元器件可靠性失效分析系列-MLCC（第一篇）

1、前言

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）片式多层陶瓷电容器，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。

 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。

2、MLCC正常使用失效原因分析

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。

2.1 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，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。机械应力裂纹有两种主要形式：冲击裂纹和弯曲裂纹。冲击裂纹发生在PCB上面component placement的时候。弯曲裂纹主要发生在bending和board flexure。如何区别冲击裂纹和弯曲裂纹？通常冲击裂纹出现在元件表面，通常在电容器中心或附近出现变色的圆形或半月形裂纹。

典型冲击裂纹

当后续加工的附加应力施加到元件上时，这些小裂纹可能演变成更大的裂纹，包括PCB弯曲引起的应力。弯曲裂纹一般起源于器件上下金属化端，用cross-section观察会发现沿Y crack 或者45°crack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。

典型弯曲裂纹

MLCC的陶瓷体不会随板弯曲，因此会受到拉伸应力，见下图。陶瓷材料压缩性强，但拉伸性弱。当拉力大于固有材料强度时，就会出现裂纹

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。

① 产生机械应力因素：

a 测试探针导致PCB 弯曲；

b 超过PCB 的弯曲度及对PCB 的破裂式冲击；

c 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；

d 过多焊锡量（如一端共用焊盘）；
       e 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；

f 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。

a PCB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；

b PCB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；
      c 焊锡量过多引起PCB 板弯曲导致开裂：过多的焊锡量。

2.2 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。