片式多层瓷介电容器（MLCC）除有电容器“隔直通交”的通性特点外，还有体积小、比容大、寿命长、可靠性高和适合表面安装等特点。随着电子行业的飞速发展，作为电子行业的基础元件，片式多层磁介电容器也以惊人的速度向前发展，每年以10%~15%的速度递增。

    毫不夸张地说，MLCC是电子大米，不可或缺。当MLCC失效时会导致整个电子系统出现故障，因此本文将MLCC的选型和失效分析做一个简单的科普介绍。

    MLCC结构主要包括三大部分:陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。而片式多层瓷介电容器它是一个多层叠合的结构，简单地说它是由多个简单平行板电容器的并联体，结构示意图如下所示。

    MLCC大致可分为I类（低电容率系列）和II类（高电容率系列）两类，根据温度特性还可以进一步细分，温度特性由EIA规格与JIS规格等制定。

    I类MLCC长处是由温度引起的容量变化小，短处是因电容率低不能具有太大容量，因此I类常用于温度补偿、高频电路和滤波器电路等；II类MLCC长处是因电容率高能够具有大容量，短处是由温度引起的容量变化大，因此II类常用于平滑电路、耦合电路和去耦电路等。

    MLCC的关键参数为电容值、容差、耐压、绝缘电阻和相关特性曲线等，其中设计人员比较关注电容值、容差、耐压和绝缘电阻这几个参数，但是也要充分考虑MLCC在不同工作温度的容量变化率和DC-Bias效应导致的容量下降问题。

1）电容值：即静电容量，MLCC发展方向是小型化、大容量。

2）容差：在特定条件下测试的容值允许偏差范围，通常通过测试MLCC实际容值来检查是否满足被检MLCC容差是否符合规格要求。

3）损耗角正切（DF）：MLCC的损耗角正切值(Dissipation Factor)，定义为有功功率与无功功率的比值，DF＝tanδ＝ω·C·ESR。II类MLCC具有很高的介电系数和较大的损耗角正切值。DF是一种材料本征特性，是与介质材料、制造工艺等相关的重要质量参数。

4）耐压：即介质击穿强度，介质强度表征的是介质材料承受高强度电场作用而不被电击穿的能力，通常用伏特/密尔(V/mil)或伏特/厘米(V/cm)表示。

    当外电场强度达到某一临界值时，材料晶体点阵中的电子克服电荷恢复力的束缚并出现场致电子发射，产生出足够多的自由电子相互碰撞导致雪崩效应，进而导致突发击穿电流击穿介质，使其失效。

    除此之外，介质失效还有另一种模式，高压负荷下产生的热量会使介质材料的电阻率降低到某一程度，如果在这个程度上延续足够长的时间，将会在介质最薄弱的部位上产生漏电流，这种模式与温度密切相关，介质强度随温度提高而下降。

    任何绝缘体的本征介质强度都会因为材料微结构中物理缺陷的存在而出现下降，由于材料体积增大会导致缺陷随机出現的概率增大，因此介质强度反比于介质层厚度；类似地，介质强度反比于MLCC内部电极层数和其物理尺寸。基于以上考虑，需对MLCC进行耐压测试(一般为其工作电压的2.5倍)检查其耐压性能，要求被检MLCC不发生击穿失效。

5）绝缘电阻：绝缘电阻表征的是介质材料在直流偏压梯度下抵抗漏电流的能力，对于陶瓷介质来说，理论上其电阻率是无穷大的，但因为材料原子晶体结构中存在杂质和缺陷会导致电荷载流子出现，因此实际上陶瓷介质的电阻率也是有限的，并非无穷大。MLCC的绝缘电阻取决于介质材料配方、工艺过程（烧结）和测量时的温度，同耐压一样，绝缘电阻会随温度的提高而下降。通过在常温测试MLCC的绝缘电阻可以考核其烧结质量。

6）其他参数：除上述参数外，MLCC设计选用时还需参考相关特性曲线，如电压-电容量变化率特性图、阻抗-频率特性图等。在特定条件下，一个合格的MLCC电容值会表现出“失效”的状态，例如，一个10μF，0603，6.3V的电容在-30℃下直流偏置1.8V时测量值可能只有4μF。

    特别重要的，选型除了对规格参数进行确认外，还需要考虑MLCC的质量等级是否与产品质量需求所匹配。传统的MLCC质量等级只有消费级和车规级，但是三星机电因为一些历史故事，因此在消费级和车规级中间增加了工业级的分级。

常见的失效模式主要为短路，导致短路的因素主要有如下几个：

1、制造方面因素

1）介质材料缺陷

    介质内空洞：陶瓷粉料内的有机或无机污染、烧结过程控制不当等会导致介质内空洞产生。空洞会使耐压强度降低，发生过电击穿，与电应力过大导致电极融入形貌相似，还会引起漏电，漏电导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能，形成恶性循环，严重时会使MLCC开裂、爆炸甚至燃烧。

    介质分层：MLCC烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度高（可达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。分层会导致介质击穿引起短路失效，与电应力过大导致电极融入形貌相似。

2）生产工艺缺陷

    电极结瘤：电极结瘤会导致耐压强度降低发生击穿，与电应力过大导致电极融入形貌相似。MLCC烧结时温控失调，有机物挥发速率不均衡，严重时会出现微裂纹。这些微裂纹在短时间内可能不影响电气性能，若未在生产环节检验出来，在运输、加工、使用过程中裂纹可能进一步增大。

2、生产工艺方面因素

    热应力裂纹形成机制：热应力裂纹是由于机械结构不能在短时间内消除因温度急剧变化所带来的机械张力而形成，这种张力是由热膨胀系数、导热性及温度变化率间的差异所造成。热应力产生的裂纹主要分布区域为陶瓷体靠近端电极的两侧，常见表现形式为贯穿陶瓷体的裂纹，有的裂纹与内电极呈现90°。这些裂纹产生后，多数情况下在刚刚使用时整机可正常工作，但使用一段时间后，裂纹内部会不断进入水汽或离子，在外加电压的情况下，致使两个端电极间的绝缘电阻降低而导致电容器失效。

    焊接导致的热应力失效：焊接是MLCC焊盘承受热冲击比较严重的情况，此时会出现焊接导致的热应力失效。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。

3、应用不当因素

    温度过高：MLCC工作环境温度过高时，导致电容值下降、漏电流增大等现象。

    电压过高：MLCC的额定工作电压是在一定条件下得出的，超过额定电压使用会使电容器内部的电场强度增大，导致介质击穿。

    频率过高：当频率过高时，电容器的阻抗会减小，导致电流过大，使电容器发热严重，甚至烧毁。并且高频下电容器的介质损耗也会增大，降低电容器的使用寿命。

    机械应力：MLCC在安装和使用过程中受到机械应力（如振动、冲击等）作用时，可能导致电容器内部的电极断裂、介质破碎等现象。MLCC抵抗弯曲能力比较差，在器件组装过程中（如贴片对中、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、单板分割、电路板安装、电路板定位铆接、螺丝安装等操作）任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。这种裂纹一般起源于器件上下金属化端，沿一定方向扩展。

    湿度和腐蚀性环境：湿度过高可能使电容器内部的介质吸湿，导致电容值下降；腐蚀性环境可能腐蚀电容器内部的电极和介质，使电容器失效。

失效分析流程与方法：

1、电特性测试：使用LCR电桥进行容值和DF值的测试，使用绝缘测试仪测试绝缘耐压，通常MLCC失效样品以短路为主。

2、外观检查：通常进行6面检查，检查是否有明显的异常。

3、故障点粗定位：使用Thermal进行故障点定位，如果没有该步骤直接进入到步骤4也可，但通过故障点粗定位可以大致了解故障点位置，以便清楚的掌握切片观察的位置。

4、制样切片，缺陷观察：本文将介绍最常见的集中典型的故障形貌。

1）“EOS过电形貌”：通常是点失效，会伴随着二次损伤导致分层或者裂纹

案例1：点击穿短路，由点向两侧延伸

案例2：点击穿短路，发热导致发生二次损伤，形成介质分层形貌

    怎么判断是过电压还是物料缺陷导致的“EOS”：对于MLCC来说，发生电击穿除了与电场强度有关外，还与其内部电极的边缘电场畸变有更为直接的关系。在MLCC的内部，电场分布情况见下左图所示。在A、B两点的左侧，邻近的两个金属电极平行相对，是典型的平板电容器结构，内部分布着均匀电场E1；在A、B两点的右侧，上面一层是短电极，金属电极层在A点被陶瓷介质阻断，与相邻外电极CD不相连，下面一层金属长电极与外电极在C点紧密连接，这种长短不齐的结构造成了电场畸变，使之在ABCD区域内为非均匀电场。在陶瓷介质中取两个柱形高斯闭合面，详见下右图。

    两个柱状高斯闭合面一个是在均匀电场内的长方形柱体，另一个是在非均匀电场但与均匀电场交界的梯形柱体。两个柱体的上下底面均与金属电极平行，下底S4、S5取在金属电极层内，上底S1、S2取在陶瓷介质中并靠近金属电极层。设金属电极层内的电荷密度均为σ。

    对于均匀电场内的长方体柱体，在金属下电极层内E=0、D=0（注：D代表电位移矢量），故S5上无通量；侧壁可视作电力管，与电力线平行，也无通量，唯一有通量的是在S1面。则包围在此闭合高斯面内的自由电荷Q1=σ*S5，它分布在短电极下侧的表面上，按照有介质时的高斯定理：

ΦSD1dS=Q1=σ*S5=D1S1 （1）

    式中D1为均匀电场E1中的电位移矢量。

    同理，对于非均匀电场内的梯形柱体，在金属下电极层内E=0、D=0，故S4上无通量；侧壁亦可视作电力管，与电力线平行，也无通量，只有在S2面上有通量，包围在此闭合高斯面内的自由电荷Q2=σ*S4：

ΦSD3dS=Q2=σ*S4 （2）

    式中D3为均匀电场E3中的电位移矢量，当S2中的边长b取足够小，则D3可近似为均匀，同时考虑到D3与S2的外法线方向存在夹角θ，则有：

ΦSD3dS=D3S2cosθ=Q2=σ*S4  （3）

    如令S4=S5，由于金属电极内的电荷密度σ处处相等，则Q1=Q2，则有：

D1S1= D3S2cosθ （4）

    根据电位移矢量公式D=εE，则有：

E1S1= E3S2cosθ→S1/S2= E3*cosθ/E1= E2/E1 （5） 

    因为b足够小，S2很小，因此S1/S2>>1，可得出E2>>E1。说明在A点的电场强度E2远大于均匀电场E1。上述分析仅针对下电极BC段，其实外电极CD段的E4对E2方向上的电场强度也有贡献，所以A点的实际电场强度比所分析的E2还要强。

    所以，如果是过电压导致的失效，故障点基本上是发生在A点，故障复现验证结果可以佐证，详见下图。

注：通过此理论，可以对故障可能原因进行一个初步的判断。

2）机械应力导致的失效形貌

案例1：最常见的MLCC机械应力失效，通常为典型的45°裂纹。

案例2：撞件导致MLCC失效。