一文讀懂 MLCC 電應(yīng)力擊穿，硬件工程師必備知識(shí)

在電子設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)中，多層陶瓷電容器（MLCC）是極為常見且關(guān)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(shì)，廣泛應(yīng)用于各類電路。然而，MLCC 在工作過程中可能會(huì)遭遇電應(yīng)力擊穿問題，這不僅影響設(shè)備的性能，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的失效。對(duì)于硬件工程師而言，深入了解 MLCC 電應(yīng)力擊穿機(jī)理，掌握失效分析方法和可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)，是確保電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

一、陶瓷電容的基本結(jié)構(gòu)

片式多層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分:陶瓷介質(zhì)，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(zhì)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(zhì)內(nèi)不與另一側(cè)外電極相連；每?jī)蓚€(gè)相鄰的金屬內(nèi)電極與其中間的陶瓷介質(zhì)一起，構(gòu)成了多個(gè)并聯(lián)平板電容器。

這種巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別適宜于連續(xù)的自動(dòng)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(jié)構(gòu)，造成了在 MLCC 內(nèi)部的邊緣電 場(chǎng)發(fā)生畸變，同時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物切片圖如下圖所示。

二、MLCC 電應(yīng)力擊穿的基本概念

電介質(zhì)與擊穿現(xiàn)象

MLCC 的核心部分是電介質(zhì)，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(chǔ)存電荷。但當(dāng)施加在 MLCC 兩端的電壓超過其額定值，達(dá)到一定程度時(shí)，電介質(zhì)的絕緣性能會(huì)被破壞，電流急劇增大，這種現(xiàn)象就是電應(yīng)力擊穿。

對(duì) MLCC 來說，電應(yīng)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(yīng)力擊穿等，電應(yīng)力擊穿一般發(fā)生在介質(zhì)層很薄、大容量的 MLCC 中，擊穿機(jī)理同電壓擊穿。本次失效模式為電壓擊穿，對(duì)電壓擊穿機(jī)理詳細(xì)展開進(jìn)行分析：電容器在電場(chǎng)作用下，瞬時(shí)發(fā)生的擊穿為電壓擊穿。其機(jī)理是電容器介質(zhì)中的自由電子 在強(qiáng)電場(chǎng)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(jìn)行,形成雪崩式的電子流，導(dǎo)致介質(zhì)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(shí)間和環(huán)境溫度無關(guān)，主要取決于介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，也和介質(zhì)厚度、 電極面積等因素有關(guān)。

對(duì)于 MLCC 來說，發(fā)生電擊穿除了與上述提到的因素有關(guān)外，還與其內(nèi)部電極的邊緣電場(chǎng)畸變有更為直接的關(guān)系。在 MLCC 的內(nèi)部，電場(chǎng)分布情況見下左圖所示。在 A、B兩點(diǎn)的左側(cè)，鄰近的兩個(gè)金屬電極平行相對(duì)，是典型的平板電容器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分布著均勻電場(chǎng) E1；在 A、B 兩點(diǎn)的右側(cè)，上面一層是短電極，金屬電極層在 A 點(diǎn)被陶瓷介質(zhì)阻斷，與相鄰?fù)怆姌O CD 不相連，下面一層金屬長(zhǎng)電極與外電極在 C 點(diǎn)緊密連接，這種長(zhǎng)短不齊的結(jié)構(gòu)造成了 電場(chǎng)畸變，使之在 ABCD 區(qū)域內(nèi)為非均勻電場(chǎng)。在陶瓷介質(zhì)中取兩個(gè)柱形高斯閉合面，詳見下圖。

假設(shè)在 MLCC 內(nèi)部陶瓷介質(zhì)均勻、介質(zhì)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(jié)論：對(duì) MLCC 施加高電壓，如果超過了其所承受的能力， MLCC 會(huì)發(fā)生電壓擊穿。由于 MLCC 內(nèi)部存在畸變電場(chǎng)，則 A 點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)最高，擊穿易發(fā)生 在 AB 兩點(diǎn)附近。電壓擊穿的發(fā)生與施加電壓的時(shí)間和環(huán)境溫度無關(guān)，但長(zhǎng)時(shí)間施加高電壓 會(huì)介質(zhì)性能退化，導(dǎo)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(zhì) 厚度偏下限會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)變窄，則也會(huì)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(huì)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(jìn)一步分析提供線索。

電氣性能測(cè)試

使用專業(yè)的測(cè)試設(shè)備，如 LCR 測(cè)試儀，測(cè)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(duì)比，判斷其失效程度和類型。

解剖分析

將擊穿的 MLCC 進(jìn)行解剖，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。可以使用聚焦離子束（FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）等設(shè)備，分析電介質(zhì)層、電極等部位的微觀結(jié)構(gòu)變化，確定擊穿的起始位置和原因。

MLCC可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)，使 MLCC 的實(shí)際工作電壓遠(yuǎn)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(yīng)力擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性。

優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)

確保 MLCC 在工作過程中有良好的散熱條件，降低其工作溫度?？梢酝ㄟ^合理布局電路板、增加散熱片等方式實(shí)現(xiàn)。

避免電壓沖擊

在電路啟動(dòng)、關(guān)閉或發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)，可能會(huì)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(duì) MLCC 的影響。

MLCC 電應(yīng)力擊穿是硬件工程師在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中必須重視的問題。通過深入了解擊穿機(jī)理，掌握有效的失效分析方法和可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可以提高電子設(shè)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(shè)計(jì)中，不斷探索和應(yīng)用新的技術(shù)和方法，將有助于進(jìn)一步提升 MLCC 的性能和可靠性。