貼片電容斷裂原理分析

SMT 技術(shù)使用的貼片電容若產(chǎn)生裂紋，會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性以及最終產(chǎn)出成品的不良率，主要不良表現(xiàn)為接觸不良、容值變化、漏電等。用戶(hù)通常將這些歸結(jié)為元件本身質(zhì)量的問(wèn)題，而事實(shí)上，裂紋的產(chǎn)生除少部分為產(chǎn)品本身缺陷，還有其他許多因素影響。

除開(kāi)產(chǎn)品本身的問(wèn)題，主要存在以下兩個(gè)大方面導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂：熱沖擊（Thermal Shock）和機(jī)械應(yīng)力沖擊（Mechanical Shock）

熱沖擊：

熱沖擊開(kāi)裂約占開(kāi)裂現(xiàn)象中比例約 25%~35%。造成熱沖擊開(kāi)裂的主要機(jī)理為：熱沖擊開(kāi)裂是一種機(jī)械性損壞，他是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不能在短時(shí)間內(nèi)，消除或釋放因溫度急劇變化而造成的機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)機(jī)械體的強(qiáng)度時(shí)，裂紋便出現(xiàn)了。這種機(jī)械應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導(dǎo)率(thermal conductivity, δT)以及溫度變化率（ΔT）有關(guān)。貼片電容的結(jié)構(gòu)采用陶瓷介質(zhì)和金屬電極多層交錯(cuò)的主體結(jié)構(gòu)、以及帶有做導(dǎo)電用途的金屬端電極，由于金屬與陶瓷體的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導(dǎo)率(thermal conductivity, δT)相差較大（見(jiàn)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(fēng)華電容中金屬與陶瓷體的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion,CTE)和熱傳導(dǎo)率(thermal conductivity, δT)：

表1

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在溫度急劇變化時(shí)，陶瓷體與金屬電極的膨脹或收縮差距較大，直接導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力急劇增大，當(dāng)超出產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂，外在表現(xiàn)通常為U 形或指甲形裂紋。熱沖擊裂紋通常從結(jié)構(gòu)最弱或者是機(jī)械應(yīng)力最集中的位置開(kāi)始，一般是陶瓷體與外金屬

電極的結(jié)合處。機(jī)械應(yīng)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(mǎn)足盡可能降低金屬與陶瓷體的機(jī)械內(nèi)應(yīng)力。焊接工藝的主要因素為：預(yù)熱溫度時(shí)間、溫度變化率、焊接最高溫以及時(shí)間。針對(duì)這3 個(gè)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(diǎn)：3 個(gè)影響因素均不可控；

波峰焊接缺點(diǎn)：由于采用液態(tài)金屬焊接，他具有最高的熱傳導(dǎo)率和溫度變化率；

 回流焊接可以通過(guò)控制溫度曲線(xiàn)來(lái)控制以上 3 個(gè)因素，使產(chǎn)品最大可能的避免熱沖擊開(kāi)裂。我們推薦的紅外焊接曲線(xiàn)如下：

圖4：SnPb 焊料推薦焊接曲線(xiàn)

另外，很多用戶(hù)都忽略的一點(diǎn)就是清洗。清洗必須冷卻到60℃以下才能進(jìn)行，否則也可能造成產(chǎn)品在清洗過(guò)程中由于冷卻過(guò)快造成產(chǎn)品內(nèi)部裂紋。

這種熱沖擊開(kāi)裂裂紋在應(yīng)力集中位置或者本體強(qiáng)度較弱位置出現(xiàn)后，裂紋會(huì)隨溫度變化或者后到工序的再加工而繼續(xù)蔓延擴(kuò)張。在數(shù)星期內(nèi)一個(gè)微小的裂紋可能擴(kuò)張至整個(gè)期間，而導(dǎo)致開(kāi)路、間歇性中斷或者漏電等情況。

機(jī)械沖擊裂紋：

在現(xiàn)今的生產(chǎn)制造環(huán)境中，SMT 機(jī)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(dāng)嚴(yán)重的受損外，由SMT 機(jī)器造成的破壞一般要到元件焊接后才能被發(fā)現(xiàn)，所以這些缺陷常被認(rèn)為是熱沖擊造成的，使元件廠(chǎng)商在找尋對(duì)策時(shí)誤入歧途，而實(shí)際造成這些損壞的真兇是SMT 機(jī)器的真空拾取頭。

由真空拾取頭導(dǎo)致的破壞或裂紋，是比較顯而易件的（見(jiàn)圖8），他一般在陶瓷體表面形成一個(gè)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(guò)大，超過(guò)陶瓷體的機(jī)械強(qiáng)度造成的。

另外，當(dāng)進(jìn)行電路板切割、測(cè)試、背面元件和連接器安裝以及最后組裝時(shí)，當(dāng)進(jìn)行電路板切割﹑測(cè)試﹑背面元件和連接器安裝﹑及最后組裝時(shí)，若焊錫組件在受到扭曲或拉壓過(guò)程，都可能造成Bending 裂紋。他與熱沖擊一樣，有獨(dú)特的癥狀。

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

這種裂紋不但出現(xiàn)快，有時(shí)還可能聽(tīng)到破裂聲，這種裂紋會(huì)按PCB 板扭曲的方向、程度以及元件位置等情況蔓延開(kāi)來(lái)，以減低所受外力。

另外，焊接時(shí)兩端焊料的多少也有可能造成開(kāi)裂。焊料較多，造成焊料冷卻收縮應(yīng)力較大，同樣當(dāng)超過(guò)陶瓷體的強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂紋，見(jiàn)圖10。

至于元件本身的缺陷主要有 2 類(lèi)：

1 為陶瓷材料的高孔隙形成漏電路徑導(dǎo)致失效。在成熟產(chǎn)品的生產(chǎn)中這類(lèi)不良幾乎不會(huì)發(fā)生；

2 為燒結(jié)開(kāi)裂，這種開(kāi)裂的特點(diǎn)為裂紋與內(nèi)電極平行。若DPA 發(fā)現(xiàn)如下圖所示裂紋即為燒結(jié)開(kāi)裂導(dǎo)致。

結(jié)論：

SMT 技術(shù)的每一個(gè)過(guò)程都有可能對(duì)貼片電容造成損害，為了獲得較高的良品率，就必須識(shí)別這些潛伏的缺陷來(lái)源，并加以控制。關(guān)鍵是要關(guān)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(fā)生。