MLCC在平板电源中的断裂分析和改进

MLCC在平板电源中的断裂原因分析与改进措施质量管理部王磊2014年12月目录1、

MLCC的介绍2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、结论MLCC简述MLCC(Multi-layerceramiccapacitors)片式多层陶瓷电容器英文缩写特点:体积小、比容大、可靠性高、内电感小、耐湿容量计算公式：C：容量值；N：并联的电容器个数，相当于叠层介质的层数；K：介质的介点常数，与介质的本身特性相关d：平行板电容器两极板的间距，相当于介质厚度；s：平行板电容器两极板的正对面积，相当于两层电极的正对面积；因此,凡是影响X、d、s、K的因数均能影响电容的容量值.片式电容器的结构图1滤波2

耦合3

隔直4交流取样5

时间常数设定6IC工作频率调整电容器的作用电容滤波电路IC工作频率调整MLCC属于陶瓷电容器，常见的可分为以下几类：（1）I类电容器，线性温度特性，热稳定性COG电容器（超稳定级）：温度特性平稳、容值小、价值高（2）II类电容器，非线性温度特性Z5U/Y5V（能用级）电容器：温度特性大、容值大、价值低X5R/X7R（稳定级）电容器：介于以上两者之间

不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线MLCC的温度特性目录1、MLCC的介绍2、MLCC失效分析3、MLCC的改善措施4、结论MLCC的失效分析影响MLCC开裂的因素主要有两种：1、内因主要涉及MLCC的材料、内部缺陷和产品尺寸。瓷体的断裂韧性主要与瓷体的临界应力强度因子、热传导系数和杨氏模量有关。一般情况下，瓷体的断裂韧性按以下顺序递减:NP0>X7R>Z5U,Y5V[3,4]。同时，多项研究表明产品的尺寸越大产品在焊接和安装过程中越容易产生开裂。2、外因主要包括在焊接和焊接后的操作过程中出现的热应力和机械应力。MLCC的失效分析分析手段：在失效的MLCC进行剖面分析、难点：需要剪板分析，直拆会加损失效现象：失效的大部分样品经过DPA分析显示端电极呈现约45℃裂纹（图1）典型特征：受力最大的部位呈现45℃裂纹（图2）图1：MLCC弯曲开裂图2：45℃裂纹可见平板电源中MLCC的失效模式主要以弯曲开裂为主!!!判断厂家比较困难，但有办法，案例如14004742（0805-50V-X7R272K）14000538（0805-50V-X7R222K）从产线失效样板可以看到PCB弯曲严重，弯曲应力会延伸到MLCC案例2:14003452（0805-50V-Y5V105Z）分析过程：首先无法识别供应商，办法首先从库存抽样送各供应商进行端强度、耐焊接热测试，再进行及DPA分析，确认各家内部结构，给多家并行协助分析外观发现：失效品多为0.85mm厚度产品，库存多家为1.25MM厚度,锁定0.85mm产品找原因！DPA内部结构确认发现不良样品2#内部结构设计与不良样品1#、3#、4#内部结构设计存在很大差异，不良样品2#内部设计层数为64层、不良样品1#、3#、4#内部设计层数为74层,说明有2家产品失效。波峰焊接产生的热应力，使得0.85mm厚度产品的使用效果不及1.25mm厚度的产品。通过历次不良样品分析，统计失效产品分为以下几个样式：MLCC是由陶瓷和金属的共烧体，因两类材料的收缩率存在较大的差异，在受到骤然的热冲击时易产生热冲击开裂。开裂后产品内部短路，继续通电内部漏电流极大，产生高温，将内部介质和金属烧毁熔融，形成镍球。因此在焊接时推荐用回流焊接工艺，该工艺焊接时温度均衡，热应力极小。针对客户方面的波峰焊接工艺，供应商只能从产品的设计方面改进，以适应客户端的使用。将现有的0.85mm厚度产品更改为1.25mm厚度，耐焊性方面表现相近（见以下对比表），但在波峰焊接时可以将应力分散至端头处，产生热冲击几率要小很多，更适宜目前的生产现状。

规格耐焊性温度耐焊性结果不良样式0805Y5V105Z500D270℃OK

280℃OK290℃OK300℃OK310℃1/80耐焊开裂0805Y5V105Z500F270℃OK

/280℃OK290℃OK300℃OK310℃OK备注：1、耐焊性采用同一组样品分别经过270℃到310℃的耐焊性检验；2、耐焊性方面产品均可以满足生产使用，两种厚度产品耐焊性结果应相近，此次结果1.25mm产品较优；MLCC的失效分析弯曲失效的原因主要有电容器材质本身问题和使用不当。对于材质耐受弯曲能力业界有一个界定标准：国际标准确定抗弯曲强度≧1mm。判断MLCC材质是否达到抗机械冲击能力，行业内都是采用BENGDING试验测试端电极结合强度（即弯折强度）。判断MLCC材质是否达到抗机械冲击能力，行业内都是采用BENGDING试验测试端电极结合强度（即弯折强度），将片状电容器安装在测试夹具上，按图所示方向以1.0mm/s的速率施加压力，弯曲1mm，供应商内控指标要高于标准BENGDING示意图BENDGING实物图目录1、MLCC的介绍2、MLCC的失效分析3、MLCC的改善措施4、结论1、MLCC材质选择2、MLCC尺寸选择3、优化MLCC安装方式7、改进检验方式6、优化焊接工艺4、改进PCB板设计5、改进贴装工艺七大改善措施1、MLCC材质选择

因为分子结构的差异，2类陶瓷的X7R和X5R、Y5V材质是较脆弱的一类。I类陶瓷C0G/NP0等因为厚度等因素，其的抗弯曲强比X7R的强很多。因此4700pF以下容量的，建议更换为C0G/NP0材料，大于4700pF以上容量产品如果改用C0G/NP0材质，成本上升幅度很大。为提升可靠性，该改必须改1、MLCC材质选择1、MLCC材质选择14003452改进措施：1：停止0.85mm厚度产品供货，2：开发ECO更改改用0805/1.0uF±10%X7R025V材质1、MLCC材质选择供应商改进和保证措施

失效机型

对应位号

对应的电容规格34005565C759\C764片式陶瓷电容0805-50V-X7R222K34006602C765\C767\C762\C760片式陶瓷电容0805-50V-X7R471K34006703C765\C778片式陶瓷电容0805-50V-X7R222K34006723C786\C770\C777\C791片式陶瓷电容0805-50V-X7R222K34006601C752\C754片式陶瓷电容0805-50V-X7R472K34006620C711\C718片式陶瓷电容0805-50V-X7R103K表1：电源模块中电容断裂失效机型与MLCC规格表上述失效电容都是X7R材质的电容，将上述电容的材质由X7R更改为NP0材质，我们看一下改善效果：自主电源型号更改材质前情况更改材质后情况更改前上机数更改前电容失效数更改前电容失效PPM更改后上机数更改后电容失效数更改后失效PPM340066015694138667345270034006703423164811343343800340067236650022633987948200

将上述电容的材质由X7R更改为NP0材质，由于NP0材质的强度比X7R高，产品成品的失效情况得到了较好的解决，失效比率由更换前的667~3398ppm均降至0ppm。

表2:电容由X7R材质更改为NP0材质后失效比率的改善2、MLCC尺寸选择

由于陶瓷为脆性材料，PCB板弯曲相同的程度时大尺寸MLCC两端头将会承受更大的应力，故而比小尺寸MLCC更容易产生开裂失效，可以优先选择小尺寸MLCC产品来改善MLCC在PCB板上的失效现象。如用于遥控电路的滤波电容14005963（1206-Y5V-10uf）改用14008275（0805-X5R-10uf)3、优化MLCC安装方式

实际安装到主板上之后，主板的弯曲会引起MLCC受到机械性的疲劳，容易产生裂纹或者裂缝，有时也会出现绝缘电阻不良以及短路等问题。

改善措施：

为了避免此类问题的发生，对大电路板而言需要通过将MLCC横向放置，也就是呈主板的反方向放置。这样放置可以减轻MLCC的疲劳

。对需要分板的小板

电路板，设计上尽量避免产品接近垂直于分板线，建议产品设计位置平行于分板线并远离分板线，避免由于手工分板时产生的应力导致产品断裂失效4、改进PCB板设计PCB板设计对电容器的弯曲开裂具有较多的影响因素，具体影响因素和改善措施如表3所示。PCB板影响因素改善措施焊盘方向与分切线垂直焊盘方向与分切线平行PCB板高温变形增加PCB板厚度焊接厚度过大焊接厚度适中电路板分割槽太浅电路板分割槽不能太浅表3：PCB板影响因素与改进措施5、改进贴装工艺现象:

设备的吸嘴喷嘴压力、位置不当、或者过低于下止点、安装用力过度、以及安装速度过快等等操作，往往会使MLCC产生碎片以及裂纹。冲击裂纹均在元件的表面，一般在中心或附近出现褪色的圆环状或半月牙裂纹。这些小的裂纹在后续加工过程中因为附加应力可以演化成大裂纹，也包括引起PCB板弯曲的应力。措施：1、贴装时需要掌握吸嘴的尺寸和上下方向的吸力是否位于电容器中心位置，避免吸嘴打击电容器，引起电容器产生裂纹。2、功能测试时也要注意测试顶针是否有异常下压而引起主板弯曲使电容器开裂。

3、定期对定位销进行检查、保养。因为定位销一旦过度磨损，就会对局部产生机械性的冲击，也容易产生碎片以及裂纹。6、优化焊接工艺工艺

由于MLCC电极和陶瓷本体的热膨胀系数和热传导系数差异较大，

回流零件上进行焊接时，MLCC就会因热应力产生裂纹以及接口电极腐蚀，进而出现接口电极固定低下，静电容量减少等后果。另外所用焊料的量的大小会影响芯片抗机械应力的能力，从而可能导致电容器破碎或开裂措施：1、焊接方面要注意温度冲击带来的不当热应力损伤，保证充分的预热效果和合适的焊接温度，行业推荐为：预热1-2分钟，预热温度120-150℃，波峰焊接温度控制在260℃左右。2、焊接时还要格外注意焊锡量的多少，焊锡量过少时接口电极固定力就会不够，接触不良以及电容器脱落；焊锡量一旦过剩，会由于焊接的收缩力产生机械性的疲劳、破损、裂纹、破裂等后果。电容端头焊锡量控制在电容器厚度的1/2~1/3，且两端锡量尽量均匀MLCC所使用的配伍材料，具有不同的CET和δT，容易引起内部应力。当温度变化率太高时，会出现热冲击裂纹。这些裂纹首先出现在结构最薄弱并且机械应力集中的地方。即出现在陶瓷/外露交接处或其附近。瓷片最结实的拐角处其机械应力最大：在结构最薄弱处往往出现裂纹。在控制欠佳的波峰焊过程中，当温度变化率过大时，在陶瓷组件端头上会产生如下图所示的作用力，会形成较大的、可见的表面裂纹或暗裂纹。热冲击有两种征象：有些明显可见的裂纹、和更多的潜伏的看不见的微小裂纹。在同样的力作用下，较小的热冲击产生较小的裂纹。开始它们出现在裸露表面的中央或恰好在陶瓷/电极交接处的下面。裂纹随着加工过程温度变化或装配件弯曲慢慢延伸。大约几周后，小裂纹通过陶瓷延伸，产生开路、间断接触或大的漏电流。这是加工过程中留下的一颗“定时炸弹”6、优化焊接工艺工艺7、改进检验方式

为防止机芯板有焊接不良、元件接触等不稳定因素存在，往往采用敲击检验手段，然而，敲击时很容易直接碰到或撞击到MLCC表面，导致