电子产品组装中陶瓷电容常见失效模式及改善建议

来源:收集 点击数:83 更新时间:2018/12/4 10:09:03

电子产品组装中陶瓷电容常见失效模式及改善建议
 摘 要:多层陶瓷电容(MLCC)目前已经在电子产品中大量应用。然而,由于陶瓷材料的脆性特点,在电子产品组装的焊接、拼板分板、打螺钉、周转/搬运及功能测试等环节,陶瓷电容容易因热和机械应力而损伤。简要介绍了多层陶瓷电容在电子组装过程中的几种常见失效模式。通过一个案例,对陶瓷电容的机械应力失效模式进行了测试及实验验证,并结合实验数据提出了减少陶瓷电容应力损伤的改善建议。

关键词: 多层陶瓷电容;开裂;热应力;机械应力;PCB布局


1 陶瓷电容失效机理及常见失效模式

1.1 失效机理

多层陶瓷电容(MLCC:Multi-Layer CeramicCapacitor)由陶瓷层与金属电极层通过堆叠技术而制成[1],内部结构如图1所示。因陶瓷材料本身是脆性的,在受到外界机械应力超过其承受范围时会断裂,从而致使电容失效。

1.2 常见失效模式

多层陶瓷电容常见的失效模式主要有机械冲击应力、热冲击应力和过电应力等几种情况[2-3]。

1.2.1 机械冲击应力

机械冲击应力主要来自单板弯曲变形[4]、贴片冲击和功能测试夹具冲击。

1.2.1.1单板弯曲变形

单板弯曲变形的失效典型图样如图2所示。

失效原因分析:电子产品组装中常见的拼板分板、打螺钉、周转/搬运及功能测试等环节会引起单板变形,引入应力,容易造成陶瓷电容引脚内45°方向开裂。

1.2.1.2 贴片冲击

贴片冲击的失效典型图样如图3所示。

失效原因分析:这种情况多出现在老式贴片设备上,新的贴片设备一般具有自动冲击力感应装置,能够自动调整贴片冲击力。

1.2.1.3 功能测试夹具冲击

功能测试夹具冲击的失效典型图样如图4所示。

失效原因分析:夹具张力需要调试到合适的力度,一般在新治具设计完成后,要做关键位置应力应变检测。

1.2.2 热冲击破裂

热冲击破裂通常发生于焊接过程。

1.2.2.1 回流焊和波峰焊及烙铁焊接

回流焊、波峰焊和烙铁焊接热冲击破裂的失效典型图样如图5~图7所示。

失效原因分析:预热不充分或焊锡温度过高,热冲击应力容易损坏电容,裂纹一般会贯穿到电容表面。可以用C-SCM进行无损分析。

1.2.2.2 掩膜波峰焊

掩膜波峰焊热冲击破裂的失效典型图样如图8所示。

失效原因分析:掩膜波峰焊在掩膜开口临界地带,单板存在两个受热不均的区域,锡波接触位置 温度高,PCB发生变形,掩膜治具遮挡区域,温度变化小。因此对于1210这类较大外形封装陶瓷电容,如果布局正好跨越在这个临界区域,PCB受热变形引入应力,导致此类较大型陶瓷电容引脚开裂。需要在布局时做避让。

1.2.2.3 焊锡过量

焊锡过量热冲击破裂的失效典型图样如图9所示。

失效原因分析:焊锡过量造成受热应力不平衡,发生破裂,一般发生在焊锡少的一端。

 1.2.3 过电应力

电压或电流过大的失效典型图样如图10所示。

失效原因分析:指电容耐压不足所产生的失 效,失效电容内部会有多个裂纹,电极熔融,可明 显看到碳化迹象。 

2 案例及分析 

2.1 案例描述 

某故障单板,发现板上多层陶瓷电容短路,烧 毁了保险丝和磁珠,造成单板供电单元异常,无法 正常运行。该陶瓷电容为2220封装(5.7 mm×5.0 mm)。 温度特性:X7R。耐压:100 V。容值:1 μF。容 值精度:±10%。该单板上用到3个同一规格陶瓷电 容,这3个陶瓷电容用作-48 V电源入口处的滤波电 容,位号分别为C15、C18、C1A3。故障单板失效陶 瓷电容布局如图11所示。

2.2 故障分析 

由于单板上的-48 V网络一般的工作电压为-53 V, 根据陶瓷电容的降额要求0.5,耐压为100 V的该电容 符合要求。且板上-48 V端口处的过压保护二极管动 作电压为100 V,因此电容不会出现过压的情况,板 上也没有找到过压的因素。所以不是过电引起电容 失效。对故障的陶瓷电容进行外观检查及C-SCM超声扫描,陶瓷电容外观无明显异常,C-SCM也未发 现异常,如图12所示。

进一步对故障陶瓷电容样品做切片实验,切面 图片如图13所示。

根据切片实验,观察到陶瓷电容电极焊端内 45°方向有裂纹,裂纹的断面较为整齐,根据陶瓷 电容的制备工艺,端电极为镀镍/锡层,C-SCM射 线很难对该区域扫描到断层信息,因此用C-SCM分 析手段无法有效定位陶瓷电容端头电极内部裂纹这 种失效模式。分析陶瓷电容端电极裂纹图片,可判 断该电容的损坏主要是应力损坏。若是过压或过流 炸毁的话,裂痕应该四散,而且外凸。

 进一步分析单板的生产组装过程,发现该单板 拼板连接的V-CUT槽残厚比常规PCB厚度大,且单 板外形为长条型,在拼板分板、安装打螺钉、插拔 风扇和运输等过程都较易出现PCB变形,而该陶瓷电容封装较大,容易受PCB变形应力的影响,因此该单 板陶瓷电容损伤的主要原因应是应力损坏。

 2.3 应力测试 

经过外观检查及进一步的切片实验,陶瓷电容 失效的原因是由于机械应力造成,但是单板从生产 组装到加电使用,需要经历ICT测试、手工分板、装 配和周转/运输等众多工序,这些都可能是应力失效 的来源,那么在这些环节中到底是哪个环节造成陶 瓷电容遭受了最大机械应力呢? 

依据IPC/JEDEC-9704《印制线路板应变仪测试指南》,在指定位置定量地测量被测物体单点变 形量。通过应变片随形变大小而产生不同阻值的特 性,再通过阻值与形变大小特定的转换关系,在一 定时间内,以一定的频率采集形变数据,这些数据 连在一起,就得到应变随时间变化的关系曲线,如图14所示。这可以测量PCB变形引入的应变,可定量检测某一个动作下待测量对象的受力情况。

对该单板故障位置区域在上述几个主要的生产 过程进行应力测试,如图15所示,ICT工序中测试 治具的吸合/打开过程中,压力传递到PCB面,引起 PCB变形,引入机械应力,应变测量最大应变量为 501×10-6。

手工分板受人工手持位置的不可控影响,分 板时会造成PCB变形,应变达到655×10-6,有较 大风险,如图16所示。将手工分板变更为机器铣刀 分板,如图17所示,陶瓷电容区域应变明显降低到 60×10-6,应力改善显著。因此上述故障单板的改善 举措为将手工分板工艺变更为机器铣刀分板。

 2.4 手工分板的应力影响实验 

完成对各工序应力的测量实验,发现手工分板 工序是单板组装中应力引入最大的一个环节,因此应将手工分板工艺更换为铣刀分板工艺。但是,是否所有封装的陶瓷电容,从较大外形的1206、0805到0603及更小的0402封装,在布局到拼板边附近时都需要采用铣刀分板来规避应力风险吗?为了进一步验证陶瓷电容在不同封装下、距离拼板边不同距离时(5 mm、4 mm、 mm、1 mm)的应力影响,我们专门设计了陶瓷电容分板应力实验板,如图18所示,实验板采用四拼板,V-CUT拼板连接。0402、0603、0805、1206四种规格陶瓷电容,按垂直、平行两个方向布放在V刻槽两边,拼板的子板上5个陶瓷电容一组,共5组,每组焊盘距离分离边依次是:1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。

实验采用正常SMT生产流程制作实验板,用手工掰板方法分开拼板,采用放大显微镜观察陶瓷电容电极焊端区域是否有裂纹,判断电容是否损伤,并切片分析。

根据放大镜观察及切片分析,对不同封装陶瓷电容距离分板边不同距离下的失效率汇总结果如图19所示。

从手工分板后不同距离、不同封装大小陶瓷电容的电容失效统计曲线可以看出:

1) 1206封装陶瓷电容,离板边3~4 mm时,失效情况最大为55%,这与手工分板着力点位于实验板中间位置,且正好是实验板上陶瓷电容布放在3~4 mm的位置处有关。但是分析陶瓷电容失效数据,1206封装在5 mm距离布放区域,失效明显下降,因此对于1206这类较大外形封装的陶瓷电容,在拼板边布局时,尽可能布放在距离分板边5 mm以上区域。对于更大封装的1210、1805及以上封装,在这种高密度布局设计时,禁止使用手工分板,应选择机器铣刀分板。

2) 受实验板切片影响,本次数据中没有区分到1206、0805在垂直和水平布放方向上的差异,但结合陶瓷电容开裂的失效机理,在垂直方向上,陶瓷电容本体跨越PCB变形的区域大,因此垂直布放在拼板分离边方向上的陶瓷电容受应力损伤的几率要大于水平布放的。

3) 0603和0402封装的陶瓷电容,即使距离板边仅有1 mm,失效情况也基本为0,因此对于0603和0402,甚至更小的0201封装陶瓷电容,受应力而损伤的概率较小。

3 减少陶瓷电容应力损伤的改善建议

综合上述的陶瓷电容常见失效模式及典型案例的分析验证,为减少单板组装中陶瓷电容的应力损伤,提出以下建议。

3.1 陶瓷电容物料选型要求

1)1210及以上封装更容易受应力影响,可优选柔性端子陶瓷电容,当需要承受更高应力时,优选金属支架电容,其次选用柔性端子电容;

2)常规产品建议优先选用X7R材质,不建议在可靠性要求等级比较高的产品上选用Y5V、X5R材质陶瓷电容。

3.2 陶瓷电容布局要求

1)陶瓷电容应远离发热量较大的器件布放,如功率器件;

2)元件布局时,应将陶瓷电容本体的长度方向垂直于PCB在装焊或使用过程中会发生弯曲方向布放,如图20所示;

3)陶瓷电容器容易受机械应力而损坏,一般而言,应尽量远离邮票孔、V-CUT槽拼板分离边布局;

4)单板厚度在1.0 mm以下及厚度超过2.4 mm,优先推荐铣刀分板工艺,不建议用V-CUT拼板方式;

5)1206封装及以上陶瓷电容距离V-CUT拼板分离边至少5 mm以上;

6)高密度设计时,距离拼板分离边可小至1.0 mm,但必须是连接拼板方式,并使用铣刀机器分板;

7)掩膜选择焊接波峰焊焊盘与治具保护的陶瓷电容器焊盘之间的距离至少5.0 mm以上。

3.3 陶瓷电容组装生产要求

1)1210及以上尺寸的陶瓷电容,不建议采用波峰焊焊接;

2)SMT、波峰焊和返修等作业时,严禁单手拿板,必须双手均衡取放;

3)打螺钉等装配作业,严禁将PCB悬空螺装作业;

4)1210及以上封装陶瓷电容返修时严禁用电烙铁返修,必须采用热风枪加热返修。

4 结束语

在电子产品组装的焊接、拼板分板、打螺钉、周转/搬运及功能测试等环节,多层陶瓷电容容易因热和机械应力而损伤。但是通过优化物料选型、单板布局和组装过程可以减少陶瓷电容的应力损伤。


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