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一种波峰焊工艺陶瓷电容的失效案例

电子设计 ? 2021-01-06 17:02 ? 次阅读

本文系中兴通讯股份有限公司投稿的论文。

作者:杨航,王波,丁亭鑫。

1.前言

多层陶瓷电容器(Multilayerceramicscapacitors,MLCCs)具有小尺寸、大容量等特征,作为应用最广泛且最重要的被动元器件之一,在通信和电子设备中大量使用,尤其是随着5G以及汽车行业的兴起,陶瓷电容的使用量逐年增长。MLCC是由印好内电极的陶瓷介质膜片,以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上外电极,从而形成一个类似独石的结构体。MLCC常见的失效模式可总结为短路开路和参数漂移三种,这三种失效模式占总失效的比例约为73%,16%和11%[1]。MLCC绝缘电阻(IR)降低是造成短路的主要原因。从宏观上看,机械应力裂纹、热应力裂纹以及电击穿都有可能造成MLCC绝缘电阻降低从而引起短路。从微观层面分析,氧空位迁移模型是目前解释MLCC介质材料性能退化、绝缘电阻降低认可度最高也是最经典的模型[2]。

回流焊和波峰焊是目前最为常见的两种电子装联工艺。回流焊又叫再流焊,通常是使用印刷的方法将锡膏涂覆在PCB焊盘上,再通过贴片机在锡膏上面放置元器件,然后加热使锡膏熔化,即再次流动,从而实现连接。而波峰焊是将熔融的液态焊料借助泵的作用,在焊料液面形成一种特定形状的波峰,同时装载了元器件的PCB以某一特定角度及一定的浸入深度穿过焊料波峰来实现连接点的焊接过程。回流焊和波峰焊工艺主要区别之一有:回流焊印刷的锡膏中已含有一定成分的助焊剂,在焊接过程中无需额外添加;而波峰焊在焊接过程中需喷涂大量助焊剂,从而保证焊接质量。

MLCC作为一种贴片器件,通常情况下是通过回流焊工艺进行装联,但对于插件器件较多的单板,为提高生产效率也有可能通过波峰焊将陶瓷电容和插件器件同时焊接。

本文主要介绍波峰焊工艺焊接的MLCC,在服役一段时间后出现绝缘电阻降低的案例,并从微观的角度进行失效分析。

2.失效分析

2.1电性能测试

该电容(温度特性:X7R,电压:10V,容值:10μF±10%,封装:1206)通过红胶粘附在PCB上,然后经过波峰焊实现焊接。在100℃,5V条件下服役半年至一年时间后出现IR降低的现象,失效电容电性能测试结果如表1。

从电性能来看两颗失效电容的容值和损耗均在规格范围内,但在室温下绝缘电阻均小于2MΩ,已经低于规格要求的10MΩ。使用热风枪对电容进行加热后,两颗电容绝缘电阻急剧下降,在60℃左右时已经低于200KΩ。

表1失效电容电性能测试结果

容值损耗绝缘电阻(室温)绝缘电阻(60℃)
测试值1#10.256.681.2MΩ<200KΩ
测试值2#10.336.381.8MΩ<200KΩ
规格值9~11μF7.5%max10MΩ/
判定OKOKNGNG

2.2外观及元素分析

从图1可以看到,电容通过红胶粘接的方式再经过波峰焊焊接在PCB上。将电容从PCB上取下观察,外观未发现存在明显异物以及连锡的情况,同时也未发现明显可见的裂纹。

在对电容进行破坏性分析之前,对电容表面进行了EPMA(ElectronProbeMicro-analyzer)元素分析。从结果可以看到,除了Ba、Ti等电容本身的成分外,失效电容焊接面端子处存在大量Pb元素,这是因为使用的是有铅焊锡;同时也存在大量的Br和少量的Cl元素。

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图1失效电容外观以及焊接面EPMA分析

2.3逐层测试及DPA

为精确定位电容内部失效点位置,首先对电容逐层检测IR。从测试结果来看,在靠近PCB基板侧的第一层和第二层内电极IR较低,约为10MΩ以下,而其他层间的IR均在10GΩ以上。从此结果来看造成电容IR整体低于规格的原因在于第一层和第二层内电极,DPA分析应重点关注这两层内电极处。

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图2失效电容逐层测试IR结果

破坏性物理分析(DestructivePhysicalAnalysis,DPA)是陶瓷电容失效分析中最常见的手段之一,能够对电容内部进行有效的观察。随后对失效电容进行DPA分析,经过多次精细研磨,与常见失效案例不同(图3c,d),在整个失效电容内部都未发现裂纹或内电极熔融等常见导致IR降低的现象,在逐层测试中发现IR降低的第一层和第二层也未发现明显异常。失效电容DPA分析图片见图3a,b。

o4YBAF_1e6CAMTuVAAeUCAYduwo742.png

图3失效电容DPA分析图片(a,b);其他案例常见导致IR降低的失效形貌(c,d)

2.4失效信息汇总

经过以上的分析,发现此失效电容确实绝缘电阻降低,且定位到了是靠近焊接面的第一层和第二层内电极导致,但DPA分析却未能在电容内部发现明显的失效点,这一点与以往常见的IR降低案例有很大的不同。

考虑到失效电容是通过波峰焊接工艺,如前所述,与常用的回流焊接工艺相比,波峰焊过程中需进行助焊剂的喷涂,焊接后器件表面残留的助焊剂可能会较多。那么此次电容失效是否与波峰焊和助焊剂残留相关,是否与电容本身的特征有关,下面开展了一系列实验进行认证。

3.失效原因排查及分析

3.1助焊剂成分分析

为验证EMPA分析中发现的Cl和Br来源,首先选了取焊接中使用的助焊剂到第三方检测机构对成分进行分析,采用离子色谱的方法对Br和Cl的含量进行了检测,结果显示如表2。

表2助焊剂成分分析

项目单位检测方法检测限结果
Clmg/kg离子色谱50没有发现
Brmg/kg离子色谱502300

结果显示,用于波峰焊接的助焊剂中含有大量的Br。结合外观EPMA分析结果,可判定助焊剂中的Br通过波峰焊接后会残留在电容焊接端子底部。EPMA发现的少量Cl可能是由于产品长期在室外工作,环境中的Cl残留导致。

3.2回流焊和波峰焊对比

为了验证回流焊和波峰焊工艺对电容IR的影响,选取失效电容同规格的新鲜样品,分别模拟回流焊和波峰焊进行焊接,将焊接后的样品在两种不同条件下进行试验,试验结果如下如表3。

表3回流焊和波峰焊样品对比试验结果

样品规格试验条件焊接方式试验数量试验结果
失效电容同规格新鲜样品121℃、95%RH、10V波峰焊接64颗200h共计出现4颗IR降低
回流焊接100颗200h内无失效
85℃、85%RH、10V波峰焊接40颗400h共计出现5颗IR降低
回流焊接120颗400h内无失效

从试验结果来看,该规格样品在高温、高湿、加电的条件下,回流焊的样品均未出现IR降低的失效;而波峰焊接的样品在两种不同的条件下均出现了IR降低的现象。对此模拟试验中失效的样品进行DPA分析,电容内部同样未发现明显的裂纹或击穿点。此试验说明不同的焊接方式对此规格电容的IR会产生影响,波峰焊接方式会加速IR的恶化。

3.3不同电容波峰焊对比

波峰焊接是否对所有规格的陶瓷电容都会产生影响,还是仅对此规格电容的影响较大?为验证以上疑问,抽取了另外三种规格的电容同样进行波峰焊接试验。

表4不同规格电容试验结果

电容样品编号试验条件焊接方式试验数量试验结果
A121℃、95%RH、额定电压波峰焊接60无失效
B波峰焊接60无失效
C波峰焊接604颗IR降低
C回流焊接60无失效

从试验结果来看A和B两个规格的电容并未出现失效,但C规格电容有4颗在121℃、95%RH加电条件下出现了IR降低的情况。同样对于C规格电容也安排一组回流焊接的对比试验,在相同条件下回流焊接的C电容未出现失效。综合以上结果,表明波峰焊并不会对所有规格的电容产生影响,而只会对某些特定规格电容造成IR的裂化。

3.4原因分析与理论支撑

陶瓷电容主要成分为BaTiO3,除BaTiO3外还会使用一些添加剂进行掺杂,添加剂的整体含量虽小但发挥的作用十分重大。在经过烧结后,陶瓷介质形成了核-壳结构(如图4所示),BaTiO3作为核,四周则是由添加剂形成的壳包裹,添加剂的成分和含量将影响核-壳结构形成的质量,并且扩散层对陶瓷电容IR性能起着重要作用[3]。

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图4典型陶瓷介质烧结后形成的核-壳结构

陶瓷电容在使用贱金属(Ni)作为内电极后,为防止Ni电极在烧结过程中被氧化,在烧结中需通入还原性气氛,所以在此过程中BaTiO3晶体不可避免的会产生氧空位(正电荷),氧空位在电场的作用下会逐步跨过晶界向负极迁移形成漏电流,并最终在负极处堆积,与金属电极形成p-n结。有研究表明,对于具有良好核-壳机构的陶瓷,氧空位的长程迁移可能比较困难,性能退化速率较缓慢[3-5]。

o4YBAF_1fCWAVZEZAAFVVBIrU9I880.png

图5氧空位迁移示意图

那么助焊剂对电容的影响是否也与电容形成的核-壳结构相关了。表5为参与试验的几类材料添加剂含量,从表格中看出,发生失效的规格C以及此次进行失效分析的电容添加剂含量较低,而规格A和规格B添加剂含量较多,为规格C的2~3倍。

表5不同规格电容添加剂含量

电容样品编号添加剂含量(指数)
A2.15
B3.21
C和失效分析电容1

对这几类电容进行微观分析,发现随着添加剂含量的增多,A和B规格样品陶瓷介质烧结后形成的核-壳机构相对明显,添加剂形成了明显的扩散层;而C规格与失效分析的电容由于添加剂含量较少,未形成明显的扩散层。

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图6规格A(a),B(b),C(c)电容样品晶粒结构

结合以上所有分析和理论,判定此次电容失效的原因为:由于波峰焊工艺助焊剂的残留,导致Br离子进入到电容内部,并侵入到内电极的最外层,在特定的高温高湿环境下,对于此规格电容,由于使用添加剂含量较少,导致侵入的离子易在陶瓷晶粒内扩散,最终导致电容IR降低的现象。

4.结束语

本文介绍了一种波峰焊工艺陶瓷电容的失效案例,与常见IR降低不同,此失效电容内部未发现任何裂纹和缺陷。通过对波峰焊使用的助焊剂成分分析、安排对比试验和电容微观结构的分析,结果表明波峰焊使用的助焊剂会残留在电容上,在高温高湿的环境下残留的卤素离子易侵入到电容内部,对于添加剂含量较少的电容规格,由于未形成较好的核-壳结构,离子在内部更容易迁移,最终导致电容IR较低而失效。

参考文献

[1]刘锐,陈亚兰,唐万军,姚世锋.片式多层陶瓷电容失效模式研究[J].2013,43(3):449-452.

[2]NishidaK,KishiH,OsadaM,etal.Ramanspectroscopyevaluationofoxygenvacancymigrationbyelectricalfieldinmultilayerceramiccapacitors.JapaneseJournalofAppliedPhysics[J].2009,48(9):4

[3]吴旺华.外场下BaTiO3基电介质材料的缺陷行为及机理研究[D].2018.

LiuW.ThermallystimulatedrelaxationinFe-dopedSrTiO3Systems:II.DegradationofSrTiO3dielectrics.JAmCeramSoc[J].2008,91:3251.

[4]BaiatuT.dcElectricalDegradationofperovskite-typetitanates:III,Amodelofthemechanism.JAmCeramSoc[J].1990,73:1663.
编辑:hfy

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由于波峰焊料的型号较多,在选用焊料时好坏,关系到波峰焊焊接的质量。通常选用的规则有以下几点:
的头像 牵手一起梦 发表于 04-11 11:10 ? 825次 阅读
选择波峰焊料时要那些规则要注意

波峰焊点针孔的产生原因、过程和防止措施

PCB或者元件引脚制造过程中通常存在电镀工序,有时为了达到光亮效果会在电镀时使用过量光亮剂,而这些光....
的头像 牵手一起梦 发表于 04-10 11:43 ? 1913次 阅读
波峰焊点针孔的产生原因、过程和防止措施

波峰焊点空洞气孔的产生原因及解决方法有哪些

波峰焊接后线路板上焊点气孔和针孔在成因上有很大区别,不能视为由同原因在不同程度下造成的两种状态。
的头像 牵手一起梦 发表于 04-10 11:36 ? 3594次 阅读
波峰焊点空洞气孔的产生原因及解决方法有哪些

造成球状波峰焊点的原因有哪些,有什么防止措施

球状波峰焊点表现为润湿角非常大,焊点呈球形,过大的焊点对导电性及抗拉强度未必有所帮助。通常会覆盖焊盘....
的头像 牵手一起梦 发表于 04-10 11:18 ? 1055次 阅读
造成球状波峰焊点的原因有哪些,有什么防止措施

如何对波峰焊温度曲线测量参数进行有效控制

如果要得到标准的波峰焊温度曲线值,就要对波峰焊温度曲线测量的各个参数进行有效的控制,下面给大家分享一....
的头像 牵手一起梦 发表于 04-09 11:21 ? 1052次 阅读
如何对波峰焊温度曲线测量参数进行有效控制

波峰焊锡炉三种温度故障的原因及解决方法

3、检查发热管是否有接地的情况或者线路有短路的情况,排除以上短路的情况,然后闭合漏电开关;
的头像 牵手一起梦 发表于 04-08 11:36 ? 3405次 阅读
波峰焊锡炉三种温度故障的原因及解决方法

波峰焊接温度与加热时间过长会有哪些危害和外部特征

适当的焊接温度对形成良好的焊点是不可少的。这个温度究竟如何掌握呢?当根据有关数据可以很清楚地查出不同....
的头像 牵手一起梦 发表于 04-08 11:25 ? 1421次 阅读
波峰焊接温度与加热时间过长会有哪些危害和外部特征

陶瓷电容ESR的形成原因

在片式多层元器件类型中,ESR(Res)主要由介质层电阻、内电极层电阻、各接触面电阻和端电极电阻等四个方面组成;其中各...
发表于 03-16 09:09 ? 765次 阅读
陶瓷电容ESR的形成原因

陶瓷电容温度系数的等级怎么分类?含义是什么?

在陶瓷电容选型时,温度系数代码的含义是一个常见的问题,这些代码主要遵循国际电工技术委员会(IEC)和美国电子工业联合会(...
发表于 08-08 08:10 ? 852次 阅读
陶瓷电容温度系数的等级怎么分类?含义是什么?

陶瓷电容压力传感器有什么特点?

压力传感器是传感器中较大门类,广泛应用于汽车、工业、物联网等领域,陶瓷电容作为压力传感器中一种主要技术路线,具有耐腐蚀、...
发表于 08-06 06:04 ? 943次 阅读
陶瓷电容压力传感器有什么特点?
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