陶瓷電容內部為何會產生裂紋？| PCBA失效漏電分析

MLCC 是由印好電極（內電極）的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來，經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），成一個類似獨石的結構體，也被稱為獨石電容器。

MLCC具有體積小、比容大、壽命長、高頻使用時損失率低、可靠性高等優點，在電子設備和電路中扮演著重要的角色。

背景

某PCBA在待機狀態下漏電，初步懷疑是陶瓷電容失效，現分析其失效原因。

測試分析

1 失效現象復現

對NG PCBA#1、#2、#3和OK PCBA進行上電，給正負極之間加載3V電壓，測試PCBA在上電后的漏電流。

復現結果表明：NG PCBA#1、#3上電后的漏電流比OK PCBA上電后的漏電流偏大，#2無明顯差異。NG PCBA穩定后的漏電流分別為33.8uA，25.2uA，161.5uA，OK PCBA穩定后的漏電流為24.7uA。

2 外觀檢查

對NG PCBA上懷疑失效的陶瓷電容進行外觀檢查，檢查結果表明：外觀無裂紋，刮傷等明顯缺陷。

4 無損透視檢查

對NG PCBA上懷疑失效的陶瓷電容內部結構無損透視檢查，結果表明：陶瓷電容內部致密，無損透視檢查未能穿透樣品。

5 電參數測試

取下#1~#2失效PCBA懷疑NG電容進行容值、損耗、絕緣電阻進行測試。測試結果表明：#1PCBA、#2PCBA上的電容絕緣阻抗明顯比未使用的OK電容偏低，如下表所示。

6 Thermal EMMI

前面分析可知：#1PCBA、#2PCBA懷疑NG電容阻抗明顯異常、漏電偏大，因此利用Thermal EMMI 定位對#1、#2電容漏電位置進行準確定位。

定位結果顯示：#1、#2電容內部存在異常亮點，亮點位置主要集中在端頭部位，如圖：

7 切片分析

前面分析可知：#1、#2電容內部存在異常亮點且集中在電容端頭部位，因此對#1、#2電容進行定點切片及#4PCBA、OKPCBA上的電容進行切片確認，測試結果如下：

（1）#1~#2電容邊沿有裂紋，裂紋延伸到內電極區域，如圖8~10；

（2）#3電容邊沿與內電極都存在裂紋，如圖11；

（3）OK PCBA上電容存在裂紋，裂紋延伸到電容中間部位,如圖12。

測試結果表明：電容失效的主要為內部存在機械應力裂紋，裂紋延伸到內電極區域導致絕緣阻抗下降。OK PCBA上電容同樣存在裂紋及延伸到電容中間區域，證明OK PCBA也存在漏電，只是存在程度上的差異，OK PCBA存在漏電風險。從在板電容的切片形貌上觀察，電容靠近單板一側的裂紋更嚴重。

總結與分析

結論：PCBA待機狀態下漏電直接原因為陶瓷電容內部存在機械應力裂紋，根本原因是電容受到壓力后內部產生裂紋導致的。

切片結果顯示陶瓷電容內部存在機械應力裂紋，裂紋伸到了內電極區域，導致電容絕緣阻抗下降。

電容產生機械應力裂紋的原因為：由于陶瓷電容是由硬而脆的陶瓷材料制成，這種材料對單板變形產生的應力比較敏感，如圖13所示，當單板向下彎曲變形時，電容就受到張力，應力集中點位于電容焊端與本體交接處的上部（這個位置往往是應力集中點），裂紋也會出現在這兩個部位，當單板向上彎曲變形時，電容受到壓力，應力集中點位置電容焊端與本體交接處的下部，裂紋也會出現在這兩個部位。

圖13 單板變形應力分布圖

根據上面的分析可知，電容受到額外的應力作用時，裂紋會在應力集中點產生，如圖14所示，電容受到向上的應力，底部焊端和焊料的交接處為應力集中點，這個位置就成為薄弱環節，容易產生裂紋。本案中靠近電容靠近單板一側裂紋更嚴重，與PCB受到壓力時電容產生的裂紋一致，故判斷失效電容所在單板在受到了壓力，導致電容內部產生了與焊接面成45°角的裂紋，最終導致電容失效。

圖14 應力與裂紋對應關系圖

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