MLCC在平板電源中的斷裂分析和改進

MLCC在平板電源中的斷裂原因分析與改進措施質(zhì)量管理部王磊2014年12月目錄1、

MLCC的介紹2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論MLCC簡述MLCC(Multi-layerceramiccapacitors)片式多層陶瓷電容器英文縮寫特點:體積小、比容大、可靠性高、內(nèi)電感小、耐濕容量計算公式：C：容量值；N：并聯(lián)的電容器個數(shù)，相當于疊層介質(zhì)的層數(shù)；K：介質(zhì)的介點常數(shù)，與介質(zhì)的本身特性相關(guān)d：平行板電容器兩極板的間距，相當于介質(zhì)厚度；s：平行板電容器兩極板的正對面積，相當于兩層電極的正對面積；因此,凡是影響X、d、s、K的因數(shù)均能影響電容的容量值.片式電容器的結(jié)構(gòu)圖1濾波2

耦合3

隔直4交流取樣5

時間常數(shù)設(shè)定6IC工作頻率調(diào)整電容器的作用電容濾波電路IC工作頻率調(diào)整MLCC屬于陶瓷電容器，常見的可分為以下幾類：（1）I類電容器，線性溫度特性，熱穩(wěn)定性COG電容器（超穩(wěn)定級）：溫度特性平穩(wěn)、容值小、價值高（2）II類電容器，非線性溫度特性Z5U/Y5V（能用級）電容器：溫度特性大、容值大、價值低X5R/X7R（穩(wěn)定級）電容器：介于以上兩者之間

不同材質(zhì)電容器電容量以及介質(zhì)損耗隨溫度變化的曲線MLCC的溫度特性目錄1、MLCC的介紹2、MLCC失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論MLCC的失效分析影響MLCC開裂的因素主要有兩種：1、內(nèi)因主要涉及MLCC的材料、內(nèi)部缺陷和產(chǎn)品尺寸。瓷體的斷裂韌性主要與瓷體的臨界應力強度因子、熱傳導系數(shù)和楊氏模量有關(guān)。一般情況下，瓷體的斷裂韌性按以下順序遞減:NP0>X7R>Z5U,Y5V[3,4]。同時，多項研究表明產(chǎn)品的尺寸越大產(chǎn)品在焊接和安裝過程中越容易產(chǎn)生開裂。2、外因主要包括在焊接和焊接后的操作過程中出現(xiàn)的熱應力和機械應力。MLCC的失效分析分析手段：在失效的MLCC進行剖面分析、難點：需要剪板分析，直拆會加損失效現(xiàn)象：失效的大部分樣品經(jīng)過DPA分析顯示端電極呈現(xiàn)約45℃裂紋（圖1）典型特征：受力最大的部位呈現(xiàn)45℃裂紋（圖2）圖1：MLCC彎曲開裂圖2：45℃裂紋可見平板電源中MLCC的失效模式主要以彎曲開裂為主!!!判斷廠家比較困難，但有辦法，案例如14004742（0805-50V-X7R272K）14000538（0805-50V-X7R222K）從產(chǎn)線失效樣板可以看到PCB彎曲嚴重，彎曲應力會延伸到MLCC案例2:14003452（0805-50V-Y5V105Z）分析過程：首先無法識別供應商，辦法首先從庫存抽樣送各供應商進行端強度、耐焊接熱測試，再進行及DPA分析，確認各家內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給多家并行協(xié)助分析外觀發(fā)現(xiàn)：失效品多為0.85mm厚度產(chǎn)品，庫存多家為1.25MM厚度,鎖定0.85mm產(chǎn)品找原因！DPA內(nèi)部結(jié)構(gòu)確認發(fā)現(xiàn)不良樣品2#內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計與不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計存在很大差異，不良樣品2#內(nèi)部設(shè)計層數(shù)為64層、不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部設(shè)計層數(shù)為74層,說明有2家產(chǎn)品失效。波峰焊接產(chǎn)生的熱應力，使得0.85mm厚度產(chǎn)品的使用效果不及1.25mm厚度的產(chǎn)品。通過歷次不良樣品分析，統(tǒng)計失效產(chǎn)品分為以下幾個樣式：MLCC是由陶瓷和金屬的共燒體，因兩類材料的收縮率存在較大的差異，在受到驟然的熱沖擊時易產(chǎn)生熱沖擊開裂。開裂后產(chǎn)品內(nèi)部短路，繼續(xù)通電內(nèi)部漏電流極大，產(chǎn)生高溫，將內(nèi)部介質(zhì)和金屬燒毀熔融，形成鎳球。因此在焊接時推薦用回流焊接工藝，該工藝焊接時溫度均衡，熱應力極小。針對客戶方面的波峰焊接工藝，供應商只能從產(chǎn)品的設(shè)計方面改進，以適應客戶端的使用。將現(xiàn)有的0.85mm厚度產(chǎn)品更改為1.25mm厚度，耐焊性方面表現(xiàn)相近（見以下對比表），但在波峰焊接時可以將應力分散至端頭處，產(chǎn)生熱沖擊幾率要小很多，更適宜目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀。

規(guī)格耐焊性溫度耐焊性結(jié)果不良樣式0805Y5V105Z500D270℃OK

280℃OK290℃OK300℃OK310℃1/80耐焊開裂0805Y5V105Z500F270℃OK

/280℃OK290℃OK300℃OK310℃OK備注：1、耐焊性采用同一組樣品分別經(jīng)過270℃到310℃的耐焊性檢驗；2、耐焊性方面產(chǎn)品均可以滿足生產(chǎn)使用，兩種厚度產(chǎn)品耐焊性結(jié)果應相近，此次結(jié)果1.25mm產(chǎn)品較優(yōu)；MLCC的失效分析彎曲失效的原因主要有電容器材質(zhì)本身問題和使用不當。對于材質(zhì)耐受彎曲能力業(yè)界有一個界定標準：國際標準確定抗彎曲強度≧1mm。判斷MLCC材質(zhì)是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用BENGDING試驗測試端電極結(jié)合強度（即彎折強度）。判斷MLCC材質(zhì)是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用BENGDING試驗測試端電極結(jié)合強度（即彎折強度），將片狀電容器安裝在測試夾具上，按圖所示方向以1.0mm/s的速率施加壓力，彎曲1mm，供應商內(nèi)控指標要高于標準BENGDING示意圖BENDGING實物圖目錄1、MLCC的介紹2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、結(jié)論1、MLCC材質(zhì)選擇2、MLCC尺寸選擇3、優(yōu)化MLCC安裝方式7、改進檢驗方式6、優(yōu)化焊接工藝4、改進PCB板設(shè)計5、改進貼裝工藝七大改善措施1、MLCC材質(zhì)選擇

因為分子結(jié)構(gòu)的差異，2類陶瓷的X7R和X5R、Y5V材質(zhì)是較脆弱的一類。I類陶瓷C0G/NP0等因為厚度等因素，其的抗彎曲強比X7R的強很多。因此4700pF以下容量的，建議更換為C0G/NP0材料，大于4700pF以上容量產(chǎn)品如果改用C0G/NP0材質(zhì)，成本上升幅度很大。為提升可靠性，該改必須改1、MLCC材質(zhì)選擇1、MLCC材質(zhì)選擇14003452改進措施：1：停止0.85mm厚度產(chǎn)品供貨，2：開發(fā)ECO更改改用0805/1.0uF±10%X7R025V材質(zhì)1、MLCC材質(zhì)選擇供應商改進和保證措施

失效機型

對應位號

對應的電容規(guī)格34005565C759\C764片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006602C765\C767\C762\C760片式陶瓷電容0805-50V-X7R471K34006703C765\C778片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006723C786\C770\C777\C791片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006601C752\C754片式陶瓷電容0805-50V-X7R472K34006620C711\C718片式陶瓷電容0805-50V-X7R103K表1：電源模塊中電容斷裂失效機型與MLCC規(guī)格表上述失效電容都是X7R材質(zhì)的電容，將上述電容的材質(zhì)由X7R更改為NP0材質(zhì)，我們看一下改善效果：自主電源型號更改材質(zhì)前情況更改材質(zhì)后情況更改前上機數(shù)更改前電容失效數(shù)更改前電容失效PPM更改后上機數(shù)更改后電容失效數(shù)更改后失效PPM340066015694138667345270034006703423164811343343800340067236650022633987948200

將上述電容的材質(zhì)由X7R更改為NP0材質(zhì)，由于NP0材質(zhì)的強度比X7R高，產(chǎn)品成品的失效情況得到了較好的解決，失效比率由更換前的667~3398ppm均降至0ppm。

表2:電容由X7R材質(zhì)更改為NP0材質(zhì)后失效比率的改善2、MLCC尺寸選擇

由于陶瓷為脆性材料，PCB板彎曲相同的程度時大尺寸MLCC兩端頭將會承受更大的應力，故而比小尺寸MLCC更容易產(chǎn)生開裂失效，可以優(yōu)先選擇小尺寸MLCC產(chǎn)品來改善MLCC在PCB板上的失效現(xiàn)象。如用于遙控電路的濾波電容14005963（1206-Y5V-10uf）改用14008275（0805-X5R-10uf)3、優(yōu)化MLCC安裝方式

實際安裝到主板上之后，主板的彎曲會引起MLCC受到機械性的疲勞，容易產(chǎn)生裂紋或者裂縫，有時也會出現(xiàn)絕緣電阻不良以及短路等問題。

改善措施：

為了避免此類問題的發(fā)生，對大電路板而言需要通過將MLCC橫向放置，也就是呈主板的反方向放置。這樣放置可以減輕MLCC的疲勞

。對需要分板的小板

電路板，設(shè)計上盡量避免產(chǎn)品接近垂直于分板線，建議產(chǎn)品設(shè)計位置平行于分板線并遠離分板線，避免由于手工分板時產(chǎn)生的應力導致產(chǎn)品斷裂失效4、改進PCB板設(shè)計PCB板設(shè)計對電容器的彎曲開裂具有較多的影響因素，具體影響因素和改善措施如表3所示。PCB板影響因素改善措施焊盤方向與分切線垂直焊盤方向與分切線平行PCB板高溫變形增加PCB板厚度焊接厚度過大焊接厚度適中電路板分割槽太淺電路板分割槽不能太淺表3：PCB板影響因素與改進措施5、改進貼裝工藝現(xiàn)象:

設(shè)備的吸嘴噴嘴壓力、位置不當、或者過低于下止點、安裝用力過度、以及安裝速度過快等等操作，往往會使MLCC產(chǎn)生碎片以及裂紋。沖擊裂紋均在元件的表面，一般在中心或附近出現(xiàn)褪色的圓環(huán)狀或半月牙裂紋。這些小的裂紋在后續(xù)加工過程中因為附加應力可以演化成大裂紋，也包括引起PCB板彎曲的應力。措施：1、貼裝時需要掌握吸嘴的尺寸和上下方向的吸力是否位于電容器中心位置，避免吸嘴打擊電容器，引起電容器產(chǎn)生裂紋。2、功能測試時也要注意測試頂針是否有異常下壓而引起主板彎曲使電容器開裂。

3、定期對定位銷進行檢查、保養(yǎng)。因為定位銷一旦過度磨損，就會對局部產(chǎn)生機械性的沖擊，也容易產(chǎn)生碎片以及裂紋。6、優(yōu)化焊接工藝工藝

由于MLCC電極和陶瓷本體的熱膨脹系數(shù)和熱傳導系數(shù)差異較大，

回流零件上進行焊接時，MLCC就會因熱應力產(chǎn)生裂紋以及接口電極腐蝕，進而出現(xiàn)接口電極固定低下，靜電容量減少等后果。另外所用焊料的量的大小會影響芯片抗機械應力的能力，從而可能導致電容器破碎或開裂措施：1、焊接方面要注意溫度沖擊帶來的不當熱應力損傷，保證充分的預熱效果和合適的焊接溫度，行業(yè)推薦為：預熱1-2分鐘，預熱溫度120-150℃，波峰焊接溫度控制在260℃左右。2、焊接時還要格外注意焊錫量的多少，焊錫量過少時接口電極固定力就會不夠，接觸不良以及電容器脫落；焊錫量一旦過剩，會由于焊接的收縮力產(chǎn)生機械性的疲勞、破損、裂紋、破裂等后果。電容端頭焊錫量控制在電容器厚度的1/2~1/3，且兩端錫量盡量均勻MLCC所使用的配伍材料，具有不同的CET和δT，容易引起內(nèi)部應力。當溫度變化率太高時，會出現(xiàn)熱沖擊裂紋。這些裂紋首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)最薄弱并且機械應力集中的地方。即出現(xiàn)在陶瓷/外露交接處或其附近。瓷片最結(jié)實的拐角處其機械應力最大：在結(jié)構(gòu)最薄弱處往往出現(xiàn)裂紋。在控制欠佳的波峰焊過程中，當溫度變化率過大時，在陶瓷組件端頭上會產(chǎn)生如下圖所示的作用力，會形成較大的、可見的表面裂紋或暗裂紋。熱沖擊有兩種征象：有些明顯可見的裂紋、和更多的潛伏的看不見的微小裂紋。在同樣的力作用下，較小的熱沖擊產(chǎn)生較小的裂紋。開始它們出現(xiàn)在裸露表面的中央或恰好在陶瓷/電極交接處的下面。裂紋隨著加工過程溫度變化或裝配件彎曲慢慢延伸。大約幾周后，小裂紋通過陶瓷延伸，產(chǎn)生開路、間斷接觸或大的漏電流。這是加工過程中留下的一顆“定時炸彈”6、優(yōu)化焊接工藝工藝7、改進檢驗方式

為防止機芯板有焊接不良、元件接觸等不穩(wěn)定因素存在，往往采用敲擊檢驗手段，然而，敲擊時很容易直接碰到或撞擊到MLCC表面，導致