MLCC漏电失效分析

1、MLCC 漏电失效分析美信检测失效分析实验室摘要：本文通过 X 射线透视检查、 MLCC 外观、 MLCC 内部结构分析及 SEM/EDS 检查，认为造成 MLCC 漏电失效的原因为：电容本身质量问题，MLCC 内部存在镍瘤，镍瘤的存在使热应力裂纹的萌生产生了可能。关键词：MLCC, 镍瘤 ，片式多层陶瓷电容器1. 案例背景，失效分析， MLCC 漏电失效分析客户端在老化实验测试阶段发现MLCC 出现漏电失效， 其不良比率不详， 该 MLCC 焊接工艺为回流焊接工艺。2. 分析方法简述通过外观检查 OK 样品与 NG 样品表面未见明显异常。通过 X 射线透视检查， OK 样品和 NG 样品内部

2、均未发现裂纹孔洞等异常。MLCC X 射线透视内部结构图MLCC 内部结构， NG 样品电容将 OK 样品和 NG 样品分别切片，然后在金相显微镜下放大拍照观察 内部存在镍瘤及热应力裂纹，而 OK 样品未见异常。MTT （美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第 三方实验室 ,网址： ,联系电话：0755-23285654。裂纹镍瘤OK 样品NG 样品通过对样品剖面 SEM/EDS 分析， NG 样品电容内部电极层不连续，存在明显镍瘤；其镍瘤周围多条向 外延伸裂纹并在裂缝通道内发现明显碳化痕迹 （EDS 结果中 C 含量高达 50%），此

3、应为热应力裂纹， 裂纹的存在直接导致电容性能异常；而 OK 样品电容内部电极层连续，陶瓷介质层致密未发现孔洞及镍瘤，电容性能良好。OK 样品电容内部结构空白样品电容内部形貌和 EDS 能谱图（镍瘤位置）3. 分析与讨论? 失效模式分析：多层陶瓷电容器（ MLCC ）本身的内在可靠性十分优良，可长时间稳定使用。但如果器件本身存在 缺陷或在组装过程中引入缺陷，则会对可靠性产生严重的影响。陶瓷多层电容器（ MLCC ）失效的原因 一般分为外部因素和内在因素。内在因素包括 : 陶瓷介质内空洞、介质层分层；外部因素包括：热应力 裂纹及机械应力裂纹。1）陶瓷介质内的孔洞 所谓的陶瓷介质内的孔洞是指在相邻电

4、极间的介质层中存在较大的孔洞， 这些孔洞由于内部可能含 有水汽或离子，在端电极间施加电压时，降低此处的耐压强度，导致此处发生过电击穿现象。2）介质层分层多层陶瓷电容的烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度在1000以上。层间结合力不强，烧结过程值得一提的是， 某些分层还可能导致陶这些都与电容器的生产工艺有关。 分层的中内部污染物挥发， 烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。瓷介质内部产生裂纹， 或在介质层内出现断续的电极颗粒等，直接影响是绝缘电阻降低，电容量减小。3）热应力裂纹实际使用中各种温度冲击往往容易产生热应力， 热应力产生的裂纹主要分布区域为陶瓷靠近端电极 的两侧，常见的表现形式为贯穿瓷体的

5、裂纹，有的裂纹与内电极呈现90。需要强调的是，这些裂纹产生后， 不一定在现场就表现出实效， 大多数是在使用一段时间后， 水汽或离子进入裂纹内部， 致使电容 的绝缘电阻降低而导致电容失效。4）机械应力裂纹多层陶瓷电容器（ MLCC ）的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。常见的应力源有：工艺过程电路板流转操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；元件接插操作；电路测试；单板分割；电路板安装；电路板定位 铆接；螺丝安装等。该裂纹一般源于器件上下金属化端子，沿45向器件内部扩展，详见图 23。图 23. 典型的板弯曲引起的机械应

6、力裂纹示意图? 案例失效分析与讨论通过外观检查 OK 样品与 NG 样品表面均完好，未见裂纹、破损等异常。通过 X-ray 透视检查， OK 样品和 NG 样品内部均未发现裂纹孔洞等异常。将 OK 样品和 NG 样品分别切片，然后在金相显微镜下放大拍照观察 MLCC 内部结构， NG 样品电容 内部存在镍瘤及热应力裂纹，而 OK 样品未见异常。通过对样品剖面 SEM/EDS 分析， NG 样品电容内部电极层不连续，存在明显镍瘤；其镍瘤周围多条向 外延伸裂纹并在裂缝通道内发现明显碳化痕迹（EDS 结果中 C 含量高达 50%），此应为热应力裂纹， 裂纹的存在直接导致电容性能异常；而 OK 样品电

7、容内部电极层连续，陶瓷介质层致密未发现孔洞及镍瘤，电容 性能良好。4. 结论综合测试分析可知，导致产品测试异常的原因为： NG 失效的根本原因在于电容本身质量问题，其内部 存在镍瘤，镍瘤的存在使热应力裂纹的萌生产生了可能。建议：对 MLCC 每批来料进行抽检做切片分析，观察其内部结构是否存在来料不良问题。5. 参考标准GJB 548B-2005 微电子器件失效分析程序 -方法 5003IPC-TM-650 2.1.1-2004 手动微切片法GB/T 17359-2012 电子探针和扫描电镜 X 射线能谱定量分析通则Ag 或 AgPd ，陶瓷介质一般为 (SrBa)TiO3 ， 多层陶瓷结构通过

8、高温烧结而成。器件端头镀层一般为烧结 Ag/AgPd ，然后制 备一层 Ni 阻挡层 (以阻挡内部 Ag/AgPd 材料，防止其和外部 Sn 发生反应 )，再在 Ni 层上制备 Sn 或 SnPb 层用以焊接。近年 来，也出现了端头使用 Cu 的 MLCC 产品。根据 MLCC 的电容数值及稳定性， MLCC 划分出 NP1 、COG 、 X7R、 Z5U等。根据 MLCC 的尺寸大小，可以分为 1206， 0805 ，0603 ，0402 ，0201 等。多层陶瓷电容器本身的内在可靠性十分优良，可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引入缺陷，则 会对其可靠性产生严重影响。内

9、在因素主要有以下几种：1. 陶瓷介质内空洞 (Voids) 导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致 器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷 电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。2. 烧结裂纹 (firing crack) 烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。主要原因与烧结过程中的冷却速度有关，裂纹和危 害与空洞相仿。3. 分层 (delamination)多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。 烧结温度可以高达 1000 以上。 层间结合力不强，

10、 烧结过程中内部污染物挥发， 烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿，为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。1. 温度冲击裂纹 (thermal crack) 照明工程师社区主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。 多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都 可能导致器件开裂。常见应力源有：贴片对中，工艺过程中电路板操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件 插入；电路测试、单板分割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金

11、属化端，沿45 角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。MLCC 器件的失效分析方法扫描超声分析 : 扫描超声方法是分析多层陶瓷电容器的最重要的无损检测方法。可以十分有效地探测空洞、分层和水平裂纹。由于超声的分 析原理主要是平面反射，因而对垂直裂纹如绝大多数的烧结裂纹、垂直分量较大的弯曲裂纹的分辨能力不强。同时一般多层 陶瓷电容器的检测需要较高的超声频率。甲醇检漏法 : 对于严重的分层或开裂，可以使用甲醇检漏法，即将失效器件浸入甲醇溶液中。由于甲醇为极性分子，且具有很强的渗透力， 因而可以通过毛细管作用渗透进入严重分层或开裂部位。加电后产生很大的漏电流，从而可帮助诊断。金相剖

12、面法 : 金相剖面既是最经典，同时也是最有效的陶瓷电容器的失效分析方法。其优点是通过剖面及相应的光学或扫描电子显微镜检 测，可以得到失效部位的成分、形貌等精细结构，从而帮助失效机理的分析。但其缺点是制备比较复杂，对制备技术要求比 较高，同时为破坏性检测手段。图 3 5 为金相剖面分析多层陶瓷电容器的失效的典型案例。多层陶瓷电容器的质量控制多层陶瓷电容器的特点是在没有内在缺陷并且组装过程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性优越。但是如果存在缺陷，则无 论是内在的还是外在的都可能对器件可靠性产生严重影响。同时组装后的陶瓷电容器潜在缺陷很难通过无损、在线检测等发 现，因而多层陶瓷电容器的质量控制主要必须

13、通过预防性措施解决。常见预防措施包括： 1.对供应商进行认真选择、对其产品进行定期抽样检测等。2. 对组装工艺中所有可能导致热应力、机械应力的操作进行认真的分析及有效的控制。 考虑到多层陶瓷电容器的特点，对器件进行的检测可以主要包括：1.结构分析 : 即采用金相剖面手段抽检样品。可以对器件产生的制造水平，内在缺陷等有一全面了解。2.扫描超声分析 : 可以十分有效地探测空洞、分层、水平裂纹等缺陷耐温度试验考察高温及温度冲击可能带来的器件开裂、 Ag/Pd 层外露等缺陷。弯曲试验 : 按照相关标准将器件组装在规定的印刷电路板上，进行弯曲试验，以考察器件抗弯曲能力 当然陶瓷电容器还有很多其它检测指标

14、，可根据具体情况增加或减少检查项目，以达到用最低的成本达到最有效的控制。 组装工艺中主要考察及控制项目：1.回流或波峰焊温度曲线，一般器件工艺商都会提供相关的建议曲线。通过组装良品率的积累和分析，可以得到优化的温度 曲线。2.在组装工艺中印刷线路板操作和流转过程中特别是手工插件、铆钉连接、手工切割等工艺需要特别加以注意。必要时甚至 需要对产品设计进行修改，以最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。3. 检查组装过程中的电检测 ICT 工艺，必须注意尽量减小测试点机械接触所带来的机械应力。(1) 容量与误差 :实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围.一般使用的容量

15、误差有 :J 级5%,K 级10%,M 级20%.精密电容器的允许误差较小 ,而电解电容器的误差较大 ,它们采用不同的误差等级 .常用的电容器其精度等级和电阻器的表示方法相同.用字母表示 :D 级 0.5%;F 级1%;G 级 2%;J级 5%;K 级 10%;M 级 20%.(2) 额定工作电压 :电容器在电路中能够长期稳定、 可靠工作 ,所承受的最大直流电压 ,又称耐压 .对于结构、 介 质、容量相同的器件 ,耐压越高 ,体积越大 .(3) 温度系数 :在一定温度范围内 ,温度每变化 1 ,电容量的相对变化值 .温度系数越小越好(4) 绝缘电阻 :用来表明漏电大小的 .一般小容量的电容 ,绝缘电阻很大 ,在几百兆欧姆或几千兆欧姆 .电解电容 的绝缘电阻一般较小 .相对而言 ,绝缘电阻越大越好 ,漏电也小 .(5) 损耗 :在电场的作用下 ,电容器在单位时间内发热而消耗的能量.这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗通常用损耗角正切值来表示 .(6) 频率特性 :电容器的电参数随电场频率而变化的性质.在高频条件下工作的电容器 ,由于介电常数在高频时比低频时小 ,电容量也相应减小 .损耗也随频率的升高而增加 .另外 ,在高频工作时 ,电容器的分布参数 ,如极 片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自