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PCBA电路板中的MLCC失效检测方法及改善对策汇总!

精益诺自动化 | 精益求精,一诺千金! 2020/06/25 08:59

新知图谱, PCBA电路板中的MLCC失效检测方法及改善对策汇总!

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新知图谱, PCBA电路板中的MLCC失效检测方法及改善对策汇总!

当今电子PCBA硬件终端客户对包工包料的需求日益强烈,传统PCBA厂家由于供应能力弱、价格无优势、货源不稳定、人工效率低,导致转化率低,面临客户越来越少、利润越来越薄的困扰。然而,制造终端工厂在选择PCBA代工代料过程中,又面临难以确认物料的真实性、PCB采购周期不稳定、电子元器件失效、维修困难、资金风险等难题。


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另外一个方面是,相同材质、容量和耐压时,尺寸小的电容要求每层介质更薄,导致更容易断裂。裂纹的危害是漏电,严重时引起内部层间错位短路等安全问题。而且裂纹有一个很麻烦的问题是,有时比较隐蔽,在电子设备出厂检验时可能发现不了,到了客户端才正式暴露出来。所以防止贴片电容MLCC产生裂纹意义重大。

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   关于MLCC失效原因分析及改善措施

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在产品正常使用情况下,失效的根本原因是MLCC 外部或内部存在如开裂、孔洞、分层等各种微观缺陷。这些缺陷直接影响到MLCC产品的电性能、可靠性,给产品质量带来严重的隐患。

外部因素:裂纹
1.温度冲击裂纹(Thermal Crack)
主要由于器件在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致,不当返修也是导致温度冲击裂纹的重要原因。

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当贴片电容MLCC受到温度冲击时,容易从焊端开始产生裂纹。在这点上,小尺寸电容比大尺寸电容相对来说会好一点,其原理就是大尺寸的电容导热没这么快到达整个电容,于是电容本体的不同点的温差大,所以膨胀大小不同,从而产生应力。这个道理和倒入开水时厚的玻璃杯比薄玻璃杯更容易破裂一样。另外,在贴片电容MLCC焊接过后的冷却过程中,贴片电容MLCC和PCB的膨胀系数不同,于是产生应力,导致裂纹。要避免这个问题,回流焊时需要有良好的焊接温度曲线。如果不用 回流焊 而用波峰焊,那么这种失效会大大增加。

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MLCC更是要避免用烙铁手工焊接的工艺。然而事情总是没有那么理想。烙铁手工焊接有时也不可避免。比如说,对于PCB外发加工的电子厂家,有的产品量特少,贴片外协厂家不愿意接这种单时,只能手工焊接;样品生产时,一般也是手工焊接;特殊情况返工或补焊时,必须手工焊接;修理工修理电容时,也是手工焊接。无法避免地要手工焊接MLCC时,就要非常重视焊接工艺。

2. 机械应力裂纹(Flex Crack)
MLCC多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力,但抗弯曲能力比较差。器件组装过程中任何可能产生弯曲形变的操作都可能导致器件开裂。
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常见应力源有:贴片对中,工艺过程中电路板操作;流转过程中的人、设备、重力等因素;通孔元器件插入;电路测试、PCBA板分割(v-cut or 铣刀分板);电路板安装;电路板定位铆接;螺丝安装等。该类裂纹一般起源于器件上下金属化端,沿45℃角向器件内部扩展。该类缺陷也是实际发生最多的一种类型缺陷。

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1、产生机械应力因素:
①测试探针导致PCB 弯曲;
②超过PCB 的弯曲度及对PCB 的破裂式冲击;

可采用的应对措施 :
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③吸嘴贴装(贴装吸嘴下压压力过大及下压距离过深)及定中爪固定造成冲击;
产品在电路板贴装时,不应该受到过大的冲击,必须定期对吸头和定位爪进行检查、维修和更换。

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④过多焊锡量(如一端共用焊盘)。

⑤手工焊接环节:焊接过程烙铁头或防静电镊子按压器件本体、器件两端头焊锡量过多或不均匀,可造成开裂,见图8。

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⑥印制板清洗环节:手工清洗用力过大、清洗方法错误或清洗刷头过硬,可造成开裂;若器件在前工序已造成了内部裂纹存在,则MLCC在清洗工序中可能造成电极和陶瓷本体脱落的现象。

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2、机械应力裂纹产生原理:
MLCC 的陶瓷体是一种脆性材料。如果PCB 板受到弯曲时,它会受到一定的机械应力冲击。当应力超过MLCC 的瓷体强度时,弯曲裂纹就会出现。因此,这种弯曲造成的裂纹只出现在焊接之后。

1) PCB 板弯曲时在不同位置受到的应力大小不同:元件装配接近PCBA分板点

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应力大小对比:1>2≈3>4>5

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2) PCB 板弯曲导致的开裂(产品摆放方向):开裂产生于产品接近或者垂直于分板线
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3) 焊锡量过多引起PCB 板弯曲导致开裂:过多的焊锡量

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内部因素:空洞、裂纹、分层
1.陶瓷介质内空洞 (Voids)
导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染,烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电,而漏电又导致器件内部局部发热,进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生,不断恶化,严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸,甚至燃烧等严重后果。

2.烧结裂纹 (Firing Crack)
烧结裂纹常起源于一端电极,沿垂直方向扩展。主要原因与烧结过程中的冷却速度有关,裂纹和危害与空洞相仿。

3.分层 (Delamination)
多层陶瓷电容器(MLCC)的烧结为多层材料堆叠共烧。烧结温度可以高达1000℃以上。层间结合力不强,烧结过程中内部污染物挥发,烧结工艺控制不当都可能导致分层的发生。分层和空洞、裂纹的危害相仿,为重要的多层陶瓷电容器内在缺陷。

  SMT回流焊接  

工艺的改进 

工艺方法选择上应多考虑MLCC的温度特性和尺寸,避免热应力造成的缺陷。比如1210以上的大尺寸MLCC,在选择焊接工序时,不宜采用波峰焊接,因为大尺寸的电容导热设计不如小尺寸,容易造成电容受热不均匀,从而产生破坏性应力。而一但焊接方法确定为波峰焊接或回流焊接时,应注意焊接设备的温度曲线设置,温度曲线应由授权的工艺技术人员负责设定,验证、修改和发布;参数设置中跳跃温度不能大于150℃,温度变化不能大于2℃/秒,预热时间应大于2分钟以上,焊接完毕不能采取辅助降温设备,应自然随炉温冷却。
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典型有铅的MLCC波峰焊接曲线见图
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典型有铅的MLCC回流焊曲线见图
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连接器附近加装滤波电容,进行连接器插拔时,若连接器周围没有板面支撑设计,PCB板产生翘曲变形也可导致附近的器件产生裂纹,因此可考虑在连接器周围增加安装孔或垫柱设计,以减少插拔过程印制板的变形。其次,从工艺设计流程上进行优化,通过制作托盘工装,将丝网印刷→表面贴装→回流焊接→裁板这种工艺流程改为表贴喷印→表面贴装→回流焊接工艺流程,以托盘工装为载体连接各小板,可省去拼板后再裁板的工步,下图为某产品使用托盘工装后的效果图。

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表1 预热时间要求

   MLCC失效的检测方法

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对于外部缺陷,通常采用显微镜下人工目测法或自动外观分选设备。而内部微小缺陷一直是MLCC检测的难点之一,它严重影响到产品的可靠性,却又难以发现。超声波探伤方法能够更精确地检测出MLCC内部的缺陷,从而分选出不良品,提高MLCC的击穿电压与高压可靠性。


关于超声波探伤仪
利用超声波的穿透与反射(表面波和底波)的特性来检测物体中的缺陷。 采用超声波探伤仪能准确地找出有缺陷的MLCC 产内部微缺陷,并且能够确定缺陷的位置,进一步的磨片分析,对于发现有内部缺陷的产品则采用整批报废处理,表明了超声波探伤方法在MLCC内部缺陷的检测、判定上的有效性与可靠性。
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正常样品: 样品扫描照片整体颜色为绿黄色,表示样品本体显示正常。部分样品边缘出现红蓝色,是由于样品边缘表面高度不均匀造成,属于正常现象。
异常样品: 样品本体颜色会出现红蓝色,则会再次对可疑样品进行扫描确认。
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超声波扫描后的样品成像如图

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其他元器件及IC产品失效分析

不止MLCC失效分析,还可以对其他电子元器件及IC产品进行失效分析。电子元器件 失效分析对产品的生产和使用都具有重要的意义,通过分析工艺废次品、早期失效、试验失效、中试失效以及现场失效的样品,确认失效模式、分析失效机理,明确失效原因,最终给出预防对策,减少或避免失效的再次发生。 新知图谱, PCBA电路板中的MLCC失效检测方法及改善对策汇总!
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常见的IC失效模式
失效模式:静电损伤、金属电迁移、芯片粘结失效、过电应力损失、金属疲劳、热应力、电迁移失效、物理损伤失效、塑料封装失效、引线键合失效
失效检测分析方法
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01

电特性测试: 通常应用于失效分析初步阶段,目的是通过掌握样品电参数或功能失效状况,方便为进一步分析作准备。

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02

观察量测: 通过观察IC外部/内部外观&结构,确认IC异常位置及具体状况。该类测试一般与DPA(即破坏性物理分析)结合使用。

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03

DPA破坏性测试: 通过液体侵蚀、机械破坏、激光切割等破坏方式,对IC内部具体失效位置进行定位及呈现。
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04

可靠度测试: 是通过使用各种环境试验设备,模拟气候环境中的高温、低温、高温高湿以及温度变化等情况,验证IC寿命及性能稳定性。
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结论:
MLCC属于新型电子元器件,是电子信息产品不可或缺的基本组件之一;它在各类军用、民用电子产品的多种电路中被广泛应用。因此,MLCC的装焊质量控制显得尤为重要,所以产品的可靠性不仅是设计出来的,也是生产出来的,而检验只能验证产品的可靠性,不能提高产品的可靠性;从产品设计、生产工艺、过程管控三管齐下,才是实现高可靠MLCC装焊的三个基本途径。

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来源:SMT行业头条
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