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嘉峪檢測網 2021-08-30 23:02
常見電容種類主要有，貼片電容MLCC、鋁電解電容（電解液和聚合物）、鉭電容（固態(tài)MnO2和聚合物）、薄膜電容和超級電容（EDLC）五大類，主要從元件結構、材料特性和原理、制程和失效機理等方面進行總結。
1、不同種類電容的比較
1.1電容種類
圖 1 電容的容量和ESR分布
1.2特性比較
鋁電解（電解液）和固態(tài)鉭電容的價格相對聚合物鋁電解和聚合物鉭電容有優(yōu)勢，但在電氣參數，如頻率特性、溫度特性、壽命和可靠性就要差一些。在所有電容中，片式聚合物鋁電容具有最小的ESR，特別適用于高紋波電流的場合。
文獻[29]對MLCC和固態(tài)鉭電容進行了多維度的全面比較和分析。
表 1 不同種類電容的特性比較
注：◎: excellent, ○: good, △: normal, ×: bad
1.3電容參數的測量條件
根據IEC60384-1-2008 4.7節(jié)和4.8節(jié)，電容容值、ESR、DF或Q值的測量條件見表 2。
表 2 電容參數的測試條件
參考文獻
[1] 固定電容的量、質量評價IEC-60384-1-2008
[2] 電容器的容量測試條件
2、貼片電容MLCC
2.1 MLCC的結構和制程
貼片電容的結構見圖 2，是典型的疊層結構，層數在幾百到上千層，主要由介質層、內電極和外電極等組成部分。
圖 2 MLCC電容的結構[13]
MLCC電容的制程見圖 3，更詳細的請見文獻[7]。
文獻[21]給出了內電極為Ni的MLCC制程中關鍵工序--排膠、燒成、燒端）的工藝流程。
文獻[22][23]指出，Ni層必須在還原性氣氛中燒結（在高溫空氣中燒結，Ni會被氧化，擴散到陶瓷介質中，失去電極功能），而常規(guī)BaTiO3則必須在氧化性氣氛中燒結，在還原性氣氛中，容易產生高溫失氧，變成半導體。因此BME金屬和BaTiO3陶瓷共燒技術是MLCC的核心技術。
文獻[31]給出了X8R電容介質材料選型、參數和結構設計、可靠性設計、制作工藝、電性能測試的整個設計過程，極具參考意義。
圖 3 MLCC的典型制程[2][3]
2.2 介質層
2.2.1 瓷膜材料
介質層材料通常分為Class1和Class2兩種。
Class1是溫度補償型材料，順電陶瓷，最常用的是C0G（NP0，negative-positive 0 ppm/℃）；
Class2是溫度穩(wěn)定型材料，鐵電陶瓷，最常用的是X9R、X8R、X7R、X5R、Z5U、Y5V等。
這些材料都是鈦酸鋇BaTiO3摻雜其他化合物（純鈦酸鋇的介電常數隨溫度變化較大，不適合制作MLCC[34]），只是Class1材料中BaTiO3含量較少（重量比10~50%），（村田的Class1材料是鋯酸鈣CaZrO3）；而Class2中BaTiO3含量則很高（重量比80~98%），見圖 4。中低壓電容的介電層厚度通常在5~7um，先進工藝可以達到0.7um~1um左右；高壓MLCC介電層則要稍厚一些；層數在幾百到上千層。
圖 4 MLCC的介電材料[4]
2.2.2 常見缺陷和失效機理
介質層主要缺陷有介質空洞、介質微裂紋、介質層和內電極的分層等，是DPA分析時的重點觀察項。
2.2.2.1 介質層孔洞
介質空洞（圖 5），GB4027A-2006 2.5.3節(jié)b)規(guī)定MLCC 介質層中單個或聚集的孔洞厚度大于平均標稱厚度的 50％時，判為缺陷。
圖 5 MLCC介質層中的孔洞（KEMET的電容）
圖6 MLCC介質層良好（無孔洞，TAIYO的電容）
2.2.2.2 介質和內電極的分層、介質層微裂紋
介質和內電極的收縮率的差異、層間結合力不強、排膠不充分（導致延邊分層，分層位置在電容邊緣、上下層瓷膜直接接觸、沒有內電極的位置，圖 7（b））、以及燒結工藝控制不當都可能導致介質層和內電極的分層[30]；介質層微裂紋主要是內電極和介質燒結時收縮率的不一致導致的。
介質層和內電極的分層、介質層微裂紋為后續(xù)電鍍液的滲入提供了條件[30]，一般不會影響電容出廠時的電性能，但會影響產品的可靠性，使用一段時間后出現問題[17]，如絕緣電阻下降、或漏電流增加、耐壓下降、或電容擊穿等現象。
圖 7 （a）介質層和內電極的無規(guī)則分層；
（b）介質層和內電極的延邊分層[30]
2.3 內電極
2.3.1 內電極材料
內電極材料由金屬粉料、有機載體和無機添加劑組成[18]。金屬粉料作用是形成電容的內電極板，從早期的貴金屬Pd—>Ag-Pd合金（Ag含量70%~75%，燒結溫度為1100℃左右）—>賤金屬Ni或Cu[1]，價格越來越低，圖 8。有機載體由乙基纖維素為樹脂，配以不同比例的多種溶劑組成，各廠家都有不同的配方，作用是保證內電極漿料印刷圖形的質量。無機添加劑（與介質材料同晶相的無機粉體）則是用來匹配燒結時漿料和介質層的收縮率，保證內電極和介質層的緊密結合，避免出現分層或電極開裂[19]。
Ni層厚度對MLCC性能有較大影響，文獻[16]對比了不同厚度（0.8um、1.0um、1.2um和1.5um）Ni層對容值、耐焊接熱、絕緣電壓穩(wěn)定性影響，結論是1.0um和1.2um最優(yōu)。但過厚也會導致燒制過程中電極和介質層間的分層[6]。厚度影響的機理是：
(1) Ni層厚度過?。ㄈ?.8um），電極連續(xù)性差，容量低，設計相同容量電極層數高，燒結后內電極和外電極連接連續(xù)性差，熱沖擊后容量變化大。
(2) Ni層厚度過高（如1.5um），產品容量不會提升，熱沖擊后瓷體因電極和介質收縮差異大易出現瓷體開裂.
(3) 隨著Ni層厚度增加，電極厚度加厚，產品燒結后內應力大，介質存在微裂紋，導致絕緣穩(wěn)定性變差。
圖8 MLCC內電極材料的物理特性和價格比較[1]
2.3.2 常見缺陷和失效機理
2.3.2.1 內電極缺損
內電極缺損會導致MLCC電容容量偏低，造成內電極缺損的原因有：疊層和層壓時的內電極移位；燒成時內電極內縮過多；倒角時內電極暴露不充分，導致燒端時內-外電極（Ni-Cu）連接不充分等，文獻[2]給出了01005 C0G電容倒角和燒端工藝對連接可靠性的影響。
2.3.2.2 電極厚度不均或電極結瘤
電極厚度不均勻、電極結瘤（圖 9）或電極分叉（圖 10）會導致介質的有效厚度減少，GJB4027A -2006 2.5.3節(jié)f)規(guī)定MLCC電極長度50%以上的厚度大于設計厚度的2.5倍；或電極結瘤使介質厚度減小 30％以上，判為缺陷。
圖 9 MLCC中的電極結瘤[14]
圖 10 內電極分叉[30]（圖3-4）
2.4 外電極
2.4.1 外電極材料
外電極通常是AgNiSn三層結構，由Ag粒子、無機粘結劑和有機粘結劑組成，也有很多低成本MLCC使用CuNiSn，Ag或Cu是通過燒端工藝燒結到MLCC端面上。
某些應用場合，MLCC需要承受溫度沖擊和機械振動，如汽車電子的ECU、ABS、PGMFI等，這時需要使用柔性端頭漿料來替代Ag或Cu，外層還是電鍍Ni和Sn。文獻[20]中表明，柔性端頭MLCC在抗彎曲、抗機械沖擊、抗正弦振動、抗冷熱沖擊方面都優(yōu)于常規(guī)端頭MLCC，其中抗彎曲程度由1mm↗3mm；抗冷熱沖擊由500次↗3000次（-55℃~150℃）。
2.4.2 常見缺陷和失效機理
文獻[24]對外電極的常見失效模式和失效機理進行了系統(tǒng)的闡述，遇到外電極問題時，可以參考。
2.4.2.1 可焊性差
外電極可靠性差的常見原因有（1）外電極的氧化；（2）Ag漿料或工藝不當造成的玻璃料外溢。
外電極的氧化，文獻[24]的2.4~2.6節(jié),MLCC如果長期存儲，空氣中的氧元素和Sn會生成暗灰或棕黑色的氧化亞錫SnO，部分生成二氧化錫SnO2，Sn的熔點為231.9℃，SnO和SnO2的熔點都在1000℃以上，因此在焊接時SnO和SnO2不會熔化，造成外電極可焊性差。
Ag漿料或工藝不當造成的玻璃料外溢，文獻[15]和文獻[24]的2.1~2.3節(jié)，Ag漿料（由Ag粒子、無機粘結劑和有機粘結劑組成）在燒端制程中，由于無機粘合劑中玻璃料（SiO2）含量偏高、或燒銀溫度偏高、或保溫時間過長等原因造成玻璃料的外溢，SiO2不導電，使得電鍍Sn時Sn層不連續(xù)，SiO2也外露在表面，PCBA焊接時，因SiO2熔斷為1600℃，焊接溫度為230℃，SiO2無法熔融，從而導致焊接不良。
2.4.2.2 滲邊現象
滲邊現象指，文獻[24]的3.1節(jié)（1），Ag漿料用料不當，或涂敷烘干時操作不當，Ag漿料中的玻璃相會滲透到MLCC陶瓷體表面上，導致外電極區(qū)域之外的部位被鍍上金屬，發(fā)生滲邊現象滲邊，嚴重的電容器兩面的端電極甚至會完全連接起來，形成橋連。
圖 11 MLCC外電極的滲邊現象[24]
圖 12外電極過大
2.4.2.3 外電極孔洞
文獻[24]的3.1節(jié)（2），Ag漿料浸蘸時，如果帶入氣泡或微裂紋，燒端后，Ag電極可能會存在孔洞或鼓包，圖 13；后續(xù)電鍍NiSn時，電鍍液中的酸性溶液可能通過Ag電極的孔洞或鼓包滲透到陶瓷體內，腐蝕電容器電極或瓷體；同時也可能造成NiSn層出現孔洞（圖 14）。
圖 13 Ag電極燒端后的孔洞[24]
圖 14外電極電鍍后（AgNiSn）的孔洞[24]
2.5 選型和應用
MLCC選型時，除了必須確定的容值、精度、耐壓、材質（溫度特性）、諧振頻率等參數外，還需要選擇幾個品牌的MLCC進行DPA分析，對比工藝質量，發(fā)現潛在缺陷，選擇最優(yōu)的品牌。此外特別注意Class2電容的直流偏壓特性、老化特性，Class1型不必關注這兩個特性。
2.5.1 DPA—發(fā)現MLCC制程中引入的缺陷
MLCC制程工序較多（圖 3），通過DPA可以觀察到制程中的一些缺陷，橫向切面和縱向切面都需要觀察。
2.5.2 電氣參數的測試
容值、ESR和DF值的測量可以參考1.3 節(jié)，更詳細當前請見IEC60384-1-2008 。
2.5.3 Class2的直流偏置電壓特性
直流偏置電壓不影響Class1型MLCC，圖17，但對Class2型有較大的影響，容值會顯著下降，在額定電壓時甚至只有額定容值的20%，圖 15、圖 16和圖 18 。與Class2型的老化機理類似，也是晶體結構發(fā)生了變化，在直流偏置電壓的電場作用下，晶體結構由正立方體變成四方晶體結構，見文獻[12]。
2.5.4 Class2的電容老化機理
Class2型MLCC長時間放置后，容值會下降，DF值會上升（Class1不存在這個問題），這種特性稱為老化特性（圖 19），老化機理是陶瓷的晶體結構在沒有外部電場作用時，會發(fā)生自發(fā)極化[11]。當Class2型MLCC長時間放置后，可以將電容加熱到125℃/4h或150℃/0.5h，電容的晶體結構會復原，容值也會恢復[5]，圖 20。
2.5.5 頻率特性（多種電容的比較）
電容的阻抗Z和等效電阻ESD會隨著頻率的改變而改變，圖 21給出了MLCC電容的典型頻率特性；圖 22給出了鋁電解、點電容、MLCC和薄膜電容的頻率特性。
2.5.6 MLCC的應用注意事項
MLCC應用過程中會受到機械應力、熱應力、電應力等應力的作用，最常見的失效機理是機械應力導致的微裂紋（焊端處的45°裂紋），造成漏電流增加絕緣電阻下降、或漏電流增加、或耐壓下降。
機械應力可能來自于貼片機用力過大、焊接過程中的溫度速率變化過快（如波峰焊、電烙鐵或熱風槍）、PCBA的分板（MLCC位置過于靠近邊緣或與工藝邊垂直）、或裝配過程中的PCB板彎曲等，常見的形貌見圖 23和圖 24。更多更詳細的信息請見文獻[13]的6、7、8節(jié)。
圖 23 MLCC微裂紋常見的位置和形貌
圖 24 MLCC崩裂
高Q值MLCC，介質材料為NP0，內電極為AgPd，外電極為AgNiSn。在射頻應用中[32]，ESR主要來自于內電極的極板電阻和內外電極的接觸電阻，可以通過合理增加內電極層數、合適的內電極厚度、減少電容的長寬比、采用T型內電極、合理的倒角工藝和優(yōu)化的燒端工藝等方法減小ESR，提高Q值。ESR三種測量方法的對比請見文獻[33]。
2.6 失效分析
文獻[10]給出了MLCC電容的失效模式和失效機理，主要內容見圖 25。當發(fā)生失效時，請按圖索驥進行分析，根據失效場景進行根因查找。
文獻[25][26][27][28]給出了很多MLCC的失效分析案例和方法，可供參考。
圖 25 MLCC常見的失效模式和失效機理[10]
2.7 參考文獻
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[2] 01005規(guī)格MLCC電容量異常偏低的研究 李鴻剛 電子工藝技術 2017
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[5] X7R MLCC General Specifications AVX
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[7] MLCC工藝流程介紹
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[11] MLCC電容老化機理 Murata
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[31]高溫X8R陶瓷電容器研究 王勇 碩士論文 2012
[32]射頻高Q值MLCC的設計和工藝 陸亨 電子元件與材料 2011年11月第30卷第11期
[33]射頻微波高Q值MLCC的ESR測試方法 趙麗穎 第十五屆電子元件學術年會 2008年
[34]中溫燒結X9R陶瓷材料研究 王新儒 碩士論文 2010
注：熔點 銅 1083℃；銀 962℃；鎳1453℃；錫 232℃ ；鈀 1554℃
來源：電子制造資訊站
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