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MLCC多層陶瓷電容破裂的幾種可能原因
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)升高的問題，可是多層陶瓷電容(MLCC)在終端使用者手上發生微破裂時，卻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所造成。
如果你對MLCC的結構還不是很清楚，建議你先參考工作熊前面已經發表過【介紹多層陶瓷電容(MLCC)結構及製程】的一文。
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。）
- 熱衝擊破裂失效（Thermal shock）
- 扭曲破裂失效（Extrinsic Defect, Overstress Failure）
- 材料失效破裂（Intrinsic Defect）
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所謂的「熱衝擊現象」，比如說在波峰焊(wave soldering)、回流焊(reflow)、人工焊接(touch-up)、或修復(repair)時都會快速的施加高溫於材料上。而多層陶瓷電容(MLCC)在生產製造時，會使用多種不同的相容材料，這些材料會因為其各自不同的材料特性，而有不同的熱膨脹係數(CTE)及導熱率，當這些不同的材料同時存在於一顆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(crack)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開始發生，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）。
而熱衝擊所造成的不良現象可能有下列幾種：
1.形狀如指甲狀或U型的裂紋。
2.隱藏在電容內部的小裂紋。
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。
第一種破裂形狀如指甲或U字型的裂紋與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，第一種裂紋較為明顯，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)、應力造成的失效原理：
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過程當中，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、或傾斜等原因造成抓取不穩。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機器已經不再使用這種定中爪設計機構了。
2.電容在貼裝過程中，如果快速貼片機的吸嘴取零件或是擺放零件時壓力過大，或是吸嘴(nozzle)機構發生彈簧卡死導致緩衝失效、行程錯誤，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。
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。
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4.1 電容在進行波峰焊時，預熱溫度、時間不足或焊接時溫度過高，也容易導致裂紋產生。
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4.2 在手工焊接(Touch-up)過程中，烙鐵頭(soldering iron)直接與電容本體接觸，造成局部過熱，或是施加壓力過大，也容易導致裂紋產生。
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4.3 焊接完成後經過分板/裁版、ICT`或FVT測試時使用針床施壓不當或是整機組裝時受力不均導致基板彎曲，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。
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。
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。
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。
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
陶瓷電容(MLCC)落下後破裂並掉落分析（應力）
MLCC陶瓷電容焊接端點尺寸與電容破裂的影響性
初探HSC(HeatSeal Connector)與ACF(Anisotropic Conductive Film)製程
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訪客留言內容（Comments）
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
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 。
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！
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!
“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
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!
我司最近有一客诉高达3%，经分析发现 MLCC电容 0805 短路问题。
电容拿出来后用显微镜看发现有破裂和烧焦痕迹；无法判断这是熱衝擊破裂还是Overstress Failure？？
能否把照片寄给工作熊帮忙看看？
熊大,
想請教您是否有相關經驗。
若PCB LAYOUT無法避免MLCC一邊連接大面積銅箔，而另一邊只有單點銅箔的情況，是否可使用熱阻焊墊的設計方式來降低MLCC破裂機率?
或者您有更佳的解決方案可提供參考？
謝謝
熊大,
很抱歉，或許我表達的不夠清楚
發生破裂的電容兩端PAD是一樣大小，但左側連接大面積鋪銅，右側只有PAD範圍鋪銅。
電容未手焊，但左側鋪銅處有需手焊的PIN約5支。
發生問題的是1206規格的電容，AOI及人工檢視均未檢出，檢視後才進行手焊PIN作業。
破裂的位置發生在右側端子以 “/” 的方式成整齊切面裂開，更奇怪的是裂開後出現如墓碑效應的情況，電容約成25度角上仰。
理論上如此明顯的不良狀況如果在手焊PIN階段發生，作業者應當會發現；但發現電容破裂是已製作完成後由品管檢出。
由於迴焊爐設定的降溫斜率約1.5左右，可能當下未發生墓碑效應，但已對該電容產生一定的作用力，在後續作業或搬運的過程中才裂開。
以上是小弟愚見。
小弟入行未滿一年，拜讀您的文章受益良多，曾遇過的問題幾乎都能從您的文章中理出頭緒，唯此例現象著實奇怪，不得不請您指點。
熊大你好,
關於扭曲破裂(overstress)、應力造成的失效原理：
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。
下方有兩個圖示,因沒敘述成因,請問我的理解是否有誤
一個為Foece↑裂痕由下往上->基板彎曲變形應力造成
一個為Foece↓裂痕由上往下->貼片Nozzle下壓應力造成
Hi 你好, 請教一個問題, 現在我們有些成品已經出貨, 在市場端發現接近0.1%的不開機, 經FA都是MLCC(同一顆,但是在M/B的位置不同)失效引起, 有寄到原廠分析, 都是同一個原因, 外力導致crack,現在客戶要求針對成品做sorting來降低這個市場退貨率, 請問針對這一現象要如何sorting? Burn-In? 還是有其他更有效的方法?
Hi 您好,
近日產品中(FPC燈條)的熱敏電阻發生了斷裂的情況,廠商分析原因排除應力可能性.可能是過電壓或過電流造成的,想請教您是否有關於這方面的經驗.
因為針對熱敏電阻的檢測條件為
驅動電壓 3.3V
pull up resistor 33.2Kohm
NTC max power = 0.082mW
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5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
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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。