MLCC的質(zhì)量控制與失效分析
前言
無源元件(passive component) 在電子產(chǎn)品中占有十分重要的地位。雖然很多無源元件在整個(gè)電子產(chǎn)品中所占的物料價(jià)值并不高，但任何一個(gè)微不足道的元器件的失效都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。一般電子產(chǎn)品中有源元器件(IC)和無源元件的比例約為1：10-20。從該數(shù)據(jù)可以看出無源元件質(zhì)量控制的重要性。
無源元件的類型很多，多層陶瓷電容器(MLCC)是其中最重要，也是用量最大的產(chǎn)品之一。MLCC的典型結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體一般為Ag或AgPd，陶瓷介質(zhì)一般為(SrBa)TiO3， 多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過高溫?zé)Y(jié)而成。器件端頭鍍層一般為燒結(jié)Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(以阻擋內(nèi)部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn發(fā)生反應(yīng))，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接。近年來，也出現(xiàn)了端頭使用Cu的MLCC產(chǎn)品。
根據(jù)MLCC的電容數(shù)值及穩(wěn)定性，MLCC劃分出NP1、COG、 X7R、 Z5U等。根據(jù)MLCC的尺寸大小，可以分為1206，0805，0603，0402，0201等。
MLCC 的常見失效模式
多層陶瓷電容器本身的內(nèi)在可靠性十分優(yōu)良，可以長時(shí)間穩(wěn)定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
陶瓷多層電容器失效的原因分為外部因素和內(nèi)在因素
內(nèi)在因素主要有以下幾種：
1.陶瓷介質(zhì)內(nèi)空洞 (Voids)
導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無機(jī)污染，燒結(jié)過程控制不當(dāng)?shù)？斩吹漠a(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，而漏電又導(dǎo)致器件內(nèi)部局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴(yán)重后果。
2.燒結(jié)裂紋 (firing crack)
燒結(jié)裂紋常起源于一端電極，沿垂直方向擴(kuò)展。主要原因與燒結(jié)過程中的冷卻速度有關(guān)，裂紋和危害與空洞相仿。
3.分層 (delamination)
多層陶瓷電容器的燒結(jié)為多層材料堆疊共燒。燒結(jié)溫度可以高達(dá)1000℃以上。層間結(jié)合力不強(qiáng)，燒結(jié)過程中內(nèi)部污染物揮發(fā)，燒結(jié)工藝控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致分層的發(fā)生。分層和空洞、裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內(nèi)在缺陷。
外部因素主要為：
1.溫度沖擊裂紋(thermal crack)
主要由于器件在焊接特別是波峰焊時(shí)承受溫度沖擊所致，不當(dāng)返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重要原因。
2.機(jī)械應(yīng)力裂紋(flex crack)
多層陶瓷電容器的特點(diǎn)是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45℃角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。該類缺陷也是實(shí)際發(fā)生最多的一種類型缺陷。
MLCC器件的失效分析方法
掃描超聲分析:
掃描超聲方法是分析多層陶瓷電容器的最重要的無損檢測方法。可以十分有效地探測空洞、分層和水平裂紋。由于超聲的分析原理主要是平面反射，因而對垂直裂紋如絕大多數(shù)的燒結(jié)裂紋、垂直分量較大的彎曲裂紋的分辨能力不強(qiáng)。同時(shí)一般多層陶瓷電容器的檢測需要較高的超聲頻率。圖2為典型的空洞和分層的掃描超聲檢測結(jié)果。
甲醇檢漏法:
對于嚴(yán)重的分層或開裂，可以使用甲醇檢漏法，即將失效器件浸入甲醇溶液中。由于甲醇為極性分子，且具有很強(qiáng)的滲透力，因而可以通過毛細(xì)管作用滲透進(jìn)入嚴(yán)重分層或開裂部位。加電后產(chǎn)生很大的漏電流，從而可幫助診斷。
金相剖面法:
金相剖面既是最經(jīng)典，同時(shí)也是最有效的陶瓷電容器的失效分析方法。其優(yōu)點(diǎn)是通過剖面及相應(yīng)的光學(xué)或掃描電子顯微鏡檢測，可以得到失效部位的成分、形貌等精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而幫助失效機(jī)理的分析。但其缺點(diǎn)是制備比較復(fù)雜，對制備技術(shù)要求比較高，同時(shí)為破壞性檢測手段。圖3－5 為金相剖面分析多層陶瓷電容器的失效的典型案例。
多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制
多層陶瓷電容器的特點(diǎn)是在沒有內(nèi)在缺陷并且組裝過程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性優(yōu)越。但是如果存在缺陷，則無論是內(nèi)在的還是外在的都可能對器件可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)組裝后的陶瓷電容器潛在缺陷很難通過無損、在線檢測等發(fā)現(xiàn)，因而多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制主要必須通過預(yù)防性措施解決。常見預(yù)防措施包括：
1.對供應(yīng)商進(jìn)行認(rèn)真選擇、對其產(chǎn)品進(jìn)行定期抽樣檢測等。
2.對組裝工藝中所有可能導(dǎo)致熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的操作進(jìn)行認(rèn)真的分析及有效的控制。
考慮到多層陶瓷電容器的特點(diǎn)，對器件進(jìn)行的檢測可以主要包括：
1.結(jié)構(gòu)分析: 即采用金相剖面手段抽檢樣品？梢詫ζ骷a(chǎn)生的制造水平，內(nèi)在缺陷等有一全面了解。
2.掃描超聲分析 : 可以十分有效地探測空洞、分層、水平裂紋等缺陷耐溫度試驗(yàn)考察高溫及溫度沖擊可能帶來的器件開裂、Ag/Pd層外露等缺陷。彎曲試驗(yàn): 按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將器件組裝在規(guī)定的印刷電路板上，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，以考察器件抗彎曲能力。當(dāng)然陶瓷電容器還有很多其它檢測指標(biāo)，可根據(jù)具體情況增加或減少檢查項(xiàng)目，以達(dá)到用最低的成本達(dá)到最有效的控制。
組裝工藝中主要考察及控制項(xiàng)目：
1.回流或波峰焊溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關(guān)的建議曲線。通過組裝良品率的積累和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。
2.在組裝工藝中印刷線路板操作和流轉(zhuǎn)過程中特別是手工插件、鉚釘連接、手工切割等工藝需要特別加以注意。必要時(shí)甚至需要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工藝過程中可能產(chǎn)生較大機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域。
3.檢查組裝過程中的電檢測 ICT工藝，必須注意盡量減小測試點(diǎn)機(jī)械接觸所帶來的機(jī)械應(yīng)力。
4.返修工藝中溫度曲線的設(shè)置。如使用烙鐵返修，則焊頭接觸焊點(diǎn)的位置、時(shí)間等都必須加以規(guī)范。
多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制為一系統(tǒng)工程，首先必須對實(shí)際生產(chǎn)中的失效樣品進(jìn)行分析以確定失效的根本原因，在此基礎(chǔ)上逐步提出改進(jìn)措施并最終達(dá)到最優(yōu)化的控制。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
