(中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100191)

隨著對(duì)鎳-陶瓷界面特征研究的深入,新抗還原陶瓷介質(zhì)和鎳內(nèi)電極漿料開發(fā)成功,工業(yè)領(lǐng)域Ni-Cu電極多層瓷介電容器 (也稱Base Metal Electrode Multilayer Ceramic Capacitors,BME MLCC)的技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到較高水平[1]。BME MLCC擁有單位體積高容量和低成本的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在幾乎99%的MLCC都在使用BME技術(shù)制造,一些高可靠的模塊和混合電路已經(jīng)用BME MLCC。20世紀(jì)90年代開始,美國(guó)軍方就以商用貨架 (Commercial on Shelf,COTS)形式大量選用了BME MLCC產(chǎn)品。近幾年,美國(guó)、歐洲分別建立了相關(guān)宇航標(biāo)準(zhǔn),如:NASA S-311-P-838[2]、ESCC 3009/041[3]等,規(guī)范 BME MLCC生產(chǎn)和質(zhì)保。2015年,AVX公司部分BME MLCC已在歐空局被正式認(rèn)證為宇航等級(jí)。BME MLCC已經(jīng)成為高可靠電容器的研究熱點(diǎn)[4],我國(guó)也需要針對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠的具體情況,建立BME MLCC的宇航準(zhǔn)入機(jī)制。

從 “初步評(píng)估、詳細(xì)評(píng)估、鑒定檢驗(yàn)”思路出發(fā),本文針對(duì)BME電容器具有緩慢老化失效特性、較PME電容器介質(zhì)減薄特性、以及由此帶來的長(zhǎng)壽命領(lǐng)域使用風(fēng)險(xiǎn),提出了鑒定范圍、結(jié)構(gòu)分析和微觀結(jié)構(gòu)生產(chǎn)一致性、長(zhǎng)壽命可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等宇航鑒定關(guān)注點(diǎn)及典型評(píng)估、鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目,給出了在方案設(shè)計(jì)中,BME電容器宇航鑒定流程和要求。

1 宇航鑒定思路

航天型號(hào)電子系統(tǒng)性能的提升是以元器件性能指標(biāo)提升為基礎(chǔ)的,其質(zhì)量等級(jí)確定和長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)是宇航用元器件管理必須解決的重要問題。GB/T29074-2012《宇航元器件鑒定要求》是宇航鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層文件,提出了 “初步評(píng)估、詳細(xì)評(píng)估、鑒定檢驗(yàn)”思路,與傳統(tǒng)的 “生產(chǎn)線審查+鑒定檢驗(yàn)”的鑒定模式相比,能夠在評(píng)估過程客觀審視元器件指標(biāo)、要求,形成產(chǎn)品改進(jìn)意見并閉環(huán)處理。隨著元器件技術(shù)發(fā)展的日新月異,高集成度、高性能、高指標(biāo)的元器件層出不窮,采用國(guó)標(biāo)鑒定,也能夠快速將民用技術(shù)復(fù)用到宇航型號(hào)中。

BME MLCC具有典型的MLCC結(jié)構(gòu),與PME MLCC相比,在疊印、切割、涂端等工藝上有很高的相似性。在宇航鑒定的方案設(shè)計(jì)中,需要以宇航用PME MLCC的評(píng)估試驗(yàn)、鑒定檢驗(yàn)要求和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以國(guó)外現(xiàn)有的宇航級(jí)BME MLCC應(yīng)用和研究成果為參照,從材料、結(jié)構(gòu)、失效機(jī)理等方面分析,重點(diǎn)針對(duì)鎳電極電容器可能出現(xiàn)的高溫絕緣特性等問題,設(shè)計(jì)宇航鑒定程序和相關(guān)要求。宇航鑒定程序見圖1。

圖1 BME MLCC宇航鑒定程序Fig.1 Test procedure for space qualification of BME multilayer ceramic capacitors

2 BME MLCC特性及可靠性風(fēng)險(xiǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)

BME MLCC結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)PME MLCC結(jié)構(gòu)相似,都是由內(nèi)電極、陶瓷介質(zhì)、外電極三個(gè)主要部分組成,結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,三部分的主要組成材料見表1。實(shí)現(xiàn)大容量產(chǎn)品的開發(fā)方式一般通過提高材料介電常數(shù)、降低介質(zhì)層厚度來實(shí)現(xiàn)。

圖2 BME MLCC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Construction structure of BME MLCC

2.2 特性

BME MLCC在結(jié)構(gòu)、材料、工藝上與 PME MLCC的相似性決定了其特性與傳統(tǒng)多層瓷介電容器是類似的,電極、介質(zhì)材料不同使得在微觀結(jié)構(gòu)、電極金屬電化學(xué)穩(wěn)定性等方面存在區(qū)別。BME MLCC的主要特性如下:

(1)氧空位遷移帶來了緩慢老化失效模式

由于在還原氣氛燒結(jié),陶瓷介質(zhì)中不能避免出現(xiàn)氧空位。BME MLCC出現(xiàn)之初,因氧空位問題引起電容器絕緣特性差,未直接大量使用,表現(xiàn)為:高溫漏電流相對(duì)于PME MLCC明顯增加,表現(xiàn)出較差的絕緣性能。近年來,陶瓷材料和燒結(jié)工藝的進(jìn)步有效彌補(bǔ)了BME MLCC在絕緣特性的缺點(diǎn)。因此,需要基于現(xiàn)有的工業(yè)技術(shù)條件,針對(duì)具體產(chǎn)品的絕緣特性,尤其是高溫絕緣特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 BME MLCC的漏電流與應(yīng)力時(shí)間的關(guān)系曲線中,可以看到兩種失效模式:突然失效和緩慢失效。突然失效機(jī)理是指漏電流隨著時(shí)間急劇增加,從而引起電容器嚴(yán)重?fù)p壞 (雪崩式電擊穿或熱失控)。緩慢失效機(jī)理是指氧空位電遷移后,逐漸降低晶界處勢(shì)壘高度,引起電容器漏電流逐漸增加,這是BME MLCC主要和獨(dú)特的失效機(jī)理[5]。

圖3 BME MLCC突然失效與緩慢失效示意圖[5]Fig.3 General view for sudden failure and slow failure of BME MLCC[5]

(2)更理想的微觀結(jié)構(gòu)帶來了介質(zhì)減薄可能

為了保證電容器的可靠性,在MIL-PRF-123的3.4.1節(jié)給出了宇航級(jí)PME MLCC最薄的介質(zhì)厚度25 μm(額定電壓大于 50 V)。但是 BME MLCC的微觀結(jié)構(gòu)是不同的。Ni更適合且容易與介質(zhì)層結(jié)合,氧空位的存在有利于介質(zhì)材料的燒結(jié)和致密化,而且燒結(jié)溫度相對(duì)Ag、Pd電極要高。因此,很多BME MLCC有比PME MLCC更理想的微觀結(jié)構(gòu):具有較致密均勻的陶瓷顆粒和較小的晶粒尺寸。對(duì)于具有相同的厚度d和施加相同電壓V的兩個(gè)介電層,較小晶粒尺寸的介質(zhì)層晶粒分得的電壓較低,可能具有較好的可靠性。相對(duì)于PME MLCC,BME MLCC具備介質(zhì)減薄的可能性。

(3)電化學(xué)穩(wěn)定性較PME MLCC好

金屬鎳的電子遷移速度較Pd/Ag小,具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性,出現(xiàn)金屬離子遷移形成導(dǎo)電通路的概率低。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

BME MLCC相對(duì)于PME MLCC在工藝實(shí)現(xiàn)上存在困難。Ni在高溫下易氧化,需在還原氣氛中燒成。而BaTiO3陶瓷在還原氣氛中Ti4+會(huì)被還原成低價(jià)離子而使陶瓷的絕緣性能下降。因此對(duì)共燒技術(shù)提出了很高要求,如果設(shè)備和工藝控制不當(dāng),易造成產(chǎn)品質(zhì)量可靠性問題。

BME MLCC的優(yōu)勢(shì)在于能夠減薄介質(zhì)層厚度,但薄的介質(zhì)層厚度給產(chǎn)品可靠性帶來了不確定因素。

在長(zhǎng)期可靠性上,BME MLCC燒結(jié)的氧空位帶來絕緣電阻下降等風(fēng)險(xiǎn)問題[6]。盡管近年來試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明部分國(guó)產(chǎn)BME MLCC失效率已可以達(dá)到六級(jí),仍需在長(zhǎng)壽命可靠性方面進(jìn)行重點(diǎn)考核。

3 宇航要求與工業(yè)要求比較

3.1 宇航元器件特點(diǎn)

宇航用元器件具有高質(zhì)量、高可靠要求,例如:對(duì)真空、輻射等空間環(huán)境適應(yīng)能力,六級(jí)以上高失效率等級(jí),15年以上長(zhǎng)期工作可靠性要求。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以汽車電子標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q200[7]為例。汽車電子行業(yè)對(duì)元器件的鑒定注重應(yīng)力環(huán)境,潮濕、振動(dòng)等條件部分比軍用元器件要求高;汽車電子委員會(huì)在AEC-Q200[7]中給出了陶瓷電容器的鑒定要求,其鑒定試驗(yàn)要求與MIL-PRF-32535[8]宇航級(jí)鑒定要求對(duì)比見表2。MIL中各電容器通用規(guī)范對(duì)比見表3,體現(xiàn)了BME MLCC與PME MLCC鑒定要求的區(qū)別。例如:由于沒有低電壓失效模式,BME MLCC在穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)中不再采用1.3 V低電壓,而是選取了對(duì)其來說嚴(yán)酷的UR電應(yīng)力[8]。

表2 AEC-Q200與MIL-PRF-32535鑒定對(duì)比 (BME MLCC)Tab.2 Qualification test comparisons on AEC-Q200 and MIL-PRF-32535 of BME MLCC

表3 MIL中MLCC通用規(guī)范不同點(diǎn)Tab.3 The differences between the general specification of each MLCC in MIL standard

4 BME MLCC宇航鑒定關(guān)注點(diǎn)

4.1 鑒定范圍和材料結(jié)構(gòu)要求

鑒定范圍需綜合考慮宇航應(yīng)用需求,已驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)、工藝等,確定宇航鑒定的電容器額定電壓、尺寸、容量等范圍。根據(jù)宇航型號(hào)母線電壓需求選擇合適的額定電壓范圍,根據(jù)電裝工藝技術(shù)水平選擇合適的尺寸范圍,根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性已知數(shù)據(jù)選擇電容器采用的材料結(jié)構(gòu)范圍。在宇航鑒定中,要通過DPA的方法,配合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則審查,確認(rèn)產(chǎn)品能夠滿足表4規(guī)定的結(jié)構(gòu)材料要求。

表4 Ⅱ類瓷BME MLCC材料結(jié)構(gòu)要求 (額定電壓100 V)[2]Tab.4 Material and structural requirements of BME MLCC,typeⅡ[2]

另外,由于易被損壞的特點(diǎn),不推薦使用厚度在0.5 mm以下的電容器;0402以下的電容器由于太小,需要的試驗(yàn)成本較高,同時(shí)在相同的流程下,很難保證可靠性,也不推薦使用。

4.2 結(jié)構(gòu)分析和生產(chǎn)一致性

研究表明,微晶結(jié)構(gòu)、瓷質(zhì)致密性對(duì)電容器質(zhì)量和可靠性均有影響[9]。微觀結(jié)構(gòu)與漏電流的產(chǎn)生存在聯(lián)系。因此宇航鑒定中,需確認(rèn)微觀結(jié)構(gòu),同時(shí)也要確認(rèn)工藝一致性情況,可以選取BME MLCC與PME MLCC生產(chǎn)中區(qū)別較大的工序:燒結(jié)、燒端等。表5給出了一些典型的工序控制參數(shù)。

表5 典型工序一致性參數(shù)Tab.5 Typical process consistency parameters

一般認(rèn)為,較小晶粒尺寸的介質(zhì)層晶粒分得的電壓較低,較小的晶粒具有較好的可靠性。NASA給出了可靠性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系(公式(1))[2],可用于在生產(chǎn)過程進(jìn)行初始可靠性計(jì)算。規(guī)定初始可靠度 (Rt)的下限值,相當(dāng)于對(duì)微觀結(jié)構(gòu)提出要求。

4.3 長(zhǎng)壽命可靠性

鑒于BME MLCC可能存在的突然失效和緩慢老化失效,壽命評(píng)估試驗(yàn)考慮實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的組合應(yīng)力條件、兩種機(jī)理的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,通過電參數(shù)退化或突變?cè)u(píng)估電容器的壽命特性[10]。宇航電容器在介質(zhì)厚度方面有嚴(yán)格的要求,在耐電壓和可靠性方面的余量極大,應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募铀賶勖囼?yàn)方法,獲得產(chǎn)品壽命特征的有效數(shù)據(jù)。

4.4 環(huán)境適應(yīng)性

需要考慮在熱、力、電等應(yīng)力作用下特性的變化,獲得電容器的失效模式、薄弱環(huán)節(jié)等信息,并通過極限試驗(yàn)摸底確定鑒定和篩選試驗(yàn)的具體條件,表6列出了常見環(huán)境應(yīng)力、試驗(yàn)項(xiàng)目、失效機(jī)理等考慮因素。在鑒定中需要予以考慮。

表6 環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.6 Typical construction comparisons on BME MLCC and PME MLCC

(1)耐紋波電流

20世紀(jì)80年代初,Schabauer和Blumkin建立了MLCC的熱結(jié)構(gòu)[5],確認(rèn)PME MLCC無需進(jìn)行紋波電流試驗(yàn)。陶瓷塊內(nèi)部的電極板越多,產(chǎn)生的熱量越容易流出陶瓷塊。與相同尺寸、相同額定電壓的PME MLCC相比,BME MLCC通常有更多內(nèi)部電極板和更薄的介質(zhì)層。因此,BME MLCC具有散熱更好的散熱結(jié)構(gòu)。MIL-PRF-32535、AEC Q200標(biāo)準(zhǔn)同樣未要求BME MLCC的紋波電流試驗(yàn)。不再對(duì)BME MLCC進(jìn)行耐紋波電流的鑒定。

(2)ESD特性

電容器并非靜電敏感器件。另外,考慮到宇航型號(hào)中BME MLCC大多用于濾波、旁路,沒有用作靜電保護(hù)作用的需求,無需鑒定ESD特性。

(3)溫度沖擊

考慮環(huán)境溫度變化對(duì)不同熱膨脹系數(shù)材料引起應(yīng)力的影響,薄弱環(huán)節(jié)為端電極應(yīng)力集中處,且與安裝基板有關(guān)。需要對(duì)電容器的溫度沖擊特性進(jìn)行鑒定。

(4)耐焊接熱

考慮焊接溫度對(duì)不同熱膨脹系數(shù)材料引起應(yīng)力的影響,薄弱環(huán)節(jié)為端電極應(yīng)力集中處。采用耐焊接熱試驗(yàn)評(píng)估,可采取提高溫度、延長(zhǎng)加熱時(shí)間的方法。需要對(duì)電容器的耐焊接熱特性進(jìn)行鑒定。

(5)彎曲應(yīng)力

在未電裝的情況下,BME MLCC的獨(dú)石結(jié)構(gòu)抗機(jī)械應(yīng)力的能力較強(qiáng),機(jī)械應(yīng)力極限主要考慮電裝前后,使用過程可能產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。使用操作容易產(chǎn)生電容器彎曲失效。產(chǎn)品受到振動(dòng)等應(yīng)力時(shí),對(duì)電容器來說同樣也可能反映為電路板彎曲帶來的應(yīng)力。需要對(duì)電容器耐彎曲應(yīng)力特性進(jìn)行鑒定。

5 結(jié)論

考慮到BME MLCC的特性、風(fēng)險(xiǎn)和宇航鑒定關(guān)注點(diǎn),為減小風(fēng)險(xiǎn),按照國(guó)標(biāo)GB/T29074-2012中 “初步評(píng)估、詳細(xì)評(píng)估、鑒定檢驗(yàn)”的思路,以設(shè)計(jì)準(zhǔn)則審查、結(jié)構(gòu)分析、詳細(xì)規(guī)范審查、重點(diǎn)工序參數(shù)一致性分析、過程可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)作為初步評(píng)估內(nèi)容,以評(píng)估試驗(yàn)、應(yīng)用驗(yàn)證、PID審查和產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范、應(yīng)用指南的確認(rèn)作為詳細(xì)評(píng)估內(nèi)容。針對(duì)本文提到的宇航鑒定關(guān)注點(diǎn),在技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)、生產(chǎn)線能力初步確認(rèn)、產(chǎn)品性能與可靠性評(píng)估等環(huán)節(jié)反復(fù)確認(rèn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),客觀審視元器件指標(biāo)、要求,確定最終鑒定項(xiàng)目和應(yīng)力水平,最終根據(jù)鑒定試驗(yàn)結(jié)果綜合判斷BME MLCC的宇航可用性。