常见电容种类主要有，贴片电容MLCC、铝电解电容（电解液和聚合物）、钽电容（固态MnO2和聚合物）、薄膜电容和超级电容（EDLC）五大类，主要从元件结构、材料特性和原理、制程和失效机理等方面进行总结。

 

1、不同种类电容的比较

 

1.1电容种类

 

 

图 1 电容的容量和ESR分布

 

1.2特性比较

 

      铝电解（电解液）和固态钽电容的价格相对聚合物铝电解和聚合物钽电容有优势，但在电气参数，如频率特性、温度特性、寿命和可靠性就要差一些。在所有电容中，片式聚合物铝电容具有最小的ESR，特别适用于高纹波电流的场合。

 

      文献[29]对MLCC和固态钽电容进行了多维度的全面比较和分析。

 

表 1 不同种类电容的特性比较

 

 

注：◎: excellent, ○: good, △: normal, ×: bad

 

1.3电容参数的测量条件

 

      根据IEC60384-1-2008  4.7节和4.8节，电容容值、ESR、DF或Q值的测量条件见表 2。

 

表 2 电容参数的测试条件

 

 

参考文献

[1] 固定电容的量、质量评价IEC-60384-1-2008

[2] 电容器的容量测试条件

 

2、贴片电容MLCC

 

2.1 MLCC的结构和制程

 

      贴片电容的结构见图 2，是典型的叠层结构，层数在几百到上千层，主要由介质层、内电极和外电极等组成部分。

 

 

图 2 MLCC电容的结构[13]

 

      MLCC电容的制程见图 3，更详细的请见文献[7]。

      文献[21]给出了内电极为Ni的MLCC制程中关键工序--排胶、烧成、烧端）的工艺流程。

      文献[22][23]指出，Ni层必须在还原性气氛中烧结（在高温空气中烧结，Ni会被氧化，扩散到陶瓷介质中，失去电极功能），而常规BaTiO3则必须在氧化性气氛中烧结，在还原性气氛中，容易产生高温失氧，变成半导体。因此BME金属和BaTiO3陶瓷共烧技术是MLCC的核心技术。

      文献[31]给出了X8R电容介质材料选型、参数和结构设计、可靠性设计、制作工艺、电性能测试的整个设计过程，极具参考意义。

 

 

图 3 MLCC的典型制程[2][3]

 

2.2 介质层

 

2.2.1 瓷膜材料

 

      介质层材料通常分为Class1和Class2两种。

      Class1是温度补偿型材料，顺电陶瓷，最常用的是C0G（NP0，negative-positive 0 ppm/℃）；

     Class2是温度稳定型材料，铁电陶瓷，最常用的是X9R、X8R、X7R、X5R、Z5U、Y5V等。

 

      这些材料都是钛酸钡BaTiO3掺杂其他化合物（纯钛酸钡的介电常数随温度变化较大，不适合制作MLCC[34]），只是Class1材料中BaTiO3含量较少（重量比10~50%），（村田的Class1材料是锆酸钙CaZrO3）；而Class2中BaTiO3含量则很高（重量比80~98%），见图 4。中低压电容的介电层厚度通常在5~7um，先进工艺可以达到0.7um~1um左右；高压MLCC介电层则要稍厚一些；层数在几百到上千层。

 

 

图 4 MLCC的介电材料[4]

 

2.2.2 常见缺陷和失效机理

 

      介质层主要缺陷有介质空洞、介质微裂纹、介质层和内电极的分层等，是DPA分析时的重点观察项。

 

2.2.2.1 介质层孔洞

 

      介质空洞（图 5），GB4027A-2006 2.5.3节b)规定MLCC 介质层中单个或聚集的孔洞厚度大于平均标称厚度的 50％时，判为缺陷。

 

 

图 5 MLCC介质层中的孔洞（KEMET的电容）

 

 

图6 MLCC介质层良好（无孔洞，TAIYO的电容）

 

2.2.2.2 介质和内电极的分层、介质层微裂纹

 

      介质和内电极的收缩率的差异、层间结合力不强、排胶不充分（导致延边分层，分层位置在电容边缘、上下层瓷膜直接接触、没有内电极的位置，图 7（b））、以及烧结工艺控制不当都可能导致介质层和内电极的分层[30]；介质层微裂纹主要是内电极和介质烧结时收缩率的不一致导致的。

 

      介质层和内电极的分层、介质层微裂纹为后续电镀液的渗入提供了条件[30]，一般不会影响电容出厂时的电性能，但会影响产品的可靠性，使用一段时间后出现问题[17]，如绝缘电阻下降、或漏电流增加、耐压下降、或电容击穿等现象。

 

 

图 7 （a）介质层和内电极的无规则分层；

（b）介质层和内电极的延边分层[30]

 

2.3 内电极

 

2.3.1 内电极材料

 

      内电极材料由金属粉料、有机载体和无机添加剂组成[18]。金属粉料作用是形成电容的内电极板，从早期的贵金属Pd—>Ag-Pd合金（Ag含量70%~75%，烧结温度为1100℃左右）—>贱金属Ni或Cu[1]，价格越来越低，图 8。有机载体由乙基纤维素为树脂，配以不同比例的多种溶剂组成，各厂家都有不同的配方，作用是保证内电极浆料印刷图形的质量。无机添加剂（与介质材料同晶相的无机粉体）则是用来匹配烧结时浆料和介质层的收缩率，保证内电极和介质层的紧密结合，避免出现分层或电极开裂[19]。

 

      Ni层厚度对MLCC性能有较大影响，文献[16]对比了不同厚度（0.8um、1.0um、1.2um和1.5um）Ni层对容值、耐焊接热、绝缘电压稳定性影响，结论是1.0um和1.2um最优。但过厚也会导致烧制过程中电极和介质层间的分层[6]。厚度影响的机理是：

      (1) Ni层厚度过小（如0.8um），电极连续性差，容量低，设计相同容量电极层数高，烧结后内电极和外电极连接连续性差，热冲击后容量变化大。

      (2) Ni层厚度过高（如1.5um），产品容量不会提升，热冲击后瓷体因电极和介质收缩差异大易出现瓷体开裂.

      (3) 随着Ni层厚度增加，电极厚度加厚，产品烧结后内应力大，介质存在微裂纹，导致绝缘稳定性变差。

 

 

图8 MLCC内电极材料的物理特性和价格比较[1]

 

2.3.2 常见缺陷和失效机理

 

2.3.2.1 内电极缺损

 

      内电极缺损会导致MLCC电容容量偏低，造成内电极缺损的原因有：叠层和层压时的内电极移位；烧成时内电极内缩过多；倒角时内电极暴露不充分，导致烧端时内-外电极（Ni-Cu）连接不充分等，文献[2]给出了01005 C0G电容倒角和烧端工艺对连接可靠性的影响。

 

2.3.2.2 电极厚度不均或电极结瘤

 

      电极厚度不均匀、电极结瘤（图 9）或电极分叉（图 10）会导致介质的有效厚度减少，GJB4027A -2006 2.5.3节f)规定MLCC电极长度50%以上的厚度大于设计厚度的2.5倍；或电极结瘤使介质厚度减小 30％以上，判为缺陷。

 

 

图 9 MLCC中的电极结瘤[14]

 

 

图 10 内电极分叉[30]（图3-4）

 

2.4 外电极

 

2.4.1 外电极材料

 

      外电极通常是AgNiSn三层结构，由Ag粒子、无机粘结剂和有机粘结剂组成，也有很多低成本MLCC使用CuNiSn，Ag或Cu是通过烧端工艺烧结到MLCC端面上。

 

      某些应用场合，MLCC需要承受温度冲击和机械振动，如汽车电子的ECU、ABS、PGMFI等，这时需要使用柔性端头浆料来替代Ag或Cu，外层还是电镀Ni和Sn。文献[20]中表明，柔性端头MLCC在抗弯曲、抗机械冲击、抗正弦振动、抗冷热冲击方面都优于常规端头MLCC，其中抗弯曲程度由1mm↗3mm；抗冷热冲击由500次↗3000次（-55℃~150℃）。

 

2.4.2 常见缺陷和失效机理

 

      文献[24]对外电极的常见失效模式和失效机理进行了系统的阐述，遇到外电极问题时，可以参考。

 

2.4.2.1 可焊性差

 

      外电极可靠性差的常见原因有（1）外电极的氧化；（2）Ag浆料或工艺不当造成的玻璃料外溢。

 

      外电极的氧化，文献[24]的2.4~2.6节,MLCC如果长期存储，空气中的氧元素和Sn会生成暗灰或棕黑色的氧化亚锡SnO，部分生成二氧化锡SnO2，Sn的熔点为231.9℃，SnO和SnO2的熔点都在1000℃以上，因此在焊接时SnO和SnO2不会熔化，造成外电极可焊性差。

 

      Ag浆料或工艺不当造成的玻璃料外溢，文献[15]和文献[24]的2.1~2.3节，Ag浆料（由Ag粒子、无机粘结剂和有机粘结剂组成）在烧端制程中，由于无机粘合剂中玻璃料（SiO2）含量偏高、或烧银温度偏高、或保温时间过长等原因造成玻璃料的外溢，SiO2不导电，使得电镀Sn时Sn层不连续，SiO2也外露在表面，PCBA焊接时，因SiO2熔断为1600℃，焊接温度为230℃，SiO2无法熔融，从而导致焊接不良。

 

2.4.2.2 渗边现象

 

      渗边现象指，文献[24]的3.1节（1），Ag浆料用料不当，或涂敷烘干时操作不当，Ag浆料中的玻璃相会渗透到MLCC陶瓷体表面上，导致外电极区域之外的部位被镀上金属，发生渗边现象渗边，严重的电容器两面的端电极甚至会完全连接起来，形成桥连。

 

 

图 11 MLCC外电极的渗边现象[24]

 

 

图 12外电极过大

 

2.4.2.3 外电极孔洞

 

      文献[24]的3.1节（2），Ag浆料浸蘸时，如果带入气泡或微裂纹，烧端后，Ag电极可能会存在孔洞或鼓包，图 13；后续电镀NiSn时，电镀液中的酸性溶液可能通过Ag电极的孔洞或鼓包渗透到陶瓷体内，腐蚀电容器电极或瓷体；同时也可能造成NiSn层出现孔洞（图 14）。

 

 

图 13 Ag电极烧端后的孔洞[24]

 

 

图 14外电极电镀后（AgNiSn）的孔洞[24]

 

2.5 选型和应用

 

      MLCC选型时，除了必须确定的容值、精度、耐压、材质（温度特性）、谐振频率等参数外，还需要选择几个品牌的MLCC进行DPA分析，对比工艺质量，发现潜在缺陷，选择最优的品牌。此外特别注意Class2电容的直流偏压特性、老化特性，Class1型不必关注这两个特性。 

 

2.5.1 DPA—发现MLCC制程中引入的缺陷

 

      MLCC制程工序较多（图 3），通过DPA可以观察到制程中的一些缺陷，横向切面和纵向切面都需要观察。

 

 

2.5.2 电气参数的测试

 

      容值、ESR和DF值的测量可以参考1.3　节，更详细当前请见IEC60384-1-2008 。

 

2.5.3 Class2的直流偏置电压特性

 

      直流偏置电压不影响Class1型MLCC，图17，但对Class2型有较大的影响，容值会显著下降，在额定电压时甚至只有额定容值的20%，图 15、图 16和图 18 。与Class2型的老化机理类似，也是晶体结构发生了变化，在直流偏置电压的电场作用下，晶体结构由正立方体变成四方晶体结构，见文献[12]。

 

 

 

 

 

2.5.4 Class2的电容老化机理

 

      Class2型MLCC长时间放置后，容值会下降，DF值会上升（Class1不存在这个问题），这种特性称为老化特性（图 19），老化机理是陶瓷的晶体结构在没有外部电场作用时，会发生自发极化[11]。当Class2型MLCC长时间放置后，可以将电容加热到125℃/4h或150℃/0.5h，电容的晶体结构会复原，容值也会恢复[5]，图 20。

 

 

 

2.5.5 频率特性（多种电容的比较）

 

      电容的阻抗Z和等效电阻ESD会随着频率的改变而改变，图 21给出了MLCC电容的典型频率特性；图 22给出了铝电解、点电容、MLCC和薄膜电容的频率特性。

 

 

 

2.5.6 MLCC的应用注意事项

 

      MLCC应用过程中会受到机械应力、热应力、电应力等应力的作用，最常见的失效机理是机械应力导致的微裂纹（焊端处的45°裂纹），造成漏电流增加绝缘电阻下降、或漏电流增加、或耐压下降。

 

      机械应力可能来自于贴片机用力过大、焊接过程中的温度速率变化过快（如波峰焊、电烙铁或热风枪）、PCBA的分板（MLCC位置过于靠近边缘或与工艺边垂直）、或装配过程中的PCB板弯曲等，常见的形貌见图 23和图 24。更多更详细的信息请见文献[13]的6、7、8节。

 

 

图 23 MLCC微裂纹常见的位置和形貌

 

 

图 24 MLCC崩裂

 

      高Q值MLCC，介质材料为NP0，内电极为AgPd，外电极为AgNiSn。在射频应用中[32]，ESR主要来自于内电极的极板电阻和内外电极的接触电阻，可以通过合理增加内电极层数、合适的内电极厚度、减少电容的长宽比、采用T型内电极、合理的倒角工艺和优化的烧端工艺等方法减小ESR，提高Q值。ESR三种测量方法的对比请见文献[33]。

 

2.6 失效分析

 

      文献[10]给出了MLCC电容的失效模式和失效机理，主要内容见图 25。当发生失效时，请按图索骥进行分析，根据失效场景进行根因查找。

文献[25][26][27][28]给出了很多MLCC的失效分析案例和方法，可供参考。

 

 

图 25 MLCC常见的失效模式和失效机理[10]

 

2.7 参考文献

 

[1] 高温稳定型MLCC新介质材料的研究  赵春杰 硕士论文 2011

[2] 01005规格MLCC电容量异常偏低的研究 李鸿刚    电子工艺技术   2017

[3] MLCC的制程.mp4 国巨电子

[4] MLCC的发展趋势及在军用电子设备中的应用  邓湘云  电子元件与材料 2006年5月第25卷第5期

[5] X7R MLCC General Specifications   AVX

[6] CAP Electrode Development for MLCC KEMET  1992年+1997年

[7] MLCC工艺流程介绍

[8] 玻璃釉电位器用电容浆料的研究   高官明   电子元件与材料  1994年10月第13卷第5期

[9] 厚膜高阻电容浆料的发展概况    张平春   贵金属   1982年8月第3卷第3期

[10] MLCC失效模式和失效机理   Murata

[11] MLCC电容老化机理   Murata

[12] MLCC的直流偏压容值下降的机理  Murata

[13] MLCC电容技术文档-EPCOS 

[14] MLCC电容失效分析总结 王天午 电声技术 2018年第42卷第2期  

[15] MLCC端电极Sn镀层的焊接失效分析 庄立波 电子元件与材料 2009年3月第28卷第3期

[16] MLCC内电极厚度对其性能影响的研究 陈长云 电子工艺技术 2010年

[17]片状多层瓷介电容器可靠性问题分析 宋子峰 世界电子元器件2004

[18] MLCC钯银内电极浆料性能研究  张韶鸽 电子工艺技术 2010

[19] MLCC制造中产生内部开裂的研究 张尹   电子元件与材料 2005年5月第24卷第5期

[20] Ni电极X8R多层陶瓷电容器的制备及性能 陆亨  电子元件与材料 2010年8月第29卷第8期

[21]多层片式瓷介电容器贱金属电极的制造方法  钟建薇  电子元件与材料2004年12月第23卷第12期

[22]多层片式陶瓷电容器电极浆料研究进展 张丽丽 稀有金属快报 2008年第27卷第9期

[23]多层陶瓷电容器的技术现状及未来发展趋势  王俊波  绝缘材料 2008年

[24]片式电容器镀层的电子显微研究   庄立波  硕士论文

[25]多层瓷介电容器失效模式和机理   刘欣  电子元件与材料  2011年7月第30卷第7期

[26]导致 MLCC 失效的常见微观机理  李世岚  电子元件与材料  2007年5月第26卷第5期

[27]多层陶瓷电容器的失效分析   刘燕芳 电子元件与材料  2010年11月第29卷第11期

[28]多层陶瓷电容器银电极电镀锡铅失效原因分析  史勤刚  印刷电路信息  2010

[29] 多层陶瓷电容器与片式钽电容器的应用研究  陈园园  硕士论文  2015

[30] 多层陶瓷电容器质量相关的微观分析研究    史光华   硕士论文   2012

[31]高温X8R陶瓷电容器研究  王勇  硕士论文 2012

[32]射频高Q值MLCC的设计和工艺 陆亨   电子元件与材料  2011年11月第30卷第11期

[33]射频微波高Q值MLCC的ESR测试方法   赵丽颖  第十五届电子元件学术年会 2008年

[34]中温烧结X9R陶瓷材料研究  王新儒  硕士论文 2010

 

注：熔点  铜 1083℃；银 962℃；镍1453℃；锡 232℃ ；钯 1554℃