多層陶瓷電容器應(yīng)用與可靠性研究

彭 浩，席善斌，裴 選，高兆豐,黃 杰（1. 中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051； 2. 國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050051）

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多層陶瓷電容器應(yīng)用與可靠性研究

彭 浩1,2，席善斌1,2，裴 選1,2，高兆豐1,2,黃 杰1,2
（1. 中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051； 2. 國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，石家莊 050051）

摘要：多層陶瓷電容器（MLCC）在使用過程中電參數(shù)會發(fā)生不同程度的退化甚至超差失效，降低了其可靠性。引起失效的原因可分為損耗性失效、過應(yīng)力失效、內(nèi)部缺陷失效以及外部缺陷失效四類。基于日常失效分析工作中遇到的多層陶瓷電容器失效問題，結(jié)合國內(nèi)外文獻調(diào)研資料，首先對多層陶瓷電容器制造工藝進行了分析，然后對燒結(jié)裂紋、分層及空洞三種內(nèi)在缺陷以及使用過程中外部應(yīng)力引起的裝配裂紋、熱應(yīng)力裂紋、彎曲裂紋、銀遷移等失效模式及其相應(yīng)的微觀失效機理展開了深入討論，最后對上述失效提出了相應(yīng)建議和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：多層陶瓷電容器；制造工藝；失效分析；微觀機理

引言

電容器是一種儲能元件，是電子設(shè)備中使用最廣、用量最大的電子元件，其產(chǎn)量約占電子元件總量的40 %，廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換和控制電路等方面。其中多層陶瓷電容器（MLCC，Multilayer Ceramic Capacitor）是電容家族中最為重要的一員，是當(dāng)前最為廣泛使用的無源器件之一，2008年，陶瓷電容器在整個電容市場中就占據(jù)90 %的產(chǎn)額和40 %的產(chǎn)值[1]。因此，了解多層陶瓷電容器基本制造工藝，常見的失效模式和失效機理，對于電容器的正確使用及失效預(yù)防具有重要的意義。本文基于日常失效分析工作中遇到的多層陶瓷電容器失效問題，結(jié)合國內(nèi)外文獻調(diào)研資料，對多層陶瓷電容器制造工藝、失效模式及失效機理深入開展了討論與分析，對常見失效提出了相應(yīng)的改善方案和預(yù)防措施。

1 MLCC制造工藝

商用MLCC主要采用多層共燒技術(shù)，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一個由多層平行的陶瓷介電層堆疊所形成的電容器，介電層的上下表面形成電容器的兩個極性相反的內(nèi)電極層。高性能的陶瓷電容器一般選擇貴金屬Ag-Pd作為內(nèi)電極材料，端電極相應(yīng)選擇Ag、Ni、Sn分別作為內(nèi)層、阻擋層和外層電極，也可以選擇金屬Ni作為內(nèi)電極材料，端電極的內(nèi)層、阻擋層和外層電極則依次為Cu、Ni、Sn[2-5]。大的電極面積、薄的介電層以及高的介電常數(shù)的組合，使得電容器具有非常高的電容值。

多層陶瓷電容器始于上世紀(jì)60年代，并在20世紀(jì)80年代得到大力推廣、廣泛使用。雖然概念簡單，但集成了流延、絲網(wǎng)印刷和共燒陶瓷電介質(zhì)和金屬電極等技術(shù)的制造過程卻具有很大的挑戰(zhàn)性。MLCC基本制造工藝如圖2所示，首先將陶瓷粉末混合溶劑、分散劑、黏合劑和增塑劑，形成均勻的、懸濁液形態(tài)的陶瓷漿料；然后通過流延、載膜工藝形成一層均勻的漿料薄層，通過熱風(fēng)區(qū)干燥后（將漿料中絕大部分溶劑揮發(fā)）可得到致密、厚度均勻并具有足夠強度的陶瓷膜片，膜片厚度一般在10-30μm之間；根據(jù)工藝要求，將設(shè)計的電極圖形借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷到陶瓷膜片上；在疊壓、層壓過程中，印刷的膜片需一層層的精確對準(zhǔn)，并使層與層之間更加致密、嚴(yán)實的結(jié)合；在切割形成獨立的電容器生坯后，通過排膠工藝進行高溫烘烤，以去除芯片中的粘合劑等有機物質(zhì)；隨后，陶瓷電容器燒結(jié)強化使膜片間致密結(jié)合，形成具有高機械強度、優(yōu)良電氣性能的陶瓷體；最后通過端封和燒結(jié)工藝，將同側(cè)內(nèi)部電極連接起來形成端電極；經(jīng)過外觀篩選以及電性能測試后的陶瓷電容器就完成了所有的制造工藝可以編帶入庫了[1]。

圖1　多層陶瓷電容器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　MLCC制造過程示意圖

2 MLCC可靠性

電容器主要的電參數(shù)為電容值、絕緣電阻、擊穿電壓以及損耗角正切值。引起陶瓷電容器上述電參數(shù)超差失效的原因通常為損耗性失效（Wearout Failure）、過應(yīng)力失效（Overstress Failure）、內(nèi)部缺陷（Intrinstic Defects）以及外部缺陷（Extrinsic Defects）引起的失效四類，其中損耗失效是指電容器受到的損傷不斷累積超過其材料所能承受的極限值時產(chǎn)生的失效；過應(yīng)力失效是指單一應(yīng)力作用在電容器上引起的災(zāi)難性失效；由原材料自身缺陷或制造工藝中產(chǎn)生的缺陷引起的失效稱為內(nèi)部缺陷失效；產(chǎn)品制造后受環(huán)境應(yīng)力作用產(chǎn)生的缺陷引起的失效統(tǒng)稱為外部缺陷失效。過應(yīng)力作用在陶瓷電容器上，最終會導(dǎo)致內(nèi)部缺陷或外部缺陷失效，故下文我們針對損耗性失效、內(nèi)部缺陷、外部缺陷引起的失效重點開展討論和分析。

2.1 損耗性失效

引起陶瓷電容器損耗性失效的一個主要失效模式是擊穿失效，擊穿失效是一個應(yīng)力不斷疊加的過程，首先產(chǎn)生漏電的區(qū)域會發(fā)生自加熱效應(yīng)，引起材料的絕緣電阻下降，進而引起漏電流的不斷增加，最終會在兩個相鄰的電極間產(chǎn)生漏電通道。依據(jù)Mogilevsky和Shirn在陶瓷電容器加速壽命試驗一文中提出的公式：

式中，t為時間，V為電壓值，T為溫度（K），Ea為激活能（～1.3 eV），KB為波爾茲曼常數(shù)（8.62×10-5eV/ K）[6,7]。對額定電壓50 V的陶瓷電容器來說，在200 V電壓值、200 ℃工作溫度下產(chǎn)生1 %失效率的時間（t1%）大約為10 h，依據(jù)此實驗結(jié)果可求得電容器工作在25 V電壓值、25 ℃工作溫度下，產(chǎn)生相同比例失效所需要的時間則長達100年左右。如果采用Rawal和Krishnamani等人研究中獲得的激活能（1.8～1.9 eV）來計算的話，電容器使用壽命則可長達350～700年。另外，由于廣泛采用“降額使用”（電容器工作電壓限制在其極限電壓的50 %以下）措施，多層陶瓷電容器使用中一般不會發(fā)生損耗性失效。

2.2 內(nèi)部缺陷引發(fā)失效

據(jù)統(tǒng)計，在多層陶瓷電容器失效中，絕大多數(shù)都是由于內(nèi)部或外部缺陷引起的。內(nèi)部缺陷也即在制造過程中引入的缺陷，一般表現(xiàn)為三種形式：燒結(jié)裂紋、分層和空洞。

1）燒結(jié)裂紋（Firing Cracks）：由燒結(jié)裂紋導(dǎo)致電容器失效的典型形貌如圖3所示，燒結(jié)裂紋通常起源于電容器的電極邊緣位置，且延展路徑一般垂直于電容器內(nèi)電極層。燒結(jié)裂紋主要是由于在電容器制造過程中溫度快速下降所導(dǎo)致的。

2）分層（Delamination）：電容器內(nèi)部分層位置不固定，但其延展方向均平行于電容器內(nèi)電極層，典型形貌如圖4所示，分層失效一般發(fā)生在制造過程的層壓和疊壓工藝步驟之后，電容器分層后通常會形成明顯的裂縫，且延展面相對比較粗糙。

圖3　陶瓷電容燒結(jié)裂紋失效形貌

圖4　陶瓷電容分層失效形貌

圖5　陶瓷電容空洞失效形貌

引起電容器分層的主要原因是制造過程中層壓或燒結(jié)工藝不當(dāng)。陶瓷漿料有雜質(zhì)或制備過程中混入空氣，陶瓷膜片間粘接力度不夠或存在分層以及內(nèi)部材料高溫下升華均會導(dǎo)致電容器內(nèi)部產(chǎn)生分層失效。

3）空洞（Voiding）：電容器內(nèi)部典型空洞形貌如圖5所示，貫穿兩層或多層內(nèi)電極的小型空洞會在電容器內(nèi)部形成一個短路漏電通道，雖然不會影響電容值，但卻成為潛在的電學(xué)缺陷；較大的空洞則會直接導(dǎo)致電容器容值的下降。導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的原因主要為制備陶瓷漿料的陶瓷粉受到污染，這種污染即可能是有機材料受到污染也可能是無機材料受到了污染，非優(yōu)化的排膠工藝也會導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。

含有內(nèi)部缺陷的電容器很難通過外觀檢查或X射線檢查進行排查，但是借助聲學(xué)掃描顯微鏡可快捷、有效地篩選出內(nèi)部含有空洞或分層的電容器。聲學(xué)掃描獲得的失效電容器典型形貌如圖6所示，由于超聲檢測為無損檢測項目，故生產(chǎn)廠家多對電容器全部進行超聲檢測以剔除內(nèi)部存在缺陷的電容器。

2.3 外部缺陷引發(fā)失效

外部缺陷引起的失效主要包括裝配裂紋、熱應(yīng)力裂紋、彎曲裂紋、銀遷移等。

1）裝配裂紋（Handing Cracks）：裝配裂紋一般發(fā)生在電容器夾持和裝配過程中，典型形貌如圖7所示。元件取放機造成陶瓷電容器開裂是由定中爪和真空吸頭所引起的。上部定中爪引起的表面破裂，一般會起自或結(jié)束于端電極與陶瓷交界處，且這種裂紋一般不會超過陶瓷電容器長度的1/3或1/2；由真空吸頭導(dǎo)致的損壞或破裂，一般會出現(xiàn)在電容器與電路板的交界部分，并可能延展到電容器的另一面，且其粗糙的裂痕可能令電容器的底部破損。

2）熱應(yīng)力裂紋（Thermal Cracks）：熱應(yīng)力裂紋一般是由于波峰焊、回流焊以及清潔等工藝過程中溫度變化過快造成的，這種裂紋一般肉眼很難觀察到，惡劣情況下也可形成圖8所示的微裂紋。裂紋會從結(jié)構(gòu)最薄弱或機械張力最集中處開始，一般位于端電極和中間陶瓷介質(zhì)的交界處。產(chǎn)生最大機械張力的地方，一般是在電容器的四角，但開裂的部位通常起源于電容器最脆弱的部位。

陶瓷電容焊接裝配過程中應(yīng)盡量避免采用波峰焊工藝，這是因為其具有非常快的熱傳輸率和溫度轉(zhuǎn)變率，容易使電容器形成裂紋。另外，電容器在清洗前，務(wù)必確保溫度冷卻至60 ℃以下，以免快速冷卻造成瓷體開裂。選擇體積較小、厚度較薄及具有更高斷裂韌性介質(zhì)材料的電容器，及采用具有較小焊盤（降低熱傳輸率）的PCB板均可有效避免熱應(yīng)力引起電容器的裂紋失效。

3）彎曲裂紋（Flex Cracks）：彎曲裂紋是指陶瓷電容器安裝在PCB板后，由于受到擠壓、拉伸、彎曲等機械應(yīng)力導(dǎo)致瓷體產(chǎn)生裂紋或碎裂的現(xiàn)象。表筆測試電容器焊點施加的壓力、PCB板安裝固定螺母、連接附加卡以及PCB板安裝到夾具上或連接其它板卡都會引起PCB板的形變，產(chǎn)生的應(yīng)力就有一定幾率導(dǎo)致電容器產(chǎn)生裂紋，裂紋形貌如圖9所示。

文獻給出了不同尺寸和厚度的電容器在板彎曲試驗中獲得的裂紋位置及形貌如圖10所示，其中圖（a）至圖（d）依次為小尺寸薄層電容器、小尺寸中等厚度電容器、小尺寸較厚電容器以及較大尺寸電容器裂紋形貌。可見，不同尺寸和厚度的電容器在電路板彎曲試驗后獲得的裂紋位置及形貌均不相同。

圖6　聲掃顯微鏡獲得的MLCC內(nèi)部缺陷形貌

圖7　裝配裂紋失效形貌

圖8　熱應(yīng)力失效形貌

圖9　彎曲裂紋失效形貌

由于小尺寸電容在電路板彎曲時受到的力矩較小，故器件選型時應(yīng)盡量選擇小尺寸且具有較高斷裂韌性的電容器，減小電容器焊盤寬度以增加彎曲半徑，必要時選擇鉭電容代替陶瓷電容器，避免將電容器安裝在電路板邊緣、孔洞及固定螺釘附近等，均可有效避免電容器受機械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋所引起的失效。

4）銀遷移（Silver Migration）：MLCC采用Ag-Pd合金制作內(nèi)電極，端電極由外及內(nèi)依次采用Sn、Ni、Ag三層金屬材料作為外電極、阻擋層和襯底層。在內(nèi)電極與陶瓷介質(zhì)燒結(jié)過程中，Ag-Pd合金中的Ag會參與陶瓷介質(zhì)表面的固相反應(yīng)，在陶瓷介質(zhì)和銀接觸處形成界面層。如果陶瓷介質(zhì)不夠致密，銀離子不僅能夠在陶瓷介質(zhì)表面發(fā)生遷移，而且還能擴散到陶瓷介質(zhì)內(nèi)部，引起相鄰的內(nèi)電極層間漏電流增加，嚴(yán)重時甚至可使其完全短路，導(dǎo)致電容器擊穿失效。采用高致密程度的陶瓷介質(zhì)，盡量減少介質(zhì)內(nèi)部空洞，避免高溫?zé)Y(jié)過程中金屬Ag電極向陶瓷介質(zhì)層的熱擴散現(xiàn)象，使瓷料燒結(jié)致密化，均可有效降低銀遷移失效的發(fā)生[3]。

圖10　電路板彎曲試驗中MLCC典型失效模式

3 結(jié)論

從日常失效分析遇到的MLCC常見失效問題及文獻研究結(jié)果不難看出，MLCC內(nèi)部燒結(jié)裂紋、分層和空洞，以及使用過程中外部應(yīng)力引起的裝配裂紋、熱應(yīng)力裂紋、彎曲裂紋、銀遷移等是導(dǎo)致MLCC 失效的主要因素。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)各類MLCC的特性、考慮產(chǎn)品實際使用性能、應(yīng)力狀況、質(zhì)量等級要求等，在設(shè)計時預(yù)留足夠的安全余量以確保其工作可靠性，結(jié)合降額設(shè)計準(zhǔn)則選擇合適規(guī)格的電容器。選擇優(yōu)質(zhì)的元件供應(yīng)商，必要的話，選擇高可靠性的電容器，優(yōu)化和控制裝配工藝等措施，是提高MLCC可靠性的有效途徑。

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中圖分類號：TN406

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）02-0021-05

作者簡介:

彭浩（1984-），男，河北無極人，工程師，主要從事半導(dǎo)體器件的測試和可靠性研究工作。

Applications and Reliability Study of MLCCs

PENG Hao1,2，XI Shan-bin1,2，PEI Xuan1,2，GAO Zhao-feng1,2，HUANG Jie1,2
(1. The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051; 2. National Semiconductor Device Quality Supervision and Inspection Center, Shijiazhuang 050051)

Abstract：The electrical parameters of multilayer ceramic capacitor (MLCC) will be degraded or become to failure severely in the actual application, so the reliability will be degraded too. The cause of the failure can be divided into four parts: wearout failure, overstress failure, intrinsic defects and extrinsic defects. Based on the failure analysis of multilayer ceramic capacitors and the literatures reported home and domestic for reference, the manufacturing process of multilayer ceramic capacitor is analyzed firstly. Then, the failure mechanism of three kinds of intrinsic defects such as firing crack, delamination and void, as well as the handing cracks, thermal cracks, flex cracks and silver migration caused by extrinsic stress is discussed in detail. Finally, the corresponding suggestions and preventive measures of the failure are put forward.

Key words：MLCC; fabrication process; failure analysis; microcosmic mechanism