陶瓷电容内部为何会产生裂纹？| PCBA失效漏电分析

MLCC 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层（外电极），成一个类似独石的结构体，也被称为独石电容器。

MLCC具有体积小、比容大、寿命长、高频使用时损失率低、可靠性高等优点，在电子设备和电路中扮演着重要的角色。

背景

某PCBA在待机状态下漏电，初步怀疑是陶瓷电容失效，现分析其失效原因。

测试分析

1 失效现象复现

对NG PCBA#1、#2、#3和OK PCBA进行上电，给正负极之间加载3V电压，测试PCBA在上电后的漏电流。

复现结果表明：NG PCBA#1、#3上电后的漏电流比OK PCBA上电后的漏电流偏大，#2无明显差异。NG PCBA稳定后的漏电流分别为33.8uA，25.2uA，161.5uA，OK PCBA稳定后的漏电流为24.7uA。

2 外观检查

对NG PCBA上怀疑失效的陶瓷电容进行外观检查，检查结果表明：外观无裂纹，刮伤等明显缺陷。

4 无损透视检查

对NG PCBA上怀疑失效的陶瓷电容内部结构无损透视检查，结果表明：陶瓷电容内部致密，无损透视检查未能穿透样品。

5 电参数测试

取下#1~#2失效PCBA怀疑NG电容进行容值、损耗、绝缘电阻进行测试。测试结果表明：#1PCBA、#2PCBA上的电容绝缘阻抗明显比未使用的OK电容偏低，如下表所示。

6 Thermal EMMI

前面分析可知：#1PCBA、#2PCBA怀疑NG电容阻抗明显异常、漏电偏大，因此利用Thermal EMMI 定位对#1、#2电容漏电位置进行准确定位。

定位结果显示：#1、#2电容内部存在异常亮点，亮点位置主要集中在端头部位，如图：

7 切片分析

前面分析可知：#1、#2电容内部存在异常亮点且集中在电容端头部位，因此对#1、#2电容进行定点切片及#4PCBA、OKPCBA上的电容进行切片确认，测试结果如下：

（1）#1~#2电容边沿有裂纹，裂纹延伸到内电极区域，如图8~10；

（2）#3电容边沿与内电极都存在裂纹，如图11；

（3）OK PCBA上电容存在裂纹，裂纹延伸到电容中间部位,如图12。

测试结果表明：电容失效的主要为内部存在机械应力裂纹，裂纹延伸到内电极区域导致绝缘阻抗下降。OK PCBA上电容同样存在裂纹及延伸到电容中间区域，证明OK PCBA也存在漏电，只是存在程度上的差异，OK PCBA存在漏电风险。从在板电容的切片形貌上观察，电容靠近单板一侧的裂纹更严重。

总结与分析

结论：PCBA待机状态下漏电直接原因为陶瓷电容内部存在机械应力裂纹，根本原因是电容受到压力后内部产生裂纹导致的。

切片结果显示陶瓷电容内部存在机械应力裂纹，裂纹伸到了内电极区域，导致电容绝缘阻抗下降。

电容产生机械应力裂纹的原因为：由于陶瓷电容是由硬而脆的陶瓷材料制成，这种材料对单板变形产生的应力比较敏感，如图13所示，当单板向下弯曲变形时，电容就受到张力，应力集中点位于电容焊端与本体交接处的上部（这个位置往往是应力集中点），裂纹也会出现在这两个部位，当单板向上弯曲变形时，电容受到压力，应力集中点位置电容焊端与本体交接处的下部，裂纹也会出现在这两个部位。

图13 单板变形应力分布图

根据上面的分析可知，电容受到额外的应力作用时，裂纹会在应力集中点产生，如图14所示，电容受到向上的应力，底部焊端和焊料的交接处为应力集中点，这个位置就成为薄弱环节，容易产生裂纹。本案中靠近电容靠近单板一侧裂纹更严重，与PCB受到压力时电容产生的裂纹一致，故判断失效电容所在单板在受到了压力，导致电容内部产生了与焊接面成45°角的裂纹，最终导致电容失效。

图14 应力与裂纹对应关系图

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