含宇航级的多芯组瓷介固定电容器标准分析

蒋建波

（福建火炬电子科技股份有限公司，福建 泉州 362000）

1 引言

多芯组瓷介电容器是在片式瓷介电容器的基础上研发的新产品。片式瓷介电容器是当前电子无源元件中发展最快、应用最广的片式元件之一，但其体积小，很难实现大容量。多芯组瓷介电容器则解决了片式瓷介电容器容量小的问题，由于采用了精密的堆叠、封装等技术，不仅实现了大容量，同时也实现了产品的高可靠性。

国军标GJB 6788-2009《含宇航级的多芯组瓷介固定电容器通用规范》包括了两种质量水平产品：K级（一般可靠）产品和S级（宇航级）产品。本文将通过对GJB 6788-2009标准中S级产品与K级产品的比较，产品的可靠性设计分析，GJB 6788-2009标准与美国军用标准MIL-PRF-49470标准的比较，该产品目前在国内外的应用及需求情况，说明开发本标准产品的必要性和重要性。

2 “S”级产品与 “K”级产品的检验区别

2.1 鉴定检验

表1 鉴定检验的分组区别

2.1.1 1组（温度冲击和电压处理）的区别

K级产品的温度冲击采用5次循环，而S级产品的温度冲击则采用100次循环。电压处理方面，K级产品用的是至少96 h的电压处理；而S级产品采用168～264 h的电压处理。在实验条件的严酷度方面，S级产品明显比K级产品加严很多。

2.1.2 2 组（外观和机械检查）

K级产品和S级产品在鉴定检验的2组中的试验条件要求是一样的，不一样的是抽样方案和批不合格判定标准。K级产品的试验样品数为：54+1，允许不合格数为：1只；S级产品的试验样品数为：66+1，允许不合格数为：1只。从而可以看出，S级产品所要求的母体数更多，在2组检验中S级产品有更严格的批合格判定要求。

2.1.3 6 组（破坏性物理分析）

K级产品无要求破坏性物理分析而S级产品有要求。破坏性物理分析（DDA：Destructive Physical Analysis）（详见本文的 3.3.1 过程检验）。

2.1.4 7 组（稳态湿热，低电压）

在鉴定检验中，K级产品不要求做稳态湿热（低电压）试验，而S级产品要求做稳态湿热（低电压）试验。而稳态湿热是电容器可靠性测试方面很重要的一个试验。从而可以看出S级产品在电性能和可靠性方面要求明显比K级产品严格（详见本文的 3.4.1 检验项目比较）。

2.1.5 8 组（寿命试验）

在鉴定检验中，K级产品寿命试验要求做1000 h，而S级产品的寿命试验要求做4000 h。从这点我们可以得出如下结论：S级产品在寿命可靠性方面要求明显比K级产品高。

2.2 过程检验

在过程检验中，S级产品要求做非破坏性内部检查（超声波检查）和芯片破坏性物理分析，而K级产品没有对这两项检验项目的要求，如表2所示。非破坏性内部检查（超声波检查）和芯片破坏性物理分析的详细说明见本文 3.3.3。

表2 过程检验项目比较表

2.3 逐批检验

2.3.1 A1 分组

K级产品要求在做逐批检验时，用5次循环的温度冲击，采用至少96 h的电压处理。S级产品则采用20次循环的温度冲击并采用168～264 h电压处理。在逐批检验A1分组判定规则上，K级采用100%检验，允许10%或1只电容器不合格（取较大者）；S级规定了48 h试验DPA要求，也就是在168～264 h期间的48 h内不得出现0.5%（1尺寸和2尺寸）/1%（3、4、5、6尺寸）或1只样品失效，否则试验必须进行到264 h。以上对比明显看出S级比K级在A1组中有更高的严酷度，在批合格判定规则上，S级也明显比K级加严很多。

表3 逐批检验分组区别

2.3.2 A2、A3分组K级产品要求用检验批进行分组检验，而S级产品要求按生产批进行分组检验（详见本文3.5生产批和检验批的严格规定）。

2.3.3 A4组（破坏性物理分析）S级产品要求逐批检验时，应做破坏性物理分析（DPA），K级产品则无此要求（详见本文的

2.1.3 破坏性物理分析）。

2.3.4 B4组 分组（稳态湿热、低电压）

S级产品逐批检验需要做稳态湿热（低电压）试验，K级产品无要求。稳态湿热（低电压）试验是宇航级产品一项重要的可靠性测试试验（详见本文的3.4.1检验项目比较）。

2.3.5 B5b组 分组（温度冲击和试验后测试、寿命）

S级产品的逐批检验中要求增加此组检验项目，而K级在逐批检验中没有要求进行寿命试验，只是在周期检验中要求做1000 h寿命试验。从而可以看出S级产品要求每批都需要做寿命维持，而K级产品只需要在一定的周期内做寿命维持试验。B5a分组（寿命）

2.4 周期检验

表4 周期检验分组区别

K级产品要求在每个周期检验中做寿命试验。S级产品在周期检验中无要求做寿命试验，但是S级产品要求在逐批检验中做寿命试验（详见本文3.4.2.（6）寿命试验）。

2.5 本章小结

从以上5点的对比分析中我们可以认为，在产品检验（包括鉴定检验、过程检验、逐批检验、周期检验等）中，S级产品和K级产品有很大的区别：首先，在检验或试验条件的严酷度上，S级产品都比K级产品严酷。其次，在检验或试验批合格的判定原则上，S级产品比K级产品加严很多。第三，S级产品需要特殊的检验手段和方法，而K级产品无此要求。第四，S级产品比K级产品批次要求更严格（必须是生产批）。第五，在寿命维持试验上，S级产品比K级产品要求更严，必须是逐批维持。

3 S级（宇航级）产品的特征

在本文第二章S级产品与K级产品的几个方面的区别，本章将展开分析，并阐明S级（宇航级）产品的特征。

3.1 标准的规定

在GJB 6788-2009 《含宇航级的多芯组瓷介固定电容器通用规范》中的 第一点 范围中有规定： “……。本规范包括两种质量水平产品：K级产品（一般可靠）和S级产品（宇航级）。”所以从标准规定上看S级产品就是宇航级产品。

3.2 芯片设计要求

在GJB 4157标准中，为了保证产品不会因不同的设计而影响到可靠性，规定了：“电容器的介质最小厚度，额定电压50 V的为0.02 mm，额定电压大于50 V的为0.025 mm，最大的介电常数为3000。”同样地，在 GJB 6788-2009标准中的3.3.2也有规定：“……当额定电压为50 V时，其介质最小厚度为20 μm；当额定电压大于50 V时，其介质最小厚度为25 μm。……最大介电常数为3000。”两个标准在这方面的要求是一样的。也就是说GJB 7688-2009标准中规定多芯组电容器的芯片达到宇航级电容芯片的要求。

3.3 生产过程控制

3.3.1 过程检验

在GJB 6788-2009中，规定S级产品必须做100%的非破坏性内部检查和芯片破坏性物理分析（抽检），而K级产品无此要求。

超声波扫描检查作为一种无损检测，用于检查产品内部是否存在气隙、分层和裂缝等缺陷。GJB 6788-2009标准规定了S级产品超声波检查程序、方法和要求，增强了发现生产工艺缺陷能力。该项检查只有在S级产品有要求，K级产品没有此项要求（详见 GJB 6788-2009 标准 4.5.2）。

DPA是一种分析产品失效或潜在失效的有效手段。通过DPA可判断产品是否存在内部缺陷及其对产品可靠性的影响，并能对产品的内部结构进行识别、定位和描述，以验证产品的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定的规范要求。把DPA技术手段运用于每批产品的过程检验，只有S级产品才会如此规定，K级产品未作此规定。GJB 6788-2009标准中还规定了S级产品在鉴定检验、过程检验、逐批检验均要求要做DPA检查（详见GJB 6788-2009标准 表2、 4）。

3.3.2 统计过程控制（SPC）

SPC：用计数型或计量型的数据将产品制造过程中的质量特性正确地表达和反映出来，并对这些数据进行科学的统计分析，发现制造过程中有潜在的异常情况，并对此提前作出预防措施，从而使得产品的批合格率提高。SPC最主要的特点是：将生产过程中的微小异常提前发现，并及时得到纠正。SPC的精髓在于：异常状况的判定标准不是以产品生产后是否符合检验要求，而是以产品制造过程中产品质量特征是否符合统计学中的高度命中（准确性）和高度集中（再现性）。因为产品各项指标符合检验要求并不能说明产品的可靠性就高，产品单批合格率高的产品一定比单批合格率低的产品可靠性要高。实行了SPC，可以使产品在质量一致性方面和可靠性方面都得到很大的提高。GJB 6788-2009标准在3.1中明确规定应建立SPC控制，并详细列出应作SPC的工序节点。综上所述，GJB 6788-2009标准中的产品具有高度的质量一致性和高可靠性的质量水平。

3.4 质量一致性检验（逐批检验和周期检验）

3.4.1 检验项目比较

在GJB 6788-2009标准的逐批检验A组中，S级产品比K级产品多增加3项DPA实验。而且它还规定S级产品的逐批检验不但应包括A组检验还应做B4组（稳态湿热（低电压））和B5b（电压处理后寿命试验）（GJB 6788-20094.4.2.4.1）。 稳态湿热（低电压）试验的主要目的是检查电容器在低电压等的条件下电容器内电极的金属离子迁移是否会导致电容器短路。稳态湿热（低电压）试验是一项重要的电容器电性能可靠性试验。将B组（周期检验）中两个主要的可靠性项目检验作为逐批检验项目，可以看出S级产品体现了宇航级产品的一个特征就是：“有生产，就有维持；逐批试验，逐批维持”。

3.4.2 主要项目的检验条件（严酷度）比较

a）温度冲击和电压处理

在GJB 6788-2009标准中，对S级产品在逐批检验中A1组要求为：温度冲击20次，电压处理时间为：168～264 h；而K级产品的温度冲击次数为5次，电压处理时间为至少96 h（GJB 6788-2009 标准 4.5.5.1）。 B5b 组中 S 级产品的温度冲击次数为100次，对K级产品则无要求做（GJB 6788-2009 标准 4.5.5.1）。 S 级产品在逐批检验中温度冲击和电压处理实验的严酷度上比K级产品严酷许多，高严酷度的检验条件就是对产品本身的可靠性有高要求。这保证S级产品的可靠性要比K级产品高。

b）寿命试验

GJB 6788-2009标准中规定K级产品寿命试验只要求每个周期（一定时间跨度内）做一次。而S级产品则要求逐批检验（每个批次）中必须做寿命试验（GJB 6788-2009 标准 4.5.22）。 宇航级产品的一个特征就是：“有生产，就有维持；逐批试验，逐批维持”。从这点可以看出：S级产品的逐批维持要求比K级产品高。

3.4.3 批合格判定规则

在逐批检验的A1组中，S级产品的批合格判定规则比K级产品的要求更严格。单批产品的批合格判定规则越严格就是对同一批产品质量的一致性要求越严格。从而我们可以看出，S级产品在产品的质量一致性的要求上比K级产品高。

3.5 生产批、检验批的严格规定

检验批与生产批的区别在于检验批是指相同型号、标称电容量、额定电压、电压—温度特性和相同介质材料，作为一批在同一设备上进行加工的所有电容器。而生产批则是：不但要求相同型号、标称电容量、额定电压、电压—温度特性和相同介质材料，而且还要求相同的端接处理、单一的芯片批次，在生产开始、过程、装配和检验作为同一批。从而我们可以看出，生产批比检验批在产品质量的一致性上有更加严格的要求。要求芯片来料要同一批次，保证了多芯组电容器的高度一致性。要求端接处理相同，保证端接加工工艺的高度集中（正态分布更集中），而且在生产和检验中还要求必须同一批次同时加工，保证多芯组电容器在生产过程和检验过程中各因素的协调一致。也就是说，生产批对于检验批的主要区别在于，从生产和检验过程中尽可能保证时间以及人、机、料、法、环各因素的高度一致。而K级产品在检验对象的要求只要检验批，S级产品检验的对象要求用生产批。从以上分析我们可以看出，同一批次的S级产品比K级产品在质量水平上更趋于一致，质量一致性更好。

3.6 本章小结

从以上几个方面的分析，我们认为S级产品作为宇航级产品有以下几个特征：首先，在标准中已经明确规定S级产品是宇航级，而K级产品属于一般可靠性。其次，在芯片设计要求上，GJB 6788-2009标准包括的产品芯片符合宇航级标准，S所以级产品的芯片达到宇航级电容器芯片的要求。第三，从产品的制造过程控制、检验条件（严酷度）和检验项目的区别都说明了S级产品比K级产品有更高的可靠性要求。第四，从产品的制造过程控制、产品检验的批合格判定规则、产品检验对象（检验批和生产批的区别）说明了S级产品比K级产品在产品的质量一致性方面要好。第五，从产品逐批检验项目和周期检验项目的不同说明了S级产品比K级产品有更高的寿命可靠性维持要求。以上几点特征说明了S级产品作为宇航级产品与一般可靠质量水平的K级产品的显著区别。

4 可靠性设计

4.1 材料选用

构成GJB 6788-2009标准规定的多芯组瓷介固定电容器的主要原材料有：介电瓷粉、内电极材料和外电极材料，其中介电瓷粉和内电极材料对产品可靠性具有重大影响，设计时应重点考虑。下面说明一下福建火炬电子科技股份有限公司在生产GJB 6788-2009标准产品中所选定的材料。

4.1.1 介电瓷粉的选用要点

选用温度稳定性高、性能优良的BP材料作为一类产品材料。

选用有通用特性的BQ、BR和BX材料作为二类产品材料。

其中一类的BP介质材料的介电常数一般为100左右，远远小于规定的≤3000。而二类的BQ、BR和BX一般选用的介质材料的介电常数在2000±200之间，小于标准规定值的≤3000。

4.1.2 内电极材料的选用

采用贵金属系统：钯银材料。

材料成分：配合瓷粉的烧结温度，选用30%Pd：70%Ag的内电极。

材料特点：烧结温度最高可达较高的温度，产品可靠性高。

4.1.3 介质层厚度的设计

电容器的介质厚度决定着电容器的耐压，介质越厚，耐压越好即额定电压的富余量越大，额定电压富余量越大，电容器失效率越低，寿命也越长。为确保产品的高可靠，必须规定产品的最低介质层厚度。如额定电压50 V产品的烧结后介质层厚度应不小于20 μm。

4.2 工艺的设计

下面例举福建火炬科技股份有限公司在生产本标准产品的芯片时所采用的工艺。公司采用了具有国际先进水平的 “淋幕成膜湿式印刷一体化成型”的工艺技术，目前该工艺技术只有美国、英国等少数军工厂商拥有和运用，公司将该技术运用在高档陶瓷电容器的项目上在国内乃至亚洲都为首家。

与传统的 “干式流延法”相比，“淋幕成膜湿式印刷一体化成型”技术从根本上解决了多层电容器的 “分层”和 “边角过烧微裂”这两个困扰电容器质量提升的难题。

“淋幕成膜湿式印刷一体化成型”技术，可在受控的空间和规定的时间内，将陶瓷介质和电极材料一次成型，层与层之间采用的是 “键合”的方式；而“干式流延法”是先将陶瓷流延成为膜片，然后堆叠印刷，层和层之间只能借 “物理力”来压合；由于膜的干湿度、表面洁净度受存放时间、环境差异及施加的压力均匀性的影响而不能很好地结合，容易造成分层的隐患。电容器的边角微裂是由于烧结时，边角烧结的收缩应力引起，事先进行倒角处理是解决该问题的最好方法。“淋幕成膜湿式印刷一体化成型”产品在电容器坯体烧结前已经是一体的结构，是允许先倒角的，而 “干式流延法”生产的产品则很难做到这点。所以，从技术工艺的对比中可以看出，本标准产品的芯片采用 “淋幕成膜湿式印刷一体化成型”技术更为先进，特别是用在生产高可靠性的军工产品上更具有明显的优势。

5 目前本产品国内外使用情况及与国外产品的比较

5.1 本产品在国内外的使用情况

目前国际航天航空领域的卫星、载人飞船、导弹等武器装备的电源正向低压、高频、低功耗的方向发展，因此，高频开关电源的滤波、储能电路中选用的电容器也提出了更高的要求：

1）大容量、小体积；

2）高温、长寿命化；

3）高频低阻抗化；

4）耐纹波电流；

5）高可靠性。

这就对电容器的容量、材料特性、封装结构等都提出了新的要求。多芯组瓷介电容器主要应用于武器装备的高频电源中，能够满足新型高频开关电源的多种需求，有效提高航天、航空等装备系统可靠性问题。多芯组瓷介电容器已在国外装备的开关电源中广泛应用。

本标准范围的S级产品标准和质量水平等同于MIL-PRF-49470B标准中T级（高可靠）产品的质量水平，而K级产品的质量水平也等同于MILPRF-49470B标准中B级（一般可靠）产品的质量水平。

5.2 本标准与美国标准的比较

本标准与美国标准的比较如表5所示。

所以从以上两点可以看出本标准无论是S级（宇航级）产品或者是K级（一般可靠）产品都达到国际的先进水平。而目前，欧美国家都禁止对我国出售这类产品。

表5 GJB 6788-2009与美国军用标准MIL-PRF-49470B标准的比较

6 结束语

综上所述，我们可以得出如下结论：1）在同一标准（GJB6788-2009《含宇航级的多芯组瓷介固定电容器通用规范》）中，S级产品作为宇航级产品和K级（一般可靠）产品有显著的区别；2）GJB 6788-2009标准的产品都有特殊、严格的可靠性设计要求；3）GJB 6788-2009等同于美国军用标准MIL-PRF-49470；4）GJB 6788-2009标准中的S级（宇航级）产品和K级（一般可靠）产品可以替代美国军用标准中的MIL-PRF-49470中的T级（宇航级）产品和B级（一般可靠）产品。从而可以打破欧美等国家对我国在此类高可靠的多芯组瓷介固定电容器的贸易禁运。

[1]GJB 6788-2009，含宇航级的多芯组瓷介固定电容器通用规范[S].

[2]MIL-PRF-49470B-2003，Capacitor,fixed,ceramic dielectric,switch mode power supply (general purpose and temperature stable) , standard reliability and high reliability，general specification for[S].

[3]ZZR-Q/HJ 20015A-2009，CCS49型、CCK49型无包封水平堆叠多芯组瓷介固定电容器详细规范[S].

[4]GJB 546A-1996，电子元器件质量保证大纲[S].

[5]贾新章，李京苑.统计过程控制与评价——CPK、SPC和PPM技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6]GJB 4157-2001，高可靠瓷介固定电容器总规范[S].

[7]GJB 546A-1996，电子元器件质量保证大纲[S].