多层瓷介电容器的应用现状及失效分析

党杰

海军装备部，甘肃 兰州 730000

0 引言

电容器广泛应用于各类信息化装备和航天航空中，并已基本实现自产。宏明电子、火炬电子、鸿远电子、宏达电子等是我国主要的电容器供应商，其主要产品为陶瓷电容、钽电容、高电压电容器、射频微波电容器、瓷介电容器等，多层瓷介电容器的国军标通用规范见表1[1]。本文主要介绍多层瓷介电容器（multilayer ceramic capacitor，缩写为MLCC）相关研究现状及其失效分析。

1 多层瓷介电容器相关理论及研究现状

电容器在电路中的应用，究其实质是应用电容器的本质特性：①存储电荷（变化率为电流）；②电压不能突变（电荷的积累形成电势-电压）；③隔离直流电压（绝缘）。电路的工作特性本质为放大、选择、衰减以及各种数学运算。元（器）件工作特性物理量为电压、电流、频率以及由此伴生的电场和磁场。电容器在集总电路分析中的集总参数特性表达就是标称电容量。多层瓷介电容器也可称为独石电容器，通过多个印好电极（内电极）的陶瓷膜片以错位叠加的形式组合而成，经过均匀压制、切割、排塑、高温烧结形成细密精确的陶瓷坯体，紧接着陶瓷坯体的两端封装上端电极（一般端电极为三层结构），形成类似独石的结构体[2]。因此，多层瓷介电容器的相关标准见表1，其结构主要包括三部分：陶瓷介质、金属内电极、金属端电极。典型结构示意如图1所示。

表1 多层瓷介电容器相关标准

图1 多层瓷介电容器结构示意图

多层瓷介电容器可以看作是由若干个平行板电容器并联起来形成的，切面图如图2所示。

图2 多层瓷介电容器切面图

多层瓷介电容器的优点主要是小体积、大容量、高可靠性，同时还具有较好的耐湿性、较高的机械强度，在高频特性上表现较好，适合于在严酷的条件下使用的电子设备。特别是片式多层瓷介电容器，普遍应用于混合集成电路中，且对于一些对轻量化和可靠性要求较高的电子设备中，MLCC也是非常不错的选择[3]。而且近几年，大容量多层瓷介电容器以其在电性能、可靠性方面的优异表现替代了越来越多的钽电解电容器，甚至还有铝电解电容器。在对某型DC/DC电源模块输出端滤波电容进行研究时，对高频纹波的抑制方面MLCC表现优于钽电容，甚至可以用1/2～1/10容值的多层瓷介电容器替代固体钽电解电容器。对于同规格的钽电容和MLCC来说，二者的主要应用区别是MLCC适用于高频场合，而钽电容随着频率增高而电容减小，同时钽电容在高温环境下的漏电流是大于MLCC的，且在对更高的纹波电流承受能力和耐电压能力方面，MLCC明显优于钽电容。

多层陶瓷电容器在向小型化、大容量化、高性能发展中对质量和可靠性的要求非常高。从20世纪90年代开始，多层陶瓷电容器开始大规模生产，其材料和工艺是国家重点研究项目，随着其向小型化和集成化的进一步发展，叠层精度的要求也越来越严格，其中瓷膜烧结收缩率是必须考虑的一项重要指标，例如分层、开叉和裂纹等问题就是由内电极和介质层收缩率失配引起的，从而导致电容器质量不合格[4]。武器电子设备的使用环境比较恶劣，因此对电子元器件的选用、所用材料和制备工艺的要求更加严格。MLCC在使用中尤其是在进行介质耐电压或绝缘电阻测试时，因施加直流电压是电容器的充电过程，因此在测试完成后要注意放电过程，释放其存储的电荷，防止对MLCC造成的损伤。依据GJB 1940A-2012《高压多层瓷介固定电容器通用规范》4.5.5.1，电容器应放在惰性介质中（例如：氟利昂）进行试验，以防止飞弧或产生较大的漏电流，因此在进行介质耐电压要按规定要求进行。在一些环境试验中，MLCC被要求测量试验前后电容量变化，而为了防止老化干扰的影响，通常会进行预处理，处理方法是将其在高温上限下放置1小时后，再在常温下恢复24小时后进行检测。

2 多层瓷介电容器的失效分析

在某型电源变换器（图3）的研发设计中，电气功能分为“EMI滤波”“整流滤波”“DC/DC变换”“过流保护等”四个部分，输入滤波电路采用“EMI”共模滤波和“π”型滤波网络相结合的方式，以有效滤除电源输入端的低频共模电源噪声和传导射频干扰。输出端设计“Y”电容滤波网络，抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源或模块输出端。电容器通俗来说具有隔直流通交流、阻止低频的特性，被广泛应用在耦合、隔直、旁路、滤波、调谐、能量转换和自动控制等电路中[5]。在电路设计过程中，滤波和退耦的作用都是为了减少电源噪声和纹波杂波。滤波主要是为了减少供电电源上的纹波、噪声及杂波对电路器件的干扰；退耦是为了减少器件产生的纹波、噪声及杂波对供电电源的干扰。

图3 某型电源变换器原理图

某型电源变换电路在环境应力筛选中出现故障后，被发现是起滤波作用的MLCC被烧毁了，根据故障树分析方法，结合可能出现的故障，给出故障树，如图4所示。经故障定位分析及复现试验，确定引起该故障的原因是操作工人焊接时没有按照规定操作。

图4 MLCC电容烧毁故障树

根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中表7-1，可知1类和2类瓷介电容器的失效模式及比例如表2所示。究其原因主要有两类：一是电容器存在自身缺陷；二是在装配和使用过程中引入缺陷。

表2 1类和2类瓷介电容器的失效模式及比例

常见的电容器自身缺陷包括电极结瘤、介质空隙、电极与介质分层等，常见的引入缺陷包括；电容器瓷体表面附着导电多余物形成导电通道；过压或过流产生的电应力；使用过程中电容器受到过大的机械应力导致瓷体产生裂纹；焊接过程受热应力引入裂纹等[6]。在装配过程中使用贴片机装配MLCC已经非常普遍了，在使用贴片机时应主要考虑吸嘴定位爪的定期校对维修和更换。在装配后的手工清洗过程也要注意，比如在焊接完成后，应注意使其自然冷却；待其冷却至常温后开始清洗，清洗过程中要注意防护，防止其受外界损伤。清洗过程很多厂家采用的是超声波清洗，在《航天专项工程电子元器件标准要求（试行）》中对其有要求，明确“慎用超声清洗工艺，所选功率、时间等工艺参数应经充分论证和试验论证”。如需采用超声工艺进行清洗，应尽量采用低功率的清洗设备，并注意不要振动PCB。设备清洗功率不能超过20W/L，频率不能超过40kHz，清洗时间保持在5min以内。多层瓷介电容器焊接在陶瓷基板上使用时，如果温度在较大范围内快速变化（如温冲），由于焊锡的热膨胀系数同电容器和陶瓷基板相差较大，焊锡的热胀冷缩会对电容器端电极产生应力，且焊锡量越多，产生的应力越大，而陶瓷基板韧性较差，不会变形，对应力缓冲差，若多次循环，可能使电容器端电极边缘位置瓷体产生裂纹，引起电容器失效。通过入厂筛选一般可以剔除这些自身有缺陷的电容器，但是使用过程中引入的缺陷则主要由设计人员、工艺人员及检测人员在设计和使用过程中提供保障，常见的引入缺陷原因主要有以下几个方面。

（1）机械应力。片式多层瓷介电容器安装后产生裂纹是常见的失效现象，常因电容器受到外界过大的机械应力所致，而机械应力主要是由于电路板弯曲引起的。过强或过急弯曲电路板都会使两焊接点产生反向的机械应力，在电容器最弱的位置（一般在瓷体和端头的交接点）产生裂纹。该裂纹初期可能很细微而没有贯穿相邻的内电极，常规测试一般都无法发现，在后续应力试验或温度突变情况下会使裂纹扩大，可能发生灾难性的短路失效。操作过程中的主要影响因素：装配过程中铆钉附近的应力较大；电路板的堆放和贮存过程对电路板产生机械过应力；板裁切电路或切边时产生较大应力等。对于层数很多的印制线路板，在装配前应保证烘烤时间足够常，以去除水汽影响并释放残余应力。MLCC承受机械应力的能力还与焊点的情况有关。

（2）热应力。片式陶瓷电容器由于其制造工艺上的特点，能承受相当高的温度，但如果出现急冷急热的温度变化，就可能导致瓷体产生裂纹。

（3）电应力。电容器受到超过自身承受能力的电应力作用时，在相对薄弱位置会产生击穿烧毁失效，这也是常见的多层瓷介电容器失效原因，过大的电应力包括过压和过流（可能包括过大的浪涌电压、过大的冲击电流、过大的交流电压、过大的纹波电流等）。当MLCC两端的实际电压超过了电容器的额定电压时或者电容器两端的峰值电压超过了电容器的额定电压时，则可能导致电容器发生过压击穿失效，此外如果电路中存在过大的di/dt，则可能产生浪涌电压，也可能引起击穿失效。对此类问题，除了应注意电压降额设计以外，还应识别确认电路实际工作电压，同时还要考虑MLCC的低电压失效。所谓低电压失效是指电容器在低于额定工作电压下出现的绝缘失效现象。电容器制造工艺中的一些不足及膨胀系数不同，容易导致冷却过程中产生应力而造成瓷体中小区域内的龟裂，或者形成其他缺陷点（杂质或孔隙），从而在多层瓷介电容器内部形成细微的通道，且这些通道对大气开放。同时还应考虑过流的影响，若未考虑允许的最大纹波电流、热阻、热容、功耗等，易引起温度应力（稳态、瞬时），从而烧毁器件；谐振电流或电压远超预期引起的瞬时热点也会烧毁器件；电路中存在较大dv/dt 产生冲击电流等也会造成电容器失效。

3 结语

MLCC虽然结构简单，但是实际的制造过程却非常复杂，难度比较高。其主要制造工序包括陶瓷介质薄膜成型、内电极制作、烧结成瓷、外电极制作、性能测试、包装等。陶瓷电容的力学性能、电性能、可靠性主要影响因素为内电极烧结的好坏。内电极分层问题、内电极分叉问题、共烧中的其他问题，这些缺陷是制造中造成质量和可靠性降低的重要原因。一般情况下，如果是外用造成失效，可以使用DPA分析。MLCC具有体积小、容量大、可靠性性高的优点，广泛应用于电子整机的振荡、耦合、滤波电路中，但对其可靠性与质量的要求也越来越高。多层瓷介电容器的缺点是瓷体性脆，较易因受到机械应力及热应力而导致瓷体产生裂纹；机械应力和热应力是导致多层瓷介电容器失效的主要原因，所以在装配、焊接等使用过程中要避免引入过大的机械应力及热应力。