2023 03月01日
作者: 小白哥
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MLCC电容失效分析总结

1.MLCC电容的结构上的特点与材质分类

1.1结构特点

多层片式陶瓷电容(MLCC)整体的结构如下图所示的三明治结构,且由三部分组成:陶瓷介质、内电极和端电极,其中端电极一般为三层结构,分别为外部电极 、阻挡层和焊接层。MLCC的物理特性接近陶瓷材料的特性,具有机械强度低、易碎等特点。

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1.2分类

NPO、COG温度特性平稳、容值小 、价格高;Y5V、Z5U温度特性大、容值大、价格低;X7R、X5R则介于以上两种之间。下图所示为各类MLCC的温度特性曲线。不同类型电容的特性决定了其应用的不同。

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2.失效模式与机理

2.1介质层存在空洞、分层和电极结瘤

陶瓷介质内的空洞(如下图所示)可能是因为介质层内部含有水汽或其它杂质离子,在MLCC在电路中正常施加工作电压时,因为杂质和水汽的存在降低此位置的电压的耐受程度,导致施加正常的电压都会导致此位置发生击穿的现象。

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电极结瘤(如下图所示)和介质层存在的空洞失效的机理是基本相类似的,电极结瘤是因为生产工艺不稳定导致出现部分凸起,凸起的地方位置介质层的厚度明显变薄,导致电极的耐压变低,正常施加工作电压在MLCC的电极两端可能也会出现击穿现象。

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MLCC电容在高达1000℃的高温下烧结,烧结过程难免会出现有部分杂志的挥发,层间粘合力弱的时候,这样就可能出现介质分层(如下图所示)的不良情况。重点还是控制好介质中杂质的含量和层间介质的粘合力,在工艺上需要严格控制。MLCC电容介质的分层可能会导致MLCC电容容量变小。

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MLCC电容介质层空洞、电极结瘤和介质层分层均为电容本身工艺缺陷引起的失效。

2.2热应力导致的裂纹

MLCC电容在实际产品的使用中很难避免出现温度变化,温度变化就会出现电容热量的变化,比如电容的两端受热不均,就出现热胀冷缩不均匀, 电容在不同的热量的的地方发生不一致的形变,这就是热应力不同,会导致MLCC内部产生裂纹(如下图所示) ,所以电子产品在过回流焊时候都需要进行预热,避免出现温差过大,导致出现的MLCC的热应力失效。

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热应力产生的裂纹基本上分布区域为MLCC外部陶瓷体靠近端电极的两端,常见失效形貌为贯穿陶瓷体的裂纹,如下图所示。

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2.3机械应力导致裂纹

陶瓷介质层本身具有较大的机械强度,但当其受到压力时候,会表现出脆的一部分,容易出现机械裂纹,从而出现电容损坏。MLCC电容使用在电路板中,由于PCB板易出现变形,从而导致MLCC电容陶瓷体受到机械应力,出现了机械裂纹的情况。下图是典型的PCB电路板出现变形导致陶瓷体开裂形貌。如果PCB的形变量变大MLCC的裂痕会继续扩大直到电容焊接部分高度的一半以上,呈现"45°裂纹",又称"倒三角裂纹"。

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