本文系中興通訊股份有限公司投稿的論文。

作者：楊航，唐丹，任曉琳，王波。

1. 前言

陶瓷貼片電容作為應(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。

陶瓷電容在使用過程中，常見的失效原因有內(nèi)部缺陷（裂紋、空洞、內(nèi)電極結(jié)瘤等）、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力和熱應(yīng)力等。隨著陶瓷電容在供應(yīng)商生產(chǎn)端自動化能力的提升和篩選手段的加嚴(yán)，以及在用戶應(yīng)用端對電容在PCB上布局的規(guī)范以及電子裝聯(lián)技術(shù)的提升，以往常見的機(jī)械應(yīng)力和焊接熱應(yīng)力等生產(chǎn)過程中的早期失效情況已經(jīng)大大減少。近年來，筆者接觸到陶瓷電容失效最多且影響較大的都為電容服役一段時(shí)間后發(fā)生的失效。為減少電容在終端用戶處服役階段的失效，使陶瓷電容失效率水平和壽命能夠達(dá)到用戶需求，如何有效的評估陶瓷電容在服役過程中的失效率以及極限壽命就顯得尤其重要。

本文結(jié)合浴盆曲線，分別提出了偶發(fā)故障期失效率以及損耗失效期壽命的評估方法。失效率和壽命相結(jié)合，將能有效對陶瓷電容實(shí)際使用能力進(jìn)行最大程度的評估，為用戶選型以及使用作出指導(dǎo)。

2. 陶瓷電容發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

陶瓷電容自誕生以來，就朝著小尺寸、大容量的趨勢發(fā)展。近年來，0201和0402封裝已成為行業(yè)主流，這兩種封裝的需求量已超過總需求的70%；01005、008004等更小封裝產(chǎn)品也相繼面世，且需求量逐年增加。在容值方面，100μF、220μF、330μF等大容量產(chǎn)品已在行業(yè)內(nèi)大量使用，日本太陽誘電在19年宣布了可量產(chǎn)1000μF陶瓷電容。

陶瓷電容器容值的計(jì)算公式如下。式中，C為電容量，εr和ε0分別表示陶瓷介質(zhì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)，A表示內(nèi)電極有效面積，d表示陶瓷介質(zhì)厚度，N表示內(nèi)有效內(nèi)電極層數(shù)。

（1）

由公式1可知，為實(shí)現(xiàn)小封裝和大容量特點(diǎn)，就必須在相同尺寸的電容內(nèi)堆疊盡可能多的層數(shù)（增大N值），且需要降低介質(zhì)層的厚度（減小d值），目前日系廠家介質(zhì)厚度已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)0.3μm以下。層數(shù)的增加以及介質(zhì)層厚度的減小，都對陶瓷電容原材料和制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)，生產(chǎn)過程中細(xì)小的異物或空洞都將造成致命的影響。同樣，由于小封裝和大容量的發(fā)展，陶瓷電容設(shè)計(jì)的余量越來越小，對用戶提出的要求越來越高，在選型時(shí)對陶瓷電容失效率和極限壽命的評估也顯得十分必要。

3. 浴盆曲線

實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率是時(shí)間的函數(shù)，典型故障曲線由于形狀呈現(xiàn)出兩頭高，中間低，所以被稱為“浴盆曲線”。浴盆曲線同樣適用于表示陶瓷電容的故障率。

浴盆曲線中第一階段為早期失效，如前所述，陶瓷電容早期失效多數(shù)在廠家生產(chǎn)過程中的電性能加嚴(yán)篩選階段被剔除，或發(fā)生在客戶焊接電容過程中，如生產(chǎn)撞件和單板彎曲應(yīng)力；第二階段為偶然失效期，此階段失效率較低且處于平穩(wěn)期，此階段失效常見的原因?yàn)榱阈堑碾娙輧?nèi)部存在無法剔除的細(xì)微缺陷，在損耗失效期前提前暴露；第三階段為損耗失效期，主要由于電容的老化造成，即接近到達(dá)了電容的壽命終點(diǎn)，此階段隨著時(shí)間的變化故障率呈現(xiàn)出迅速上升趨勢[1,2]。對于陶瓷電容，第一階段失效能夠被有效剔除和及時(shí)發(fā)現(xiàn)，所以重點(diǎn)關(guān)注的是第二階段的失效率，以及進(jìn)入第三階段的時(shí)間，即極限壽命。

圖1 浴盆曲線

4. 陶瓷電容加速壽命換算與失效率計(jì)算公式

陶瓷電容一般通過加速試驗(yàn)的方法對壽命進(jìn)行換算。常見的計(jì)算公式是基于Arrhenius加速模型得到，Mogilevsky和Shirn在陶瓷電容加速壽命試驗(yàn)文章中提出的公式為[3,4]：

（2）

式中，L1為需要換算條件下的壽命，L2為實(shí)際加速試驗(yàn)結(jié)果的壽命；V1和V2分別為需換算條件下的電壓和實(shí)際加速試驗(yàn)條件的電壓；T1和T2分別為需換算條件下的溫度和實(shí)際加速試驗(yàn)條件的溫度（開爾文溫度）；n為電壓加速因子，通常取3~5；Ea為活化能，通常取1.1~1.3eV；KB為玻爾茲曼常數(shù)（8.62×10-5eV/K）。

失效率可用Fit來進(jìn)行表示，計(jì)算公式如下：

FR=（r/T）×K×109（Fit） (3)

公式中，r表示試驗(yàn)過程中電容的失效數(shù)量（如果無失效，則式中r×K=0.917）；T表示試驗(yàn)樣品數(shù)量與試驗(yàn)時(shí)間（或換算時(shí)間）的乘積；K為60%置信度下的常數(shù)，具體取值見下表1。

表1 不同失效數(shù)量對應(yīng)K值

5. 偶發(fā)失效期失效率評估方法

為評估陶瓷電容在正常服役條件下偶發(fā)失效期的失效率，一般采用大樣品量（1000~10000顆）、低加速應(yīng)力（1~1.5倍額定電壓）、長時(shí)間（1000~2000h）的試驗(yàn)方案，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算評估實(shí)際使用條件下的Fit值。

5.1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

選取市場上某品牌溫度特性：X7S，電壓：6.3V，容值：47μF±20%，封裝：1216（X7S-6.3V-47μF±20%-1210）的陶瓷電容，數(shù)量1000顆，將電容焊接在測試板上，在上限工作溫度125℃、1.5倍額定電壓9.45V條件下試驗(yàn)2000h。實(shí)時(shí)監(jiān)控電容的IR值，當(dāng)IR下降至一定程度后判定為失效。

在此條件下此次試驗(yàn)完成2000h試驗(yàn)后該規(guī)格電容失效數(shù)量為2顆。

5.2 失效率計(jì)算

假設(shè)此規(guī)格電容在用戶處正常工作條件為100℃、3.3V，要計(jì)算此條件下偶然失效期的失效率，首先通過公式2將試驗(yàn)條件125℃、9.45V的2000h換算得到100℃、3.3V條件下的時(shí)間（取電壓加速因子為3，Ea為1.1）：

計(jì)算結(jié)果L1=402000h，即電容在125℃、9.45V試驗(yàn)2000h，相當(dāng)于在100℃、3.3V下工作約402000h。得到此時(shí)間后，再根據(jù)公式3來計(jì)算電容在100℃、3.3V條件下的偶發(fā)失效率：

FR=（2/1000*402000）×1.56×109（Fit）=7Fit

綜合以上計(jì)算，可得到這個(gè)規(guī)格電容在100℃、3.3V下工作，偶然失效期的失效率約為7Fit。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際情況，如果電容在不同的條件下工作，通過以上公式也能得到不同實(shí)際使用條件下的失效率。

值得注意的是，此試驗(yàn)中失效電容是處于偶然失效期，因此得到的試驗(yàn)結(jié)果只能用來評估失效率，而不能用于來衡量損耗失效期的壽命。另外，失效率計(jì)算結(jié)果可能會隨著試驗(yàn)樣本量、試驗(yàn)時(shí)間以及試驗(yàn)條件變化而變化，試驗(yàn)樣本量越大、試驗(yàn)時(shí)間越長、試驗(yàn)條件越接近于實(shí)際使用條件，得到的結(jié)果越真實(shí)，但是受到試驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間的限制，不能無限的增大數(shù)量和延長時(shí)間，所以可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整樣本量和試驗(yàn)條件。

6. 損耗失效期壽命評估方法

僅僅評估電容在偶然失效期的失效率還是不夠的，失效率雖低但如果在短短兩三年時(shí)間內(nèi)就進(jìn)入了磨損失效那同樣也是不能滿足要求的。因此，用戶還希望知道電容的使用壽命，知道電容在什么時(shí)候會進(jìn)入到損耗失效期。為評估電容的損耗期壽命，一般通過高加速應(yīng)力試驗(yàn)（150℃或以上高溫，3~5倍額定電壓），使電容進(jìn)入到損耗失效階段發(fā)生大量失效，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合韋伯分布擬合，評估電容在實(shí)際使用條件下的壽命。

6.1 試驗(yàn)方法

同樣取某品牌規(guī)格為X7S-6.3V-47μF±20%-1210的陶瓷電容，數(shù)量20顆，焊接在測試板上，在150℃、20V電壓下進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每一顆電容的漏電流值，當(dāng)在高溫下漏電流超過一定值后判定為失效，試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行直至20顆電容完全失效。

圖2 測試電容焊接在測試板上

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與壽命評估

記錄此規(guī)格在150℃、20V下20顆樣品失效時(shí)間如下表2。

表2 試驗(yàn)樣品失效時(shí)間

韋伯分布是瑞典物理學(xué)家Weibull教授提出的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，是近年來在壽命可靠性分析中使用最廣泛的模型之一。根據(jù)測試結(jié)果，通過韋伯分布擬合得到如下圖3曲線。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果韋伯?dāng)M合曲線

在此類試驗(yàn)中，通常情況下陶瓷電容行業(yè)內(nèi)日系品牌取B1時(shí)間（1%失效率時(shí)間）來換算實(shí)際使用條件下壽命，此試驗(yàn)結(jié)果通過韋伯分布擬合得到B1為337min。同樣，假設(shè)此規(guī)格電容在用戶處正常工作條件為100℃、3.3V，那么通過公式2和B1可得到在此條件下此電容的壽命約8.12年（取電壓加速因子為3，Ea為1.1）。同樣，如果電容在其他條件下工作，也可以通過同樣的方法計(jì)算不同條件下對應(yīng)的壽命。

綜合以上結(jié)果，該規(guī)格為X7S-6.3V-47μF±20%-1210的電容，如在100℃、3.3V下工作，運(yùn)用以上兩種方法，通過計(jì)算得到偶然失效期失效率約為7Fit，工作大約8.12年后會進(jìn)入到磨損失效期。通過以上實(shí)驗(yàn)，不僅能評估電容在服役期間的偶發(fā)失效率，還能夠評估電容的進(jìn)入損耗失效期的時(shí)間。更重要的是，通過試驗(yàn)可以為用戶提供選型指導(dǎo)，如此使用條件下（100℃、3.3V）計(jì)算得到的失效率或壽命不能滿足產(chǎn)品需求，用戶可以進(jìn)行更大程度的降額，從而降低失效率和延長壽命。

7. 結(jié)束語

本文結(jié)合浴盆曲線，分別介紹了陶瓷電容在偶然失效期的失效率，以及在損耗失效期的壽命計(jì)算方法，并提出運(yùn)用兩種方法同步進(jìn)行評估，綜合兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果對選型進(jìn)行指導(dǎo)。運(yùn)用此方法能夠?qū)μ沾呻娙莸恼w性能有全面的把控，用戶也可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整降額條件，使電容在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下長期穩(wěn)定的工作，避免電容在服役過程中發(fā)生高比率失效或過早進(jìn)入損耗期。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱曉燕，曹晉紅. 浴盆曲線在可靠性設(shè)計(jì)與管理中的應(yīng)用[J]. 中國質(zhì)量,7(2):47-51,2007.

[2] 賀國芳. 可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[3] Minford, W.J. Accelerated life testing and reliability of high K multilayer ceramic capacitors[C]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, CHMT-5,297-300,1982.

[4] Mogilevsky, B.M. and Shirn, G.A. Accelerated life tests of ceramic capacitors[C]. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, CHMT-11,351-357,1988.
編輯：hfy