貼片電容斷裂原因分析

貼片電容斷裂原理分析

SMT 技術使用的貼片電容若產生裂紋，會影響產品的可靠性以及最終產出成品的不良率，主要不良表現為接觸不良、容值變化、漏電等。用戶通常將這些歸結為元件本身質量的問題，而事實上，裂紋的產生除少部分為產品本身缺陷，還有其他許多因素影響。

除開產品本身的問題，主要存在以下兩個大方面導致產品開裂：熱沖擊（Thermal Shock）和機械應力沖擊（Mechanical Shock）

熱沖擊：

熱沖擊開裂約占開裂現象中比例約 25%~35%。造成熱沖擊開裂的主要機理為：熱沖擊開裂是一種機械性損壞，他是由于機械結構不能在短時間內，消除或釋放因溫度急劇變化而造成的機械應力，當局部應力超過機械體的強度時，裂紋便出現了。這種機械應力與熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導率(thermal conductivity, δT)以及溫度變化率（ΔT）有關。貼片電容的結構采用陶瓷介質和金屬電極多層交錯的主體結構、以及帶有做導電用途的金屬端電極，由于金屬與陶瓷體的熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導率(thermal conductivity, δT)相差較大（見表1），造成貼片電容易受到熱沖擊的影響，如圖1 和圖2 所示。

下表為風華電容中金屬與陶瓷體的熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導率(thermal conductivity, δT)：

表1

由以上數據可以看出，在溫度急劇變化時，陶瓷體與金屬電極的膨脹或收縮差距較大，直接導致產品內部應力急劇增大，當超出產品機械強度時導致產品開裂，外在表現通常為U 形或指甲形裂紋。熱沖擊裂紋通常從結構最弱或者是機械應力最集中的位置開始，一般是陶瓷體與外金屬

電極的結合處。機械應力最大的位置一般為貼片電容的棱角部位。

圖 3：熱沖擊裂紋外觀

基于以上原因，貼片電容 的焊接工藝及其重要。焊接工藝的選擇必須滿足盡可能降低金屬與陶瓷體的機械內應力。焊接工藝的主要因素為：預熱溫度時間、溫度變化率、焊接最高溫以及時間。針對這3 個因素，我們推薦使用回流焊接方式，不推薦使用波峰焊接和手工焊接方式。

手工焊接缺點：3 個影響因素均不可控；

波峰焊接缺點：由于采用液態金屬焊接，他具有最高的熱傳導率和溫度變化率；

 回流焊接可以通過控制溫度曲線來控制以上 3 個因素，使產品最大可能的避免熱沖擊開裂。我們推薦的紅外焊接曲線如下：

圖4：SnPb 焊料推薦焊接曲線

另外，很多用戶都忽略的一點就是清洗。清洗必須冷卻到60℃以下才能進行，否則也可能造成產品在清洗過程中由于冷卻過快造成產品內部裂紋。

這種熱沖擊開裂裂紋在應力集中位置或者本體強度較弱位置出現后，裂紋會隨溫度變化或者后到工序的再加工而繼續蔓延擴張。在數星期內一個微小的裂紋可能擴張至整個期間，而導致開路、間歇性中斷或者漏電等情況。

機械沖擊裂紋：

在現今的生產制造環境中，SMT 機器是造成裂紋的的最大原因，他占裂紋不良比例的80%以上。除相當嚴重的受損外，由SMT 機器造成的破壞一般要到元件焊接后才能被發現，所以這些缺陷常被認為是熱沖擊造成的，使元件廠商在找尋對策時誤入歧途，而實際造成這些損壞的真兇是SMT 機器的真空拾取頭。

由真空拾取頭導致的破壞或裂紋，是比較顯而易件的（見圖8），他一般在陶瓷體表面形成一個圓形或半月性壓痕。

圖8 由真空拾取頭造成的裂紋

這種損壞是由于拾取頭 Z 軸壓力過大，超過陶瓷體的機械強度造成的。

另外，當進行電路板切割、測試、背面元件和連接器安裝以及最后組裝時，當進行電路板切割﹑測試﹑背面元件和連接器安裝﹑及最后組裝時，若焊錫組件在受到扭曲或拉壓過程，都可能造成Bending 裂紋。他與熱沖擊一樣，有獨特的癥狀。

他一般出現在焊接后，由于貼片電容的主體結構為陶瓷，他是一種脆性材料，當PCB 板彎曲造成陶瓷體所受的拉力或壓力超過陶瓷材料的強度后，在受力最大的部位就出現近似45℃角裂紋。

這種裂紋不但出現快，有時還可能聽到破裂聲，這種裂紋會按PCB 板扭曲的方向、程度以及元件位置等情況蔓延開來，以減低所受外力。

另外，焊接時兩端焊料的多少也有可能造成開裂。焊料較多，造成焊料冷卻收縮應力較大，同樣當超過陶瓷體的強度時便產生裂紋，見圖10。

至于元件本身的缺陷主要有 2 類：

1 為陶瓷材料的高孔隙形成漏電路徑導致失效。在成熟產品的生產中這類不良幾乎不會發生；

2 為燒結開裂，這種開裂的特點為裂紋與內電極平行。若DPA 發現如下圖所示裂紋即為燒結開裂導致。

結論：

SMT 技術的每一個過程都有可能對貼片電容造成損害，為了獲得較高的良品率，就必須識別這些潛伏的缺陷來源，并加以控制。關鍵是要關注元件的材料特性，量材使用，這樣才能最大可能的避免不良的發生。