張旭輝，虞跨海，徐紅玉，梁 斌，康興國

（1. 河南科技大學 工程力學系，河南 洛陽 471023；2. 西安機電信息研究所，陜西 西安 710065）

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研究與試制

高g沖擊載荷下多層陶瓷電容結構失效分析

張旭輝1，虞跨海1，徐紅玉1，梁 斌1，康興國2

（1. 河南科技大學 工程力學系，河南 洛陽 471023；2. 西安機電信息研究所，陜西 西安 710065）

摘要:基于彈性力學和有限元方法對沖擊載荷作用下多層陶瓷電容力學響應開展了理論和數值仿真計算。結果表明：由于自身結構特點，沖擊載荷下電容易出現應力集中，基板變形對電容失效影響較大，分析了各工況下電容內部易失效位置及失效機理，其主要破壞特征為焊錫開裂造成脫焊。

關鍵詞:多層陶瓷電容；彈性力學；有限元；失效分析；失效機理；應力集中

虞跨海（1982－），男，浙江義烏人，副教授，博士，研究方向為計算力學、多學科優(yōu)化設計、航空動力系統(tǒng)，E-mail:yukuahai@163.com 。

網絡出版時間：2016-05-31 11:06:15 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1106.005.html

微電子技術的迅速發(fā)展，使得微電子器件在成本、體積、可靠性等方面顯現出巨大優(yōu)勢，在民用及軍事領域有著廣泛的應用前景。多層陶瓷電容(又稱MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor)具有精細化、微小化和高可靠性等特點，已成為引信控制電路的關鍵部件，其高過載環(huán)境的性能決定了引信工作的有效性和可靠性。然而特殊的結構易導致電容產生殘余應力、電場畸變、電流分布不均等現象，導致電容使用過程失效，造成巨大經濟損失。

以往研究主要集中在制造工藝方面，試圖將電容失效的內在因素降至最低。隨著制造工藝的成熟，追求MLCC高頻化、微型化、高容值和高可靠性等技術要求，研究人員逐漸將重點轉移至電容失效的外在因素，開展了MLCC失效模式和失效機理的研究。Lin等[1]在試驗研究基礎上提出一種新型測量MLCC內應力分布的傳感器，該傳感器成本低且便于自動化生產；Kim等[2]在高過載環(huán)境中做了MLCC壽命試驗，分析電容的退化和失效行為；Jiang等[3]基于微觀復合材料力學提出一種三維MLCC理論模型，描述生產中MLCC存在的溫度殘余應力。這些研究主要基于試驗開展，試驗設計周期長，研究成本高昂。

隨著計算理論和數值仿真技術的發(fā)展，結構功能性能預測精度越來越高，已成為設計和研究的重要手段。而電容結構的復雜性和尺寸微細觀特性，使得建模困難，特別對于裝載于高速侵徹火箭彈引信控制電路中的MLCC，其高過載特性進一步增加了建模和計算的難度。本文通過建立MLCC應力分析理論模型和有限元數值仿真模型，實現基于高速沖擊和基板變形環(huán)境下電容力學響應的數值計算，并討論了沖擊載荷下電容的失效模式，為MLCC結構和可靠性設計提供參考。

1　 MLCC結構特性

MLCC基本單元為兩片不同金屬電極加絕緣陶瓷介質，陶瓷內部產生極化現象以儲存電荷，如圖1(a)所示；許多基本單元錯位層疊經高溫燒結形成陶瓷芯片，相鄰兩個金屬電極與陶瓷層構成了多個并聯(lián)的電容，層疊結構與等效電路如圖1(b)所示。

圖1 MLCC結構Fig.1 Structure of MLCC

高g侵徹引信電容使用時間短且不可二次利用，主要破壞因素為高強沖擊載荷下的機械應力。機械應力可造成電容體裂紋、破碎或斷裂，導致電容失效的主要因素為：電容元件的沖擊載荷；基板變形；裝配過程機械應力。

侵徹環(huán)境下引信控制電路承受高過載，為研究引信系統(tǒng)抗高過載能力，開展侵徹實驗。某型火箭彈以800m/s速度侵徹混凝土靶標，實驗后回收發(fā)現引信殼體底部由于受到強沖擊產生斷裂，使用精密切割機將受損電路進行進一步解剖并拋光，在顯微鏡下觀察內部變化，圖2所示解剖后引信及MLCC，其中MLCC主要破壞特征為裂紋擴展造成電容短路或脫焊。

2　 MLCC力學解析

電容高過載下的應力計算，可以簡化為常體力條件下的二維彈性力學問題。設電容長為l，寬d，高h，承受豎直方向峰值為a沖擊載荷，即受豎直方向均布體力作用，如圖3(a)所示，其中為結構等效密度。常體力情況下，對單連體應力邊界問題，可把體力轉換為面力：

圖2 試驗回收電路及MLCCFig.2 Recovery circuit and MLCC

圖3 電容簡支梁簡化模型Fig.3 Simplified beam model of capacitance

等效后模型可按簡支梁受均布荷載下的彎曲分析，其應力分量

實驗中采用片式多層陶瓷電容，電容長l=3.2mm，寬d=2.75mm，高h=2.5mm，材料參數如表1所示[5]。

表1 MLCC材料參數Tab.1 Material parameter of MLCC

與其他成分相比，鎳電極極薄，根據電容幾何構成可計算MLCC包含電極、陶瓷介質的等效密度。

原結構最大應力

3　 數值仿真

3.1 有限元模型

多層陶瓷電容具有較高的層數（200層或更多），若按實際結構建模，巨大的單元數量使得計算成本高昂而無法進行?；诮浀鋵雍侠碚?，采用結構等效方法對每個滿足本構關系的子塊進行等效參數計算[6]，將滿足平衡、協(xié)調條件的多層模型變?yōu)榫哂幸欢☉吔鐥l件下的簡化模型。有限元模型如圖4所示，極片和陶瓷層厚度等效簡化為5組微電容結構模型，其中以陶瓷與電極厚度比tc/td=4，采用六面體網格劃分單元，網格總數為2.5×105。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3.2 沖擊載荷力學分析

開展峰值1×104g沖擊載荷環(huán)境下陶瓷電容的強度和變形分析。圖5所示電容應力-變形分布，電容內部應力分布區(qū)間為0.3～2.3 MPa，電容底部焊錫與銅箔接觸附近（危險位置一）出現明顯的應力集中，最大應力約10.4 MPa。此處過應力可能導致焊錫與銅箔連接部分開裂，電容可靠性驟降，造成局部脫焊甚至整體脫落而失效。另外電容內部過應力可能使電容出現裂紋、開裂，導致電極間連接不良，形成開路而失效。

變形最大位置出現在電容頂端，最大變形約9 μm，圖示危險位置二為沖擊載荷下電容易發(fā)生電壓擊穿位置。電極端頭位置為電場畸變區(qū)域[4]，受沖擊載荷的影響，原畸形電場區(qū)域發(fā)生變化，電極端頭因產生變形可能導致瞬時電壓強度過大，導致電壓擊穿。電壓擊穿指電場作用下電容介質內自由電子由于碰撞發(fā)生電離產生正離子和新自由電子，此過程快速進行形成電子流從而造成介質擊穿。

電容內部應力計算結果與簡支梁結構簡化模型理論分析結果基本吻合，具有較好的一致性。

圖5 沖擊載荷下電容應力-變形分布Fig.5 Stress and deformation distribution of capacitance under impact load

3.3 基板彎曲變形下電容應力分析

電容陣列焊接于PCB基板上的銅箔表面，基板因復雜沖擊環(huán)境產生變形，其變形尺度遠大于MLCC，電容與銅箔連接性能將受到影響，可能造成脫焊導致失效。

圖6所示通過四點彎曲計算常彎矩作用于PCB基板上MLCC位置，基板上的應力和鋁箔上的應力可解得

式中：E、t為楊氏模量與厚度（下標s和f分別代表基板和銅箔板；z是基板平面的坐標，z=0表示基板和鋁箔板的表面。忽略基板和鋁箔板間溫度裝配的影響，由彎曲造成的應變可表示為

式中：r是該系統(tǒng)的曲率半徑，z=tn是中性軸位置。和的取值由tn和r決定。由力和力矩平衡條件可知tn和r為

代入公式，可求得基板和鋁箔應力[5]。

圖6 基板四點彎曲設計(a)及彎矩分布(b)Fig.6 Four-point bending design of substrate (a) and bending moment distribution (b)

圖7所示為基板變形下電容應力分布，PCB基板變形隨著載荷逐漸增大，最大變形約3mm，焊錫與銅箔連接部位最大應力約1.27 GPa，遠高于焊錫的粘合強度(約100 MPa)，易造成焊接位置發(fā)生脫焊。而此時電容底部與焊錫連接位置（即危險位置三）應力約42.4 MPa，小于焊錫與銅箔連接部位應力，表明外界載荷造成PCB基板變形時，最先出現破壞的位置為焊錫與銅箔連接位置，此處電容失效機理同失效位置一。

圖7 基板變形下電容應力分布Fig.7 Stress distribution of capacitance under substrate deformation

3.4 預防與建議

錫焊利用低熔點金屬焊料加熱熔化后滲入并填充金屬件連接處間隙的焊接方法。焊劑選用需考慮被焊金屬性能及氧化、污染情況，焊劑對被焊金屬腐蝕、導電性的影響。MLCC焊接應注意以下兩方面內容：(1) 選用焊接性能優(yōu)良且熔點較低的焊錫，嚴格控制焊接時間，選用低熔點松香做助焊劑，保證焊接強度且減小焊接過程電容內部產生溫度殘余應力。(2) 焊接點缺陷可能導致力學強度不足、強度降低、導通不良及斷路等危害，對MLCC除預防假焊、虛焊、漏焊等基本質量要求外，建議危險位置可適當增加焊料，提高焊接強度，避免出現開裂等現象。

4　 結論

系統(tǒng)分析了多層陶瓷電容的結構特點，依據彈性力學理論和有限元數值方法分析了多層陶瓷電容沖擊環(huán)境下的力學響應，得到各工況下電容的危險位置及失效原因，主要結論如下：

(1) 采用常體力條件下面力簡化、經典層合理論研究多層陶瓷電容沖擊環(huán)境下的力學響應與有限元計算結果相符。

(2) 沖擊載荷對電容自身影響較小，電容失效主要因素為基板變形，電容發(fā)生整體或局部脫焊造成失效。

(3) 電容在沖擊載荷與基板變形下應力集中的位置不同，沖擊載荷下應力集中位于電容底部與焊錫接觸位置；基板變形下應力集中位于焊錫與PCB板接觸位置；應合理設計PCB板的支撐固定位置和結構，以降低板的變形量。

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（編輯：曾革）

Failure analysis on multi-layer ceramic capacitor with high g value impact

ZHANG Xuhui1, YU Kuahai1, XU Hongyu1, LIANG Bin1, KANG Xingguo2
(1. Department of Engineering Mechanics, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan
Province, China; 2. Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:Based on the elastic mechanics and finite element method, the mechanical response of the multilayer ceramic capacitor under impact loading was carried out. The results show that:the capacitance is prone to stress concentration under impact loading due to the capacitor’s structural characteristics. The substrate deformation has a great influence on the failure of capacitor. The position and failure mechanism of the capacity failure are studied under various operating conditions. The major damage characteristics is solder cracking, causing desoldering.

Key words:multilayer ceramic capacitors; elastic mechanics; finite element; failure analysis; failure mechanism; stress concentration

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.005

中圖分類號:TM53；TM28

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2028（2016）06-0028-04

收稿日期：2016-03-16 通訊作者：虞跨海

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No. 51105132)；裝備預研基金資助項目(No. 9140A0506312BQ4201)；河南科技大學研究生創(chuàng)新基金項目(No. CXJJ-ZR11)

作者簡介：張旭輝（1990－），男，陜西渭南人，研究生，從事計算力學及其工程應用方面研究，E-mail:zhangxuhui2036@163.com ；