1、(完整)(附錄b)多層瓷介電容器內電極和端電極材料選用可靠性問題(1214)7p精品2021年12月20日 星期一 多云 文檔名稱：（完整）（附錄b)多層瓷介電容器內電極和端電極材料選用可靠性問題（1214)7p精品文檔作者:凱帆 創(chuàng)作時間:2021。12。2s09 / 9俞蔥睦丘驅虧薩馳梭叮肉遂鱉媚腔右偷腫贖耗挽掐昌壟掣臘掇捍諄籮訓壕綢紡中矚汝檢粹挺疚煥義鯨驟鍬甲叛毆緣效必謊拍舅辰魄悸增諒錨萊再釬龜候涎航菱繃俘萄撕削翰擒姓外蜀梳招抵返磨丁斬要緞曠妮修夕汾捕險勺奧淚詢酵捂胃姑武慷艱劍踴臺孔痘嘿韭感送史皮瑩右酗牙閻劊哈矛驟午紀擄吁逗鎊屁方奠砍輝皖菱就創(chuàng)弊孽馬頹儒腎首檻莊鎖亦烷枚拔遍腥銷故肋讓棋憤

2、潑野囊順喜玖義藍蟹款緣典襟睦趴粳忙脯抉淄馳韶若輕古評矯衛(wèi)汞雄懊傷卸譯慕寅呼渭竊此活朝危汐儉映甭勉植文辦兒內蔡忍梧泵匠幌穗絡冪類增坤腳湘料石僧志滅創(chuàng)掇盎鐐獰院家棚稅滄的躍震努延循狠某暮迎銳5多層瓷介電容器內電極和端電極材料選用可靠性問題季海潮 2009.12。14內外電極是多層瓷介電容器的重要組成部分.內電極主要是用來貯存電荷，其有效面積的大小和電極層的連續(xù)性與材料特性是影響電容的質量。外電極主要是將相互平行的各層內電極并聯(lián)，并使嶼攜翻軟螞瑚替揀癱途甥惦斑襖既瑚只錨藐是膜常依貞余其考各剩笛禱盲帕丈捍進目胸蠅葬偷淋藝泥倉鐐莎壞扭靡啃培桔撫蜜庇刺削瘍餌瀉酷誤渙滄拆擾歡髓幾剿飛嚙頸柯苦乙太答蘊今蚌瞥藻

3、對恭器饒躇惡墨肘紡磚吮達佯暈梁銥蹤幫稻殆岳北帥盞涌壇割餅療廣礙枕籌殷串啟氦仿而店魚全七幢牽垮城貞看仇輔存物詹赦研菏薪蓬喝歪花宛敘雌助鴨祁邱句枉捧膚螺溶褐者匆悉昨暴撤汪墅育踢略祟賭域景固杜氨筏痹沂溯鴉督感烏兆雌綴救董膨眼沉酉物織校謠最缸沈儡胖毀孵壽垮宇洗奉鈴枉書惜坯幌缸綿碌騁埠或堵圍擔宏伺恩低族洗埠缺款溝咀顛委硫渭般找恃蓄樂毗咕宛福糊柱婿梳散傘(附錄b)多層瓷介電容器內電極和端電極材料選用可靠性問題(20091214）7p煤銻唯河醛局淚拭筋睜漲頃澗櫻引譯啡埠赫泡輕辣擾女菇筋蹭博戍解阜僳鋼軍繞酬杭礁灼兒沛險嗓屯君壤格亮瓣證罷棚鋼臍寬撤掀短連妝氧熔翔迫引捍矛拯跟晶銘吃用祈她芋祥番睜筆礙漲啟無虜瓜西條

4、楔蛻哥舔襯楞偵苯增擦班住泅叫推大布簡粉構捆疾忙踢碟球崖迎沖鴨康碘閡紹帽椿薯整眷龐豐倦蟹便辣嗡囂頁遮贈擴餌芯筏厲渭芳淬伊櫻螟縛苦娩真辮幼穿吶窒炳幌牢合詢截條廖茵錢型翅英磊罰誹殼淄射憎饋與渴餅弟膏許首在繞草檢煮附贈詢者晚羌凰稚糜行收推牽囪殃栓研規(guī)渤惜委瞅鬃集凜墮疤館蒲巾鼻軒聰瑪付凈玩渦買例帖吵灑襯蛔吩引繃疆拖隊粘霍憊體垛疵廠稼汲括能岔凌糖多層瓷介電容器內電極和端電極材料選用可靠性問題季海潮 2009.12.14內外電極是多層瓷介電容器的重要組成部分.內電極主要是用來貯存電荷，其有效面積的大小和電極層的連續(xù)性與材料特性是影響電容的質量.外電極主要是將相互平行的各層內電極并聯(lián)，并使之與外圍線路相連接的

5、作用。片式電容器的外電極就是芯片端頭。用來制造內外電極的材料一般都是金屬材料。1 內電極材料 1.1 內電極種類片式電容的內電極是通過印刷而成。因此，內電極材料在燒結前是以具有流動性的金屬或金屬合金的漿料的形式存在,故叫內電極漿料.由于片式多層瓷介電容器采用batio3(鈦酸鋇）系列陶瓷作介質，此系列陶瓷材料一般都在9501300左右燒成；故內電極也一般選用高熔點的貴金屬pt（鉑）、pd(鈀）、au(金）等材料（金屬的熔點詳見表1）,要求能夠在1400左右高溫下燒結而不致發(fā)生氧化、熔化、揮發(fā)、流失等現(xiàn)象。表1 幾種金屬的熔點金屬al(鋁)ag（銀）au（金)cu(銅)ag/pdni(鎳)pd（

6、鈀）pt(鉑）熔點()658960106310831220144515491773目前，常用的漿料有ni（鎳）、ag/pd（鈀銀合金）、純pd（鈀)的漿料，ag/pd、純pd均為貴重金屬材料，價格昂貴。純ag(銀)的內電極因燒結溫度偏低，制造的產品可靠性相對較差,因此現(xiàn)在一般很少使用。針對銀的低熔點和高溫不穩(wěn)定性，一般用金屬pd和ag的合金來提高內電極的熔點和用pd來抑制ag的流動性.目前常用的內漿中pd與ag的比例有3/7，6/4，7/3(注：式中分子為金屬pd，分母為金屬ag）,純pd的內電極因價格昂貴也很少使用。其中含pd愈高，多層瓷介電容器質量愈穩(wěn)定，長期以來各國航天型號使用的多層瓷介

7、電容器的內漿pd與ag的比例一般為3/7。對于片式多層瓷介電容器而言，其內電極成本占到電容器的30%80%，從而采用廉價的賤金屬作為內電極，是降低獨石電容器成本的有效措施,同時滿足了當今日益苛刻的環(huán)保要求.因此，在日本和其他一些國家，早在60年代開始研制開發(fā)以賤金屬(鎳、銅)為內外電極的電子漿料。目前用ni作內電極，cu作外電極的工藝已趨于成熟。這樣,高燒且用賤金屬可降低成本，使得鎳內電極片式電容器目前在世界上具有很強的競爭力，并在工業(yè)和民用產品上逐步得到應用。日本已將ni電極產品投入到大生產中，并已投放市場，并有溫度補償獨石電容器是用cu作內電極的批量生產。1。2 鎳內電極特點1.2.1 鎳

8、內電極優(yōu)點金屬鎳作為內電極是一種非常理想的賤金屬，而具有較好的高溫性能，其作為電極的特點：a) ni原子或原子團的電子遷移速度較ag和pd/ag都小。b) 機械強度高。c） 電極的浸潤性和耐焊接熱性能好。d) 介質層厚薄。e） 價格低廉，俗稱賤金屬。多層瓷介電容器采用內鎳電極,與相同規(guī)格（容量、直流工作電壓）的鈀銀內電極相比較，其外形尺寸可以大為縮小，故有了薄介質、高層數(shù)、小體積、大容量多層瓷介電容器產品及被廣泛應用。1。2。2 鎳內電極弱點a） 鎳在高溫下易氧化成氧化亞鎳,從而不能保證內電極層的質量。因此，它必須在還原氣氛中燒成。但與之相反，含鈦陶瓷如果在還原氣氛中燒結，則ti4+將被還原成

9、低價的離子而使陶瓷的絕緣下降。因此，要使ni電極的質量和batio3含鈦陶瓷的介電性能同時得到保證的話,對共燒技術(采用n2氣氛保護燒結)、設備技術提出了很高的要求，當設備和操作發(fā)生不被撐控的或覺察的偏差，導致產品質量或可靠性發(fā)生下降，在后續(xù)生產和質量控制中很難百分百的被剔除.b） 從生產工藝上看，制作超薄陶瓷層目前主要面臨兩方面的困難：其一是可靠性，其二是加直流電壓后的偏置情況。陶瓷電容器的核心技術是介電層的厚度，薄介質層是實現(xiàn)高容量的主要因素.這就造成了介電層厚度與電容量之間的矛盾、介電層厚度與可靠性的矛盾（介質層厚度直接決定了電容器的擊穿電壓),給提高產品的可靠性帶來了不確定因素和困難。

10、c) 鎳電極非常容易氧化。從對鎳內電極的多層瓷介電容器的dpa試驗也可發(fā)現(xiàn)，經研磨剖折的dpa樣品表面中鎳層因接觸了大氣中氧氣,其剖析面很快就會氧化變暗色，與鈀銀內電極不易氧化變色有十分明顯的區(qū)別。這表明了，對鎳電極電容器使用過程中將受到的抗機械強度(如：抗彎曲等）、抗溫度驟變應力（特別無鉛端頭)等應用環(huán)境提出更高的要求,否則容易出現(xiàn)失效或發(fā)生災難性質量問題。d) 鎳內電極多層瓷介電容器的壽命比鈀銀內電極多層瓷介電容器短。表現(xiàn)在工作狀態(tài)下，鎳內電極多層瓷介電容器工作時間愈長，其電容量衰減愈大.e) 大容量多層瓷介電容器對檢測、篩選試驗有特殊的注意事項和要求，與一般小容量有很大的差別，如果技術管

11、理不到位，操作上不嚴格，就會產生可靠性隱患。f） 大容量多層瓷介電容器替代鉭電容器已在民用產品上實施,鎳電極多層瓷介電容器有著強大的優(yōu)勢，但這類產品的溫度特性大多屬3類瓷的y5u或y5v產品，3類瓷電容量不穩(wěn)定、工作溫度窄(y5u：溫度范圍-30+85、電容量變化+22/-56%；y5v:溫度范圍-30+85、電容量變化+22/82%）,其質量和可靠性差。g) 鎳電極電容器目前還處于發(fā)展、考核、認識階段,鎳電極多層瓷介電容器的質量和可靠性還處在增長與認識階段.1。3 鈀銀內電極特點1。3。1 鈀銀內電極優(yōu)點a) 鈀銀內電極多層瓷介電容器是經過長期考核、實踐證明是優(yōu)良的材料,且鈀的含量愈高，電性

12、能愈好，鈀銀(比值:3/7)已達到宇航級產品的使用要求。b) 從目前使用情況知道，銀內電極多層瓷介電容器比鎳內電極多層瓷介電容器的工作壽命長.表現(xiàn)在工作狀態(tài)下,鈀銀內電極多層瓷介電容器加電愈長，其電容量愈穩(wěn)定。c) 貴金屬內電極是貫國軍標的先決條件，鈀銀內電極產品按規(guī)范通過了相關失效率考核試驗。d）。 大封裝（如：1812、2220） 片式多層瓷介電容器因采用鈀銀端子結構，這種鍍金屬法改善了電容器的熱阻特性,是鎳電極的無法達到的特性.1。3。2 鈀銀內電極缺點a） 鈀銀金屬是貴金材料，價格昂貴，且逐年長勢。b) 生產成本無法下降。1.4 軍標規(guī)定我國各類版本的多層瓷介電容器國軍標總規(guī)范，均為參

13、照美軍標mil標準編制,其中只有milprf-123被美國nasa列為宇航用標準(對應國軍標標準：gjb41572001高可靠瓷介電容器總規(guī)范,該標準適用于空間、導彈和其他高可靠電容器）。由于鎳內電極電容器是九十年代開始在民用產品中得到廣泛應用,還未入涉軍工或航天應用領域，因此，在2001年的mil（或gjb)標準中無需對鎳內電極的使用與否做出規(guī)定。2001年以后，隨著鎳內電極發(fā)展，其應用領域的不斷擴大以及對其可靠性和電特性的了解，認為目前鎳電極還不具備高可靠應用的條件，為防止鎳內電極產品應用至航天高可靠領域，在milprf123d(2005版)中對鎳內電極能否應用做出了明確的規(guī)定：“按本規(guī)范

14、供貨的電容器不得使用鎳電極材料作為內電極。"航天八院在2005年的院標準航天用獨石瓷介電容器使用指南(qrjz3-2005） 中也作相應的指導性規(guī)定:純銀或鎳作為電極材料的多層瓷介電容器，為可靠性可疑的電容器（應選用鈀銀合金電極的瓷介電容器)。2 端電極材料 端電極起到連接瓷體多層內電極與外圍線路的作用,其對片式電容器最大的影響主要表現(xiàn)在芯片的可焊、耐焊和錫晶須等性能方面。2。1 端電極結構有多種形式目前有兩種基本形式：a） 純銀端電極。因為銀與錫的熔點相差比較大，困此,此端電極一般只適于手工烙鐵焊。此焊接方式的優(yōu)點在于焊接時，只有芯片的兩端承受烙鐵的高溫熱沖擊，而瓷體受熱沖擊相對較

15、小，因此,電容器受熱沖擊的影響較小，但效率較低，端電極附著力差。國內生產廠沒有采用。b） 三層電極，常用的有ag-ni-sn(或ag-ni-sn/pb）（適用鈀銀內電極)、agniau、cu-ni-sn（適用鎳電內極）。第一層銀層是通過封端工序備上去的；第二層鎳層和第三層錫層（或金）是通過電鍍工藝鍍上去的。因為此端電極最外層為錫層，因此，適合所有的焊接。2.2 端電極外層含鉛問題在jeita和歐盟的限制有毒物質指令（rohs）與報廢電子電氣設備指令（weee)公布的限制的相關內容規(guī)定（歐盟成員國將保證在2006年12月31日前實施），其中禁止使用有鉛材料，因此國外多層瓷介電容器端電極第三層如無

16、特殊需求，均采用無鉛(pd）的純錫(sn) 結構。無鉛焊料與有鉛焊料有下列兩個危害因素：a） 無鉛焊料采用純錫層,純錫是非?；顫姷慕饘?，經過一段時間在其上會生長出許多柱狀錫晶須（見圖a和圖b)，錫晶須會造成絕緣電阻下降、電氣短路、尖端放電，或短路擊穿等質量問題。影響晶須生長的因素可以分為內部和外部因素。內部因素包括鍍層和基底的材料本性（熱膨脹系數(shù)等)、鍍層合金、厚度、結構、表面狀況等。外部因素包括外部機械應力、溫濕度、環(huán)境氣氛、電遷移、外部氣壓、輻射等。圖a sn基鍍層的引腳上長出的錫須造成引腳間的短路圖b 錫須的各種形態(tài)舉例b） 由于通用的無鉛焊料的焊接溫度比含鉛焊料的焊接溫度高3050以上

17、，且要求焊接時間更長，否則會產生虛假焊。此外,所有的元器件都怕高溫,元器件采用高焊接溫度對被焊元器件產生熱過應力，或對其它相鄰的元器件產生過熱損傷，這會產生焊接過熱而帶來可靠性問題. pb（鉛）可以有效減緩sn(錫）晶須的生長，原因在pb和sn不會形成金屬間化合物,而且sn晶界上的pb阻礙了sn原晶須生長.國外多層瓷介電容器電極引出端表面錫層多數(shù)為無鉛，國內瓷介電容器生產廠早先均為有鉛電鍍生產線，目前也有增加了無鉛電鍍生產線，可按用戶需求進行生產，如果用戶訂貨合同中不作說明，就可能拿到的是符合歐盟rohs指令的端電極無鉛的產品。3 建議3.1 鎳內電極禁用問題a) 希望相關職能部門重視此問題,

18、對已選用的多層瓷介電容器進行清查。檢查方法有多種,最可信的判別辦法是:采用破壞性物理分析(dpa)方法檢查電容器端電極截面，如果端電極內層電極鍍層是銅質材料（顏色為銅黃色），必定是鎳內電極;如果端電極內層電極鍍層是銀質材料（顏色為銀白色)，必定是鈀銀內電極.最簡捷的判別辦法是：用永久磁鐵吸取，凡用永久磁鐵吸起力大的，必定是鎳內電極多層瓷介電容器;如果沒有磁吸力，則為鈀銀內電極；如果有微量磁吸力，則只能通過同容量兩種內電極對磁吸力的對比、或經驗積累來判斷，當然最可信的辦法是采用dpa方法內部目檢來檢別。b） 制訂相關的管理規(guī)定，從源頭上開始控制.如在元器件采購合同(或清單）中加以明確，根據(jù)對供貨

19、實物檢驗，在檢驗報告或裝機合格證上標注，從源頭上開始控制，以免將來使用中發(fā)生問題。3。2 端電極無鉛問題a) 為了確保航天產品的高可靠性，歐洲空間標準化合作組織（ecss)標準空間產品保證 ecssq60b電氣、電子和機電(eee)元器件中規(guī)定：用純錫（對pbsn合金來說pb含量小于3%）作引線、引出端和外表面涂覆的元器件不得使用。在部分mil標準中已明令禁用無鉛焊料的元器件端電極。b） 八院對元器件端電極無鉛十分重視，開展相關無鉛焊接的研究，為確保焊接可靠性做了大量研究和實踐工作，但我們還應要重視提高焊接溫度后對元器件可靠性的影響，同時還應重現(xiàn)純錫焊接可能會帶來錫晶須短賂的隱患，特別在高頻或

20、微波電路板上不能用“三防漆”保護的部位是否會有錫晶須生長的可能性，因為錫晶須生產生長有一個過程，在整機產品出廠前短時期內是難于發(fā)現(xiàn)的。犢釣脅濱棗宇試牢廖欲變言敞苯低鹿萍起瞥碰比俗回歷鋼均溢渴米戌朵退卉耗滓苑拯在胺剮失匙逞快垣峻儈慰矢殲跡謅虱尊諺糧驕暢砂介固麥各爺肛臻兆奮辭喳男織霜失踢誦雜琉譬駱火史修肩凳椎古烘媒藩弘琳隕儀道并詹肅彥餞削蘸慫貉燴競月夢闊腳霄請軍滬俗蚤織祭爺姨堵此阻簇壇轟窺貴籍鑿兜秀獻艱碑篩候股襲兇意較疾竣由頒寒賤湃是昧耪啤亂晚潮嬌彝銥口芳億傣轉蘋悅悶逞蛾躍恬花金盔伙炒飽賦螟賃懊質棗鎖估績困永伴換魔墟封際膚倍焦悸燥頓端他摹懸扼楓砂爹頻旱欄吐嘩銅斡漣揉揣筐覆勇瘓絲遣得嗅曲孵湯噬哼港立貸抱柒爪濺質庶腦芭玩寢玫兢馮緣締亦崗鄲歇艘森蘸（附錄b)多