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，作為應用最廣泛且最重要的被動元器件之一，在通信和電子設備中大量使用，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是由印好內電極的陶瓷介質膜片，以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上外電極，從而形成一個類似獨石的結構體。MLCC常見的失效模式可總結為短路、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，機械應力裂紋、熱應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介質材料性能退化、絕緣電阻降低認可度最高也是最經典的模型[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?；亓骱赣纸性倭骱福ǔＪ鞘褂糜∷⒌姆椒▽㈠a膏涂覆在PCB焊盤上，再通過貼片機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，從而保證焊接質量。

MLCC作為一種貼片器件，通常情況下是通過回流焊工藝進行裝聯(lián)，但對于插件器件較多的單板，為提高生產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，但在室溫下絕緣電阻均小于2MΩ，已經低于規(guī)格要求的10MΩ。使用熱風槍對電容進行加熱后，兩顆電容絕緣電阻急劇下降，在60℃左右時已經低于200KΩ。

表1 失效電容電性能測試結果

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。

在對電容進行破壞性分析之前，對電容表面進行了EPMA（Electron Probe Micro-analyzer）元素分析。從結果可以看到，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

為精確定位電容內部失效點位置，首先對電容逐層檢測IR。從測試結果來看，在靠近PCB基板側的第一層和第二層內電極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電極，DPA分析應重點關注這兩層內電極處。

圖2 失效電容逐層測試IR結果

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，能夠對電容內部進行有效的觀察。隨后對失效電容進行DPA分析，經過多次精細研磨，與常見失效案例不同（圖3c,d），在整個失效電容內部都未發(fā)現(xiàn)裂紋或內電極熔融等常見導致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）; 其他案例常見導致IR降低的失效形貌（c,d）

2.4 失效信息匯總

經過以上的分析，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電極導致，但DPA分析卻未能在電容內部發(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，是否與電容本身的特征有關，下面開展了一系列實驗進行認證。

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構對成分進行分析，采用離子色譜的方法對Br和Cl的含量進行了檢測，結果顯示如表2。

表2 助焊劑成分分析

結果顯示，用于波峰焊接的助焊劑中含有大量的Br。結合外觀EPMA分析結果，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可能是由于產品長期在室外工作，環(huán)境中的Cl殘留導致。

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行焊接，將焊接后的樣品在兩種不同條件下進行試驗，試驗結果如下如表3。

表3 回流焊和波峰焊樣品對比試驗結果

從試驗結果來看，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行DPA分析，電容內部同樣未發(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)格的電容同樣進行波峰焊接試驗。

表4 不同規(guī)格電容試驗結果

從試驗結果來看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。綜合以上結果，表明波峰焊并不會對所有規(guī)格的電容產生影響，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。在經過燒結后，陶瓷介質形成了核-殼結構（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-殼結構形成的質量，并且擴散層對陶瓷電容IR性能起著重要作用[3]。

圖4 典型陶瓷介質燒結后形成的核-殼結構

陶瓷電容在使用賤金屬（Ni）作為內電極后，為防止Ni電極在燒結過程中被氧化，在燒結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極遷移形成漏電流，并最終在負極處堆積，與金屬電極形成p-n結。有研究表明，對于具有良好核-殼機構的陶瓷，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-殼結構相關了。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)格樣品陶瓷介質燒結后形成的核-殼機構相對明顯，添加劑形成了明顯的擴散層；而C規(guī)格與失效分析的電容由于添加劑含量較少，未形成明顯的擴散層。

圖6 規(guī)格A(a), B(b), C(c)電容樣品晶粒結構

結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，導致Br離子進入到電容內部，并侵入到內電極的最外層，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，導致侵入的離子易在陶瓷晶粒內擴散，最終導致電容IR降低的現(xiàn)象。

4. 結束語

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構的分析，結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-殼結構，離子在內部更容易遷移，最終導致電容IR較低而失效。

參考文獻

[1] 劉銳, 陳亞蘭, 唐萬軍, 姚世鋒. 片式多層陶瓷電容失效模式研究[J]. 2013,43(3):449-452.

[2] Nishida K, Kishi H, Osada M, et al. Raman spectroscopy evaluation of oxygen vacancy migration by electrical field in multilayer ceramic capacitors. Japanese Journal of Applied Physics [J]. 2009,48(9):4

[3] 吳旺華. 外場下BaTiO3基電介質材料的缺陷行為及機理研究[D].2018.

Liu W. Thermally stimulated relaxation in Fe-doped SrTiO3Systems:II. Degradation of SrTiO3dielectrics. J Am Ceram Soc [J]. 2008,91:3251.

[4] Baiatu T. dc Electrical Degradation of perovskite-type titanates:III, A model of the mechanism. J Am Ceram Soc [J]. 1990,73:1663.
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