多層貼片陶瓷電容燒結(jié)原理及工藝

1、多層貼片陶瓷電容燒結(jié)原理及工藝多層陶瓷電容器(MLCC)的典型結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體一般為Ag或AgPd，陶瓷介質(zhì)一般為(SrBa)TiO3， 多層陶瓷結(jié)構(gòu)通過高溫燒結(jié)而成。器件端頭鍍層一般為燒結(jié)Ag/AgPd，然后制備一層Ni阻擋層(以阻擋內(nèi)部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn發(fā)生反應(yīng))，再在Ni層上制備Sn或SnPb層用以焊接。近年來，也出現(xiàn)了端頭使用Cu的MLCC產(chǎn)品。根據(jù)MLCC的電容數(shù)值及穩(wěn)定性，MLCC劃分出NP1、COG、 X7R、 Z5U等。根據(jù)MLCC的尺寸大小，可以分為1206，0805，0603，0402，0201等。 MLCC 的常見失效模式 多層陶瓷電容器本

2、身的內(nèi)在可靠性十分優(yōu)良，可以長時間穩(wěn)定使用。但如果器件本身存在缺陷或在組裝過程中引入缺陷，則會對其可靠性產(chǎn)生嚴重影響。陶瓷多層電容器失效的原因分為外部因素和內(nèi)在因素 內(nèi)在因素主要有以下幾種： 1.陶瓷介質(zhì)內(nèi)空洞 (Voids) 導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機或無機污染，燒結(jié)過程控制不當?shù)??？斩吹漠a(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，而漏電又導(dǎo)致器件內(nèi)部局部發(fā)熱，進一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，嚴重時導(dǎo)致多層陶瓷電容器開裂、爆炸，甚至燃燒等嚴重后果。 2.燒結(jié)裂紋 (firing crack) 燒結(jié)裂紋常起源于一端電

3、極，沿垂直方向擴展。主要原因與燒結(jié)過程中的冷卻速度有關(guān)，裂紋和危害與空洞相仿。3.分層 (delamination) 多層陶瓷電容器的燒結(jié)為多層材料堆疊共燒。燒結(jié)溫度可以高達1000以上。層間結(jié)合力不強，燒結(jié)過程中內(nèi)部污染物揮發(fā)，燒結(jié)工藝控制不當都可能導(dǎo)致分層的發(fā)生。分層和空洞、裂紋的危害相仿，為重要的多層陶瓷電容器內(nèi)在缺陷。 外部因素主要為： 1.溫度沖擊裂紋(thermal crack) 主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致，不當返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重要原因。 2.機械應(yīng)力裂紋(flex crack) 多層陶瓷電

4、容器的特點是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但抵抗彎曲能力比較差。器件組裝過程中任何可能產(chǎn)生彎曲變形的操作都可能導(dǎo)致器件開裂。常見應(yīng)力源有：貼片對中，工藝過程中電路板操作；流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素；通孔元器件插入；電路測試、單板分割；電路板安裝；電路板定位鉚接；螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于器件上下金屬化端，沿45角向器件內(nèi)部擴展。該類缺陷也是實際發(fā)生最多的一種類型缺陷。 MLCC器件的失效分析方法 掃描超聲分析:掃描超聲方法是分析多層陶瓷電容器的最重要的無損檢測方法?？梢允钟行У靥綔y空洞、分層和水平裂紋。由于超聲的分析原理主要是平面反射，因而對垂直裂紋如絕大多數(shù)的燒結(jié)裂紋

5、、垂直分量較大的彎曲裂紋的分辨能力不強。同時一般多層陶瓷電容器的檢測需要較高的超聲頻率。圖2為典型的空洞和分層的掃描超聲檢測結(jié)果。 甲醇檢漏法:對于嚴重的分層或開裂，可以使用甲醇檢漏法，即將失效器件浸入甲醇溶液中。由于甲醇為極性分子，且具有很強的滲透力，因而可以通過毛細管作用滲透進入嚴重分層或開裂部位。加電后產(chǎn)生很大的漏電流，從而可幫助診斷。 金相剖面法: 金相剖面既是最經(jīng)典，同時也是最有效的陶瓷電容器的失效分析方法。其優(yōu)點是通過剖面及相應(yīng)的光學(xué)或掃描電子顯微鏡檢測，可以得到失效部位的成分、形貌等精細結(jié)構(gòu)，從而幫助失效機理的分析。但其缺點是制備比較復(fù)雜，對制備技術(shù)

6、要求比較高，同時為破壞性檢測手段。圖35 為金相剖面分析多層陶瓷電容器的失效的典型案例。多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制 多層陶瓷電容器的特點是在沒有內(nèi)在缺陷并且組裝過程也未引入其它缺陷的前提下，可靠性優(yōu)越。但是如果存在缺陷，則無論是內(nèi)在的還是外在的都可能對器件可靠性產(chǎn)生嚴重影響。同時組裝后的陶瓷電容器潛在缺陷很難通過無損、在線檢測等發(fā)現(xiàn)，因而多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制主要必須通過預(yù)防性措施解決。常見預(yù)防措施包括：1.對供應(yīng)商進行認真選擇、對其產(chǎn)品進行定期抽樣檢測等。2.對組裝工藝中所有可能導(dǎo)致熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的操作進行認真的分析及有效的控制?？紤]到多層陶瓷電容器的特點，對器件進行的檢測可以主

7、要包括： 1.結(jié)構(gòu)分析: 即采用金相剖面手段抽檢樣品?？梢詫ζ骷a(chǎn)生的制造水平，內(nèi)在缺陷等有一全面了解。2.掃描超聲分析 : 可以十分有效地探測空洞、分層、水平裂紋等缺陷耐溫度試驗考察高溫及溫度沖擊可能帶來的器件開裂、Ag/Pd層外露等缺陷。彎曲試驗: 按照相關(guān)標準將器件組裝在規(guī)定的印刷電路板上，進行彎曲試驗，以考察器件抗彎曲能力。當然陶瓷電容器還有很多其它檢測指標，可根據(jù)具體情況增加或減少檢查項目，以達到用最低的成本達到最有效的控制。組裝工藝中主要考察及控制項目：1.回流或波峰焊溫度曲線，一般器件工藝商都會提供相關(guān)的建議曲線。通過組裝良品率的積累和分析，可以得到優(yōu)化的溫度曲線。2.

8、在組裝工藝中印刷線路板操作和流轉(zhuǎn)過程中特別是手工插件、鉚釘連接、手工切割等工藝需要特別加以注意。必要時甚至需要對產(chǎn)品設(shè)計進行修改，以最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工藝過程中可能產(chǎn)生較大機械應(yīng)力的區(qū)域。3.檢查組裝過程中的電檢測 ICT工藝，必須注意盡量減小測試點機械接觸所帶來的機械應(yīng)力。4.返修工藝中溫度曲線的設(shè)置。如使用烙鐵返修，則焊頭接觸焊點的位置、時間等都必須加以規(guī)范。多層陶瓷電容器的質(zhì)量控制為一系統(tǒng)工程，首先必須對實際生產(chǎn)中的失效樣品進行分析以確定失效的根本原因，在此基礎(chǔ)上逐步提出改進措施并最終達到最優(yōu)化的控制。在中學(xué)階段，有句話，就叫通交流，阻直流，說的就是電容的這個性質(zhì)。電容的作

9、用:1）旁路旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負載需求。 就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。2）去耦去耦，又稱解耦。 從電路來說， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大， 驅(qū)動電路要把電容充電、放電， 才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大， 這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)生

10、反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。去耦電容就是起到一個“電池”的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1F、0.01F 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10F 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是

11、他們的本質(zhì)區(qū)別。3）濾波從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1F 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容（1000F）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。4）儲能儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值