电容阻值降低、漏电失效分析

摘要：

     本文通过无损分析、电性能测试、结构分析和成分分析，得出导致电容阻值下降、电容漏电是多方面原因共同作用的结果：

（1）MLCC本身内部存在介质空洞；

（2）端电极与介质结合处存在机械应力裂纹；

（3）电容外表面存在破损。

1.案例背景

      MLCC电容在使用过程中出现阻值降低、漏电失效现象。

2.分析方法简述

     透视检查NG及OK样品均未见裂纹、孔洞等明显异常。

图1.样品X射线透视典型照片

      从PCBA外观来看，组装之后的电容均未受到严重污染，但NG样品所受污染程度比OK样品严重，说明电容表面的污染可能是引起电容失效的潜在原因。EDS能谱分析可知，污染物主要为助焊剂与焊锡的混合物，金属锡所占的比例约为16(wt.)%。从电容外观来看，所有样品表面均未见明显异常，如裂纹等。

图2.电容典型外观照片

      利用数字万用表分别测试NG电容和OK电容的电阻，并将部分失效样品机械分离、清洗后测试其电阻，对电容进行失效验证。电学性能测试表明，不存在PCB上两焊点间导电物质（污染物）引起失效的可能性，失效部位主要存在于电容内部。

      对样品进行切片观察，OK样品和NG样品内部电极层均连续性较差，且电极层存在孔洞，虽然电极层孔洞的存在会影响电容电学性能，但不会造成电容阻值下降，故电极层孔洞不是电容漏电的原因。

      对NG样品观察，发现陶瓷介质中存在孔洞，且部分孔洞贯穿多层电极，孔洞内部可能存在水汽或者离子（外来污染），极易导致漏电，而漏电又会导致器件内局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性从而导致漏电的增加，形成恶性循环；

      左下角端电极与陶瓷介质结合处存在机械应力裂纹，可导电的污染物可夹杂于裂纹中，导致陶瓷介质的介电能力下降而发生漏电，使绝缘阻值下降，此外裂纹内空气中的电场强度较周边高，而其击穿电场强度却远比周边绝缘介质低，从而电容器在后续工作中易被击穿，造成漏电。

       除此之外，电容表面绝缘层存在严重破损，裂纹已延伸至内电极，加之表面污染物的存在，在恶劣潮湿环境下就会与端电极导通，形成漏电。

      对比失效样品，OK样品电容内部结构成分一致，内电极为Ni电极，电极层连续性较差，且存在较多细小孔洞。但并未发现贯穿相邻电极的孔洞和机械应力裂纹的存在，电容表面破损程度亦较低，故不存在漏电现象。

图3.NG样品金相切片照片

 

图5.NG样品表层EDS能谱图

3.分析与讨论

      多层陶瓷电容器（MLCC）本身的内在可靠性十分优良，可长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引入缺陷，则会对可靠性产生严重的影响。

      陶瓷多层电容器（MLCC）失效的原因一般分为外部因素和内在因素。内在因素包括: 陶瓷介质内空洞、介质层分层；外部因素包括：热应力裂纹及机械应力裂纹。

1)陶瓷介质内的孔洞

      所谓的陶瓷介质内的孔洞是指在相邻电极间的介质层中存在较大的孔洞，这些孔洞由于内部可能含有水汽或离子，在端电极间施加电压时，降低此处的耐压强度，导致此处发生过电击穿现象。

2)介质层分层

      多层陶瓷电容的烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度在1000℃以上。层间结合力不强，烧结过程中内部污染物挥发，烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。值得一提的是，某些分层还可能导致陶瓷介质内部产生裂纹，或在介质层内出现断续的电极颗粒等，这些都与电容器的生产工艺有关。分层的直接影响是绝缘电阻降低，电容量减小。

3)热应力裂纹

      实际使用中各种温度冲击往往容易产生热应力，热应力产生的裂纹主要分布区域为陶瓷靠近端电极的两侧，常见的表现形式为贯穿瓷体的裂纹，有的裂纹与内电极呈现90°。需要强调的是，这些裂纹产生后，不一定在现场就表现出实效，大多数是在使用一段时间后，水汽或离子进入裂纹内部，致使电容的绝缘电阻降低而导致电容失效。

4)机械应力裂纹

      多层陶瓷电容器（MLCC）的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。

      常见的应力源有：工艺过程电路板流转操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；元件接插操作；电路测试；单板分割；电路板安装；电路板定位铆接；螺丝安装等。该裂纹一般源于器件上下金属化端子，沿45°向器件内部扩展，详见图6。

4.结论

      综合以上测试分析可知，导致电容阻值下降、电容漏电是多方面原因共同作用的结果，主要来自于三方面：

      （1）MLCC本身内部存在介质空洞，这属于内在因素，是由生产工艺所导致的；

      （2）端电极与介质结合处存在机械应力裂纹，机械应力裂纹属于外在因素，器件组装过程中任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂；

      （3）电容外表面存在破损，同样属于外在因素，主要由于金属端电极材料和陶瓷介质热膨胀系数失配所致。

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