 

PCBA受力弯曲示意图

 

      引起MLCC失效的原因多种多样，各种MLCC的材料、结构、制造工艺、性能和使用环境不相同，失效机理也不一样。

 

      通过对过往失效样品分析可知，常见的失效机理有：内部分层、介质缺陷、金属离子迁移、介电老化等。同一失效模式有多种失效机理，同一失效机理可产生多种失效模式，两者并非一一对应的。

 

 

MLCC断裂

 

      随着技术的不断发展，贴片电容MLCC现在已可以做到几百层甚至上千层了，每层是微米级的厚度。所以稍微有点形变就容易使其产生裂纹。另外同样材质、尺寸和耐压下的贴片电容MLCC，容量越高，层数就越多，每层也越薄，于是越容易断裂。

 

 

      另外一个方面是，相同材质、容量和耐压时，尺寸小的电容要求每层介质更薄，导致更容易断裂。裂纹的危害是漏电，严重时引起内部层间错位短路等安全问题。而且裂纹有一个很麻烦的问题是，有时比较隐蔽，在电子设备出厂检验时可能发现不了，到了客户端才正式暴露出来。所以防止贴片电容MLCC产生裂纹意义重大。

 

关于MLCC失效原因分析及改善措施

 

      在产品正常使用情况下，失效的根本原因是MLCC 外部或内部存在如开裂、孔洞、分层等各种微观缺陷。这些缺陷直接影响到MLCC产品的电性能、可靠性，给产品质量带来严重的隐患。

 

外部因素：裂纹

 

1.温度冲击裂纹(Thermal Crack)

 

      主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。 

 

 

      当贴片电容MLCC受到温度冲击时，容易从焊端开始产生裂纹。在这点上，小尺寸电容比大尺寸电容相对来说会好一点，其原理就是大尺寸的电容导热没这么快到达整个电容，于是电容本体的不同点的温差大，所以膨胀大小不同，从而产生应力。这个道理和倒入开水时厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一样。

 

      另外，在贴片电容MLCC焊接过后的冷却过程中，贴片电容MLCC和PCB的膨胀系数不同，于是产生应力，导致裂纹。要避免这个问题，回流焊时需要有良好的焊接温度曲线。如果不用回流焊而用波峰焊，那么这种失效会大大增加。

 

      MLCC更是要避免用烙铁手工焊接的工艺。然而事情总是没有那么理想。烙铁手工焊接有时也不可避免。比如说，对于PCB外发加工的电子厂家，有的产品量特少，贴片外协厂家不愿意接这种单时，只能手工焊接；样品生产时，一般也是手工焊接；特殊情况返工或补焊时，必须手工焊接；修理工修理电容时，也是手工焊接。无法避免地要手工焊接MLCC时，就要非常重视焊接工艺。

 

2. 机械应力裂纹(Flex Crack)

 

      MLCC多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲形变的操作都可能导致器件开裂。

 

 

      常见应力源有：贴片对中，工艺过程中电路板操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件插入；电路测试、PCBA板分割(v-cut or 铣刀分板)；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端，沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。

 

 

（1）产生机械应力因素：

 

      ①测试探针导致PCB 弯曲；

 

      ②超过PCB 的弯曲度及对PCB 的破裂式冲击；

 

可采用的应对措施 ：

 

 

      ③吸嘴贴装（贴装吸嘴下压压力过大及下压距离过深）及定中爪固定造成冲击；

 

      产品在电路板贴装时，不应该受到过大的冲击，必须定期对吸头和定位爪进行检查、维修和更换。

 

 

 

      ④过多焊锡量（如一端共用焊盘）。

 

      ⑤手工焊接环节：焊接过程烙铁头或防静电镊子按压器件本体、器件两端头焊锡量过多或不均匀，可造成开裂，如下图。

 

 

      ⑥印制板清洗环节：手工清洗用力过大、清洗方法错误或清洗刷头过硬，可造成开裂；若器件在前工序已造成了内部裂纹存在，则MLCC在清洗工序中可能造成电极和陶瓷本体脱落的现象。

 

 

（2）机械应力裂纹产生原理：

 

      MLCC 的陶瓷体是一种脆性材料。如果PCB 板受到弯曲时，它会受到一定的机械应力冲击。当应力超过MLCC 的瓷体强度时，弯曲裂纹就会出现。因此，这种弯曲造成的裂纹只出现在焊接之后。

 

      ①PCB 板弯曲时在不同位置受到的应力大小不同：元件装配接近PCBA分板点；

 

 

      应力大小对比：1＞2≈3＞4＞5

 

 

可采用的应对措施 ：

 

 

      ②PCB 板弯曲导致的开裂（产品摆放方向）：开裂产生于产品接近或者垂直于分板线；

 

 

      ③焊锡量过多引起PCB 板弯曲导致开裂：过多的焊锡量。

 

 

内部因素：空洞、裂纹、分层

 

1.陶瓷介质内空洞 (Voids)

 

      导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。

 

2.烧结裂纹 (Firing Crack)

 

      烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。主要原因与烧结过程中的冷却速度有关，裂纹和危害与空洞相仿。 

 

3.分层 (Delamination)

 

      多层陶瓷电容器（MLCC）的烧结为多层材料堆叠共烧。烧结温度可以高达1000℃以上。层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿，为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。

 

 MLCC失效的检测方法

 

      对于外部缺陷，通常采用显微镜下人工目测法或自动外观分选设备。而内部微小缺陷一直是MLCC检测的难点之一，它严重影响到产品的可靠性，却又难以发现。超声波探伤方法能够更精确地检测出MLCC内部的缺陷，从而分选出不良品，提高MLCC的击穿电压与高压可靠性。

 

关于超声波探伤仪

 

      利用超声波的穿透与反射(表面波和底波)的特性来检测物体中的缺陷。采用超声波探伤仪能准确地找出有缺陷的MLCC 产内部微缺陷，并且能够确定缺陷的位置，进一步的磨片分析，对于发现有内部缺陷的产品则采用整批报废处理，表明了超声波探伤方法在MLCC内部缺陷的检测、判定上的有效性与可靠性。

 

 

      正常样品：样品扫描照片整体颜色为绿黄色，表示样品本体显示正常。部分样品边缘出现红蓝色，是由于样品边缘表面高度不均匀造成，属于正常现象。

 

      异常样品：样品本体颜色会出现红蓝色，则会再次对可疑样品进行扫描确认。

 

 

超声波扫描后的样品成像

 

其他元器件及IC产品失效分析

 

      不止MLCC失效分析，还可以对其他电子元器件及IC产品进行失效分析。电子元器件失效分析对产品的生产和使用都具有重要的意义，通过分析工艺废次品、早期失效、试验失效、中试失效以及现场失效的样品，确认失效模式、分析失效机理，明确失效原因，最终给出预防对策，减少或避免失效的再次发生。

 

常见的IC失效模式

 

      失效模式：静电损伤、金属电迁移、芯片粘结失效、过电应力损失、金属疲劳、热应力、电迁移失效、物理损伤失效、塑料封装失效、引线键合失效。

 

失效检测分析方法

 

1.电特性测试：

 

      通常应用于失效分析初步阶段，目的是通过掌握样品电参数或功能失效状况，方便为进一步分析作准备。

 

2.观察量测：

 

      通过观察IC外部/内部外观&结构，确认IC异常位置及具体状况。该类测试一般与DPA(即破坏性物理分析)结合使用。

 

3.DPA破坏性测试：

 

      通过液体侵蚀、机械破坏、激光切割等破坏方式，对IC内部具体失效位置进行定位及呈现。

 

4.可靠度测试：

 

      是通过使用各种环境试验设备，模拟气候环境中的高温、低温、高温高湿以及温度变化等情况，验证IC寿命及性能稳定性。

 

结论：

 

      MLCC属于新型电子元器件，是电子信息产品不可或缺的基本组件之一；它在各类军用、民用电子产品的多种电路中被广泛应用。

 

      因此，MLCC的装焊质量控制显得尤为重要，所以产品的可靠性不仅是设计出来的，也是生产出来的，而检验只能验证产品的可靠性，不能提高产品的可靠性；从产品设计、生产工艺、过程管控三管齐下，才是实现高可靠MLCC装焊的三个基本途径。