MLCC在平板電源中的斷裂分析和改進

1、編輯ppt1MLCC在平板電源中的斷裂在平板電源中的斷裂原因分析與改進措施原因分析與改進措施質量管理部質量管理部 王磊王磊 2014年年12月月編輯ppt2 目錄目錄1 、 MLCC的介紹的介紹2 、 MLCC的失效分析的失效分析3 、 MLCC的改善措施的改善措施4、 結論結論編輯ppt3MLCC簡述簡述MLCC(Multi-layer ceramic capacitors)片式多層陶瓷電容器英文縮寫片式多層陶瓷電容器英文縮寫特點特點:體積小、比容大、可靠性高、內(nèi)電感小、耐濕體積小、比容大、可靠性高、內(nèi)電感小、耐濕編輯ppt4 容量計算公式：容量計算公式：C：容量值；：容量值；N：并聯(lián)的電容

2、器個數(shù)，相當于疊層介質的層數(shù)；：并聯(lián)的電容器個數(shù)，相當于疊層介質的層數(shù)；K：介質的介點常數(shù)，與介質的本身特性相關：介質的介點常數(shù)，與介質的本身特性相關d：平行板電容器兩極板的間距，相當于介質厚度；：平行板電容器兩極板的間距，相當于介質厚度；s：平行板電容器兩極板的正對面積，相當于兩層電極的正對面積；：平行板電容器兩極板的正對面積，相當于兩層電極的正對面積；因此因此, 凡是影響凡是影響X、d、s、K的因數(shù)均能影響電容的容量值的因數(shù)均能影響電容的容量值 .片式電容器的結構圖片式電容器的結構圖編輯ppt51 濾波濾波2 耦合耦合3 隔直隔直4 交流取樣交流取樣5 時間常數(shù)設定時間常數(shù)設定6 IC工作

3、頻率調(diào)整工作頻率調(diào)整電容器的作用電容器的作用電容濾波電路電容濾波電路IC工作頻率調(diào)整工作頻率調(diào)整編輯ppt6MLCC屬于陶瓷電容器，常見的可分為以下幾類：屬于陶瓷電容器，常見的可分為以下幾類：（1） I類電容器，線性溫度特性，熱穩(wěn)定性類電容器，線性溫度特性，熱穩(wěn)定性 COG電容器（超穩(wěn)定級）：溫度特性平穩(wěn)、容值小、價值高電容器（超穩(wěn)定級）：溫度特性平穩(wěn)、容值小、價值高（2）II類電容器，非線性溫度特性類電容器，非線性溫度特性 Z5U/Y5V（能用級）電容器：溫度特性大、容值大、價值低（能用級）電容器：溫度特性大、容值大、價值低 X5R/X7R（穩(wěn)定級）電容器：介于以上兩者之間（穩(wěn)定級）電容器：

4、介于以上兩者之間不同材質電容器電容量以及介質損耗隨溫度變化的曲線不同材質電容器電容量以及介質損耗隨溫度變化的曲線 MLCC的溫度特性的溫度特性編輯ppt7 目錄目錄1 、 MLCC的介紹的介紹2 、 MLCC失效分析失效分析3 、 MLCC的改善措施的改善措施4 、 結論結論編輯ppt8MLCC的失效分析的失效分析 影響影響MLCC開裂的因素主要有兩種：開裂的因素主要有兩種：1、內(nèi)因、內(nèi)因主要涉及主要涉及MLCC的材料、內(nèi)部缺陷和產(chǎn)品尺寸。的材料、內(nèi)部缺陷和產(chǎn)品尺寸。瓷體的斷裂韌性主要與瓷體的臨界應力強度因子、熱傳導系數(shù)和瓷體的斷裂韌性主要與瓷體的臨界應力強度因子、熱傳導系數(shù)和楊氏模量有關。楊

5、氏模量有關。一般情況下，瓷體的斷裂韌性按以下順序遞減一般情況下，瓷體的斷裂韌性按以下順序遞減: NP0 X7R Z5U, Y5V 3,4。同時，多項研究表明產(chǎn)品的尺寸越大產(chǎn)品在焊接和安。同時，多項研究表明產(chǎn)品的尺寸越大產(chǎn)品在焊接和安裝過程中越容易產(chǎn)生開裂。裝過程中越容易產(chǎn)生開裂。2、外因、外因主要包括在焊接和焊接后的操作過程中出現(xiàn)的熱應力和機械應力。主要包括在焊接和焊接后的操作過程中出現(xiàn)的熱應力和機械應力。編輯ppt9MLCC的失效分析的失效分析分析手段：在失效的分析手段：在失效的MLCC進行進行剖面分析剖面分析、難點：、難點：需要剪板分析，直拆會加損需要剪板分析，直拆會加損失效現(xiàn)象：失效現(xiàn)象

6、：失效的大部分樣品經(jīng)過失效的大部分樣品經(jīng)過DPA分析顯示端電極呈現(xiàn)約分析顯示端電極呈現(xiàn)約45裂紋（圖裂紋（圖1）典型特征典型特征：受力最大的部位呈現(xiàn)受力最大的部位呈現(xiàn)45裂紋（圖裂紋（圖2）圖圖1：MLCC彎曲開裂彎曲開裂圖圖2：45裂紋裂紋可見平板電源中可見平板電源中MLCC的失效模式主要以彎曲開裂為主的失效模式主要以彎曲開裂為主!編輯ppt10判斷廠家比較困難，但有辦法，案例如判斷廠家比較困難，但有辦法，案例如14004742（0805-50V-X7R272K ）14000538（ 0805-50V-X7R222K ）編輯ppt11編輯ppt12從產(chǎn)線失效樣板可以看到從產(chǎn)線失效樣板可以看到

7、PCB彎曲嚴重，彎曲應力會延伸到彎曲嚴重，彎曲應力會延伸到MLCC編輯ppt13案例案例2:14003452（0805-50V-Y5V105Z）分析過程：首先無法識別供應商，辦法首先從庫存抽樣送各供應商進行端強度、耐分析過程：首先無法識別供應商，辦法首先從庫存抽樣送各供應商進行端強度、耐焊接熱測試，再進行及焊接熱測試，再進行及DPA分析，確認各家內(nèi)部結構，給多家并行協(xié)助分析分析，確認各家內(nèi)部結構，給多家并行協(xié)助分析外觀發(fā)現(xiàn)：失效品多為外觀發(fā)現(xiàn)：失效品多為0.85mm厚度產(chǎn)品，庫存多家為厚度產(chǎn)品，庫存多家為1.25MM厚度厚度,鎖定鎖定0.85mm產(chǎn)品找原因！產(chǎn)品找原因！ DPA內(nèi)部結構確認發(fā)現(xiàn)

8、不良樣品2#內(nèi)部結構設計與不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部結構設計存在很大差異，不良樣品2#內(nèi)部設計層數(shù)為64層、不良樣品1#、3#、4#內(nèi)部設計層數(shù)為74層,說明有說明有2家產(chǎn)品失效家產(chǎn)品失效。波峰焊接產(chǎn)生的熱應力，使得波峰焊接產(chǎn)生的熱應力，使得0.85mm厚度產(chǎn)品的使用效果不及厚度產(chǎn)品的使用效果不及1.25mm厚度的產(chǎn)品。厚度的產(chǎn)品。編輯ppt14通過歷次不良樣品分析，統(tǒng)計失效產(chǎn)品分為以下幾個樣式通過歷次不良樣品分析，統(tǒng)計失效產(chǎn)品分為以下幾個樣式：編輯ppt15MLCC是由陶瓷和金屬的共燒體，因兩類材料的收縮率存在較大的差異，在受到驟然的熱沖擊時易產(chǎn)生熱沖擊開裂。開裂后產(chǎn)品內(nèi)部短路，繼續(xù)通電內(nèi)

9、部漏電流極大，產(chǎn)生高溫，將內(nèi)部介質和金屬燒毀熔融，形成鎳球。因此在焊接時推薦用回流焊接工藝推薦用回流焊接工藝，該工藝焊接時溫度均衡，熱應力極小。針對客戶方面的波峰焊接工藝，供應商只能從產(chǎn)品的設計方面改進，以適應客戶端的使用適應客戶端的使用。將現(xiàn)有的0.85mm厚度產(chǎn)品更改為1.25mm厚度，耐焊性方面表現(xiàn)相近（見以下對比表），但在波峰焊接時可以將應力分散至端頭處，產(chǎn)生熱沖擊幾率要小很多，更適宜目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀。 規(guī)格耐焊性溫度耐焊性結果不良樣式0805Y5V105Z500D270OK280OK290OK300OK3101/80耐焊開裂0805Y5V105Z500F270OK/280OK290OK

10、300OK310OK備注：1、耐焊性采用同一組樣品分別經(jīng)過270到310的耐焊性檢驗；2、耐焊性方面產(chǎn)品均可以滿足生產(chǎn)使用，兩種厚度產(chǎn)品耐焊性結果應相近，此次結果1.25mm產(chǎn)品較優(yōu)；編輯ppt16MLCC的失效分析的失效分析彎曲失效的原因主要有電容器材質本身問題和使用不當。彎曲失效的原因主要有電容器材質本身問題和使用不當。對于材質耐受彎曲能力業(yè)界有一個界定標準：國際標準對于材質耐受彎曲能力業(yè)界有一個界定標準：國際標準確定抗彎曲強度確定抗彎曲強度1mm。判斷判斷MLCC材質是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采材質是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用用BENGDING試驗測試端電極結合強度（即

11、彎折強度）。試驗測試端電極結合強度（即彎折強度）。編輯ppt17判斷判斷MLCC材質是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用材質是否達到抗機械沖擊能力，行業(yè)內(nèi)都是采用BENGDING試驗測試端電極結合強度（即彎折強度），試驗測試端電極結合強度（即彎折強度）， 將片狀將片狀電容器安裝在測試夾具上，按圖所示方向以電容器安裝在測試夾具上，按圖所示方向以1.0mm/s的速率施的速率施加壓力，彎曲加壓力，彎曲1mm，供應商內(nèi)控指標要高于標準，供應商內(nèi)控指標要高于標準BENGDING示意圖示意圖編輯ppt18 BENDGING實物圖實物圖編輯ppt19 目錄目錄1 、 MLCC的介紹的介紹2 、 MLCC的

12、失效分析的失效分析3 、 MLCC的改善措施的改善措施4 、 結論結論編輯ppt201、 MLCC材質選擇材質選擇2、 MLCC尺寸選擇尺寸選擇3、 優(yōu)化優(yōu)化MLCC安裝方式安裝方式7、 改進檢驗方式改進檢驗方式6、 優(yōu)化焊接工藝優(yōu)化焊接工藝4、 改進改進PCB板設計板設計5、 改進貼裝工藝改進貼裝工藝七大改善措施七大改善措施編輯ppt211、MLCC材質選擇材質選擇 因為分子結構的差異，因為分子結構的差異，2類陶瓷的類陶瓷的X7R和和X5R、Y5V材質是較脆材質是較脆弱的一類。弱的一類。I類陶瓷類陶瓷C0G/NP0等因為厚度等因素，其等因為厚度等因素，其的抗彎曲強比的抗彎曲強比X7R的的強很

13、多。強很多。因此因此4700pF以下容量的，建議更換為以下容量的，建議更換為C0G/NP0材材料，大于料，大于4700pF以上容量產(chǎn)品如果改用以上容量產(chǎn)品如果改用C0G/NP0材質，成本上升材質，成本上升幅度很大。幅度很大。為提升可靠性，該改必須改為提升可靠性，該改必須改編輯ppt221、MLCC材質選擇材質選擇編輯ppt231、MLCC材質選擇材質選擇編輯ppt2414003452改進措施：改進措施：1：停止：停止0.85mm厚度產(chǎn)品供貨，厚度產(chǎn)品供貨，2：開發(fā)：開發(fā)ECO更改改更改改用用0805/1.0uF10%X7R025V材質材質1、MLCC材質選擇材質選擇編輯ppt25供應商改進和保

14、證措施供應商改進和保證措施編輯ppt26 失效機型失效機型 對應位號對應位號 對應的電容規(guī)格對應的電容規(guī)格34005565C759C764片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006602C765C767C762C760片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R471K34006703C765C778片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006723C786C770C777C791片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R222K34006601C752C754片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R472K34006620C71

15、1C718片式陶瓷電容片式陶瓷電容0805-50V-X7R103K表表1：電源模塊中電容斷裂失效機型與：電源模塊中電容斷裂失效機型與MLCC規(guī)格表規(guī)格表 上述失效電容都是上述失效電容都是X7R材質的電容，材質的電容，將上述電容的材質由將上述電容的材質由X7R更更改為改為NP0材質，材質，我們看一下改善效果：我們看一下改善效果：編輯ppt27自主電自主電源源型號型號更改材質前情況更改材質前情況更改材質后情況更改材質后情況更改前更改前上機數(shù)上機數(shù)更改前電更改前電容失效數(shù)容失效數(shù)更改前電更改前電容失效容失效PPM更改后更改后上機數(shù)上機數(shù)更改后更改后電電容失效容失效數(shù)數(shù)更改后更改后失失效效PPM340

16、066015694138667345270034006703423164811343343800340067236650022633987948200 將上述電容的材質由將上述電容的材質由X7R更改為更改為NP0材質，由于材質，由于NP0材質的強度比材質的強度比X7R高，產(chǎn)品成品的失效情況得到了較好的解決，失效比率由更換前高，產(chǎn)品成品的失效情況得到了較好的解決，失效比率由更換前的的6673398 ppm 均降至均降至0 ppm 。 表表2: 電容由電容由X7R材質更改為材質更改為NP0材質后失效比率的改善材質后失效比率的改善編輯ppt282、MLCC尺寸選擇尺寸選擇 由于陶瓷為脆性材料，由于陶

17、瓷為脆性材料，PCB板彎曲相同的程度時大尺寸板彎曲相同的程度時大尺寸MLCC兩端頭將會承受更大的應力，故而比小尺寸兩端頭將會承受更大的應力，故而比小尺寸MLCC更容更容易產(chǎn)生開裂失效，可以優(yōu)先選擇小尺寸易產(chǎn)生開裂失效，可以優(yōu)先選擇小尺寸MLCC產(chǎn)品來改善產(chǎn)品來改善MLCC在在PCB板上的失效現(xiàn)象。板上的失效現(xiàn)象。如用于遙控電路的濾波電容如用于遙控電路的濾波電容14005963（1206-Y5V-10uf）改用）改用14008275（0805-X5R-10uf)編輯ppt293、優(yōu)化、優(yōu)化MLCC安裝方式安裝方式 實際安裝到主板上之后，主板的彎曲會引起實際安裝到主板上之后，主板的彎曲會引起MLC

18、C受到機械性的疲勞，容易產(chǎn)受到機械性的疲勞，容易產(chǎn)生裂紋或者裂縫，有時也會出現(xiàn)絕緣電阻不良以及短路等問題。生裂紋或者裂縫，有時也會出現(xiàn)絕緣電阻不良以及短路等問題。 改善措施：改善措施： 為了避免此類問題的發(fā)生，為了避免此類問題的發(fā)生，對大電路板而言對大電路板而言需要通過將需要通過將MLCC橫向放置，也橫向放置，也就是呈主板的反方向放置。這樣放置可以減輕就是呈主板的反方向放置。這樣放置可以減輕MLCC的疲勞的疲勞 。 對需要分板的小板對需要分板的小板 電路板，設計上盡量避免產(chǎn)品接近垂直于分板線，建議電路板，設計上盡量避免產(chǎn)品接近垂直于分板線，建議產(chǎn)品設計位置平行于分板線并遠離分板線，避免由于手工

19、分板時產(chǎn)生的應力導產(chǎn)品設計位置平行于分板線并遠離分板線，避免由于手工分板時產(chǎn)生的應力導致產(chǎn)品斷裂失效致產(chǎn)品斷裂失效編輯ppt304、改進、改進PCB板設計板設計PCB板設計對電容器的彎曲開裂具有較多的影響因素，具體影響板設計對電容器的彎曲開裂具有較多的影響因素，具體影響因素和改善措施如表因素和改善措施如表3所示。所示。PCB板影響因素板影響因素改善措施改善措施焊盤方向與分切線垂直焊盤方向與分切線垂直焊盤方向與分切線平行焊盤方向與分切線平行PCB板高溫變形板高溫變形增加增加PCB板厚度板厚度焊接厚度過大焊接厚度過大焊接厚度適中焊接厚度適中電路板分割槽太淺電路板分割槽太淺電路板分割槽不能太淺電路板

20、分割槽不能太淺表表3：PCB板影響因素與改進措施板影響因素與改進措施編輯ppt315、改進貼裝工藝、改進貼裝工藝現(xiàn)象現(xiàn)象: 設備的吸嘴噴嘴壓力、位置不當、或者過低于下止點、安裝用力過度、以及安裝速度過設備的吸嘴噴嘴壓力、位置不當、或者過低于下止點、安裝用力過度、以及安裝速度過快等等操作，往往會使快等等操作，往往會使MLCC產(chǎn)生碎片以及裂紋。產(chǎn)生碎片以及裂紋。沖擊裂紋均在元件的表面，一般在中心或附近出現(xiàn)褪色的圓環(huán)狀或半月牙裂紋圓環(huán)狀或半月牙裂紋。這些小的裂紋在后續(xù)加工過程中因為附加應力可以演化成大裂紋，也包括引起PCB板彎曲的應力。措施：措施： 1、貼裝時需要掌握吸嘴的尺寸和上下方向的吸力是否位

21、于電容器中心位置，避免吸嘴打擊貼裝時需要掌握吸嘴的尺寸和上下方向的吸力是否位于電容器中心位置，避免吸嘴打擊電容器，引起電容器產(chǎn)生裂紋。電容器，引起電容器產(chǎn)生裂紋。 2、功能測試時也要注意測試頂針是否有異常下壓而引起主板彎曲使電容器開裂。功能測試時也要注意測試頂針是否有異常下壓而引起主板彎曲使電容器開裂。 3、定期對定位銷進行檢查、保養(yǎng)。定期對定位銷進行檢查、保養(yǎng)。因為因為定位銷一旦過度磨損，就會對局部產(chǎn)生機械性的沖定位銷一旦過度磨損，就會對局部產(chǎn)生機械性的沖擊，也容易產(chǎn)生碎片以及裂紋擊，也容易產(chǎn)生碎片以及裂紋。編輯ppt326、優(yōu)化焊接工藝工藝、優(yōu)化焊接工藝工藝 由于由于MLCC電極和陶瓷本體

22、的熱膨脹系數(shù)和熱傳導系數(shù)差異較大，電極和陶瓷本體的熱膨脹系數(shù)和熱傳導系數(shù)差異較大， 回流零件上回流零件上進行焊接時，進行焊接時，MLCC就會因熱就會因熱應力應力產(chǎn)生裂紋以及接口電極腐蝕，進而出現(xiàn)接口電極產(chǎn)生裂紋以及接口電極腐蝕，進而出現(xiàn)接口電極固定低下，靜電容量減少等后果。固定低下，靜電容量減少等后果。另外所用焊料的量的大小會影響芯片抗機械應力另外所用焊料的量的大小會影響芯片抗機械應力的能力，從而可能導致電容器破碎或開裂的能力，從而可能導致電容器破碎或開裂措施：措施：1、 焊接方面要注意溫度沖擊帶來的不當熱應力損傷，保證焊接方面要注意溫度沖擊帶來的不當熱應力損傷，保證充分的預熱充分的預熱效果和

23、合適效果和合適的焊接溫度，行業(yè)推薦為：預熱的焊接溫度，行業(yè)推薦為：預熱1-2分鐘，預熱溫度分鐘，預熱溫度120-150，波峰焊接溫度控制，波峰焊接溫度控制在在260左右左右。2、 焊接時還要格外注意焊錫量的多少，焊錫量過少時接口電極固定力就會不夠，焊接時還要格外注意焊錫量的多少，焊錫量過少時接口電極固定力就會不夠，接觸不良以及電容器脫落；焊錫量一旦過剩，會由于焊接的收縮力產(chǎn)生機械性的疲接觸不良以及電容器脫落；焊錫量一旦過剩，會由于焊接的收縮力產(chǎn)生機械性的疲勞、破損、裂紋、破裂等后果。勞、破損、裂紋、破裂等后果。電容端頭焊錫量控制在電容端頭焊錫量控制在 電容器厚度的電容器厚度的1/21/3，且，

24、且兩端錫量盡量均勻兩端錫量盡量均勻編輯ppt33MLCC 所使用的配伍材料，具有不同的所使用的配伍材料，具有不同的CET 和和T，容易引起內(nèi)部應力。當溫度，容易引起內(nèi)部應力。當溫度變化率太高時，會出現(xiàn)熱沖擊裂紋。這些裂紋首先出現(xiàn)在結構最薄弱并且機變化率太高時，會出現(xiàn)熱沖擊裂紋。這些裂紋首先出現(xiàn)在結構最薄弱并且機械應力集中的地方。即出現(xiàn)在陶瓷械應力集中的地方。即出現(xiàn)在陶瓷/外露交接處或其附近。瓷片最結實的拐角外露交接處或其附近。瓷片最結實的拐角處其機械應力最大：在結構最薄弱處往往出現(xiàn)裂紋。在控制欠佳的波峰焊過處其機械應力最大：在結構最薄弱處往往出現(xiàn)裂紋。在控制欠佳的波峰焊過程中，當溫度變化率過大

25、時，在陶瓷組件端頭上會產(chǎn)生如下圖所示的作用力，程中，當溫度變化率過大時，在陶瓷組件端頭上會產(chǎn)生如下圖所示的作用力，會形成較大的、可見的表面裂紋或暗裂紋。熱沖擊有兩種征象：有些會形成較大的、可見的表面裂紋或暗裂紋。熱沖擊有兩種征象：有些明顯可明顯可見的裂紋見的裂紋、和更多的潛伏的看不見的、和更多的潛伏的看不見的微小裂紋微小裂紋。在同樣的力作用下，較小的。在同樣的力作用下，較小的熱沖擊產(chǎn)生較小的裂紋。開始它們出現(xiàn)在裸露表面的中央或恰好在陶瓷熱沖擊產(chǎn)生較小的裂紋。開始它們出現(xiàn)在裸露表面的中央或恰好在陶瓷/電極電極交接處的下面。裂紋隨著加工過程溫度變化或裝配件彎曲慢慢延伸。大約幾交接處的下面。裂紋隨著

26、加工過程溫度變化或裝配件彎曲慢慢延伸。大約幾周后，小裂紋通過陶瓷延伸，產(chǎn)生開路、間斷接觸或大的漏電流。這是加工周后，小裂紋通過陶瓷延伸，產(chǎn)生開路、間斷接觸或大的漏電流。這是加工過程中留下的一顆過程中留下的一顆“定時炸彈定時炸彈”6、優(yōu)化焊接工藝工藝、優(yōu)化焊接工藝工藝編輯ppt347、改進檢驗方式、改進檢驗方式 為防止機芯板有焊接不良、元件接觸等不穩(wěn)定因素存在，往為防止機芯板有焊接不良、元件接觸等不穩(wěn)定因素存在，往往采用敲擊檢驗手段，然而，敲擊時很容易直接碰到或撞擊到往采用敲擊檢驗手段，然而，敲擊時很容易直接碰到或撞擊到MLCC表面，導致表面，導致MLCC內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或微裂紋。內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或微裂紋。 因此，在成品敲擊檢驗時