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贴片电容断裂原因分析

来源:贴片电容 发布时间:2017-07-11 浏览:1672

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。

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