宇航用瓷介電容器膜層厚度對可靠性影響的試驗研究

劉富品 呂素果 孫淑英

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宇航用瓷介電容器膜層厚度對可靠性影響的試驗研究

劉富品1呂素果2孫淑英2

（1. 中國航天標準化研究所，北京 100071；2. 北京元六鴻遠電子有限責任公司，北京100073）

瓷介電容器通過減薄介質膜層厚度可以實現小型化、大容量。針對減薄后能否滿足宇航應用可靠性要求，我們開展了試驗研究與驗證，探索了宇航用瓷介電容器介質厚度確定的理論和試驗依據，研究分析了目前材料、制造和控制水平與宇航標準要求的差異，對比了不同介質厚度產品性能和可靠性的差異，試驗驗證了介質厚度與產品性能及可靠性的理論模型。

宇航用瓷介電容器；介質膜厚；可靠性設計；試驗驗證

1 引言

多層瓷介電容器的電容值理論計算如下公式（1）所示，其中代表電容量，代表介電常數，代表介質層數，代表相對面積，代表單層介質厚度。由公式可見，介質層數越多、相對面積越大、介質厚度越薄，電容值越大。在滿足質量可靠性要求的條件下，減薄單層介質厚度，對增大容量具有直接意義，需要通過理論和試驗驗證減薄的極限厚度。

查閱有關瓷介電容器的產品標準發現，GJB 4157A—2011、GJB 6788—2009以及MIL—PRF—49470B/C、MIL—PRF—123D—2005等相關標準，規定了介質厚度的最低要求，相關要求可歸結為：“額定電壓50V時介質厚度不小于20μm；額定電壓大于50V時介質厚度不小于25μm。介質厚度特指燒成后單層陶瓷介質厚度，且要求孔洞或其累積不能超過介質厚度的50%”。

針對國內的材料、設計、工藝水平，國外標準缺少支撐。開展試驗驗證，對比分析、驗證不同介質厚度產品性能和可靠性，探討了修訂宇航用瓷介電容器標準中介質厚度的可能性。

2 可靠性理論模型

NASAS—311—P—838標準中給出了對于介質厚度和可靠性的關系，在NASA哥達德空間中心的研究報告系列中，也給出了相關理論模型[1,2]。對于電容器中每層的可靠性設計，有如下公式（2）：

其中是常數；是失效時間；是失效曲線的斜率；指的是63.2%產品失效時的標尺參數。

當電容器有層時，其可靠性為每一層可靠性的乘積，如下公式（3）：

由上述公式可導出電容器壽命的方程為如下公式（4）：

（4）

—產品預計可靠性；—測量平均晶粒尺寸；—介質膜層厚度；—介質層總層數；

當電容器的介質層很厚時，＞，R→1；隨著介質厚度越來越薄，晶粒尺寸（早期的晶粒缺陷）對產品的影響越來越大，當≈時，此時R→0。

設計相關組合試驗，驗證基于國產設計、材料、工藝水平的瓷介電容器產品可靠性，由此探討介質膜層厚度減薄的可行性。

3 驗證方案設計

設計試驗驗證方案，既需要考慮方案覆蓋性、科學性、有效性，同時也必須兼顧驗證方案的經濟性、可操作性和實用性?？紤]到I類瓷溫度穩定性高，加偏壓條件下容量變化率較小，利于排除驗證干擾因素，因此本次驗證針對國內外宇航通用的普通鈀銀內電極I類瓷介電容產品開展實施。

目前，國內外用于宇航的瓷介電容，從耐壓范圍來分有16V 、25V、50V和100V四種，考慮到高壓產品對耐壓要求更為苛刻，本試驗驗證選擇額定電壓50V和100V兩款產品；同等額定電壓條件下，大尺寸產品有內部缺陷的比例會比小尺寸的高，其可靠性相對降低，本次驗證選用元六鴻遠公司工藝成熟、最大尺寸規格（1812）的電容器，即暴露可靠性缺陷最顯著的樣本。

本次研究內容聚焦于介質厚度與產品可靠性的關系，同樣介質厚度時層數越多則容量越大，如果規定了容值，則需考慮不同介質層數的產品，而介質層數不同對于產品的可靠性會有影響。為排除這一干擾因素，在設計試驗樣品規格時，選取介質層數為定量、容值為變量。結合生產單位情況，選擇工藝最為成熟、具備連續大批量生產的樣品，即設計100V樣品的介質層數為26層，50V樣品的介質層數為42層，容量則隨著介質厚度的變化而變化，不做具體規定。

同時，收集了國內外9家主流供貨廠商的產品樣本，通過制樣和測試，分析得出，市面流通的產品中，50V瓷介電容的介質厚度范圍為12～20μm，100V樣品的介質厚度范圍在16～25μm?？紤]到宇航要求50V額定電壓產品的介質厚度不能低于20μm，驗證樣品驗證范圍確定為：50V樣品介質厚度12～20μm，100V樣品介質厚度21～25μm。介質厚度均為燒結后的單層介質膜的厚度。試驗樣品規格如表1所示。

表1 介質厚度設計表

4 樣品選取及制備

基于上述要求，為排除工藝差異干擾因素，選擇工藝穩定、控制水平一致的同一條生產線來加工試驗樣品。結合生產過程的實際控制精度，并考慮燒成膜片收縮率（60%左右），針對流延膜片厚度做出相應設計。

為保證試驗樣品生產過程中的工藝一致性，本項目樣品投產了9個規格型號，投產時間到全部測量結束時間間隔不超過3個月，以保證生產條件因素的一致性和確定性。具體產品規格、介質厚度、批次見表2。

表2 試驗樣品批次列表

5 考核試樣方案設計

可靠性評估方案，兼顧產品鑒定要求和宇航極限評估要求，試驗項目覆蓋GJB4157A—2011，宇航級極限評估項目包括結構分析、溫度沖擊、電壓步進篩選、溫度步進篩選、穩態壽命等，同時追加了4000h壽命考核，并另外選取參照組開展了加速壽命比對。評估還選取耐焊接熱、抗彎、抗折、擊穿電壓等項目進行極限評估，用于確定產品使用可靠性。綜上，評估試驗方案見表3。

表3 試驗方案

6 驗證試驗結果

本項目的9個規格樣品在試驗過程中，按照GJB4157A—2011進行考核的項目均滿足要求。其中流延膜厚度22μm、燒成后介質厚度14.76μm的電容器在797.1h出現一只失效（4157A壽命試驗允許1只失效）。流延膜厚度25μm、燒成后介質厚度16.98μm的電容器在2UR的壽命試驗中均合格，但在4UR的高加速壽命的851.1h出現一只失效（等效2UR的試驗時間為6808.8h）。對失效樣品進行DPA分析，發現2只樣品均為內部擊穿，推測是由電容器內部存在缺陷，高溫加電條件下導致擊穿。由于擊穿點已經燒熔，無法判斷樣品內部存在什么類型的缺陷。對試驗數據進行整理和分析，得到以下證據：

6.1 抗折強度

隨介質膜厚度改變而發生變化。當介質厚度小于20μm時，隨著膜片厚度的增加，瓷體的抗折強度逐漸降低，當介質厚度大于20μm時，其抗折強度呈較隨機的波動狀態。

6.2 抗彎強度

在彎曲1mm后，所有樣品均合格；彎曲2mm后，合格樣品數量呈相對正態分布，說明在彎曲2mm時，介質厚度對樣品的抗彎性能影響不大；彎曲3mm后，隨著介質厚度的降低，樣品合格數量明顯上升；彎曲4mm后，隨著介質厚度的降低，樣品合格數量也呈上升趨勢；在彎曲5mm后，所有樣品均失效。

6.3 耐焊接熱后容量變化率

溫度越高，焊接后容量變化率越大。對于50V產品，膜片厚度為28μm時，產品容量變化最?。粚τ?00V產品，膜片厚度為40μm，產品容量變化最小。所有產品容量變化均在0.004%～0.016%之間，符合相關標準要求。

6.4 溫度系數

由于Ι類瓷產品加偏壓對溫度系數影響極小，試驗也發現，介質厚度的變化對溫度系數的最大值基本沒有影響，但溫度系數的最小值隨著介質厚度的增加呈明顯上升的趨勢，說明介質厚度降低后，電容器的溫度系數會變大，但最大的變化量仍滿足原標準要求。

6.5 擊穿電壓

匯總各規格產品擊穿電壓情況，并繪制了不同流延膜片厚度下擊穿電壓數據和變化曲線。分析可知，隨著設計介質厚度的增加，產品的擊穿電壓隨之增加，擊穿電壓和介質厚度基本為線性正相關，而擊穿場強和介質厚度負相關。

6.6 失效數、元件小時數與介質厚度的關系

統計不同介質厚度樣品的壽命試驗失效情況、元件小時數數據發現：100V樣品，燒成后介質膜厚度≥22μm時，壽命試驗和加速壽命試驗均未出現失效現象；50V樣品，燒成后介質膜厚度＜17μm時，3個規格中有2個發生失效現象，這說明當介質厚度低于17μm時，其可靠性明顯降低。

6.7 壽命后容量變化率

分析不同介質厚度產品在4UR、125℃下，經過250h、500h、1000h、2000h、3000h加速壽命后容量變化率，在-0.12%～0.08%之間，均滿足標準要求。250h，容量變化率較高，其他時間變化不大，也意味著早期老化效果在250h已能基本達到。另外在500h、1000h、2000h加速實驗中，隨著介質厚度的降低，電容器的容量變化率逐漸降低，且變化規律基本一致。

6.8 不同溫度絕緣電阻值

分析不同溫度下、不同膜片厚度的絕緣電阻值可以看出，每一單介質層的絕緣電阻基本相同的，介質層厚度的變化對絕緣電阻基本沒有影響。由于整個電容器的絕緣電阻是多層的并聯，因此層數越多其絕緣電阻值越低，相同層數電容器的絕緣電阻相同。

7 結束語

試驗驗證結果符合已知可靠性理論模型，較為明確的驗證結論包括以下三個方面：

a. 介質厚度與可靠性正相關、介質層數與可靠性負相關，宇航標準中介質厚度要求適用于當前工藝水平介質厚度越厚、層數越少，可靠性越高，與前述介質厚度和可靠性的理論模型完全吻合。

當介質厚度在20μm以下時，電容器的經受熱應力后容量變化率隨著介質厚度的降低而明顯的降低，變化率增大了25%～50%，但絕對值降低很少，只降低了0.003%。當介質厚度在20μm以上時，電容器的耐焊接熱后的容量變化率變化比較平穩。

由此，驗證出宇航標準中要求的“額定電壓50V時介質厚度不小于20μm；額定電壓大于50V時介質厚度不小于25μm”，這一條件，在當前結構、工藝、材料條件下，依然適用。

b. 減薄介質膜厚對提高容量有貢獻，但不能帶來質的飛躍。

電應力極限分析，試驗數據（壽命、擊穿電壓）與理論模型吻合。同種介質材料，隨著介質厚度增加，擊穿場強下降但擊穿電壓上升。Ι類瓷的多層瓷介電容器，50V額定電壓的產品，介質厚度小于17μm時，可靠性降低明顯，最低介質厚度不應低于17μm；對于100V額定電壓的產品，介質厚度降低到22.56μm時仍可以滿足宇航級的初始鑒定要求，并且與25μm時的數據無明顯差異，可以探討進一步降低介質厚度的可能性。

選取的1812規格尺寸產品計算，如果電極層數、材料、留邊量都不變，50V系列需將介質厚度從20μm降低到18.33μm，才可將容量提高一檔，100V系列需將介質厚度從25μm降低到22.76μm才可將容量提高一檔。參照本項目的試驗結果，將宇航級產品的容量提高一檔是可以實現的。

根據容量公式計算，在不增加產品總體厚度的情況下，減薄介質膜厚對提高容量有貢獻，但不能帶來質的飛躍。

c. 介質厚度對耐壓能力、機械應力影響明顯，但熱應力和濕熱環境應力不敏感。

電應力耐受分析顯示，介質厚度增加，擊穿場強下降，但耐擊穿電壓上升。

熱應力影響分析顯示，宇航溫度沖擊極限試驗中，所有介質厚度的樣品均發生失效，因此，介質厚度的變化對電容器承受熱應力的影響很小，可以忽略不計。

機械應力（抗折、抗彎）分析顯示，同樣層數下單層介質厚度越小，樣品的抗機械應力能力越強。

濕熱環境應力分析顯示，加嚴考核耐濕和穩態濕熱項目，所有介質厚度的樣品均未發生不合格或失效，表明介質厚度的變化對耐濕熱環境不敏感。

1 David L, Michael J. Sampson reliability evaluation of base-metal-electrode multilayer ceramic capacitors for potential space applications, NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD 20771, CARTS International, Las Vegas, NV, 2014

2 David L, Michael J. Sampson. Some aspects of the failuer mechanisms in BaTiO3-based multilayer ceramic capacitors, NASA Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD 20771, CARTS International, Las Vegas, NV, 2012

Experimental Study on Influences of Layer Thickness on Reliability of Ceramic Dielectric Capacitors for Space Application

Liu Fupin1Lv Suguo2Sun Shuying2

(1. China Aerospace Standard Institute, Beijing 100071；2. Beijing Yuanliuhongyuan Electronic Co. Ltd., Beijing 100073)

The miniaturization and large capacity of the ceramic dielectric capacitor can be realized by decreasing the dielectric layer thickness. It remains unknown whether the modified capacitor can fulfill the reliability requirements of space application. In order to answer this question, the related experimental study and verification work are carried out, to explore the theoretical and experimental basis, analyze the discrepance between the requirements from aerospace standards and the current materials, manufacturing and controlling level, and compare the distinction in performance and reliability of varied dielectric layer thickness. From this sense, the study has verified the theoretical model that explains the relationships between the dielectric layer thickness and the performance and reliability of ceramic dielectric capacitors.

ceramic dielectric capacitor for space application；dielectric layer thickness；reliability design；experimental verification

劉富品（1970-），碩士，電子工程專業；研究方向：電子元器件產品認證、質量保證技術研究，型號用元器件產品質量問題分析和應用技術研究。

2016-11-29