PCBA大讲堂：MLCC多层陶瓷电容破裂的可能原因

一般的电容(capacitor)在发生微破裂(micro crack)的时候大多会产生开路的现象，并造成绝缘阻抗(IR, Insulation Resistance)升高的问移，可是多层陶瓷电容(MLCC)在使用者手上发生微破裂时，确常见其绝缘阻抗变小，产生漏电流(current leakage)的短路现象，归咎其原因可能是由于其层状的迭构在破裂时发生层与层之间短路的现象。

如果你对MLCC的结构还不是很清楚，建议你先参考前面已经发表过介绍多层陶瓷电容(MLCC)结构及制程的文章。

下面我们就来谈谈一般「多层陶瓷电容」发生微破裂的可能原因。

大致上可以将MLCC破裂原因分成下列三大方向： 

　热冲击破裂失效（Thermal shock）

　扭曲破裂失效（Extrinsic Defect, Overstress Failure）

　材料失效破裂（Intrinsic Defect）

热冲击(Thermal Shock)失效原理：

当零件周遭的温度升降太过急促时会形成热冲击现象，比如说在波峰焊(wave soldering)、迴流焊(reflow)、人工焊接(touch-up)、或修复(repair)时都会施加快速的高温。这是因为在多层陶瓷电容制造时，会使用多种不同的相容材料，这些材料会因为其不同的特性，而有不同的热膨胀系数及导热率，当这些不同的材料同时存在于电容的内部且温度急速变化时，就会形成不同比率的体积改变并互相推挤与拉扯，最后造成破裂的现象。

这种破裂往往从结构最脆弱的地方，或是结构应力最集中的地方发生，一般会发生在接近外露端接合中央陶瓷介面的地方，或是可以产生最大机械张力的地方（一般在晶体最坚硬的四个角落），而热冲击所造成的现象可能有下列几种：

1. 形状如指甲状或U型的裂纹。

2. 隐藏在电容内部的小裂纹。

3. 从裸露在外的中央部份或是中央陶瓷端与外露端接合介面处的下半部开始破裂，然后随着温度转变，或是于后面的组装进行中，顺着扭曲而蔓延开来。

第一种破裂形状如指甲或U字型的裂纹和第二种隐藏在内部的微裂纹，两者的区别只是后者所受到的张力较小，而导致的裂纹较轻微而已，第一种裂纹较明显，一般可以在金相中测出，而第二种只有当发展到一定程度后金相才可以检测出来。

（注：「金相」(metallographic)指的是金属在高倍显微镜下所呈现出来的结构影像）

扭曲破裂(overstress)的失效原理：

扭曲破裂通常是由于外力(extrinsic)所造成，这种情形一般发生在SMT或是整机产品的组装的过程中，其可能原因有下面几种：

1. 贴片机(pick & place machine)抓取零件不当造成破裂。当SMT贴片机进行取放零件时，其定中爪(centering jaw)因为磨损、对位不淮确、或倾斜等原因造成。定中爪集中起来的压力，会造成很大的压力或切断力，继而形成破裂点。这样的破裂现象一般为可见的表面裂缝，或2至3个电极间的内部破裂；表面破裂一般会沿着最强的压力线及陶瓷位移的方向。现在的新型SMT机器已经不在使用这种定中爪设计机构了。

2. 电容在贴装过程中，如果贴片机的吸嘴取零件或是摆放零件时压力过大，就有可能发生零件弯曲变形导致裂纹产生。这种破裂一般会在零件的表面形成一个圆形或是半月形的压痕，并且带有不圆滑的边缘。而这个半月形或圆形的裂缝直径也会跟吸嘴的大小相同。另一种因为拉力而造成的破裂，也可能由吸嘴头所造成的损坏，裂缝会由组件中央的一边延展到另一边，这些裂缝可能会蔓延到组件的另一面，其粗糙的裂痕可能会导致电容器的底部破损。

3. 对应的成对焊垫(land-pattern)布局(layout)时尺寸不均匀（包含一个焊垫接了大面积的铜箔,，另一个焊垫没有），或是印刷时锡膏不对称，也容易在经过回流焊炉(Reflow oven)时受到不同的热膨胀作用力，使单侧受到较大的拉力或推力而举起，以致造成裂纹。

4. 焊接过程的热冲击以及焊接后的基板弯曲变形，也容易导致裂纹产生。

4.1 电容在进行波峰焊时，预热温度、时间不足或焊接时温度过高，也容易导致裂纹产生。

4.2 在手工焊接(Touch-up)过程中，烙铁头(soldering iron)直接与电容本体接触，造成局部过热，或是施加压力过大，也容易导致裂纹产生。

4.3 焊接完成后经过裁版或是整机组装时弯曲基板，也容易导致裂纹产生。

在机械力作用下板材弯曲变形时，陶瓷的活动范围受端位及焊点限制，破裂就会形成在陶瓷的端接界面外处，这种破裂会从形成的位置开始，从45度角向端接蔓延开来。

扭曲破裂失效。SMT阶段导致的破裂失效中，如果破裂较轻微，一般无法由金相中检测出来。SMT之后生产阶段所导致的破裂扭曲失效，金相一定可以检测出来。

MLCC材料失效破裂

MLCC的材料失效一般又分为三大类不良，这类失效通常来自电容内部的失效，而且都足以损害产品可靠性 (reliability)，这类问题通常是起因于MLCC的制程或其材料选用不当所引起。

1. 电极间失效及结合线破裂(Delamination)。

这类不良通常会形成较大的裂缝。其主要原因是因为陶瓷的高空隙，或介电质层与相对电极间存在空隙所引起，使得电极间的电介质层裂开，造成潜在的漏电危机。

T8 MLCC电极间失效及结合线破裂。 MLCC电极间失效及结合线破裂。

2. 孔洞(Voiding)。

孔洞一般发生于相邻的两片内电极之间，有时候甚至会大到多片电极，这类不良常常会引发电极间的短路并发生漏电流现象。当大空隙产生时也可能影响并降低其电容值。

这类不良的原因通常来自MLCC的制程控管不当，比如说陶瓷电容粉末有异物污染或是烧结不良所形成。

MLCC孔洞一般发生于相邻的两片内电极之间，有时候甚至会大到多片电极，这类不良常常引发电极间的短路并发生漏电流现象。 MLCC孔洞。这类不良的原因通常来自MLCC的制程控管，比如说陶瓷电容粉末有异物污染或是烧结不良所形成。

3. 燃烧破裂(Firing crack)。

燃烧破裂的开裂方向会与电极(electrodes)垂直，且大部分会从电极边缘(electrode edge)或终端开裂。

这类缺陷通常都会造成过量的漏电流(current leakage)，并损害到组件的可靠性。

这类破裂的原因大多由于MLCC制造过程冷却过快所造成。

结论：

由热冲击所造成的破裂会由电容的表面蔓延到组件内部。而过大的机械张力所引起的破裂，则可由组件表面或内部形成，这些破裂均会以近乎45度角的方向蔓延。至于原材料失效，则会带来与内部电极垂直或平行的方向破裂。

另外，热冲击破裂一般由一个端接蔓延到零一个端接，由取放机器所造成的破裂，在端接下面会出现多个破裂点；因电路板扭曲而造成的损坏，通常只有一个破裂点。