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[综合] 带您了解片式多层陶瓷电容MLCC的弯曲裂纹

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发表于 24-8-2023 09:32:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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今天介绍一下MLCC的弯曲裂纹问题。MLCC的概念片式多层陶瓷电容(MLCC:Multi-layer Ceramic Capacitors),是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,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端(外电极)。
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MLCC的结构MLCC的内部结构图如下所示:在平行板电容器这一基本结构的基础上,重叠两个电极,在此之间加入介电体,为了存储更多的电荷,MLCC多次重叠了这一结构;其端子电极是由内层铜、镀镍层、镀锡层构成的(这个很像连接器PIN针的镀层结构),内层铜将叠加的内部电极连接起来。
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换一种角度,内部结构可以简化如下图所示,大家可以上下对比。
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MLCC弯曲裂纹的定义与产生原因是指由于PCB上焊接的MLCC因发生大幅度弯曲而形成的裂纹;进一步地,是由于PCBA在制程中基板弯曲而形成的机械应力,导致MLCC出现裂纹;例如PCBA的分板切割、安装螺钉的固定、以及连接器线束的拔插等场景(图片来自于TDK官网)。
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除此之外,焊料过多或不均匀也可能造成电容出现裂纹;之前有过这样一个案例:某个单板在经过温度循环试验后,出现电源短路现象;进一步定位后发现电源处的某个MLCC出现短路,最终定位为出现裂纹造成短路;究其原因,发现这个MLCC是后经手工补焊上的,可能电容两端的焊锡量过多或不均匀,造成应力过大或不均,在经过温度循环试验时,由于基板与电容的膨胀系数不同,最终导致出现裂纹。
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MLCC产生弯曲裂纹的机理上面介绍过电容的内部结构,MLCC的电介质材料为陶瓷化合物,它虽然耐压缩,但不耐拉伸,质地易碎。在PCB的凹形弯曲中,由于作用于该部位的力为压缩力,因此MLCC上几乎不会产生裂纹。
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但在PCB的凸形弯曲中,由于该部位承受的是拉伸力,因此MLCC容易产生裂纹。
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就像把一个薯片粘在一个纸板上,然后弯曲纸板,就造成了裂纹,如下图。
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产生弯曲裂纹这个过程总结如下:
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MLCC产生弯曲裂纹的外观和后果产生的常见裂纹称为45度裂纹,此类裂纹以MLCC的端子电极与陶瓷本体的分界处附近为起点,以45度的角度往上方(弯曲应力方向)延伸,直达MLCC的端子电极外侧,从外部目测很少能够发现弯曲裂纹,需要进一步查看内部;当然,如果该部位承受过大的弯曲时也会发生其他弯曲裂纹。
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在产生裂纹之后,可能直接导致短路,也可能导致开路;不过随着时间推移,即使在开路模式下,潮气以及异物将会渗透到MLCC内部,可能会导致绝缘电阻降低,发展成为短路。(图片来自于TDK官网)
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防止弯曲裂纹的解决方案防止MLCC出现裂纹最有效的方法就是避免对PCB施加多余的外力。例如产品的外壳对PCBA的固定设计,增加PCB的固定孔数量等,都是可以有效降低PCB的受力。
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在PCB上布置器件时,也要考虑将电容远离PCB分割面与螺钉孔周围;在下图中,拼版分割位置处的电容,首先尽量远离分割处,然后电容应该平行于分割线,减少受力(主要思想就是将电容放置垂直于由PCB变形产生的应力的方向)。
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在电容本身的防护上,目前也有很多措施;例如在端子电极中增加导电性树脂层(软端子)、改变内部电极板的结构等。(图片来自于TDK官网)
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总结:上面相关内容参考了几个电容厂家(TDK\村田\KEMET)的内部资料,每个器件厂家的官网上有很多基础知识的介绍,大家可以充分利用下。以上所有,仅供参考。


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发表于 19-3-2025 14:37:02 | 显示全部楼层
好的,我将以汽车工程师的专业角度为您解答关于片式多层陶瓷电容MLCC的弯曲裂纹问题。

片式多层陶瓷电容MLCC由于其独特的结构,如内部电极的复杂构造和多层陶瓷介质的叠加,使得其在某些情况下可能出现弯曲裂纹。这种裂纹通常是由于内部应力分布不均或外部机械冲击导致的。在制造和使用过程中,需严格控制工艺参数,确保材料性能稳定,避免因热应力或其他外部因素导致的裂纹。为预防弯曲裂纹的发生,建议选择高品质的材料,并加强产品的抗冲击性能。如发生弯曲裂纹,建议及时更换损坏的元器件以确保设备性能稳定和安全运行。
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