多層瓷介電容常見失效模式及失效機理研究

王瑤

（ 航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電容器作為三大無源元件（電容器、電阻器、電感器）之一，它基本的功能是儲存和釋放電荷，即儲存能量。電容器具有“電壓不可以突變”和“隔直通交”的特性，廣泛應用于各種儀器、儀表、電子設備中起到調諧、濾波、耦合、隔直、儲能等作用，是電子設備中不可缺少的主要元件。多層陶瓷電容器具有容體比大，結構致密、損耗小、無極性、貯存方便、適合表面貼裝，大量應用在航天、航空、兵器及消費類電子產品中。

在整個電容市場中多層陶瓷電容器占比90 %，因此了解其制造工藝，對常見失效模式和失效機理進行深入研究，為正確使用和失效預防提供了技術支持和保障。

1 多層瓷介電容器可靠性

多層瓷介電容器主要的電參數為電容值、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超差失效的原因通常為損耗性失效、過應力失效、內部缺陷以及外部缺陷引起的失效四類，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生的失效；過應力失效是指單一應力作用在電容器上引起的災難性失效。

產品由制造工藝或原材料自身缺陷引起的失效稱為內部缺陷失效，受后續環境應力(機械應力、電應力）作用產生的缺陷引起的失效統稱為外部缺陷失效。

2 常見的失效模式和機理

多層瓷介電容器典型失效模式有：短路、開路以及電參數漂移。

2.1 短路失效

2.1.1 電擊穿

1）電擊穿失效機理

電擊穿是由于電容在強電場作用下，瓷介質內部可自由移動的少量載流子劇烈運動，與晶格上原子產生碰撞，從而形成更多的載流子，并產生雪崩式電子流，從而導致擊穿，會在擊穿點處出現瞬時打火及崩瓷現象，使層間錯位、內電極搭接至熔融，形成短路點，導致電容損耗增大和絕緣下降，形貌如圖1所示。

2）電擊穿失效原因

電擊穿具有電壓作用時間短，電壓高，擊穿點分布隨機，與環境溫度、電壓作用時間無關[1]。因此，電擊穿通常與電容器固有的抗電強度、所施加的電場強度有關，常見失效原因如下：

①電容器固有抗電強度設計不合理、原材料不良以及內部存在較大程度的孔洞、分層、內電極結瘤等固有缺陷，均會造成電容器固有抗電強度下降，從而在電場作用下引起電擊穿失效。由于固有缺陷分布的隨機性，其失效也表征出電容器失效區域不固定，是隨機分布的。

a.分層

分層，其擴展方向平行于電極，特征是裂紋比較大，傳播路徑參差不齊。產生原因：排粘和燒結工藝不合適、材料之間的匹配問題、局部有機物殘留、燒成后成分層，形貌如圖2所示。

b.空洞

多層瓷介電容器由于采用固相燒結，屬于多晶多相無機材料的結構，不可避免存在空洞。當空洞較大，橋連了2個或多個電極，可以變成短路通道和潛在的電缺陷。大的空洞能導致可以測量到的容量的減少，電容器的強度的降低、貫通性空洞的危害更大，形貌如圖3所示。

陶瓷粉中含有有機或無機的污染物；不適合的燒結工藝。

c.結瘤

陶瓷粉中含有有機或無機的污染物；不適合的燒結內電極結瘤，其凸起部位電場強度則會由于電場畸變而增強，同時導致有效介質層減小，抗電強度冗余量減小。如果介質存在空洞等缺陷，結瘤部位可能連通附近兩個或多個電極，變成短路通道，形貌如圖4所示。

圖1 典型電擊穿失效圖

圖2 分層缺陷典型圖

圖3 介質空洞典型圖

圖4 結瘤典型圖

產生原因：內電極漿料團聚、絲網破損、張力不足等引起。分層、空隙、內電極結瘤等固有缺陷會使其所在部位的有效介質厚度減小，造成電容器抗電強度下降，同時對于內電極結瘤其凸起部位電場強度則會由于電場畸變而增強，會在電場作用下出現擊穿失效。擊穿時的應力會導致電容器瓷體開裂，通常從擊穿點有多條呈發散狀裂紋。

措施：調整介質膜片與內電極漿料收縮匹配；優化排粘工藝曲線；優化燒結工藝；通過超聲檢測手段將這些空氣類缺陷進行剔除。另外，通過溫度沖擊、高溫老化等篩選剔除早期失效產品。

②過電應力作用

過電應力包括：過電壓、過電流及超頻使用。過大的電場強度作用，超過了電容器的抗電強度，就會直接造成電容器介質擊穿失效；而瞬時的過電流或超過電容器固有諧振頻率使用也可能引起電容器絕緣強度破壞。

2.1.2 熱擊穿

1）熱擊穿失效機理

電容器熱擊穿是由于內部產生漏電通道，使介質發熱、漏電流增大，伴隨溫度和電應力的累積作用，其熱平衡被破壞，最終導致擊穿[2]。與電擊穿相比，熱擊穿的電壓較低，且隨時間累積，熱擊穿點附近區域有瓷體燒蝕發黑、內電極金屬熔融燒蝕等現象，形貌如圖5所示。另外，外應力作用造成裂紋及過電應力作用，也可能引起熱擊穿失效。

2）熱擊穿失效原因

根據熱擊穿失效機理，可能造成電容器產生漏電通道而引起熱不平衡的原因通常有：固有缺陷、外應力作用造成裂紋及過電應力作用[2]。

①固有缺陷

如果電容器內部存在一定程度的固有缺陷，缺陷部位可能會在電場作用下逐漸形成漏電通道，使漏電流增大、介質發熱加劇，從而導致熱擊穿失效。由于固有缺陷具有隨機、偶然性的特點，因此也是隨機分布的。

②外應力作用

多層瓷介電容器由陶瓷介質、金屬內電極、端電極三部分構成，各部分材料的熱傳系數（δT）和熱膨脹系數（CTE）差異較大，且陶瓷材料相對存在韌性差、熱導率低的特性，所以當電容器承受機械應力和溫度應力時，在瓷體和端電極交界面處易出現裂紋。該瓷體裂紋往往由于焊接工藝不當或安裝過程中存在印制板翹曲所致。

如果裂紋未使瓷體完全開裂，但已造成內電極層間交錯搭接，進一步在電應力、環境應力等作用下，銀離子遷移，形成漏電通道，即使施加的電場強度可能不大，但隨著漏電流逐漸增加，電容器發熱量不斷累積增大，最終就會導致介質熱擊穿失效。

③夾持傳遞產生的裂紋

夾持傳遞產生的裂紋發生在元件安裝后，在放置過程中，夾持夾具會有較大的殘余應力釋放。這種損傷一般比較小、非常隱蔽，一般當時很難發現，但隨著后期調試過程中溫度沖擊、機械應力的擴展就會發展成為致命失效。夾持傳遞裂紋典型圖如圖6所示。

④熱沖擊產生的裂紋

熱沖擊產生的裂紋往往是由于手工焊、波峰焊、回流焊或清洗時電容器沒有預熱，溫度變化過于劇烈，造成由表及里的裂紋向內部傳播，方向普遍約為45 °角，形貌如圖7所示。熱沖擊裂紋往往起源于表面。

圖5 熱擊穿失效典型圖

圖6 夾持傳遞裂紋典型圖

⑤彎曲產生的裂紋

彎曲產生的裂紋是由于電路板嚴重翹曲，會造成電容器開裂。有兩種情況：一種發生在去除夾持或鑲嵌后，電路板或子板插入測試夾具的過程中；另外，電容器處于安裝孔附近時，安裝螺釘裝卸過程中，造成局部電路板彎曲所致。過應力造成的裂紋起源于表面或內部，過應力造成的裂紋的傳播方向也是成45 °角,形貌如圖8所示。

⑥共焊盤導致電容器受到多次焊接熱沖擊導致的裂紋

這種失效模式往往在工程應用中遇到。案例：某型號用片式電容D產品焊接前未進行預熱處理，焊接順序為：在焊接過程中，存在樣品共焊盤的情況，電容器D需承受3次的焊接熱沖擊，在通電測試及高低溫試驗中反復存在失效現象，形貌如圖9所示。

解決方案：焊接前對產品進行預熱處理，最后焊接D產品，或者是更改PCB布局，不采用共焊盤。

⑦過電應力作用

如果電容器在過電壓、過電流或超頻條件下工作，那么就可能直接造成電容器介質擊穿而形成短路點燒毀失效，或造成電容器發熱量增大，隨著熱量不斷累積而逐漸發生熱擊穿失效。

2.1.3 表面飛弧擊穿

1）失效機理

電場在尖端處存在畸變特性，電容器端電極處也應是非均勻電場，當外加電壓大于起始游離電壓時，該處空氣就會電離存在霧狀電暈。當電暈范圍伴隨電壓升高不斷擴大，并向對面端電極延伸，會在電暈外圍產生枝叉狀輝光放電現象，最終導致表面飛弧擊穿，瞬間會造成電容器表面短路，并在瓷體表面留下飛狐放電痕跡，多層高壓瓷介電容器還會因為瓷體表面拉弧產生表面飛狐擊穿失效。形貌如圖10所示。

2）失效原因

根據上述機理，在較強電場作用下，出現表面飛弧擊穿通常與電容器瓷體表面情況、環境條件因素有關，原因主要有：

圖7 熱沖擊裂紋典型圖

圖8 彎曲產生的裂紋典型圖

圖9 共焊盤典型應用示意圖

圖10 拉弧現象典型示意圖

圖11 開路失效典型圖

①如果電容器表面存在污染或多余物，其中可能存在的自由載流子會在電場作用下，在電容器表面產生漏電甚至擊穿放電。

②如果電容器未作高壓防護措施，瓷體表面暴露空氣中工作，在電場強度達到一定程度時就可能在電容器表面產生飛弧放電。

③如果是在高溫或潮濕環境中工作，使瓷體表面凝有水膜，從而會使其表面絕緣電阻顯著下降，更易引起電暈放電而產生表面極間飛弧擊穿。

2.2 開路失效

1）失效機理

開路失效主要表現為容量不穩定或大幅下降，其儲電功能已不能滿足需求。該失效模式往往是在外應力作用下，使端電極與瓷體分離或瓷體間開裂、斷裂，造成內、外電極不能正常連接，導致電性能不正常所致。該失效模式不會有擊穿點存在，形貌如圖11所示。

2）失效原因

開路失效原因是由于在外應力作用下，引起瓷體間斷開或瓷體與端電極脫離，另外，如果電容器固有的端電極結合強度不滿足標準要求，也會造成端電極與瓷體分離而引起開路失效。

2.3 電參數超差

電參數超差[2]通常是指容量下降、損耗增大以及絕緣電阻下降，相關影響因素有：原材料固有質量、制造工藝以及實際應用條件等[3]。

目前，多層瓷介電容器制造工藝技術成熟，基本沒有由于原材料、成瓷質量或固有缺陷等引起的電參數超差失效，且多層瓷介電容器本身的固有可靠性十分優良，可以長時間穩定使用。但當電容器出現開路失效或短路失效，會伴隨著容值、損耗角、絕緣電阻出現異常，因此，電參數超差失效往往是開路或短路失效后一種電性能表征。

3 分析與結論

隨著整機輕型化、集成化和高可靠性的要求，多層瓷介電容器在武器裝備中的應用、使用率越來越多，出現失效不可避免。瓷介電容擊穿、開路、引線斷裂等使電容器完全喪失工作能力的失效屬于致命性失效，其余一些失效會使電容不能滿足使用要求，并逐漸向致命失效過渡。瓷介電容在工作應力與環境應力綜合作用下，工作一段時間后，會分別或同時產生某些失效模式。同一種失效模式，有多種失效機理，失效機理和失效機理并不是一一對應的。因此研究和掌握各種失效模式和失效機理，對于提高多層瓷介電容器的可靠性，預防并采取有效措施，才能避免和減少由于失效帶來的更大損失具有重要作用。