【干货】深度解析陶瓷贴片电容MLCC裂纹引起的主因及改善对策！

                                                                                                   





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多层片式陶瓷电容器MLCC在贴装使用过程中易因PCB弯曲振动引起裂纹。弯曲\振动裂纹引起失效的问题一直困扰着业界。

贴片机参数不正确设定是如何引起裂纹的？贴片机的拾放头使用一个真空吸管或是中心钳去给元件定位。X、Y尤其是Z方向的参数调整对避免碰撞元件而言至关重要。很易理解，过大的Z轴下降压力会打碎陶瓷元件。但如果贴片机拾放头施加足够大的力在某一位置而不是瓷体的中心区域时，施加在电容器上的应力可能足够大地损坏元件（见图3）。


同样地，贴片拾放头的尺寸不恰当选取会容易引起裂纹。小直径的贴片拾放头在贴片时会集中了放置力，这会引起MLCC裂纹是因为较小的面积承受了较大的压力（见图4）。


另外，PCB上散落的碎片同样会引起裂纹。在放置电容器时，PCB不平的表面引起对电容器的向下压力不均匀分配，这样，电容器会破碎（见图5）。


PCB弯曲是如何引起裂纺的？当陶瓷贴片电容MLCC被贴装在PCB板上时，它成了电路板的一部分。而FR-4材料是最常用作PCB板，它的刚度不大，易产生弯曲。贴片电容陶瓷基体是不会随板弯曲而弯曲的，因而会受到的拉张应力（见图6）。

陶瓷材料压迫强度大，拉伸强度低。当拉伸应力大于瓷体强度时，裂纹产生。影响抗弯强度的主要因素是焊锡量。推荐用量是对瓷体50~75%的焊带高度。焊料太多会在PCB板弯曲时增加对贴片电容MLCC的拉伸应力。（见图7）


焊料量不一致会在元件上产生不一致的应力分布，在一端会应力集中，而产生裂纹（见图8）。


焊盘尺寸同样重要。除了适应放置变化，正确的焊盘尺寸能在焊接过程中平衡焊带的形成。非制造商详细规范推荐的焊盘尺寸建议不要使用。


应力在元件上的分布是不一致，应力集中在元件薄弱处时，易产生裂纹。裂纹主要出现在端电极部位，有时肉眼可见，大多数情况外观无损坏痕迹。通过DPA切面分析，可观测弯曲裂纹常表现为一个“Y”形的裂比方或是45度角斜裂纹。

裂纹易发生在端电极部位，除了应力集中外，与MLCC端电极存在天然微缺陷有关。MCLL端电极制作过程（1）端极浆料浸覆和烧结制作端电极基层为提高端电极基层在陶瓷芯体上的附着力，端电极浆料中含有玻璃料，在烧结端电极时玻璃料会烧渗进入陶瓷体一定的深度。

(2)电镀镍层、锡层在氨基磺酸镍溶液中电镀形成： 镍Ni层—焊接阻热层 （1~3 um)在甲基磺酸锡溶液中电镀形成：锡Sn层—焊接层(3~8 um)由于电镀液是酸性溶液，MLCC会被酸性镀液腐蚀，尤其是基层电极与陶瓷结合处最易被腐蚀为微沟槽，成了最薄弱处。

因常规MLCC端头处固有的微缺陷，在弯曲、机械振动和热冲击等应力作用下，裂纹就很易在端电极部位产生。

裂纹产生会导致不良后果当MLCC存在裂纹，轻则产品容量低甚至无容量，导致电路不能正常工作；重则产品绝缘低、漏电、短路甚至烧毁。
引起MLCC裂纹的因素还有哪些？生产商包装后的产品不太可能是存在裂纹的，大多数贴片电容MLCC制造商非常小心地确保最终外观检验质量和正确的搬运操作。除了贴装过程的挤压和加工过程的弯曲，裂纹还会因热冲击，板内测试和氢吸收引起的。
电容器用户如何检测裂纹？首要的是提供更多的资源去避免裂纹的产生而不是去检测裂纹是否存在。不过，裂纹是可以通过使用电阻测试仪进行在板检测的。一般地，电容存在裂纹，电阻值会下降，或经老化后电阻值会明显下降。注意：要标示“警告”避免板弯曲和直接的元件接触。MLCC被贴装在PCB板后，当PCB板因外力作用而弯曲时，MLCC基体承受拉伸应力。



避免裂纹之—把裂纹产品检测出来通过检测容量和绝缘值是可以把有较大裂纹的MLCC检测出来的。 (1) 会引起容量下降的裂纹

这种情况的裂纹不会引起绝缘值下降。(2) 会引起绝缘下降的裂纹

当裂纹处于错位电极区域时，MLCC绝缘（IR）会下降，经通电老化后绝缘（IR）明显下降，可以通过仪器在线检测。但当裂纹很细小时，会出现出厂前短时间老化也不能有效排除有裂纹的MLCC，直到最终用户使用一段时间后才发生绝缘下降电路失效的情况。尽管微小裂纹可以通过工业CT或超声波仪探测出来，但效率太低、成本太高，不适合大规模生产。因此对于裂纹，首要的是避免裂纹的产生而不是检测裂纹是否存在。避免裂纹之—提高MLCC抗裂纹能力MLCC制造业界主要技术方案

(1)增加内电极层数通过内电极分布的设计调整，增加金属内电极数量，提高MLCC芯体的抗弯曲性能。

该方案仅适合小容量规格产品，且对解决端头裂纹效果不是很明显。(3) 三明治夹层设计

该方案仅适用于X7R类产品，一定程度上解决酸蚀引起端电极瓷体结合处腐蚀微沟问题。(3)柔性端头设计近年来，技术领先的MLCC厂商先后推出一种新型端电极模式的陶瓷贴片电容——柔性端头MLCC，这是一种能明显提高MLCC端头抗裂纹性能的方案。

从外观上看，柔性端头MLCC与常规MLCC毫无差异！柔性端头MLCC是如何有效解决裂纹问题的?其关键在端电极结构，柔性端头MLCC端电端结构为四层设计:

导电聚合物层能有效防止电镀酸蚀微沟缺陷的形成，也能吸收外部传递的应力，从而大大降低产品应力裂纹损坏的可能，提高产品的可靠性能。柔性端头MLCC具有高强度的抗弯曲性能，弯曲深度可达到5mm。而常规端头MLCC的抗弯曲深度一般为2~3mm。

柔性端头MLCC除具有优秀的抗弯曲性能外，还更强的耐受温度冲击能力,对环境应力的适应性更强。柔性端头MLCC属高技术产品，国际大品牌如TDK、MURATA等都有该类产品。最近，大陆本土被动元件制造龙头风华高科也实现量产柔性端头MLCC。柔性端头MLCC由于增加了柔性导电聚合物层，成本比常规端头的MLCC高(20~30)%

在MLCC端电极上用高温焊料焊接金属框架，可应用在环境苛刻的汽车控制电子上。缺点是成本高，占用空间增大。避免裂纹之—科学使用MLCC现有电子组装工艺规范多适用于引线型陶瓷电容，所以PCB弯曲度常超出MLCC的承受范围，极易引发MLCC裂纹。裂纹在焊接后手工分板过程和测试、装配过程中都可能产生，而板弯曲是引起电容裂纹的最主要原因，这点需要反复强调！为避免MLCC使用过程中出现裂纹，MLCC制造商都会提供详细的使用规范，在此强调两点：（1）首先要注意布板时MLCC安装位置和方向，使电路板弯折时施加在该电容器上的应力最小。

在布板和板分割时应考虑弯曲应力对MLCC的影响。（2）其次，应使用专用分切装置分板，如不得不采用手工，要选好受力支撑部位。受力支撑点不同对元件的影响  

此外，MLCC应避免与易弯曲部件或部位接近，如PCB角边、连接器和安装孔等。抗弯性能更好的MLCC有利于适应恶劣工艺和使用环境，而科学使用MLCC才可大幅减少甚至避免裂纹。

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