陶瓷電容內(nèi)部為何會產(chǎn)生裂紋？| PCBA失效漏電分析

MLCC 是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），成一個類似獨(dú)石的結(jié)構(gòu)體，也被稱為獨(dú)石電容器。

MLCC具有體積小、比容大、壽命長、高頻使用時損失率低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備和電路中扮演著重要的角色。

背景

某PCBA在待機(jī)狀態(tài)下漏電，初步懷疑是陶瓷電容失效，現(xiàn)分析其失效原因。

測試分析

1 失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

對NG PCBA#1、#2、#3和OK PCBA進(jìn)行上電，給正負(fù)極之間加載3V電壓，測試PCBA在上電后的漏電流。

復(fù)現(xiàn)結(jié)果表明：NG PCBA#1、#3上電后的漏電流比OK PCBA上電后的漏電流偏大，#2無明顯差異。NG PCBA穩(wěn)定后的漏電流分別為33.8uA，25.2uA，161.5uA，OK PCBA穩(wěn)定后的漏電流為24.7uA。

2 外觀檢查

對NG PCBA上懷疑失效的陶瓷電容進(jìn)行外觀檢查，檢查結(jié)果表明：外觀無裂紋，刮傷等明顯缺陷。

4 無損透視檢查

對NG PCBA上懷疑失效的陶瓷電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損透視檢查，結(jié)果表明：陶瓷電容內(nèi)部致密，無損透視檢查未能穿透樣品。

5 電參數(shù)測試

取下#1~#2失效PCBA懷疑NG電容進(jìn)行容值、損耗、絕緣電阻進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：#1PCBA、#2PCBA上的電容絕緣阻抗明顯比未使用的OK電容偏低，如下表所示。

6 Thermal EMMI

前面分析可知：#1PCBA、#2PCBA懷疑NG電容阻抗明顯異常、漏電偏大，因此利用Thermal EMMI 定位對#1、#2電容漏電位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

定位結(jié)果顯示：#1、#2電容內(nèi)部存在異常亮點(diǎn)，亮點(diǎn)位置主要集中在端頭部位，如圖：

7 切片分析

前面分析可知：#1、#2電容內(nèi)部存在異常亮點(diǎn)且集中在電容端頭部位，因此對#1、#2電容進(jìn)行定點(diǎn)切片及#4PCBA、OKPCBA上的電容進(jìn)行切片確認(rèn)，測試結(jié)果如下：

（1）#1~#2電容邊沿有裂紋，裂紋延伸到內(nèi)電極區(qū)域，如圖8~10；

（2）#3電容邊沿與內(nèi)電極都存在裂紋，如圖11；

（3）OK PCBA上電容存在裂紋，裂紋延伸到電容中間部位,如圖12。

測試結(jié)果表明：電容失效的主要為內(nèi)部存在機(jī)械應(yīng)力裂紋，裂紋延伸到內(nèi)電極區(qū)域?qū)е陆^緣阻抗下降。OK PCBA上電容同樣存在裂紋及延伸到電容中間區(qū)域，證明OK PCBA也存在漏電，只是存在程度上的差異，OK PCBA存在漏電風(fēng)險。從在板電容的切片形貌上觀察，電容靠近單板一側(cè)的裂紋更嚴(yán)重。

總結(jié)與分析

結(jié)論：PCBA待機(jī)狀態(tài)下漏電直接原因為陶瓷電容內(nèi)部存在機(jī)械應(yīng)力裂紋，根本原因是電容受到壓力后內(nèi)部產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致的。

切片結(jié)果顯示陶瓷電容內(nèi)部存在機(jī)械應(yīng)力裂紋，裂紋伸到了內(nèi)電極區(qū)域，導(dǎo)致電容絕緣阻抗下降。

電容產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力裂紋的原因為：由于陶瓷電容是由硬而脆的陶瓷材料制成，這種材料對單板變形產(chǎn)生的應(yīng)力比較敏感，如圖13所示，當(dāng)單板向下彎曲變形時，電容就受到張力，應(yīng)力集中點(diǎn)位于電容焊端與本體交接處的上部（這個位置往往是應(yīng)力集中點(diǎn)），裂紋也會出現(xiàn)在這兩個部位，當(dāng)單板向上彎曲變形時，電容受到壓力，應(yīng)力集中點(diǎn)位置電容焊端與本體交接處的下部，裂紋也會出現(xiàn)在這兩個部位。

圖13 單板變形應(yīng)力分布圖

根據(jù)上面的分析可知，電容受到額外的應(yīng)力作用時，裂紋會在應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生，如圖14所示，電容受到向上的應(yīng)力，底部焊端和焊料的交接處為應(yīng)力集中點(diǎn)，這個位置就成為薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生裂紋。本案中靠近電容靠近單板一側(cè)裂紋更嚴(yán)重，與PCB受到壓力時電容產(chǎn)生的裂紋一致，故判斷失效電容所在單板在受到了壓力，導(dǎo)致電容內(nèi)部產(chǎn)生了與焊接面成45°角的裂紋，最終導(dǎo)致電容失效。

圖14 應(yīng)力與裂紋對應(yīng)關(guān)系圖

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