贴片电容断裂原因分析

贴片电容断裂原理分析

SMT 技术使用的贴片电容若产生裂纹，会影响产品的可靠性以及最终产出成品的不良率，主要不良表现为接触不良、容值变化、漏电等。用户通常将这些归结为元件本身质量的问题，而事实上，裂纹的产生除少部分为产品本身缺陷，还有其他许多因素影响。

除开产品本身的问题，主要存在以下两个大方面导致产品开裂：热冲击（Thermal Shock）和机械应力冲击（Mechanical Shock）

热冲击：

热冲击开裂约占开裂现象中比例约 25%~35%。造成热冲击开裂的主要机理为：热冲击开裂是一种机械性损坏，他是由于机械结构不能在短时间内，消除或释放因温度急剧变化而造成的机械应力，当局部应力超过机械体的强度时，裂纹便出现了。这种机械应力与热膨胀系数（coefficient of thermal expansion,CTE)和热传导率(thermal conductivity, δT)以及温度变化率（ΔT）有关。贴片电容的结构采用陶瓷介质和金属电极多层交错的主体结构、以及带有做导电用途的金属端电极，由于金属与陶瓷体的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion,CTE)和热传导率(thermal conductivity, δT)相差较大（见表1），造成贴片电容易受到热冲击的影响，如图1 和图2 所示。

下表为风华电容中金属与陶瓷体的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion,CTE)和热传导率(thermal conductivity, δT)：

表1

由以上数据可以看出，在温度急剧变化时，陶瓷体与金属电极的膨胀或收缩差距较大，直接导致产品内部应力急剧增大，当超出产品机械强度时导致产品开裂，外在表现通常为U 形或指甲形裂纹。热冲击裂纹通常从结构最弱或者是机械应力最集中的位置开始，一般是陶瓷体与外金属

电极的结合处。机械应力最大的位置一般为贴片电容的棱角部位。

图 3：热冲击裂纹外观

基于以上原因，贴片电容 的焊接工艺及其重要。焊接工艺的选择必须满足尽可能降低金属与陶瓷体的机械内应力。焊接工艺的主要因素为：预热温度时间、温度变化率、焊接最高温以及时间。针对这3 个因素，我们推荐使用回流焊接方式，不推荐使用波峰焊接和手工焊接方式。

手工焊接缺点：3 个影响因素均不可控；

波峰焊接缺点：由于采用液态金属焊接，他具有最高的热传导率和温度变化率；

 回流焊接可以通过控制温度曲线来控制以上 3 个因素，使产品最大可能的避免热冲击开裂。我们推荐的红外焊接曲线如下：

图4：SnPb 焊料推荐焊接曲线

另外，很多用户都忽略的一点就是清洗。清洗必须冷却到60℃以下才能进行，否则也可能造成产品在清洗过程中由于冷却过快造成产品内部裂纹。

这种热冲击开裂裂纹在应力集中位置或者本体强度较弱位置出现后，裂纹会随温度变化或者后到工序的再加工而继续蔓延扩张。在数星期内一个微小的裂纹可能扩张至整个期间，而导致开路、间歇性中断或者漏电等情况。

机械冲击裂纹：

在现今的生产制造环境中，SMT 机器是造成裂纹的的最大原因，他占裂纹不良比例的80%以上。除相当严重的受损外，由SMT 机器造成的破坏一般要到元件焊接后才能被发现，所以这些缺陷常被认为是热冲击造成的，使元件厂商在找寻对策时误入歧途，而实际造成这些损坏的真凶是SMT 机器的真空拾取头。

由真空拾取头导致的破坏或裂纹，是比较显而易件的（见图8），他一般在陶瓷体表面形成一个圆形或半月性压痕。

图8 由真空拾取头造成的裂纹

这种损坏是由于拾取头 Z 轴压力过大，超过陶瓷体的机械强度造成的。

另外，当进行电路板切割、测试、背面元件和连接器安装以及最后组装时，當進行電路板切割﹑測試﹑背面元件和連接器安裝﹑及最后組裝時，若焊锡组件在受到扭曲或拉压过程，都可能造成Bending 裂纹。他与热冲击一样，有独特的症状。

他一般出现在焊接后，由于贴片电容的主体结构为陶瓷，他是一种脆性材料，当PCB 板弯曲造成陶瓷体所受的拉力或压力超过陶瓷材料的强度后，在受力最大的部位就出现近似45℃角裂纹。

这种裂纹不但出现快，有时还可能听到破裂声，这种裂纹会按PCB 板扭曲的方向、程度以及元件位置等情况蔓延开来，以减低所受外力。

另外，焊接时两端焊料的多少也有可能造成开裂。焊料较多，造成焊料冷却收缩应力较大，同样当超过陶瓷体的强度时便产生裂纹，见图10。

至于元件本身的缺陷主要有 2 类：

1 为陶瓷材料的高孔隙形成漏电路径导致失效。在成熟产品的生产中这类不良几乎不会发生；

2 为烧结开裂，这种开裂的特点为裂纹与内电极平行。若DPA 发现如下图所示裂纹即为烧结开裂导致。

结论：

SMT 技术的每一个过程都有可能对贴片电容造成损害，为了获得较高的良品率，就必须识别这些潜伏的缺陷来源，并加以控制。关键是要关注元件的材料特性，量材使用，这样才能最大可能的避免不良的发生。