片式陶瓷電容采用陶瓷材料作為絕緣介質(zhì)，其內(nèi)部由多個電容錯位疊壓而成，簡稱MLCC。MLCC具有體積小、單位體積電容量大、受溫度等環(huán)境因素對性能影響小等優(yōu)點，在軍用通訊、雷達、炮彈引信、航空、航天和武器系統(tǒng)等領域被廣泛應用[1]。為了適應集成電路和表面貼裝技術的發(fā)展，MLCC朝著高容量和小型化的方向發(fā)展，力求使多層陶瓷電容器疊層層數(shù)多、介質(zhì)層厚度薄[2]。但隨著MLCC變得越來越小(薄)，MLCC裝配的難度加大且易出現(xiàn)失效問題。本文作者結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀，對裝焊過程中出現(xiàn)的MLCC失效問題進行歸納總結(jié)，從優(yōu)化生產(chǎn)工藝和設計改進著手，最終實現(xiàn)MLCC的高可靠性裝焊。
1 MLCC失效類型
MLCC可靠性高，可長時間穩(wěn)定使用，但是如果元件存在來料缺陷或者在裝焊過程中產(chǎn)生缺陷，則會對其可靠性產(chǎn)生影響。元件的來料缺陷，包含MLCC燒結(jié)過程中產(chǎn)生的空洞、燒結(jié)裂紋和分層等缺陷；元件的引入缺陷主要包括裝焊過程中的各種應力損傷[3]。
本文著重討論裝焊MLCC過程中引入缺陷產(chǎn)生的原因。引入缺陷造成的微裂紋往往很難從外觀上進行分辨，隨著溫度變化或者在組裝過程、試驗階段才會徹底暴露出來。對于引入性缺陷采取破壞性物理分析（DPA，Destructive Physical Analysis）是一種有效手段。通過對電容器的剖面進行金相物理檢查，檢查元件內(nèi)部分層、空洞和裂紋等缺陷，可有效地對元件失效模式進行判斷，預防設計與工藝相關的缺陷，最終達到保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的目的。
根據(jù)國內(nèi)某實驗室歸納總結(jié)，以DPA分析最終結(jié)論進行統(tǒng)計，MLCC在裝焊過程中常見的失效類型比例如圖1所示。
圖1
1.1 板彎失效
板彎失效，又稱45°失效。金相切片如圖2所示，一般會在瓷體和金屬電極的交接點斜向上呈現(xiàn)一條近似45°的裂紋線。經(jīng)過溫度沖擊、振動試驗后，電流集中在裂紋位置并使之逐漸發(fā)熱升溫，溫度過高將導致內(nèi)部電極熔化及瓷體向外膨脹，最終發(fā)生爆裂。
圖2
板彎失效形成的原因主要是裝配過程中印制板受外力彎曲或焊接后印制板、MLCC電極端、陶瓷介質(zhì)三者的熱膨脹系數(shù)不同，最終使兩焊接端產(chǎn)生相反方向的機械應力，如圖3所示。應力集中在電容最弱的位置,一般在瓷體和金屬電極的交接點，最終產(chǎn)生裂縫。
圖3
在生產(chǎn)裝配過程中，板彎失效多發(fā)生在拼板分割、印制板焊接后和機械安裝等環(huán)節(jié)。
1.2 熱沖擊失效
焊接MLCC時，由于MLCC內(nèi)外陶瓷的膨脹幅度不一樣，易從焊接端頭開始形成帶有弧形的裂痕。圖4為MLCC熱沖擊失效外觀圖。圖5為熱沖擊失效DPA圖。
圖4
圖5
熱沖擊失效形成的主要原因是溫度曲線缺陷、焊接過程或焊接后溫度跳躍變化、未充分考慮元件的溫度特性而選用不適合的工藝方法等造成。
在生產(chǎn)裝配過程中，熱沖擊失效多發(fā)生在波峰焊、補焊和手工焊等環(huán)節(jié)。
1.3 機械損傷失效
MLCC由多個電容錯位疊壓而成。陶瓷材料本身脆弱的特性，多層疊加后，受外力作用易斷開而導致電容失效。
在生產(chǎn)裝配過程中，由機械損傷引發(fā)的失效多發(fā)生在元件周轉(zhuǎn)、表面貼裝、手工焊接和印制板清洗等環(huán)節(jié)。
1)元件周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)：元件磕碰、跌落，可造成開裂，如圖6所示。
2)表面貼裝環(huán)節(jié)：吸嘴下行設置高度誤差，板面布局較集中無法使用支撐柱或未使用支撐柱，可造成開裂，如圖7所示。
3)手工焊接環(huán)節(jié)：焊接過程烙鐵頭或防靜電鑷子按壓元件本體，元件兩端頭焊錫量過多或不均勻，可造成開裂，如圖8所示。
4)印制板清洗環(huán)節(jié)：手工清洗用力過大、清洗方法錯誤或清洗刷頭過硬，可造成開裂。若元件在前工序已造成了內(nèi)部裂紋存在，則MLCC在清洗工序中可能造成電極和陶瓷本體脫落的現(xiàn)象，如圖9所示。
圖6
圖7
圖8
圖9
1.4 過壓過流失效
施加在元器件上的激勵穩(wěn)定性是保證元器件正常工作的重要條件，而當外界電壓或電流超過元器件的最大技術條件時，元器件的性能會減弱甚至損壞，這種傷害俗稱過度電性應力，簡稱EOS。從DPA分析圖可以看出，遭受過度電性應力傷害的MLCC，其裂紋從內(nèi)部開始呈爆炸狀分散，如圖10所示。
圖10
除產(chǎn)品電路系統(tǒng)未設計限壓、限流保護方案因素外，在生產(chǎn)裝配過程中，造成元件過應力傷害最有可能的原因就是靜電傷害，因此靜電防護應貫穿于產(chǎn)品的整個裝焊過程。
1.5 其他類型失效
元器件的保管與存放是容易忽視的環(huán)節(jié)。如濕敏器件在存放過程中，空氣中的濕氣通過擴散進入器件內(nèi)部，而在回流焊過程中器件暴露于200 ℃的溫度下，快速的濕氣膨脹，材料的不匹配以及材料界面的劣化等因素的共同作用，會導致器件內(nèi)部的開裂或分層。另外存儲環(huán)境不匹配或者超保質(zhì)期元件氧化造成可焊性差等因素都是元件失效原因之一。圖11為MLCC焊接端頭因為可焊性差造成的焊點空洞缺陷。
圖11
2 改進與要求
2.1 設計與結(jié)構改進
針對板彎失效模式，應首先從結(jié)構設計布局上進行優(yōu)化，充分考慮MLCC的尺寸、容量和電壓特性。同等材質(zhì)、尺寸和電壓值的MLCC，容值越高，介質(zhì)層數(shù)就越多，每層就越薄。同等材質(zhì)、容量和耐壓值的MLCC，尺寸越小，每層就越薄。介質(zhì)越薄越容易斷裂。因此，布局時要充分考慮印制板的變形方向與MLCC的安裝方向以及元件的特性、板面尺寸。拼板分割時，分割線邊緣處所受的機械應力最大，如圖12所示。在EDA板面布局時，元件位置應盡量遠離分割線且選擇平行于分割線布置，可減少所受應力。通孔元器件布局和鉚接接線柱的焊盤孔應與MLCC布局留有安全距離。PCB安裝時，板上連接器附近加裝濾波電容，進行連接器插拔時，若連接器周圍沒有板面支撐設計，PCB產(chǎn)生翹曲變形也可導致附近的元器件產(chǎn)生裂紋，因此可考慮在連接器周圍增加安裝孔或墊柱設計，以減少插拔過程中印制板的變形。其次，從工藝設計流程上進行優(yōu)化。通過制作托盤工裝，將絲網(wǎng)印刷→表面貼裝→回流焊接→裁板這種工藝流程改為表貼噴印→表面貼裝→回流焊接工藝流程，以托盤工裝為載體連接各小板，可省去拼板后再裁板的工步。圖13為某產(chǎn)品使用托盤工裝后的效果圖。
圖12
圖13
若板面布局受結(jié)構因素影響無法更改，可適當考慮降檔選擇引線封裝的電容或者采用開路式設計的電容或帶有支架的電容進行替代。
2.2 工藝改進
工藝方法應多考慮MLCC的溫度特性和尺寸，避免熱應力造成的缺陷。1210以上的大尺寸MLCC，在選擇焊接工藝時，不宜采用波峰焊接，因為大尺寸的電容導熱設計不如小尺寸，容易造成電容受熱不均勻，從而產(chǎn)生破壞性應力。而一旦焊接方法確定為波峰焊接或回流焊接時，應注意焊接設備的溫度曲線設置，溫度曲線應由授權的工藝技術人員負責設定、驗證、修改和發(fā)布。參數(shù)設置中溫度跳躍不能大于150 ℃，溫度變化不能大于2 ℃/s，預熱時間應大于2 min以上，焊接完畢不能采取輔助降溫設備，應自然隨爐溫冷卻。典型有鉛MLCC波峰焊接曲線如圖14所示。典型有鉛MLCC回流焊曲線如圖15所示。
圖14
圖15
手工焊接前，應增加焊接前的預熱工序，根據(jù)尺寸不同，預熱時間也有所不同，見表1。預熱時ESD鑷子和MLCC應同時放置在加熱臺上，可以避免鑷子接觸MLCC時產(chǎn)生溫度變化。同時為避免元件的過熱損傷，應逐個預熱，逐個焊接。焊接時，焊料高度應有所控制，因為焊錫冷卻后產(chǎn)生收縮力，若元件電極兩端焊料高度不一致則產(chǎn)生大小不等的收縮力，后期環(huán)節(jié)外力作用于MLCC本體易造成電極拉脫現(xiàn)象。因此，手工焊接時，電極兩端的焊料高度宜控制在電容本體高度的1/3～2/3位置為宜，如圖16所示。手工焊接全過程，禁止烙鐵頭直接接觸電容電極或本體。若在工藝文件規(guī)定時間內(nèi)未焊好，應等焊點冷卻后再復焊，復焊次數(shù)不得超過2次。
2.3 產(chǎn)品防護及其他要求
由于陶瓷介質(zhì)的脆性，任何環(huán)節(jié)所受的機械外力都有可能對MLCC造成潛在的失效隱患。因此，全程的防護思想應該深入產(chǎn)品的全流程環(huán)節(jié)，在以下可能對MLCC產(chǎn)生失效的環(huán)節(jié)應做到“六應該，六禁止”。
1)存儲環(huán)節(jié)，MLCC的存儲溫度范圍應控制在-10～30℃，相對濕度小于70%RH。周圍不能有氯、硫磺之類的腐蝕性物質(zhì)存在。超期使用的元件應檢測元件的可焊性后方能使用。嚴禁破壞電容的原包裝存儲或可焊性測試不合格元件的裝焊。
2)周轉(zhuǎn)配送環(huán)節(jié)，元件應裝入專用料帶中周轉(zhuǎn)和配送，嚴禁裸放或多料周轉(zhuǎn)。
3)貼裝環(huán)節(jié)，吸嘴的下行高度應設置準確，元件更換或布局調(diào)整后應及時對參數(shù)進行調(diào)整，基板的支撐桿應均勻放置于貼裝電容的附近，嚴禁無支撐或支撐分布不均衡現(xiàn)象存在。
4)焊接環(huán)節(jié)，元件應輕拿輕放，預熱焊接，嚴禁按壓元件本體，焊接溫度和次數(shù)應在工藝文件允許的范圍內(nèi)進行。
5)清洗環(huán)節(jié)，動作應輕柔，嚴禁垂直于元件方向進行手工清洗，且慎用或禁用超聲清洗工藝。
6)測試環(huán)節(jié)，應合理優(yōu)化測試方案，周期性通斷和環(huán)境溫度的周期性變化，PCB、陶瓷、電極三者的熱膨脹失配可引起元件產(chǎn)生裂紋。測試電路中無限壓、限流保護設計，可引起元件過壓、過流失效。
以上任意環(huán)節(jié)中，有可能造成MLCC瓷體破損或微裂紋的動作或不確定的判斷，都應對元件進行更換，以免增加后期故障排除難度。
3 結(jié)論
MLCC屬于新型電子元件，是電子信息產(chǎn)品不可或缺的基本元件之一。MLCC的裝焊質(zhì)量控制尤為重要。產(chǎn)品的可靠性不僅是設計出來的，也是生產(chǎn)出來的。檢驗只能驗證產(chǎn)品的可靠性，不能提高產(chǎn)品的可靠性。從設計改進、工藝方法和裝焊過程三方面進行管控及優(yōu)化，才能最終實現(xiàn)MLCC的高可靠性裝焊。
參考文獻：
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（end）
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