一文讀懂 MLCC 電應力擊穿,硬件工程師必備知識
在電子設備的硬件設計中,多層陶瓷電容器(MLCC)是極為常見且關鍵的電子元件。它以其體積小、容量大、等效串聯(lián)電阻低等優(yōu)勢,廣泛應用于各類電路。然而,MLCC 在工作過程中可能會遭遇電應力擊穿問題,這不僅影響設備的性能,還可能導致嚴重的失效。對于硬件工程師而言,深入了解 MLCC 電應力擊穿機理,掌握失效分析方法和可靠性設計要點,是確保電子設備穩(wěn)定運行的關鍵。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202502/466744.htm一、陶瓷電容的基本結構
片式多層陶瓷電容器的結構主要包括三大部分:陶瓷介質,金屬內(nèi)電極,金屬外電極。在 其內(nèi)部,金屬電極層與陶瓷介質層交替堆疊;金屬內(nèi)電極一端與外電極相連的話,則另一端 必定被埋在陶瓷介質內(nèi)不與另一側外電極相連;每兩個相鄰的金屬內(nèi)電極與其中間的陶瓷介質一起,構成了多個并聯(lián)平板電容器。
這種巧妙的結構設計特別適宜于連續(xù)的自動化生產(chǎn),并能夠顯著提高單位體積的電容量。但也正是由于這種結構,造成了在 MLCC 內(nèi)部的邊緣電 場發(fā)生畸變,同時也使內(nèi)部的金屬電極之間電流分布不均勻。
如果在 MLCC 內(nèi)部無材料和加 工方面的缺陷,則 MLCC 的擊穿容易發(fā)生在這些部位上,造成 MLCC 的失效。片式多層陶瓷電容器原理圖、結構示意圖和實物切片圖如下圖所示。
二、MLCC 電應力擊穿的基本概念
電介質與擊穿現(xiàn)象
MLCC 的核心部分是電介質,它在正常工作電壓下起到隔離電荷的作用,使電容器能夠儲存電荷。但當施加在 MLCC 兩端的電壓超過其額定值,達到一定程度時,電介質的絕緣性能會被破壞,電流急劇增大,這種現(xiàn)象就是電應力擊穿。
對 MLCC 來說,電應力擊穿主要有兩種擊穿失效模式:一種是電壓擊穿,或者稱為電擊穿;另一種 是電流擊穿,屬于熱擊穿。
這兩種擊穿規(guī)律不同,物理過程也不同,存在著較大的差異。另外還有一些其他類型的擊穿,如電應力擊穿等,電應力擊穿一般發(fā)生在介質層很薄、大容量的 MLCC 中,擊穿機理同電壓擊穿。本次失效模式為電壓擊穿,對電壓擊穿機理詳細展開進行分析:電容器在電場作用下,瞬時發(fā)生的擊穿為電壓擊穿。其機理是電容器介質中的自由電子 在強電場作用下,碰撞中性分子,使之電離產(chǎn)生正離子和新的自由電子,這種電離過程的急 劇進行,形成雪崩式的電子流,導致介質擊穿。這類擊穿通常發(fā)生在環(huán)境溫度不高的情況下, 擊穿的發(fā)生與施加電壓的時間和環(huán)境溫度無關,主要取決于介質的微觀結構,也和介質厚度、 電極面積等因素有關。
對于 MLCC 來說,發(fā)生電擊穿除了與上述提到的因素有關外,還與其內(nèi)部電極的邊緣電場畸變有更為直接的關系。在 MLCC 的內(nèi)部,電場分布情況見下左圖所示。在 A、B兩點的左側,鄰近的兩個金屬電極平行相對,是典型的平板電容器結構,內(nèi)部分布著均勻電場 E1;在 A、B 兩點的右側,上面一層是短電極,金屬電極層在 A 點被陶瓷介質阻斷,與相鄰外電極 CD 不相連,下面一層金屬長電極與外電極在 C 點緊密連接,這種長短不齊的結構造成了 電場畸變,使之在 ABCD 區(qū)域內(nèi)為非均勻電場。在陶瓷介質中取兩個柱形高斯閉合面,詳見下圖。
假設在 MLCC 內(nèi)部陶瓷介質均勻、介質層無任何缺陷,電極層完整、厚薄一致和層疊 整齊的情況下,可以得出以下結論:對 MLCC 施加高電壓,如果超過了其所承受的能力, MLCC 會發(fā)生電壓擊穿。由于 MLCC 內(nèi)部存在畸變電場,則 A 點的場強最高,擊穿易發(fā)生 在 AB 兩點附近。電壓擊穿的發(fā)生與施加電壓的時間和環(huán)境溫度無關,但長時間施加高電壓 會介質性能退化,導致?lián)舸┑陌l(fā)生。由于 MLCC 生產(chǎn)工藝多,在流延、印刷、疊層和層壓均有可能引入缺陷,如流延介質 厚度偏下限會導致介質變窄,則也會出現(xiàn)在其他位置發(fā)生電壓擊穿的情況,詳見下圖。
失效分析方法
外觀檢查
通過顯微鏡等工具觀察擊穿的 MLCC 外觀,可能會發(fā)現(xiàn)表面有燒焦、開裂、鼓包等異?,F(xiàn)象。這些外觀特征可以為進一步分析提供線索。
電氣性能測試
使用專業(yè)的測試設備,如 LCR 測試儀,測量擊穿后的 MLCC 的電容、損耗角正切、絕緣電阻等參數(shù)。與正常元件的參數(shù)對比,判斷其失效程度和類型。
解剖分析
將擊穿的 MLCC 進行解剖,觀察內(nèi)部結構。可以使用聚焦離子束(FIB)、掃描電子顯微鏡(SEM)等設備,分析電介質層、電極等部位的微觀結構變化,確定擊穿的起始位置和原因。
MLCC可靠性設計要點
合理選擇元件參數(shù)
根據(jù)電路的工作電壓、電流、頻率等要求,選擇合適額定電壓、電容值、溫度特性的 MLCC。避免在接近或超過其額定參數(shù)的條件下使用。
降額設計
在設計時,使 MLCC 的實際工作電壓遠低于其額定電壓,一般建議降額 50% 以上。這樣可以有效降低電應力擊穿的風險,提高可靠性。
優(yōu)化散熱設計
確保 MLCC 在工作過程中有良好的散熱條件,降低其工作溫度。可以通過合理布局電路板、增加散熱片等方式實現(xiàn)。
避免電壓沖擊
在電路啟動、關閉或發(fā)生瞬態(tài)變化時,可能會產(chǎn)生電壓沖擊。通過添加緩沖電路、濾波電路等措施,減少電壓沖擊對 MLCC 的影響。
MLCC 電應力擊穿是硬件工程師在設計和應用中必須重視的問題。通過深入了解擊穿機理,掌握有效的失效分析方法和可靠性設計要點,可以提高電子設備的穩(wěn)定性和可靠性,減少因元件失效帶來的損失。在未來的硬件設計中,不斷探索和應用新的技術和方法,將有助于進一步提升 MLCC 的性能和可靠性。
評論