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嘉峪檢測網 2021-10-27 22:59
多層陶瓷電容器（Multi-Layer Ceramic Capacitors，MLCC）常見的失效模式與常見故障匯總分類 ：
介質擊穿、開路、電參數變化（電容量超差、損耗角正切值增大、絕緣電阻下降或漏電流上升等）、引線腐蝕或斷裂、絕緣子破裂或表面飛弧等。
鉭電解電容器—電壓過載擊穿燒毀；浪涌電壓沖擊漏電流增大；極性反向短路；高溫降額不足失效；
鋁電解電容器—漏電流增大擊穿；極性反向短路；高溫降額不足失效；
有機薄膜電容器—熱沖擊失效；寄生電感過大影響高頻電路功能實現；
MLCC（2類）—SMT工藝不當導致斷裂或絕緣失效；Y5V溫度特性不佳導致電路故障；
MLCC（1類）—RF設計選型匹配。
PCBA受力彎曲示意圖
引起MLCC失效的原因多種多樣，各種MLCC的材料、結構、制造工藝、性能和使用環境不相同，失效機理也不一樣。
通過對過往失效樣品分析可知，常見的失效機理有：內部分層、介質缺陷、金屬離子遷移、介電老化等。同一失效模式有多種失效機理，同一失效機理可產生多種失效模式，兩者并非一一對應的。
MLCC斷裂
隨著技術的不斷發展，貼片電容MLCC現在已可以做到幾百層甚至上千層了，每層是微米級的厚度。所以稍微有點形變就容易使其產生裂紋。另外同樣材質、尺寸和耐壓下的貼片電容MLCC，容量越高，層數就越多，每層也越薄，于是越容易斷裂。
另外一個方面是，相同材質、容量和耐壓時，尺寸小的電容要求每層介質更薄，導致更容易斷裂。裂紋的危害是漏電，嚴重時引起內部層間錯位短路等安全問題。而且裂紋有一個很麻煩的問題是，有時比較隱蔽，在電子設備出廠檢驗時可能發現不了，到了客戶端才正式暴露出來。所以防止貼片電容MLCC產生裂紋意義重大。
關于MLCC失效原因分析及改善措施
在產品正常使用情況下，失效的根本原因是MLCC 外部或內部存在如開裂、孔洞、分層等各種微觀缺陷。這些缺陷直接影響到MLCC產品的電性能、可靠性，給產品質量帶來嚴重的隱患。
外部因素：裂紋
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承受溫度沖擊所致，不當返修也是導致溫度沖擊裂紋的重要原因。
當貼片電容MLCC受到溫度沖擊時，容易從焊端開始產生裂紋。在這點上，小尺寸電容比大尺寸電容相對來說會好一點，其原理就是大尺寸的電容導熱沒這么快到達整個電容，于是電容本體的不同點的溫差大，所以膨脹大小不同，從而產生應力。這個道理和倒入開水時厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一樣。
另外，在貼片電容MLCC焊接過后的冷卻過程中，貼片電容MLCC和PCB的膨脹系數不同，于是產生應力，導致裂紋。要避免這個問題，回流焊時需要有良好的焊接溫度曲線。如果不用回流焊而用波峰焊，那么這種失效會大大增加。
MLCC更是要避免用烙鐵手工焊接的工藝。然而事情總是沒有那么理想。烙鐵手工焊接有時也不可避免。比如說，對于PCB外發加工的電子廠家，有的產品量特少，貼片外協廠家不愿意接這種單時，只能手工焊接；樣品生產時，一般也是手工焊接；特殊情況返工或補焊時，必須手工焊接；修理工修理電容時，也是手工焊接。無法避免地要手工焊接MLCC時，就要非常重視焊接工藝。
2. 機械應力裂紋(Flex Crack)
MLCC多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應力，但抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產生彎曲形變的操作都可能導致器件開裂。
常見應力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操作；流轉過程中的人、設備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、PCBA板分割(v-cut or 銑刀分板)；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℃角向器件內部擴展。該類缺陷也是實際發生最多的一種類型缺陷。
（1）產生機械應力因素：
①測試探針導致PCB 彎曲；
②超過PCB 的彎曲度及對PCB 的破裂式沖擊；
可采用的應對措施 ：
③吸嘴貼裝（貼裝吸嘴下壓壓力過大及下壓距離過深）及定中爪固定造成沖擊；
產品在電路板貼裝時，不應該受到過大的沖擊，必須定期對吸頭和定位爪進行檢查、維修和更換。
④過多焊錫量（如一端共用焊盤）。
⑤手工焊接環節：焊接過程烙鐵頭或防靜電鑷子按壓器件本體、器件兩端頭焊錫量過多或不均勻，可造成開裂，如下圖。
⑥印制板清洗環節：手工清洗用力過大、清洗方法錯誤或清洗刷頭過硬，可造成開裂；若器件在前工序已造成了內部裂紋存在，則MLCC在清洗工序中可能造成電極和陶瓷本體脫落的現象。
（2）機械應力裂紋產生原理：
MLCC 的陶瓷體是一種脆性材料。如果PCB 板受到彎曲時，它會受到一定的機械應力沖擊。當應力超過MLCC 的瓷體強度時，彎曲裂紋就會出現。因此，這種彎曲造成的裂紋只出現在焊接之后。
①PCB 板彎曲時在不同位置受到的應力大小不同：元件裝配接近PCBA分板點；
應力大小對比：1＞2≈3＞4＞5
可采用的應對措施 ：
②PCB 板彎曲導致的開裂（產品擺放方向）：開裂產生于產品接近或者垂直于分板線；
③焊錫量過多引起PCB 板彎曲導致開裂：過多的焊錫量。
內部因素：空洞、裂紋、分層
1.陶瓷介質內空洞 (Voids)
導致空洞產生的主要因素為陶瓷粉料內的有機或無機污染，燒結過程控制不當等。空洞的產生極易導致漏電，而漏電又導致器件內部局部發熱，進一步降低陶瓷介質的絕緣性能從而導致漏電增加。該過程循環發生，不斷惡化，嚴重時導致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。
2.燒結裂紋 (Firing Crack)
燒結裂紋常起源于一端電極，沿垂直方向擴展。主要原因與燒結過程中的冷卻速度有關，裂紋和危害與空洞相仿。
3.分層 (Delamination)
多層陶瓷電容器（MLCC）的燒結為多層材料堆疊共燒。燒結溫度可以高達1000℃以上。層間結合力不強，燒結過程中內部污染物揮發，燒結工藝控制不當都可能導致分層的發生。分層和空洞、裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內在缺陷。
MLCC失效的檢測方法
對于外部缺陷，通常采用顯微鏡下人工目測法或自動外觀分選設備。而內部微小缺陷一直是MLCC檢測的難點之一，它嚴重影響到產品的可靠性，卻又難以發現。超聲波探傷方法能夠更精確地檢測出MLCC內部的缺陷，從而分選出不良品，提高MLCC的擊穿電壓與高壓可靠性。
關于超聲波探傷儀
利用超聲波的穿透與反射(表面波和底波)的特性來檢測物體中的缺陷。采用超聲波探傷儀能準確地找出有缺陷的MLCC 產內部微缺陷，并且能夠確定缺陷的位置，進一步的磨片分析，對于發現有內部缺陷的產品則采用整批報廢處理，表明了超聲波探傷方法在MLCC內部缺陷的檢測、判定上的有效性與可靠性。
正常樣品：樣品掃描照片整體顏色為綠黃色，表示樣品本體顯示正常。部分樣品邊緣出現紅藍色，是由于樣品邊緣表面高度不均勻造成，屬于正常現象。
異常樣品：樣品本體顏色會出現紅藍色，則會再次對可疑樣品進行掃描確認。
超聲波掃描后的樣品成像
其他元器件及IC產品失效分析
不止MLCC失效分析，還可以對其他電子元器件及IC產品進行失效分析。電子元器件失效分析對產品的生產和使用都具有重要的意義，通過分析工藝廢次品、早期失效、試驗失效、中試失效以及現場失效的樣品，確認失效模式、分析失效機理，明確失效原因，最終給出預防對策，減少或避免失效的再次發生。
常見的IC失效模式
失效模式：靜電損傷、金屬電遷移、芯片粘結失效、過電應力損失、金屬疲勞、熱應力、電遷移失效、物理損傷失效、塑料封裝失效、引線鍵合失效。
失效檢測分析方法
1.電特性測試：
通常應用于失效分析初步階段，目的是通過掌握樣品電參數或功能失效狀況，方便為進一步分析作準備。
2.觀察量測：
通過觀察IC外部/內部外觀&結構，確認IC異常位置及具體狀況。該類測試一般與DPA(即破壞性物理分析)結合使用。
3.DPA破壞性測試：
通過液體侵蝕、機械破壞、激光切割等破壞方式，對IC內部具體失效位置進行定位及呈現。
4.可靠度測試：
是通過使用各種環境試驗設備，模擬氣候環境中的高溫、低溫、高溫高濕以及溫度變化等情況，驗證IC壽命及性能穩定性。
結論：
MLCC屬于新型電子元器件，是電子信息產品不可或缺的基本組件之一；它在各類軍用、民用電子產品的多種電路中被廣泛應用。
因此，MLCC的裝焊質量控制顯得尤為重要，所以產品的可靠性不僅是設計出來的，也是生產出來的，而檢驗只能驗證產品的可靠性，不能提高產品的可靠性；從產品設計、生產工藝、過程管控三管齊下，才是實現高可靠MLCC裝焊的三個基本途徑。
來源：SMT整線設備技術論壇
