MLCC多層陶瓷電容破裂的可能原因

MLCC多層陶瓷電容破裂的可能原因

一般的電容(capacitor)在發生微破裂(micro crack)的時候大多會產生開路的現象,並造成絕緣阻抗(IR, Insulation Resistance)升高的問移,可是多層陶瓷電容(MLCC)在使用者手上發生微破裂時,確常見其絕緣阻抗變小,產生漏電流(current leakage)的短路現象,歸咎其原因可能是由於其層狀的疊構在破裂時發生層與層之間短路的現象。

如果你對MLCC的結構還不是很清楚,建議你先參考前面已經發表過介紹多層陶瓷電容(MLCC)結構及製程的文章。

下面我們就來談談一般「多層陶瓷電容」發生微破裂的可能原因。

大致上可以將MLCC破裂原因分成下列三大方向:
(這些題材大多是網路上收集來的,因為公司最近有碰到一些電容的問題,所以文章內容並非原創,內文也大量引用了網路上已經有的一些資料,如果有發現錯誤或不妥的地方,歡迎指正。)







熱衝擊(Thermal Shock)失效原理:

當零件周遭的溫度升降太過急促時會形成熱衝擊現象,比如說在波峰焊(wave soldering)、迴流焊(reflow)、人工焊接(touch-up)、或修復(repair)時都會施加快速的高溫。這是因為在多層陶瓷電容製造時,會使用多種不同的相容材料,這些材料會因為其不同的特性,而有不同的熱膨脹係數及導熱率,當這些不同的材料同時存在於電容的內部且溫度急速變化時,就會形成不同比率的體積改變並互相推擠與拉扯,最後造成破裂的現象。

這種破裂往往從結構最脆弱的地方,或是結構應力最集中的地方發生,一般會發生在接近外露端接合中央陶瓷介面的地方,或是可以產生最大機械張力的地方(一般在晶體最堅硬的四個角落),而熱衝擊所造成的現象可能有下列幾種:

1. 形狀如指甲狀或U型的裂紋。

MLCC形狀如指甲狀或U型的裂紋。

2. 隱藏在電容內部的小裂紋。

MLCC熱衝擊破裂MLCC_thermal_shock_crack03

3. 從裸露在外的中央部份或是中央陶瓷端與外露端接合介面處的下半部開始破裂,然後隨著溫度轉變,或是於後面的組裝進行中,順著扭曲而蔓延開來。

MLCC熱衝擊破裂

第一種破裂形狀如指甲或U字型的裂紋和第二種隱藏在內部的微裂紋,兩者的區別只是後者所受到的張力較小,而導致的裂紋較輕微而已,第一種裂紋較明顯,一般可以在金相中測出,而第二種只有當發展到一定程度後金相才可以檢測出來。

(註:「金相」(metallographic)指的是金屬在高倍顯微鏡下所呈現出來的結構影像)

扭曲破裂(overstress)的失效原理:

扭曲破裂通常是由於外力(extrinsic)所造成,這種情形一般發生在SMT或是整機產品的組裝的過程中,其可能原因有下面幾種:

1. 貼片機(pick & place machine)抓取零件不當造成破裂。當SMT貼片機進行取放零件時,其定中爪(centering jaw)因為磨損、對位不準確、或傾斜等原因造成。定中爪集中起來的壓力,會造成很大的壓力或切斷力,繼而形成破裂點。這樣的破裂現象一般為可見的表面裂縫,或2至3個電極間的內部破裂;表面破裂一般會沿著最強的壓力線及陶瓷位移的方向。現在的新型SMT機器已經不在使用這種定中爪設計機構了。

MLCC定中爪MLCC_handling_crack01

2. 電容在貼裝過程中,如果貼片機的吸嘴取零件或是擺放零件時壓力過大,就有可能發生零件彎曲變形導致裂紋產生。這種破裂一般會在零件的表面形成一個圓形或是半月形的壓痕,並且帶有不圓滑的邊緣。而這個半月形或圓形的裂縫直徑也會跟吸嘴的大小相同。另一種因為拉力而造成的破裂,也可能由吸嘴頭所造成的損壞,裂縫會由組件中央的一邊延展到另一邊,這些裂縫可能會蔓延到組件的另一面,其粗糙的裂痕可能會導致電容器的底部破損。

MLCC_machine_crack

3. 對應的成對焊墊(land-pattern)布局(layout)時尺寸不均勻(包含一個焊墊接了大面積的銅箔,,另一個焊墊沒有),或是印刷時錫膏不對稱,也容易在經過迴焊爐(Reflow oven)時受到不同的熱膨脹作用力,使單側受到較大的拉力或推力而舉起,以致造成裂紋。

4. 焊接過程的熱衝擊以及焊接後的基板彎曲變形,也容易導致裂紋產生。

在機械力作用下板材彎曲變形時,陶瓷的活動範圍受端位及焊點限制,破裂就會形成在陶瓷的端接界面外處,這種破裂會從形成的位置開始,從45度角向端接蔓延開來。

MLCC機械破壞

扭曲破裂失效。SMT階段導致的破裂失效中,如果破裂較輕微,一般無法由金相中檢測出來。SMT之後生產階段所導致的破裂扭曲失效,金相一定可以檢測出來。


MLCC材料失效破裂

MLCC的材料失效一般又分為三大類不良,這類失效通常來自電容內部的失效,而且都足以損害產品可靠性 (reliability),這類問題通常是起因於MLCC的製程或其材料選用不當所引起。

1. 電極間失效及結合線破裂(Delamination)。

這類不良通常會形成較大的裂縫。其主要原因是因為陶瓷的高空隙,或介電質層與相對電極間存在空隙所引起,使得電極間的電介質層裂開,造成潛在的漏電危機。

MLCC電極間失效及結合線破裂。 MLCC電極間失效及結合線破裂。

2. 孔洞(Voiding)。

孔洞一般發生於相鄰的兩片內電極之間,有時候甚至會大到多片電極,這類不良常常會引發電極間的短路並發生漏電流現象。當大空隙產生時也可能影響並降低其電容值。

這類不良的原因通常來自MLCC的製程控管不當,比如說陶瓷電容粉末有異物污染或是燒結不良所形成。

MLCC孔洞一般發生於相鄰的兩片內電極之間,有時候甚至會大到多片電極,這類不良常常引發電極間的短路並發生漏電流現象。 MLCC孔洞。這類不良的原因通常來自MLCC的製程控管,比如說陶瓷電容粉末有異物污染或是燒結不良所形成。

3. 燃燒破裂(Firing crack)。

燃燒破裂的開裂方向會與電極(electrodes)垂直,且大部分會從電極邊緣(electrode edge)或終端開裂。

這類缺陷通常都會造成過量的漏電流(current leakage),並損害到組件的可靠性。

這類破裂的原因大多由於MLCC製造過程冷卻過快所造成。

MLCC燃燒破裂MLCC燃燒破裂


結論:

由熱衝擊所造成的破裂會由電容的表面蔓延到組件內部。而過大的機械張力所引起的破裂,則可由組件表面或內部形成,這些破裂均會以近乎45度角的方向蔓延。至於原材料失效,則會帶來與內部電極垂直或平行的方向破裂。

另外,熱衝擊破裂一般由一個端接蔓延到零一個端接,由取放機器所造成的破裂,在端接下面會出現多個破裂點;因電路板扭曲而造成的損壞,通常只有一個破裂點。


延伸閱讀:
顯示器周圍的緩衝橡膠墊片設計
COG(Chip On Glass)作業流程及注意事項
初探HSC(HeatSeal Connector)與ACF(Anisotropic Conductive Film)製程




訪客留言內容(Comments)

熊大,万分感情你的分享!!
上面有个笔误了,
迴流焊(Wave soldering) –》 reflow soldering

以上的现象只有在touch up中遇到比较多,其他的暂时没有遇到过,因为从事这行才两年。

JiuCheng;
Thanks抓錯,已經訂正好了。

aha….自己都不小心有笔误了,,,touch up

在貼裝過程中,如果貼片機的吸嘴取零件或是擺放零件時壓力過大,就有可能發生零件彎曲變形導致裂紋產生。
以前有做過實驗 故意將零件厚度寫少0.3mm 這樣壓力過大 chip c並無裂紋產生 因為通常nozzle的上方機構有彈簧可吸震 當然smt機器大不同 須問原廠的彈簧的行程有多大
當然這是指健康的chip c
也有拿原材不良 就是過將零件不置件 手放過reflow就發生crack 拿來以上面的條件打 是真的會因壓力過大在reflow前發現有凹陷

paul;
這真是經驗之談。
我認為SMT的機器一直推陳出新,有些舊有的問題廠商都會想辦法克服,但PCBA的製造工廠還是存在很多舊的設備,或是維修時的不小心,所以還是把機器造成凹陷的問題放在這裡,讓大家可以參考。

忽然想到,以前遇到跟原廠的FAE 聊的時候,尤其是新FAE對電容製程一知半解的時候,他們都說 前輩說:裂橫的(與電容PAD垂直,也就是熊大上方電極失效的照片)咻修(受熱影響,太熱或熱衝擊),裂直的、攏ㄟ(撞的)。原廠太部份是這樣來做初步的判定 ,後續再展開現場的環境確認 。

鶯歌狼;
有時候還真的得有實作經驗才能說服客戶。
裂橫的是 咻耶 造成的。
裂直的是 攏丟 造成的。
也的確可以大概含括大部份的破裂問題。

Hi,
想問一個問題,就是你們工廠對於研發的好的產品是否都有DVT的測試,測試項和標準是根據什麼來的,最近碰到一些問題,有沒有一些文檔可以供參考的。

FA;
我們的產品基本上都會做EVT,DVT的測試。
每家公司的產品測試項目都會不一樣,基本上會有摔落、ESD、EMI、環測…等,另外還會再加一些自己產品的特殊需求。比如Micro-USB connector的插拔實驗。

熊大:
如果螺絲鎖的位置靠近陶瓷電容。而且塑膠殼的鎖付螺絲的柱子已經干涉到焊點。會不會因為鎖螺絲的扭力造成破裂。如何測試呢

目前我正在為我遇到的問題頭疼,看了你的闊論後理解了一些,但是我這邊還有一個與你提到的現象不一樣,那就是在電極與本體間有碎裂的現象,是不是材料的問題引起?

Sumin;
光看你這樣的描述無法了解你的狀況,最好有圖片可以參考。

我有將不良圖片郵件給您,請幫忙分析下,盼復.謝謝!

Sumin;
Sorry沒有收到照片。請使用部落格右上角的電子郵件圖示寄送電子郵件。

你好,
我們遇到了電容漏電問題,可是很奇怪的現象是溫度越高,漏電越嚴重(在工作溫度內。)。電容阻抗會掉到幾百K程度,回到常溫又會恢復正常,溫度一升高漏電又開始變嚴重。但是,用3百多度的烙鐵一碰它,它就恢復正常不再漏電。這也是一種Crack 不良嗎?
另外,MLCC 如果我想自己研磨,要如何判定研磨的方向呢?不然磨錯邊就看不到層的結構了。
謝謝!

一般的MLCC如果有漏電通常是crack。
切片的時候通常都是磨長邊。

我司在半年之中連續發生超過10件1210 MLCC(10u/50V)燒毀問題, 發生概率高時會達1%. 之前生產數年均無此現象,並可排除電路設計及PCB layout的問題.

不知是否可請 工作熊先生當做專案,幫忙分析. 敬候回覆.

謝謝!

calvin,
上班族,領人薪水,想先把自己份內的事做好,所以個人不接案例,因為要花很多心力先去瞭解製程與設計,也抽不出時間~
印象中好像有專門的顧問公司可以做分析,但沒有實際接觸過。

“半年之中連續發生超過10件1210 MLCC(10u/50V)燒毀問題,…"

經SMT廠提供資訊發現 reflow peak temperature (240~260 degree) 約有40秒。而電容原廠的reflow temperature 要求最多20秒。

有下列問題請教:

1. 是否可判斷這是電容(短路)燒毀問題的主要原因?
2. 是否會影響其他正常電容的壽命?
3. 如果SMT廠 reflow peak temperature (240~260 degree) 改成20秒 是否會產生其他的問題?

謝謝!

感恩

Calvin,
基本上240~260˚C用了40秒,確實有點長,一般都要求高於220˚C的時間落在30~60秒,而高於250˚C以上基本在10秒內。不過這只是參考值,各家工廠的參數不太一樣,還得以零件特性而定,最重要的時要所有零件都可以吃錫還不會燒壞。
以MLCC來說,溫度太高燒壞到很少聽到,比較有可能是高溫造成板子變形,冷卻後殘留應力造成MLCC破裂後造成燒毀。這個應該可以請MLCC廠商幫忙分析下燒毀的原因。

感謝版主明晰的解說。

現在了解高溫的直接影響尚不如因高溫產生PCB變形(間接影響)對陶瓷電容產生crack影響大。

確實發現某些PCB中段微往上翹1~2mm(長約310mm),這種變形能作為推測當時冷卻時殘留應力的依據嗎? 或者說若無變形的PCB就沒有冷卻時殘留應力的問題?

希望不會問太多沒營養的問題。

謝謝!

Calvin,
其實還蠻擔心誤導你的分析,因為我並沒有你的親身經歷,一切都只是依據你的說明判斷,所以給出的答案請當作參考就好,還是得自己去驗證。
MLCC會破裂,不敢說100%,但至少95% 以上都是應力所造成,所以之前才會建議你把不良品送回電容廠做分析,一般可以給出可能的應力來源及方向。
板子彎曲只是MLCC破裂的可能原因之一,這之中還得看板子彎曲的位置是否剛好影響到MLCC,另一個可能就是整機組裝後的應力,如果板子已經彎曲,放到機殼內就會在被強迫彎回原來的位置,就是形成應力,但這又與板子的厚度、強度(Tg)有關,所以我很難直接回答你的問題。
還有組裝的應力可以用strain-gauge來量測,但似乎會做這個量測的人不多。


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