【干货】SMT贴片电容MLCC的失效分析与改善对策

                                                                                                   


SMT业內最具人气最活跃最有影响力的微信公众号——SMT顶级人脉圈SMT制造业实力派移动互联网营销第一媒体 SMT顶级人脉圈片式陶瓷电容采用陶瓷材料作为绝缘介质，其内部由多个电容错位叠压而成，简称MLCC。MLCC具有体积小、单位体积电容量大、受温度等环境因素对性能影响小等优点，在军用通讯、雷达、炮弹引信、航空、航天、武器系统等领域被广泛应用。为了适应集成电路和表面贴装技术的发展, MLCC朝着高容量和小型化的方向发展, 力求使多层陶瓷电容器叠层层数多, 介质层厚度薄。但随着MLCC 变得越来越小(薄), MLCC 装配的难度加大且易出现失效问题。本文对装焊过程中出现的MLCC失效问题进行归纳总结，从优化生产工艺和设计改进着手，最终实现MLCC的高可靠性装焊。
MLCC失效类型

图1.MLCC在装焊过程中常见的失效类型。
板弯失效
板弯失效，又称45°角失效。从金相切片图示上显示，见图2，一般会在瓷体和金属电极的交接点斜向上呈线一条近似45°角的裂纹线。经过温度冲击、振动试验后,电流集中在裂纹位置并使之逐渐发热升温，温度过高将导致内部电极熔化及瓷体向外膨胀，最终发生爆裂。

图2

板弯失效形成的原因是主要是装配过程中印制板受外力弯曲或焊接后印制板、MLCC电极端、陶瓷介质三者的热膨胀系数不同,最终使两焊接端产生相反方向的机械应力，见图3,应力集中在电容最弱的位置,一般在瓷体和金属电极的交接点, 最终产生裂缝。


图3
在生产装配过程中，板弯失效多发生在拼板分割、印制板焊接后、机械安装等装焊环节。
热冲击失效
当MLCC焊接时，由于MLCC的内外陶瓷的膨胀幅度不一样，易从焊接端头开始形成带有弧形的裂痕，图4为MLCC热冲击失效外观图，图5为热冲击失效DPA图。

图4


图5
热冲击失效形成的主要原因是温度曲线缺陷、焊接过程或焊接后温度跳跃变化、未充分考虑器件的温度特性而选用不适合工艺方法等造成。
在生产装配过程中，热冲击失效多发生在波峰焊、补焊、手工焊等环节。
机械损伤失效
MLCC由多个电容错位叠压而成。陶瓷材料本身特性脆弱，多层叠加后，受外力作用易断开而导致电容失效。
在生产装配过程中，由机械损伤引发的失效多发生在器件周转、表面贴装、手工焊接、印制板清洗等环节。
1)   器件周转环节：器件磕碰、跌落，可造成开裂，见图6。

图6
2)   表面贴装环节：吸嘴下行设置高度误差，板面布局较集中无法使用支撑柱或未使用支撑柱，可造成开裂，见图7。

图7
3)   手工焊接环节：焊接过程烙铁头或防静电镊子按压器件本体、器件两端头焊锡量过多或不均匀，可造成开裂，见图8。

图8

4)   印制板清洗环节：手工清洗用力过大、清洗方法错误或清洗刷头过硬，可造成开裂；若器件在前工序已造成了内部裂纹存在，则MLCC在清洗工序中可能造成电极和陶瓷本体脱落的现象，见图9。

图9
过压过流失效
施加在元器件上的激励稳定性是保证元器件正常工作的重要条件，而当外界电压或电流超过器件的最大技术条件时，器件的性能会减弱甚至损坏，而这种伤害俗称过度电性应力，简称EOS；从DPA分析图可以看出，遭受过度电性应以伤害的MLCC，其裂纹从内部开始呈爆炸状分散，如图10所示。

图10

除去产品电路系统未设计限压、限流保护方案因素外，在生产装配过程中，造成器件过应力伤害最有可能的原因就是静电伤害，因此装焊过程的静电防护应该贯穿于产品的整个生产、调试期。
其它类型失效                                                                器件的保管与存放是容易忽视的环节，比如湿敏器件的存放，空气中的湿气通过扩散进去器件材料的内部，而在回流焊过程中器件暴露于200℃的温度下，快速的湿气膨胀，材料的不匹配以及材料界面的劣化等因素的共同作用会导致器件内部的开裂或分层；另外存储环境不匹配或者超保质期器件氧化造成可焊性差等因素都是器件失效原因之一，图11为MLCC焊接端头因为可焊性差造成的焊点空洞缺陷。


图11
改进与要求
根据上述造成MLCC器件失效的原因，从以3个方面进行改进、优化和加强。
一、设计与结构的改进
针对板弯失效模式应首先从结构设计布局上进行优化，应充分考虑MLCC的尺寸、容量和电压特性对比。同等材质、尺寸和电压值的MLCC，容值越高，介质层数就越多，每层就越薄；同等材质、容量和耐压值的，尺寸越小，每层就越薄；介质越薄越容易断裂。因此，布局时要充分考虑印制板的变形方向与MLCC的安装方向以及器件的特性，板面尺寸。比如拼板分割时，分割线边缘处所受的机械应力最大，见图12，在EDA板面布局时，器件位置应尽量远离分割线且选择平行于分割线布置，可减少所受应力；通孔元器件布局和铆接接线柱的焊盘孔应与MLCC布局留有安全距离。PCB板安装时应，板上的连接器附近加装滤波电容，进行连接器插拔时，若连接器周围没有板面支撑设计，PCB板产生翘曲变形也可导致附近的器件产生裂纹，因此可考虑在连接器周围增加安装孔或垫柱设计，以减少插拔过程印制板的变形。其次，从工艺设计流程上进行优化，通过制作托盘工装，将丝网印刷→表面贴装→回流焊接→裁板这种工艺流程改为表贴喷印→表面贴装→回流焊接工艺流程，以托盘工装为载体连接各小板，可省去拼板后再裁板的工步，图13为某产品使用托盘工装后的效果图。

图12

图13
若板面布局受结构因素影响无法更改，可适当考虑降档选择引线封装的电容或者采用开路式设计的电容器或带有支架的电容进行替代。
二、工艺的改进
工艺方法选择上应多考虑MLCC的温度特性和尺寸，避免热应力造成的缺陷。比如1210以上的大尺寸MLCC，在选择焊接工序时，不宜采用波峰焊接，因为大尺寸的电容导热设计不如小尺寸，容易造成电容受热不均匀，从而产生破坏性应力。而一但焊接方法确定为波峰焊接或回流焊接时，应注意焊接设备的温度曲线设置，温度曲线应由授权的工艺技术人员负责设定，验证、修改和发布；参数设置中跳跃温度不能大于150℃，温度变化不能大于2℃/秒，预热时间应大于2分钟以上，焊接完毕不能采取辅助降温设备，应自然随炉温冷却。典型有铅的MLCC波峰焊接曲线见图14所示，典型有铅的MLCC回流焊曲线见图15所示。

图14

图15

连接器附近加装滤波电容，进行连接器插拔时，若连接器周围没有板面支撑设计，PCB板产生翘曲变形也可导致附近的器件产生裂纹，因此可考虑在连接器周围增加安装孔或垫柱设计，以减少插拔过程印制板的变形。其次，从工艺设计流程上进行优化，通过制作托盘工装，将丝网印刷→表面贴装→回流焊接→裁板这种工艺流程改为表贴喷印→表面贴装→回流焊接工艺流程，以托盘工装为载体连接各小板，可省去拼板后再裁板的工步，图13为某产品使用托盘工装后的效果图。
序号封装类型预热参数10402、0603、0805120℃，（40～50）s21206、1210、1812120℃，（60～70）s32220、2225、3035120℃，（90～100）s表1 预热时间要求
图16

三、产品防护及其它要求
结论MLCC属于新型电子元器件，是电子信息产品不可或缺的基本组件之一；它在各类军用、民用电子产品的多种电路中被广泛应用。因此，MLCC的装焊质量控制显得尤为重要，所以产品的可靠性不仅是设计出来的，也是生产出来的，而检验只能验证产品的可靠性，不能提高产品的可靠性；从产品设计、生产工艺、过程管控三管齐下，才是实现高可靠MLCC装焊的三个基本途径。
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