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[技术详解]陶瓷贴片电容器MLCC裂纹及解决方案

2019-05-16 23:44  点击数:    admin

多层片式陶瓷电容器MLCC在贴装使用过程中易因PCB弯曲振动引起裂纹。弯曲振动裂纹引起失效的问题一直困扰着业界。

MLCC被贴装在PCB板后,当PCB板因外力作用而弯曲时,MLCC基体承受拉伸应力。

(1) PCB外弯时引起的应力分布图

(2) PCB内弯曲引起的应力分布图

应力在元件上的分布是不一致,应力集中在元件薄弱处时,易产生裂纹。裂纹主要出现在端电极部位,有时肉眼可见,大多数情况外观无损坏痕迹。通过DPA切面分析,可观测弯曲裂纹常表现为一个“Y”形的裂纹或是45度角斜裂纹。

裂纹易发生在端电极部位,除了应力集中外,与MLCC端电极存在天然微缺陷有关。

MLCC端电极制作过程

(1)端极浆料浸覆和烧结制作端电极基层

为提高端电极基层在陶瓷芯体上的附着力,端电极浆料中含有玻璃料,在烧结端电极时玻璃料会烧渗进入陶瓷体一定的深度。

(2)电镀镍层、锡层

在氨基磺酸镍溶液中电镀形成:镍Ni层—焊接阻热层 (1~3 um)

在甲基磺酸锡溶液中电镀形成:锡Sn层—焊接层(3~8 um)

由于电镀液是酸性溶液,MLCC会被酸性镀液腐蚀,尤其是基层电极与陶瓷结合处最易被腐蚀为微沟槽,成了最薄弱处。

                                          

因常规MLCC端头处固有的微缺陷,在弯曲、机械振动和热冲击等应力作用下,裂纹就很易在端电极部位产生。

裂纹产生会导致不良后果

当MLCC存在裂纹,轻则产品容量低甚至无容量,导致电路不能正常工作;重则产品绝缘低、漏电、短路甚至烧毁。

避免裂纹之—把裂纹产品检测出来

通过检测容量和绝缘值是可以把有较大裂纹的MLCC检测出来的。

(1)会引起容量下降的裂纹

这种情况的裂纹不会引起绝缘值下降。

(2)会引起绝缘下降的裂纹

当裂纹处于错位电极区域时,MLCC绝缘(IR)会下降,经通电老化后绝缘(IR)明显下降,可以通过仪器在线检测。

但当裂纹很细小时,会出现出厂前短时间老化也不能有效排除有裂纹的MLCC,直到最终用户使用一段时间后才发生绝缘下降电路失效的情况。

尽管微小裂纹可以通过工业CT超声波仪探测出来,但效率太低、成本太高,不适合大规模生产。

因此对于裂纹,首要的是避免裂纹的产生而不是检测裂纹是否存在。

 

避免裂纹之—提高MLCC抗裂纹能力

MLCC制造业界主要技术方案

(1)增加内电极层数

通过内电极分布的设计调整,增加金属内电极数量,提高MLCC芯体的抗弯曲性能。

该方案仅适合小容量规格产品,且对解决端头裂纹效果不是很明显。

(2)三明治夹层设计

该方案仅适用于X7R类产品,一定程度上解决酸蚀引起端电极瓷体结合处腐蚀微沟问题。

(3)柔性端头设计

近年来,技术领先的MLCC厂商先后推出一种新型端电极模式的陶瓷贴片电容——柔性端头MLCC,这是一种能明显提高MLCC端头抗裂纹性能的方案。

从外观上看,柔性端头MLCC与常规MLCC毫无差异!

柔性端头MLCC是如何有效解决裂纹问题的?

其关键在端电极结构,柔性端头MLCC端电端结构为四层设计:

                                     

导电聚合物层能有效防止电镀酸蚀微沟缺陷的形成,也能吸收外部传递的应力,从而大大降低产品应力裂纹损坏的可能,提高产品的可靠性能。

柔性端头MLCC具有高强度的抗弯曲性能,弯曲深度可达到5mm。而常规端头MLCC的抗弯曲深度一般为2~3mm。

                                 

柔性端头MLCC除具有优秀的抗弯曲性能外,还更强的耐受温度冲击能力,对环境应力的适应性更强。

柔性端头MLCC属高技术产品,国际大品牌如TDK、MURATA等都有该类产品。最近,大陆本土被动元件制造龙头风华高科也实现量产柔性端头MLCC。

柔性端头MLCC由于增加了柔性导电聚合物层,成本比常规端头的MLCC高(20~30)%

 

还有一种焊装了金属支架的MLCC

在MLCC端电极上用高温焊料焊接金属框架,可应用在环境苛刻的汽车控制电子上。缺点是成本高,占用空间增大。

避免裂纹之—科学使用MLCC

现有电子组装工艺规范多适用于引线型陶瓷电容,所以PCB弯曲度常超出MLCC的承受范围,极易引发MLCC裂纹。

裂纹在焊接后手工分板过程和测试、装配过程中都可能产生,而板弯曲是引起电容裂纹的最主要原因,这点需要反复强调!

为避免MLCC使用过程中出现裂纹,MLCC制造商都会提供详细的使用规范,在此强调两点:

(1)首先要注意布板时MLCC安装位置和方向,使电路板弯折时施加在该电容器上的应力最小。

在布板和板分割时应考虑弯曲应力对MLCC的影响。

(2)其次,应使用专用分切装置分板,如不得不采用手工,要选好受力支撑部位。

此外,MLCC应避免与易弯曲部件或部位接近,如PCB角边、连接器和安装孔等。

抗弯性能更好的MLCC有利于适应恶劣工艺和使用环境,而科学使用MLCC才可大幅减少甚至避免裂纹。

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