本文系中興通訊股份有限公司投稿的論文。

作者：楊航，王波，丁亭鑫。

1. 前言

多層陶瓷電容器（Multilayer ceramics capacitors, MLCCs）具有小尺寸、大容量等特征，作為應(yīng)用最廣泛且最重要的被動元器件之一，在通信和電子設(shè)備中大量使用，尤其是隨著5G以及汽車行業(yè)的興起，陶瓷電容的使用量逐年增長。MLCC是由印好內(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外電極，從而形成一個類似獨石的結(jié)構(gòu)體。MLCC常見的失效模式可總結(jié)為短路、開路和參數(shù)漂移三種，這三種失效模式占總失效的比例約為73%，16%和11%[1]。MLCC絕緣電阻（IR）降低是造成短路的主要原因。從宏觀上看，機(jī)械應(yīng)力裂紋、熱應(yīng)力裂紋以及電擊穿都有可能造成MLCC絕緣電阻降低從而引起短路。從微觀層面分析，氧空位遷移模型是目前解釋MLCC介質(zhì)材料性能退化、絕緣電阻降低認(rèn)可度最高也是最經(jīng)典的模型[2]。

回流焊和波峰焊是目前最為常見的兩種電子裝聯(lián)工藝。回流焊又叫再流焊，通常是使用印刷的方法將錫膏涂覆在PCB焊盤上，再通過貼片機(jī)在錫膏上面放置元器件，然后加熱使錫膏熔化，即再次流動，從而實現(xiàn)連接。而波峰焊是將熔融的液態(tài)焊料借助泵的作用，在焊料液面形成一種特定形狀的波峰，同時裝載了元器件的PCB以某一特定角度及一定的浸入深度穿過焊料波峰來實現(xiàn)連接點的焊接過程。回流焊和波峰焊工藝主要區(qū)別之一有：回流焊印刷的錫膏中已含有一定成分的助焊劑，在焊接過程中無需額外添加；而波峰焊在焊接過程中需噴涂大量助焊劑，從而保證焊接質(zhì)量。

MLCC作為一種貼片器件，通常情況下是通過回流焊工藝進(jìn)行裝聯(lián)，但對于插件器件較多的單板，為提高生產(chǎn)效率也有可能通過波峰焊將陶瓷電容和插件器件同時焊接。

本文主要介紹波峰焊工藝焊接的MLCC，在服役一段時間后出現(xiàn)絕緣電阻降低的案例，并從微觀的角度進(jìn)行失效分析。

2. 失效分析

2.1 電性能測試

該電容（溫度特性：X7R，電壓：10V，容值：10μF±10%，封裝：1206）通過紅膠粘附在PCB上，然后經(jīng)過波峰焊實現(xiàn)焊接。在100℃，5V條件下服役半年至一年時間后出現(xiàn)IR降低的現(xiàn)象，失效電容電性能測試結(jié)果如表1。

從電性能來看兩顆失效電容的容值和損耗均在規(guī)格范圍內(nèi)，但在室溫下絕緣電阻均小于2MΩ，已經(jīng)低于規(guī)格要求的10MΩ。使用熱風(fēng)槍對電容進(jìn)行加熱后，兩顆電容絕緣電阻急劇下降，在60℃左右時已經(jīng)低于200KΩ。

表1 失效電容電性能測試結(jié)果

2.2 外觀及元素分析

從圖1可以看到，電容通過紅膠粘接的方式再經(jīng)過波峰焊焊接在PCB上。將電容從PCB上取下觀察，外觀未發(fā)現(xiàn)存在明顯異物以及連錫的情況，同時也未發(fā)現(xiàn)明顯可見的裂紋。

在對電容進(jìn)行破壞性分析之前，對電容表面進(jìn)行了EPMA（Electron Probe Micro-analyzer）元素分析。從結(jié)果可以看到，除了Ba、Ti等電容本身的成分外，失效電容焊接面端子處存在大量Pb元素，這是因為使用的是有鉛焊錫；同時也存在大量的Br和少量的Cl元素。

圖1 失效電容外觀以及焊接面EPMA分析

2.3 逐層測試及DPA

為精確定位電容內(nèi)部失效點位置，首先對電容逐層檢測IR。從測試結(jié)果來看，在靠近PCB基板側(cè)的第一層和第二層內(nèi)電極IR較低，約為10MΩ以下，而其他層間的IR均在10GΩ以上。從此結(jié)果來看造成電容IR整體低于規(guī)格的原因在于第一層和第二層內(nèi)電極，DPA分析應(yīng)重點關(guān)注這兩層內(nèi)電極處。

圖2 失效電容逐層測試IR結(jié)果

破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis, DPA）是陶瓷電容失效分析中最常見的手段之一，能夠?qū)﹄娙輧?nèi)部進(jìn)行有效的觀察。隨后對失效電容進(jìn)行DPA分析，經(jīng)過多次精細(xì)研磨，與常見失效案例不同（圖3c,d），在整個失效電容內(nèi)部都未發(fā)現(xiàn)裂紋或內(nèi)電極熔融等常見導(dǎo)致IR降低的現(xiàn)象，在逐層測試中發(fā)現(xiàn)IR降低的第一層和第二層也未發(fā)現(xiàn)明顯異常。失效電容DPA分析圖片見圖3a,b。

圖3 失效電容DPA分析圖片（a,b）; 其他案例常見導(dǎo)致IR降低的失效形貌（c,d）

2.4 失效信息匯總

經(jīng)過以上的分析，發(fā)現(xiàn)此失效電容確實絕緣電阻降低，且定位到了是靠近焊接面的第一層和第二層內(nèi)電極導(dǎo)致，但DPA分析卻未能在電容內(nèi)部發(fā)現(xiàn)明顯的失效點，這一點與以往常見的IR降低案例有很大的不同。

考慮到失效電容是通過波峰焊接工藝，如前所述，與常用的回流焊接工藝相比，波峰焊過程中需進(jìn)行助焊劑的噴涂，焊接后器件表面殘留的助焊劑可能會較多。那么此次電容失效是否與波峰焊和助焊劑殘留相關(guān)，是否與電容本身的特征有關(guān)，下面開展了一系列實驗進(jìn)行認(rèn)證。

3. 失效原因排查及分析

3.1 助焊劑成分分析

為驗證EMPA分析中發(fā)現(xiàn)的Cl和Br來源，首先選了取焊接中使用的助焊劑到第三方檢測機(jī)構(gòu)對成分進(jìn)行分析，采用離子色譜的方法對Br和Cl的含量進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示如表2。

表2 助焊劑成分分析

結(jié)果顯示，用于波峰焊接的助焊劑中含有大量的Br。結(jié)合外觀EPMA分析結(jié)果，可判定助焊劑中的Br通過波峰焊接后會殘留在電容焊接端子底部。EPMA發(fā)現(xiàn)的少量Cl可能是由于產(chǎn)品長期在室外工作，環(huán)境中的Cl殘留導(dǎo)致。

3.2 回流焊和波峰焊對比

為了驗證回流焊和波峰焊工藝對電容IR的影響，選取失效電容同規(guī)格的新鮮樣品，分別模擬回流焊和波峰焊進(jìn)行焊接，將焊接后的樣品在兩種不同條件下進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如下如表3。

表3 回流焊和波峰焊樣品對比試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果來看，該規(guī)格樣品在高溫、高濕、加電的條件下，回流焊的樣品均未出現(xiàn)IR降低的失效；而波峰焊接的樣品在兩種不同的條件下均出現(xiàn)了IR降低的現(xiàn)象。對此模擬試驗中失效的樣品進(jìn)行DPA分析，電容內(nèi)部同樣未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋或擊穿點。此試驗說明不同的焊接方式對此規(guī)格電容的IR會產(chǎn)生影響，波峰焊接方式會加速IR的惡化。

3.3 不同電容波峰焊對比

波峰焊接是否對所有規(guī)格的陶瓷電容都會產(chǎn)生影響，還是僅對此規(guī)格電容的影響較大？為驗證以上疑問，抽取了另外三種規(guī)格的電容同樣進(jìn)行波峰焊接試驗。

表4 不同規(guī)格電容試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果來看A和B兩個規(guī)格的電容并未出現(xiàn)失效，但C規(guī)格電容有4顆在121℃、95%RH加電條件下出現(xiàn)了IR降低的情況。同樣對于C規(guī)格電容也安排一組回流焊接的對比試驗，在相同條件下回流焊接的C電容未出現(xiàn)失效。綜合以上結(jié)果，表明波峰焊并不會對所有規(guī)格的電容產(chǎn)生影響，而只會對某些特定規(guī)格電容造成IR的裂化。

3.4 原因分析與理論支撐

陶瓷電容主要成分為BaTiO3，除BaTiO3外還會使用一些添加劑進(jìn)行摻雜，添加劑的整體含量雖小但發(fā)揮的作用十分重大。在經(jīng)過燒結(jié)后，陶瓷介質(zhì)形成了核-殼結(jié)構(gòu)（如圖4所示），BaTiO3作為核，四周則是由添加劑形成的殼包裹，添加劑的成分和含量將影響核-殼結(jié)構(gòu)形成的質(zhì)量，并且擴(kuò)散層對陶瓷電容IR性能起著重要作用[3]。

圖4 典型陶瓷介質(zhì)燒結(jié)后形成的核-殼結(jié)構(gòu)

陶瓷電容在使用賤金屬（Ni）作為內(nèi)電極后，為防止Ni電極在燒結(jié)過程中被氧化，在燒結(jié)中需通入還原性氣氛，所以在此過程中BaTiO3晶體不可避免的會產(chǎn)生氧空位（正電荷），氧空位在電場的作用下會逐步跨過晶界向負(fù)極遷移形成漏電流，并最終在負(fù)極處堆積，與金屬電極形成p-n結(jié)。有研究表明，對于具有良好核-殼機(jī)構(gòu)的陶瓷，氧空位的長程遷移可能比較困難，性能退化速率較緩慢[3-5]。

圖5 氧空位遷移示意圖

那么助焊劑對電容的影響是否也與電容形成的核-殼結(jié)構(gòu)相關(guān)了。表5為參與試驗的幾類材料添加劑含量，從表格中看出，發(fā)生失效的規(guī)格C以及此次進(jìn)行失效分析的電容添加劑含量較低，而規(guī)格A和規(guī)格B添加劑含量較多，為規(guī)格C的2~3倍。

表5 不同規(guī)格電容添加劑含量

對這幾類電容進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)隨著添加劑含量的增多，A和B規(guī)格樣品陶瓷介質(zhì)燒結(jié)后形成的核-殼機(jī)構(gòu)相對明顯，添加劑形成了明顯的擴(kuò)散層；而C規(guī)格與失效分析的電容由于添加劑含量較少，未形成明顯的擴(kuò)散層。

圖6 規(guī)格A(a), B(b), C(c)電容樣品晶粒結(jié)構(gòu)

結(jié)合以上所有分析和理論，判定此次電容失效的原因為：由于波峰焊工藝助焊劑的殘留，導(dǎo)致Br離子進(jìn)入到電容內(nèi)部，并侵入到內(nèi)電極的最外層，在特定的高溫高濕環(huán)境下，對于此規(guī)格電容，由于使用添加劑含量較少，導(dǎo)致侵入的離子易在陶瓷晶粒內(nèi)擴(kuò)散，最終導(dǎo)致電容IR降低的現(xiàn)象。

4. 結(jié)束語

本文介紹了一種波峰焊工藝陶瓷電容的失效案例，與常見IR降低不同，此失效電容內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)任何裂紋和缺陷。通過對波峰焊使用的助焊劑成分分析、安排對比試驗和電容微觀結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)果表明波峰焊使用的助焊劑會殘留在電容上，在高溫高濕的環(huán)境下殘留的鹵素離子易侵入到電容內(nèi)部，對于添加劑含量較少的電容規(guī)格，由于未形成較好的核-殼結(jié)構(gòu)，離子在內(nèi)部更容易遷移，最終導(dǎo)致電容IR較低而失效。

參考文獻(xiàn)

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編輯：hfy