多層陶瓷電容的失效模式與失效機(jī)理

多層陶瓷電容（MLCC，Multi-Layer Ceramic Capacitor）是一種廣泛使用的電子元件，特別是在高頻和高溫環(huán)境中。它們的失效模式與失效機(jī)理可以分為以下幾種：

失效模式

1. 短路失效：

• 在電壓過高、溫度過高或機(jī)械應(yīng)力下，電容內(nèi)部的陶瓷層可能會發(fā)生破裂，從而導(dǎo)致短路。

• 開路失效：

• 陶瓷材料的裂紋或剝離可能導(dǎo)致電容失效，特別是在溫度循環(huán)或濕度環(huán)境下，可能會導(dǎo)致絕緣層失效，形成開路。

• 電容值漂移：

• 由于外部環(huán)境（如溫度、濕度、施加電壓等）變化，電容的電容量可能會發(fā)生明顯漂移，影響電路性能。

• 溫度過升：

• 過大的渦流或自身發(fā)熱可能導(dǎo)致電容溫度升高，甚至燒毀。

  
  

失效機(jī)理

1. 材料疲勞：

• 多層陶瓷電容在長期使用中會受到溫度、濕度和機(jī)械應(yīng)力的影響，導(dǎo)致陶瓷材料逐漸疲勞，出現(xiàn)微裂紋，最終導(dǎo)致失效。

• 電場應(yīng)力：

• 在施加高電壓的情況下，電容內(nèi)部分子會受到極化和應(yīng)力，可能導(dǎo)致絕緣層失效或短路。陶瓷電容也同樣會因?yàn)殡姂?yīng)力過大導(dǎo)致失效，如超規(guī)格使用或MLCC本身耐電壓不足。MLCC的電應(yīng)力失效一般表現(xiàn)為短路。失效為過電應(yīng)力導(dǎo)致電極熔融。

  
  

  

  
  

• 溫度應(yīng)力 等環(huán)境因素：

• 濕度、溫度和污染物會影響陶瓷電容的性能，尤其是在高濕度環(huán)境中，可能導(dǎo)致電容內(nèi)部吸濕，從而影響絕緣性。



熱應(yīng)力也會導(dǎo)致陶瓷熱脹冷縮裂開。






• 機(jī)械應(yīng)力：

• 在組裝或使用過程中，陶瓷電容可能受到機(jī)械應(yīng)力（如焊接過程中的應(yīng)力）影響，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)受損。

  
  

  

  
  

機(jī)械應(yīng)力：MLCC的特點(diǎn)是能夠承受較大的壓應(yīng)力，但陶瓷介質(zhì)層的脆性決定了其抗彎曲能力較差，因此在實(shí)際使用過程中由于PCB變形引起陶瓷體出現(xiàn)裂紋的情況很多。PCB板組裝過程任何可能的彎曲變形操作都可能導(dǎo)致MLCC開裂，常見應(yīng)力源有貼片過程中吸嘴產(chǎn)生的撞擊、單板分割、螺絲安裝等。該類裂紋一般起源于元件上下金屬化端，沿45°角向器件內(nèi)部擴(kuò)展。





此種失效的可能性很多，以下這些環(huán)節(jié)可能造成機(jī)械應(yīng)力失效。




①貼裝應(yīng)力，主要是由于真空拾放頭或?qū)χ袏A具引起的損傷。




②上電擴(kuò)展的裂紋，貼裝時(shí)表面產(chǎn)生了缺陷，后經(jīng)多次通電擴(kuò)展的微裂紋。




③翹曲裂紋，在印制板裁剪、測試、元器件安裝、插頭座安裝、印制版焊接、產(chǎn)品最終組裝時(shí)引起的彎曲或焊接后有翹曲的印制板主要是印制板的翹曲。




④印制板剪裁，手工分開拼接印制板、剪刀剪切、滾動(dòng)刀片剪切、沖壓或沖模剪切、組合鋸切割和水力噴射切割都有可能導(dǎo)致印制板彎曲




⑤焊接后變形的PCB，過度的基材彎曲和元器件的應(yīng)力。




⑥PCB在安裝的過程中，受到應(yīng)力有可能導(dǎo)致MLCC受力。例如，電路板螺絲固定時(shí)，多個(gè)固定點(diǎn)應(yīng)力分布不均引起板變形致使電容器開裂；PCB分板應(yīng)力、板級測試單手持板、元器件安裝、插頭座安裝、印制版焊接、產(chǎn)品最終組裝時(shí)引起的彎曲或焊接后有翹曲機(jī)械應(yīng)力。

預(yù)防措施

1. 選擇合適的電容：

• 根據(jù)電路需求選擇合適規(guī)格的電容，確保其額定電壓和工作溫度范圍適合使用環(huán)境。

• 設(shè)計(jì)考慮：

• 在電路設(shè)計(jì)中考慮電容的布局，避免機(jī)械應(yīng)力集中，并采取適當(dāng)?shù)姆庋b設(shè)計(jì)以降低環(huán)境影響。

• 測試與質(zhì)量控制：

• 進(jìn)行可靠性測試，如溫度循環(huán)、濕度測試等，以確保電容在實(shí)際使用條件下的穩(wěn)定性。

• 避免超負(fù)荷使用：

• 避免在電容額定值范圍外工作，尤其是在電壓和溫度上要嚴(yán)格控制。

了解多層陶瓷電容的失效模式與機(jī)理，可以幫助設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)采取有效措施，確保電路的可靠性和穩(wěn)定性。

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