浅析PCB设计引起的MLCC失效
2018-08-07深圳市中识健康科技有限公司史世江涂田军
深圳市中识健康科技有限公司 史世江 涂田军
1.引言
片式多层陶瓷电容器（MLCC）具有体积小，体积容量比大，性价比高等特点，广泛应用于各类电子设备、仪器仪表电路中。在分析客诉及产品生产过程中发现约有15%的不良品是由于MLCC失效导致，且MLCC出现断裂约占80%。根据平板电容器的容量公式：
可以看出，MLCC的电容量与绝缘介质相对介电常数、极板面积、极板层数及极板间距离有关。式中为真空介电常数；为绝缘介质的相对介电常数，陶瓷的相对介电常数约为5.8；n为极板层数；A（m2）为极板面积；d（m）为极板间距离；同样材质尺寸和耐压，容量越高越容易断裂。裂纹的危害是漏电，严重断裂时将引起MLCC内部层间错位，断裂处的电极绝缘间距将低于击穿电压,导致电极之间的电弧放电、短路，从而彻底损坏MLCC。
2.原因及对策
2.1 电路板弯曲变形引起的拉伸和压缩应力
MLCC陶瓷介质的自身脆性决定其抵抗弯曲能力比较差。从机械结构上来说，其电极端头焊接在PCB上直接承受来自于外界的各种机械应力；而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力。当PCBA发生弯曲变形时，MLCC的陶瓷基体不会随板弯曲，其长边承受的应力大于短边（如图1所示），从而容易引起MLCC断裂。
图1 弯曲引起的拉伸和压缩应力
可采用的对策 ：①选择合适的PCB厚度。当PCB的板面积大于100时，PCB厚度不小于1.0mm。②C0G、X7R和Y5V材质的MLCC能承受的弯曲量分别约为3.3mm、2.7mm和2.7mm。因此，PCBA的弯曲量最多不超过2mm。如有比较重的元器件应尽量均匀摆放，以减少生产、运输过程中由重力造成电路板弯曲变形的影响。在上述方法实施困难时，可增加PCB支架来减少其弯曲程度。
图2 MLCC在PCBA上不同位置受机械应力的影响
2.2 PCBA分板或分割时弯曲引起的机械应力
表面贴装后的PCBA分板是一个特别精密的工序，分板时的任何弯曲都会带来机械应力，此外MLCC与PCBA板分割面的接近度和方向极为重要。如图2所示，在分板时，电容A受的应力最大，C、D其次。电容B和E在最佳位置，电容E因远离分割线，受的应力最小。总的来说，其位置远离分割线，受到的应力小，反之，越接近分割线，所受应力就越大。
对策：①优化MLCC在PCB板的位置和方向，减小其在电路板上的承受的机械应力，MLCC应尽量与PCB上的分孔和切割线或切槽保持一定的距离，使得MLCC在PCB贴装后分板弯曲时受到的拉伸应力最小。②MLCC的贴装方向应与开孔、切割线或切槽平行，以确保MLCC在PCB分板弯曲时受到的拉伸应力均匀，防止板切割时损坏MLCC。
2.3 在螺丝固定孔或测试点附近的MLCC被螺丝刀或测试工具撞击
PCBA在定位铆接、单板测试时测试点机械接触的位置容易产生形变。对策：MLCC尽量不要放置在螺丝孔附近，防止锁螺丝时撞击开裂。在必须放置电容的位置，可以考虑使用引线式封装的电容器。
2.4 与电路板的热膨胀系数的差异引起的机械应力
焊接时MLCC受热不均，容易从焊端开始产生裂纹，大尺寸的MLCC导热性能较小尺寸的差，造成其受热不均，膨胀幅度不同，从而产生破坏性应力。采用表面贴装技术（SMT）进行装联时，安装密度得到提高，但元器件本体没有引线缓冲和吸收应力。在MLCC焊接过后的冷却过程中，由于MLCC和PCB的膨胀系数不同，会产生应力导致裂纹。对策：①应尽量选用材料热膨胀系数（CTE）和MLCC的热膨胀系数相匹配的PCB板材。②在满足电气要求的情况下，尽量选择封装尺寸小的电容器，优先选用0805、0603或0402的封装。当小尺寸封装MLCC电容量不够可采用多只并联。并联后的MLCC有更小的等效串联电阻，能更好地吸收电源的纹波电流。
2.5 焊盘尺寸对MLCC的影响
良好的焊盘尺寸和形状能在焊接过程保证焊料熔融时，作用于MLCC上所有焊点的表面张力保持平衡，以利于形成弯月形轮廓的优质焊点。分两种情况：一是当MLCC两端焊盘中有一个与地面的连接，或附近有其他的焊点时，或是有一侧的焊盘面积过大时，会因热容量的不均匀而引起其湿润力的不平衡，使得MLCC一端焊盘的焊锡量过多。发生这种情况时会在MLCC两端产生不一致的应力分布，应力集中在一端；第二种是过多的焊锡量会在PCB板弯曲时增加对MLCC的拉伸应力，陶瓷材料压迫强度大拉伸强度低，从而导致MLCC产生裂纹。适合波峰焊和回流焊的焊盘尺寸略有差异，特别是焊盘的阻焊区域。比较合适的焊锡量是MLCC焊点高度约占MLCC高度的50～75%。对策：①优化MLCC在PCB上的摆放位置，避免MLCC的两个焊盘出现热容量差异过大的状况；②根据不同焊接工艺，选用合适焊盘尺寸，特别注意在PCB设计时要给焊盘设置合适的阻焊区域。
3.结语
在PCB设计阶段应重视机械应力对MLCC的影响，应采取适当的预防措施，减小MLCC在PCBA上承受的机械应力，从而改善MLCC失效率。
