多層片式瓷介電容基板彎曲強度的失效研究

范凌云 張琨 李鵬

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000；2.中國家用電器研究院 北京 100037

1 引言

多層片式瓷介電容器（MLCC：Multi-Layer Ceramic Capacitor，以下簡稱為：片狀電容）是一種以陶瓷作為介質并具有多層結構的貼片式電容器。其具有高容值、小體積、高絕緣電阻、環境適應性好、壽命長等特點，常作用于濾波、隔直、耦合、振蕩等，被廣泛應用于家用電器、信息電子、汽車電子的整機中。

作為PCBA上使用最多的基礎被動元器件之一，隨著片狀電容逐步向小尺寸、大容量的方向發展，使用范圍越來越廣，使用工況越來越復雜，其可靠性的等級直接影響整機使用壽命。

本文從片狀電容的結構特點入手，對失效數據進行分析，并介紹了一種新的收集片狀電容的抗彎曲強度數據的測試方法，為今后的片狀電容使用及失效模式分析提供建議。

2 多層片式瓷介電容介紹

2.1 多層片式瓷介電容結構特點

片狀電容的整體結構如圖1，主要由三部分組成：陶瓷介質、內電極、端電極。因此也被稱為三明治結構。其端電極通常也為三層結構，分別為外部電極（一般為Cu或Ag層，連接內部電極）、阻擋層（Ni鍍層，起到熱阻擋作用，能夠避免焊接時Sn層脫落）和焊接層（Sn鍍層，提供焊接）。

圖1 MLCC整體結構

根據電容量計算公式可知：在介電常數不變時，電容量C與有效面積成正比，與正負極距離成反比。由圖2可知，通過內電極的交錯疊層，控制器層間厚度、上下層正對面積與疊層數量對片狀電容進行容值設計。因此小封裝高容值的片狀電容內部電極層數往往高達幾百層，目前已知國產廠家1206封裝能做到600層以上。

圖2 MLCC內電極

2.2 多層片式瓷介電容材質分類

常見的片狀電容根據陶瓷介質材料可分為非鐵電電容器陶瓷、鐵電電容器陶瓷、反鐵電電容器陶瓷三類。其中非鐵電電容器陶瓷是不具有鐵電性的材料，進一步根據材料介電系數的溫度系數α的大小，可分為溫度補償電容陶瓷（金紅石瓷、鈦酸鈣陶瓷）及溫度穩定電容陶瓷（鈦酸鎂）；鐵電電容器陶瓷是具有鐵電性的材料，在一定溫度范圍內會產生自發極化，在外電場作用下自發極化并重新取向，常用的有鈦酸鋇和鈦酸鍶；反鐵電電容器陶瓷是較好的高壓介質陶瓷，不會出現介電飽和且無剩余極化，常被用于高壓電容，其組成通式為Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3。

EIA標準中根據電容器的使用溫度、溫度特性及溫度系數偏差將片狀電容材質分為了兩類：Ⅰ類為溫度補償型，常用的材質為C0G，介電常數K＜150；Ⅱ類為高介電常數型，常用材質為X7R、X5R，介電常數150＜K＜4000。C0G材質具有介質損耗低、溫度特性極佳的特點，容值基本不隨時間、電壓、頻率等因素變化而變化，具有很好的穩定性。且材質強度高，耐彎曲能力強。但由于介電常數低，通常只能制備低容值高精度產品。X7R、X5R材質的介電常數較高，介質損耗較低，溫度特性也較穩定。但是由于Ⅱ類材質具有老化和直流偏壓特性，常用于制備精度一般的高容產品。

2.3 多層片式瓷介電容工藝流程

片狀電容的制造工藝流程復雜，其主要步驟為：配料、流延、印刷、疊層、壓合、切割、排膠、燒結、倒角、端電極沾覆、電鍍。其中的最重要的工藝為燒結，其過程直接決定了產品良率。同時由于片狀電容為本質為燒結陶瓷，因此片狀電容具有和陶瓷相同的機械特性。其本身的機械強度很大，但受到壓力的時候會表現出陶瓷脆性，陶瓷體出現破裂或裂紋進而導致內電極的短路或開路，最終片狀電容出現容值下降或短路失效。

3 失效數據分析

取片狀電容失效物料進行容值測試和金相觀察時，當容值超出規格要求的偏差且片狀電容內部瓷介材料出現明顯裂紋，裂紋方向從金屬化端電極沿45°角向器件內部擴展時，將此片狀電容的失效歸結為：片狀電容因基板彎曲失效。

為研究片狀電容的彎曲斷裂失效數據，調查某空調企業兩年的售后數據，其中片狀電容因PCB彎曲導致斷裂失效共出現300單，具體數據如表1所示。

表1 MLCC失效數據

結合售后數據分析可以得出初步結論：容值越大、封裝越大的片狀電容基板彎曲強度更差，所有材質中X7R材質基板彎曲強度最差。由于X7R為通用材質，后文中以X7R為例，進行實驗。

4 基板彎曲試驗

4.1 試驗原理

多層片式瓷介電容器是一種具有多層結構的片式電容器，當焊接的基板彎曲時會出現內電極斷裂，容值表現為變小。而由于本體材質為鈦酸鋇陶瓷，在彎曲的過程中容易出現閃崩，容值會從正常范圍突變為異常值。因此片狀電容基板極限彎曲強度的測試方法的原理就是：通過精確測量容值出現突變時的拉力機下壓深度可計算出片狀電容基板彎曲強度。

測量片狀電容基板彎曲強度的裝置結構包括交流電源、指示燈、控制開關、LCR電橋、電子拉力機、控制電路（存儲器、控制器）和顯示電路七個部分。（1）交流電源：給控制電路及LCR電橋供電；（2）指示燈：用于表示整個系統的運轉狀態，當正常工作顯示“綠色”，當達到閥值或停止時顯示“紅色”；（3）控制開關：用于控制整個系統的工作啟停；（4）LCR電橋：用于實時測量片狀電容的容值；（5）電子拉力機：使用伺服電機控制，能夠返回下壓距離和壓力大小；（6）控制電路：實時采集電橋數據、拉力機數據，計算和儲存容值初始值、初始下壓位置等，控制電子拉力機開關的通斷；（7）顯示電路：用于顯示初始容值、初始下壓位置、極限下壓距離等參數，顯示窗口可以是電腦顯示屏。測試程序流程如圖3所示。

圖3 片狀電容極限彎曲強度測試程序流程圖

4.2 試驗樣品

按照EIA標準選擇0603、0805、1206、1210、1812五種封裝，材質選用X7R，容值范圍從1000 pF到10 uF。為避免批次差異性，從兩個國產主流廠家的5個不同的批次中進行選擇，每批次隨機抽5個。

4.3 試驗設備

LCR電橋、電子拉力機。

4.4 試驗方法

按照GB/T 2423.60《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法試驗U：引出端及整體安裝件強度》中試驗Ue1進行試驗。為保證試驗的準確性，焊接基板采用厚度為1.6 mm±0.20 mm的PCB板，錫膏成分Sn96.5Ag3.0Cu0.5，觸頭下壓速度確定為0.1 mm/s（國標中速度為1 mm/s）。試驗時實時用LCR電橋實時監測電容容值（1 uF及以上容量物料測試時需開恒電平模式），當容值超出下限時即判定為失效，此時觸頭下降距離D即可計算出基板彎曲強度。如圖4所示。

圖4 片狀電容極限彎曲強度測試裝置

閉合控制器開關，LCR電橋開始對試樣電容進行測量，控制器接收數值并計算出容值下限，同步控制電子拉力機進行下壓動作，并當拉力機觸頭開始壓力值反饋時將該位置記為初始下壓位置。拉力機繼續以1 mm/s的速度下壓直到控制器接收到LCR反饋的容值超出容值下限，控制器儲存拉力機下壓的最大深度并控制拉力機觸頭上升待下一次測量。此時顯示器將初始容值、容量下限值、初始下壓位置、極限下壓深度等參數一一顯示出來，并列成曲線顯示。如圖5所示。

圖5 測量片狀電容極限彎曲強度裝置的結構圖

5 測試結果與分析

選取不同容值的0603封裝6個、0805封裝32個、1206封裝12個容值物料的摸底數據進行匯總分析。

表2 彎曲強度摸底數據

根據測試數據繪制0603封裝、0805封裝、1206封裝及同容值不同封裝的X7R電容基板彎曲強度隨容值變化的折線圖，如圖6至圖8。

圖6中，0603封裝物料的基板彎曲強度的最小值曲線較平滑，有逐步向上趨勢；最大值曲線出現波動，波動范圍在2 mm左右；平均值曲線平滑，無明顯趨勢。

圖7中，0805封裝物料的基板彎曲強度最小值曲線平滑，先平緩后有向上趨勢；最大值曲線波動大，呈現震蕩趨勢；平均值曲線先平滑向下，后急速提升。

圖8中，1206封裝物料的基板彎曲強度最小值曲線平緩，且逐步向上趨勢；最大值曲線先迅速提升后又迅速下降，然后震蕩向上；平均值曲線也呈震蕩向上。

結合圖6、圖7和圖8，每個容值均取三個坐標點進行繪制，分別為試驗樣品的基板彎曲強度最大值、最小值和平均值。其中平均值最能體現變化趨勢，最小值的波動很小趨于直線，最大值波動大，呈震蕩曲線。

圖6 0603封裝X7R片狀電容基板彎曲強度

圖7 0805封裝X7R片狀電容基板彎曲強度

圖8 1206封裝X7R片狀電容基板彎曲強度

從最小值的曲線進行分析：最小值的波動趨于穩定，主要是由于片狀電容的材質和工藝流程決定了其強度下限，所以不同批次或是容值的物料進行試驗時的下限值基本平穩無波動。

從最大值的曲線進行分析：最大值波動較大原因同樣是由于片狀電容的材質和工藝流程，陶瓷本體的燒結質量直接影響到其強度，即使同批次的物料一致性也很差。

從平均值曲線進行分析：當X7R片狀電容在較低容值（＜100 pF）時，平均彎曲強度曲線會有向下或者不變的趨勢。通過對片狀電容生產工藝的了解可知：隨著容值得逐漸增加，低容值的片狀電容本體厚度是固定不變，內部電極層數則會逐步增加，平均彎曲強度的值逐漸變小；當X7R片狀電容超過100 pF時，此時電極層數已經增加到物料本體厚度，為滿足片狀電容的耐壓等級，電容的整體厚度會逐漸增加，彎曲強度也會隨之增加。因此彎曲強度的平均值隨容值增加時，先微弱下降后逐漸上升。

6 結語

本文通過對X7R介質材料的片狀電容進行試驗摸底，對數據進行分析，給出了不同容值范圍、不同封裝大小的基板彎曲強度要求值，為行業內公司提供了合理建議值，以便產品IQC檢驗階段能制定合理的片狀電容彎曲下限值，并選用符合國標的工裝進行實驗。同時提出了產品在設計、生產、運輸過程中需充分考慮機械應力情況，以便PCBA的設計階段針對不同位置應力大小進行仿真和摸底測試。

隨著汽車電子對片狀電容的需求越來越大，汽車電子對片狀電容的可靠性要求也遠超家電、信息電子等行業。目前已有部分廠家采用樹脂銀漿、金屬支架等方式，通過“內部變軟”或“外部加固”來增加片狀電容的基板彎曲強度，未來片狀電容將會有更廣闊的應用前景。