多层陶瓷外壳的失效分析和可靠性设计

陶瓷材料失效的原因-回复标题：【陶瓷材料失效的原因】探析一、引言陶瓷材料，以其优异的高温稳定性、高硬度、耐腐蚀和耐磨耗性等特性，在航天航空、化工、生物医疗等领域得到了广泛应用。

然而，尽管陶瓷材料具有诸多优点，但在实际应用过程中，其失效现象依然时有发生，对设备性能与使用寿命产生严重影响。

本文旨在深入剖析陶瓷材料失效的各种原因，以便为提高陶瓷材料的稳定性和耐用性提供理论依据和技术指导。

二、陶瓷材料的基本性质及失效模式陶瓷材料主要由无机非金属氧化物、氮化物、碳化物等化合物组成，结构致密且晶粒间结合紧密。

常见的失效模式主要包括断裂、磨损、腐蚀以及相变导致的性能退化等。

三、陶瓷材料失效的具体原因分析1. 断裂失效：陶瓷材料由于其典型的脆性特征，容易在内部缺陷或外部应力作用下发生断裂。

这种失效主要源于以下几个方面：（1）制备过程中的微观缺陷，如气孔、裂纹、杂质夹杂等；（2）热处理或使用过程中产生的残余应力；（3）机械负载下的疲劳损伤，包括低周疲劳和高温蠕变疲劳；（4）极端温度变化引起的热应力。

2. 磨损失效：陶瓷材料虽然硬度高，但其抗磨损能力受到表面粗糙度、硬度匹配、服役环境等因素影响。

颗粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和微切削磨损等是陶瓷材料常见磨损失效形式。

3. 腐蚀失效：尽管陶瓷材料普遍具有良好的化学稳定性，但在某些特殊环境中，如酸碱溶液、熔融盐或高温气体中，可能发生溶解、氧化、还原或其他化学反应，从而导致材料结构破坏，引发腐蚀失效。

4. 相变失效：部分陶瓷材料在特定温度条件下会发生相变，导致体积变化或结构劣化，进而影响其力学性能和物理性能，引发失效。

四、改进措施与预防策略针对上述失效原因，可以从优化制备工艺、改进材料设计和合理选择使用条件等方面采取相应对策：1. 提高原料纯度，优化成型和烧结工艺，减少内部缺陷；2. 通过添加微量元素、采用复合材料技术等方式改善陶瓷材料的韧性，降低其脆性；3. 设计合理的表面处理技术和涂层技术，增强陶瓷材料的抗磨损性能；4. 开发新型耐腐蚀陶瓷材料或者进行表面改性，提高其耐蚀性；5. 对于存在相变问题的陶瓷材料，应充分了解其相变规律，通过调控成分和制备工艺，避免不利相变的发生。

多层陶瓷外壳设计与使用中的几个问题
汤纪南
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2003(003)005
【摘要】本文叙述了多层陶瓷外壳的基本工艺和设计,主要原材料的选用以及在科研和生产过程中的一些问题.
【总页数】6页(P28-32,8)
【作者】汤纪南
【作者单位】江苏省宜兴电子器件总厂,江苏,宜兴,214221
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.93
【相关文献】
1.陶瓷墙地砖自动压机模具设计制造和使用中的几个问题 [J], 姚德良
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3.多层基板中的多层陶瓷共烧技术 [J], 田民波;梁彤翔
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多层陶瓷外壳的可靠性设计和失效分析时间：2007-03-13来源：发表评论进入论坛投稿1 引言多次陶瓷外壳以其优良的性能被广泛应应用于航天、航空、军事电子装备及民用投资类电子产品的集成电路和电子元器件的封装，常用的陶瓷外壳有集成电路陶瓷外壳，如D型（DIP）、F型（FP）、G型（PGA）、Q型（QFP）、C型（LCC）、BGA型等；混合集成电路陶瓷外壳，光电器件陶瓷外壳，微波器件陶瓷外壳，声表面波器件陶瓷外壳，晶体振荡器陶瓷外壳，固体继电器陶瓷外壳及各种传感器（如霍尔传感器）用陶瓷外壳等等。

多层陶瓷外壳采用多层陶瓷金属化共烧工艺进行生产。

多层陶瓷外壳分为高温共烧陶瓷外壳（HTCC）和低温共烧陶瓷外壳（LTCC）两类。

本文仅对高温共烧陶瓷外壳（HTCC）进行讨论。

多层陶瓷外壳由于其体积小、导热性好、密封性好、机械强度高、引起封装可靠性高而得到广泛应用，但是，使用中仍然会出现失效。

本文就多层陶瓷外壳的失效模式、失效机理和可靠性设计进行探讨。

2 多层陶瓷外壳的失效模式多层陶瓷外壳在生产和使用中出现的失效模式通常有以下几种：（1）在机械试验中出现陶瓷底座断裂失效；（2）在使用中出现绝缘电阻小于标准规定值，出现失效；中国可靠性论坛:/club（3）在使用中外壳出现断、短路失效；（4）在使用中出现外壳外引线脱落、或无引线外壳的引出端焊盘与外电路连接失效；（5）使用中出现电镀层锈蚀失效；（6）使用中出现密封失效；（7）键合和芯片剪切失效；（8）使用不当造成失效。

3 多层陶瓷外壳的失效机理分析3.1 陶瓷底座的断裂失效其主要失效机理如下：（1）由于所采用的陶瓷材料的抗弯强度不足；（2）在生产过程中偏离了规定的工艺参数；例如：层压中未将各层生陶瓷片压成一个整体，降低了陶瓷底座的机械强度，在烧结过程中，由于烧结温度过高或过低而造成陶瓷底座过烧和生烧，从而降低了陶瓷底座的机械强度所致；（3）由于结构设计错误，在设计外壳底座的底板时，底板取值太小，使底板过薄。

陶瓷电容失效分析：多层片状陶介电容器由陶瓷介质、端电极、金属电极三种材料构成，失效形式为金属电极和陶介之间层错，电气表现为受外力（如轻轻弯曲板子或用烙铁头碰一下）和温度冲击（如烙铁焊接）时电容时好时坏。

多层片状陶介电容器具体不良可分为:1、热击失效2、扭曲破裂失效3、原材失效三个大类（１）热击失效模式：热击失效的原理是：在制造多层陶瓷电容时，使用各种兼容材料会导致内部出现张力的不同热膨胀系数及导热率。

当温度转变率过大时就容易出现因热击而破裂的现象，这种破裂往往从结构最弱及机械结构最集中时发生，一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面处、产生最大机械张力的地方（一般在晶体最坚硬的四角），而热击则可能造成多种现象：第一种是显而易见的形如指甲狀或U-形的裂縫第二种是隐藏在内的微小裂缝第二种裂缝也会由裸露在外的中央部份，或陶瓷/端接界面的下部开始，并随温度的转变，或于组装进行时，顺着扭曲而蔓延开来（见图4）。

第一种形如指甲狀或U-形的裂縫和第二种隐藏在内的微小裂缝，两者的区别只是后者所受的张力较小，而引致的裂缝也较轻微。

第一种引起的破裂明显，一般可以在金相中测出，第二种只有在发展到一定程度后金相才可测。

（２）扭曲破裂失效此种不良的可能性很多：按大类及表现可以分为两种：第一种情况、SMT阶段导致的破裂失效当进行零件的取放尤其是SMT阶段零件取放时，取放的定中爪因为磨损、对位不准确，倾斜等造成的。

由定中爪集中起来的压力，会造成很大的压力或切断率，继而形成破裂点。

这些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。

真空检拾头导致的损坏或破裂﹐一般会在芯片的表面形成一个圆形或半月形的压痕面积﹐并带有不圆滑的边缘。

此外﹐这个半月形或圆形的裂缝直经也和吸头相吻合。

另一个由吸头所造成的损环﹐因拉力而造成的破裂﹐裂缝会由组件中央的一边伸展到另一边﹐这些裂缝可能会蔓延至组件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能会令电容器的底部破损。

M L C C漏电失效分析美信检测失效分析实验室摘要：本文通过X射线透视检查、MLCC外观、MLCC内部结构分析及SEM/EDS检查，认为造成MLCC漏电失效的原因为：电容本身质量问题，MLCC内部存在镍瘤，镍瘤的存在使热应力裂纹的萌生产生了可能。

关键词：MLCC, 镍瘤，片式多层陶瓷电容器，失效分析，MLCC漏电失效分析1. 案例背景客户端在老化实验测试阶段发现MLCC出现漏电失效，其不良比率不详，该MLCC焊接工艺为回流焊接工艺。

2. 分析方法简述通过外观检查OK样品与NG样品表面未见明显异常。

NG样品OK样品通过X射线透视检查，OK样品和NG样品内部均未发现裂纹孔洞等异常。

MLCC X射线透视内部结构图将OK样品和NG样品分别切片，然后在金相显微镜下放大拍照观察MLCC内部结构，NG样品电容内部存在镍瘤及热应力裂纹，而OK样品未见异常。

MTT（美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室,网址：联系电话：、。

裂纹镍瘤NG样品OK样品通过对样品剖面SEM/EDS分析，NG样品电容内部电极层不连续，存在明显镍瘤；其镍瘤周围多条向外延伸裂纹并在裂缝通道内发现明显碳化痕迹（EDS结果中C含量高达50%），此应为热应力裂纹，裂纹的存在直接导致电容性能异常；而OK样品电容内部电极层连续，陶瓷介质层致密未发现孔洞及镍瘤，电容性能良好。

镍瘤位置碳化痕迹位置NG样品电容内部局部形貌EDS能谱图（镍瘤位置）OK样品电容内部结构空白样品电容内部形貌和EDS能谱图（镍瘤位置）➢失效模式分析：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。

电子产品世界片状多层陶瓷电容机械应力失效分析Mechanical stress failure analysis of chip multilayer ceramic capacitors周 睿，项永金，王少辉，陈秀秀 （格力电器（合肥）有限公司，合肥 230088）摘 要：因片式多层陶瓷电容器脆性较强、抗弯曲能力较差，封装尺寸直接影响电器产品使用寿命。

组装生产过程中对片状多层陶瓷电容产生应力极易导致贴片电容开裂。

本文通过优化电容器选型，更改电容器结构，从根本上杜绝贴片电容机械应力问题。

关键词：片式多层陶瓷电容；机械应力；弹性银层；封装选型0 引言片式多层陶瓷电容器是各电路中重要的电子元器件，因其体积小、电容量范围宽、介质损耗小、稳定性高等优点，被广泛使用在各种电路中。

但在使用过程中片式电容器一旦失效将对整体电路造成严重影响。

因此需对片式电容的选型、失效机理及材质特性进行深入研究分析。

1 片状多层陶瓷电容简介片式多层陶瓷电容器是多层叠合结构，相当于多个简单平板电容器的并联体，之所以采用多层结构是为了以较小的体积获取较大的电容量。

多层片式陶瓷电容器的结构主要包括三大部分：陶瓷介质、金属内电极和金属外电极。

图1所示的多层陶瓷电容器是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极）制成。

图１　片式陶瓷电容结构图１．１　失效特性描述平行电极之间的裂纹主要有两大原因：一是外部机械应力，这种开裂特征基本存在于电极两端，会造成电容器数个平行电极之间开裂。

二是电容器制造过程中的工艺缺陷，在电容器非常窄的两个相邻电极之间产生微裂纹，或电容器电极间存在裂缝，电极之间介质开裂，可导电的污染物夹杂其中，介质介电能力下降而发生漏电甚至击穿。

１．２　材质特性片式多层陶瓷电容通常采用钛酸或钛酸银等陶瓷材料作为电介质，陶瓷材料具有硬脆的物理特性，其塑性形变范围很小，断裂时呈脆性，这使得片式多层陶瓷电容的弯曲形变超过其承受范围时极易产生破裂失效。

热障涂层的陶瓷层剥失效机理与长寿命功能
层级结构设计
热障涂层是一种用于保护高温工作部件的涂层，主要由金属涂层、陶瓷层和粘合层组成。

其中，陶瓷层作为最外层，承受高温氧化、热应力等多重环境作用，容易发生剥落导致涂层失效。

陶瓷层剥落的主要机理包括：
1.化学侵蚀：高温下，陶瓷层易被氧化物腐蚀，从而破坏涂层结构；
2.热应力：由于涂层与基底材料热膨胀系数不同，温度变化会导致热应力产生，进而引发剥落；
3.机械应力：在机械载荷、车间振动等环境下，陶瓷层易受到应力、扭曲或挤压等机械作用，导致剥落；
4.材料疲劳：长期高温、高应力作用下，涂层材料会发生疲劳变形，从而促进剥落的发生。

为解决热障涂层陶瓷层剥落的问题，可以通过设计长寿命功能层级结构来提高其耐久性。

具体措施如下：
1.改善陶瓷层和粘结层的结构，提高涂层整体力学强度；
2.引入多层结构，增强涂层对热应力、机械应力和氧化腐蚀的抗性；
3.优化材料的组成和配比，增强陶瓷层的抗热氧化能力；
4.优化工艺参数，提高涂层沉积质量和陶瓷层粘结强度。

通过以上措施的优化，可以设计出具有较高耐久性的长寿命功能层级结构热障涂层，为高温工业应用提供保护层。

2021年3月电子工艺技术Electronics Process Technology第42卷第2期93摘　要：对多层陶瓷电容器的一种典型失效形式进行研究。

将多层陶瓷电容器焊后进行极限高低温冲击试验，试验发现焊接端头会出现微裂纹。

微裂纹底部与外电极金属边缘重合，裂纹斜向上延伸，与焊接面之间呈锐角。

裂纹贯穿交叠电极时会导致陶瓷电容器的电性能失效。

后续可以根据实际情况为多层陶瓷电容器设计适宜的上下护片厚度、外电极端头宽度及单侧电极宽度，以保证其承受温冲后电性能不受影响，也可通过优化多层陶瓷电容器的结构设计和材料选型，进一步提高多层陶瓷电容器的抗极限温冲的能力。

关键词：多层陶瓷电容器；高低温冲击试验；微裂纹；电极；护片厚度中图分类号：ＴＮ６０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－３４７４（２０２１）０２－００９３－０３Abstract: A kind of typical failure mode of the multilayer ceramic capacitor is studied. The extreme high and low temperature impact test of multilayer ceramic capacitor is carried out after soldering, it is found that micro cracks would appear at the soldering end. The bottom of the micro crack coincides with the metal electrode edge, the micro crack extends obliquely upward with an acute angle to the soldering surface. The micro cracks affect the electrical properties when the cracks run through the overlapping electrodes. The thickness of suitable protective sheet, the width of outer electrode end and the width of one side electrode can be designed for multilayer ceramic capacitors according to the actual situation to ensure that their electrical properties is not affected after high and low temperature impact. However, the structure design and material selection of multilayer ceramic capacitor can be also optimized to improve the ability to resist high and low temperature impact.Keywords: multilayer ceramic capacitor; high and low temperature impact test; micro crack; electrode; protective sheet thicknessDocument Code: A Article ID: 1001-3474 (2021) 02-0093-03MLCC的一种典型失效形式及优化方式A Typical Failure Mode and Optimization Method of MLCC吕晓云，黄栋，叶晓飞，席亚莉，李敏娟LV Xiaoyun, HUANG Dong, YE Xiaofei, XI Yali, LI Minjuan（中国航天科技集团公司第七七一研究所，陕西　西安　７１０１００）( The 771st Research Institute of CASC, Xi’an 710100, China )多层陶瓷电容器（Multilayer Ceramic Capacitor, MLCC）又称为独石电容器（Monolithic Capacitor, MLC），是由陶瓷介质薄膜和金属电极水平交互叠制而成。

多层陶瓷电容器失效分析多层陶瓷电容器的质量控制为一系统工程，首先必须对实际生产中的失效样品进行分析以确定失效的根本原因，在此基础上逐步提出改进措施并最终达到最优化的控制。

前言无源元件(passive component) 在电子产品中占有十分重要的地位。

虽然很多无源元件在整个电子产品中所占的物料价值并不高，但任何一个微不足道的元器件的失效都可能导致整个系统的失效。

一般电子产品中有源元器件(IC)和无源元件的比例约为1：10-20。

从该数据可以看出无源元件质量控制的重要性。

无源元件的类型很多，多层陶瓷电容器(MLCC)是其中最重要，也是用量最大的产品之一。

图1为MLCC的典型结构。

其中导体一般为Ag或AgPd，陶瓷介质一般为(SrBa)TiO3，多层陶瓷结构通过高温烧结而成。

器件端头镀层一般为烧结Ag/AgPd，然后制备一层Ni阻挡层(以阻挡内部Ag/AgPd材料，防止其和外部Sn发生反应)，再在Ni层上制备Sn或SnPb 层用以焊接。

近年来，也出现了端头使用Cu的MLCC产品。

根据MLCC的电容数值及稳定性，MLCC划分出NP1、COG、X7R、Z5U等。

根据MLCC 的尺寸大小，可以分为1206，0805，0603，0402，0201等。

MLCC 的常见失效模式多层陶瓷电容器本身的内在可靠性十分优良，可以长时间稳定使用。

但如果器件本身存在缺陷或在组装过程中引入缺陷，则会对其可靠性产生严重影响。

陶瓷多层电容器失效的原因分为外部因素和内在因素。

内在因素主要有以下几种：1.陶瓷介质内空洞(Voids)导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染，烧结过程控制不当等。

空洞的产生极易导致漏电，而漏电又导致器件内部局部发热，进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。

该过程循环发生，不断恶化，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。

2.烧结裂纹(firing crack)烧结裂纹常起源于一端电极，沿垂直方向扩展。