多層陶瓷電容的失效模式與失效機理

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境中。它們的失效模式與失效機理可以分為以下幾種：

失效模式

1. 短路失效：

• 在電壓過高、溫度過高或機械應力下，電容內部的陶瓷層可能會發生破裂，從而導致短路。

• 開路失效：

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

• 電容值漂移：

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

• 溫度過升：

• 過大的渦流或自身發熱可能導致電容溫度升高，甚至燒毀。

  
  

失效機理

1. 材料疲勞：

• 多層陶瓷電容在長期使用中會受到溫度、濕度和機械應力的影響，導致陶瓷材料逐漸疲勞，出現微裂紋，最終導致失效。

• 電場應力：

• 在施加高電壓的情況下，電容內部分子會受到極化和應力，可能導致絕緣層失效或短路。陶瓷電容也同樣會因為電應力過大導致失效，如超規格使用或MLCC本身耐電壓不足。MLCC的電應力失效一般表現為短路。失效為過電應力導致電極熔融。

  
  

  

  
  

• 溫度應力 等環境因素：

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



熱應力也會導致陶瓷熱脹冷縮裂開。






• 機械應力：

• 在組裝或使用過程中，陶瓷電容可能受到機械應力（如焊接過程中的應力）影響，導致材料結構受損。

  
  

  

  
  

機械應力：MLCC的特點是能夠承受較大的壓應力，但陶瓷介質層的脆性決定了其抗彎曲能力較差，因此在實際使用過程中由于PCB變形引起陶瓷體出現裂紋的情況很多。PCB板組裝過程任何可能的彎曲變形操作都可能導致MLCC開裂，常見應力源有貼片過程中吸嘴產生的撞擊、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°角向器件內部擴展。





此種失效的可能性很多，以下這些環節可能造成機械應力失效。




①貼裝應力，主要是由于真空拾放頭或對中夾具引起的損傷。




②上電擴展的裂紋，貼裝時表面產生了缺陷，后經多次通電擴展的微裂紋。




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、產品最終組裝時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力。




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

預防措施

1. 選擇合適的電容：

• 根據電路需求選擇合適規格的電容，確保其額定電壓和工作溫度范圍適合使用環境。

• 設計考慮：

• 在電路設計中考慮電容的布局，避免機械應力集中，并采取適當的封裝設計以降低環境影響。

• 測試與質量控制：

• 進行可靠性測試，如溫度循環、濕度測試等，以確保電容在實際使用條件下的穩定性。

• 避免超負荷使用：

• 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格控制。

了解多層陶瓷電容的失效模式與機理，可以幫助設計工程師在設計電路時采取有效措施，確保電路的可靠性和穩定性。

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