采用三明治结构设计改善片式多层陶瓷电容器产品断裂问题

一、前言

潮州三环（集团）股份有限公司地处广东省潮州市，目前公司产业基地占地面积18万平方米，厂房面积11万平方米，现有员工2500名，各类技术人员200名，总资产人民币4.5亿元。公司是我国专业生产全系列片式多层陶瓷电容器（MLCC）；HIC和片式电阻用氧化铝陶瓷基片，光纤连接器陶瓷插芯，微波介质陶瓷器件，塑封片式电感器，各种膜类固定电阻器，电阻陶瓷基体等基础电子元器件产品的知名品牌厂家。近年来，公司先后承担完成多项国家、省级科研项目，研发了多项高新技术产品，创新了一大批光、机、电一体化的高精度专用设备，多项科研成果荣获广东省科技进步奖，公司先后被认定为国家级和广东省优秀高新技术企业，国家863成果产业化基地、广东省第一批创新型企业。

潮州三环（集团）股份有限公司研发生产的主打系列产品--片式多层陶瓷电容器（MLCC）具有体积小、精度高、重量轻、稳定性好等特点，目前广泛应用于手机、平板电脑、电脑主板、PCB控制板等各类IT电子信息设备和产品。

但是，片式多层陶瓷电容器（MLCC）产品因其陶瓷材料本身较脆，在产品应用过程中常常会因作业不当，出现产品漏电、无容值、短路甚至烧毁等技术质量问题，潮州三环（集团）股份有限公司的科技人员经过长期对该类问题的跟踪分析，最后确认导致以上不良的失效模式均为产品断裂。

二、片式多层陶瓷电容器（MLCC）失效模式分析

失效机理

产品断裂的主要原因是产品应用时受到了弯曲应力的作用，使得产品形成微裂纹并随时间或二次应力扩展，终断裂。

近些年，客户均已发现产品断裂可以通过PCB的设计以及制程的管控来避免其发生。但仍存在一些产品在使用中发现有小比例的断裂问题，而这些产品大多是X7R材质的小容值产品。而X7R小容值产品易断裂的根本原因是其机械强度较差。

产品强度对比

产品强度对比

根据以上机械强度对比图可看出，X7R小容值产品机械强度较差，而COG材质均很优异。但COG材质因其介电常数极低，仅能制备容值较低的产品，且因材料较贵而不适宜替代同规格X7R产品。

三、常用改善方法

针对X7R小容值产品断裂问题，常采用：

①增加产品厚度；

②增加产品内部层数；

③更改强度更高的材料等3个方向来改善产品强度，以提高产品的生产适应性，但从抗弯曲对比图看，增加产品厚度和层数对产品的抗弯曲改善幅度较小，且因小容值产品本身容量低，层数增加空间有限。

四、新型改善方法

而通过更改材料来提高产品机械强度显然是有效的方法。

我司通过近几年在材料方面的不断研究，终研制出一种高介电常数的材料，但是纯粹用此材料所制成的产品成本高且容值范围小。为更好的推进该项工作的改良，公司项目组提出在产品上下表面增加高强度的陶瓷体来提高整体产品强度的设想，终在 2012年11月我司已确认该方法的可行性，并于2013年的5月初完成对产品的各项性能的验证，此新型设计方式可大幅度增加0603X7R104K、0805X7R104K及以下容值产品的机械强度，我公司将此新型产品命名为三明治结构产品。

三明治结构产品的结构如下：

性能对比

1、抗折强度对比

2、抗弯曲强度对比

3、容值分布对比

4、损耗角正切对比   5、绝缘电阻对比

6、耐电压对比

7、温度特性对比

8、耐焊接热

9、稳态湿热

10、耐湿负荷

11、耐久性

12、温度快速循环

五、高低温循环验证

为了进一步确认三明治结构产品的可靠性，对0805X7R104K500D和 0603X7R104K500C产品各做300次高低温循环试验（温度循环试验条件： 40℃/15min→25℃/15S → 125℃/15min → 25℃/15S），验证结果见下表：

验证结果表明，改善前后产品的高低温循环特性相近，均能满足客户使用。

六、对 比 小 结

通过以上性能对比，三明治结构产品相比原产品：

1、机械强度大幅度增加；

2、温度特性略差，但仍满足X7R特性，可以满足客户使用；

3、其它产品性能相近；

七、研 究 总  结

通过以上分析，我们看到，采用三明治结构设计的产品性能有很大的提高，具体表现在：

1、可显着地增加产品的机械强度；

2、可极大的降低产品在正常使用时发生产品断裂的几率；

3、能适应相对苛刻的使用条件（如独石等独特制作工艺）；

4、相对传统产品价格不会有较大差异；

最后，需要特别说明的是，采用三明治结构设计的产品可明显提高X7R产品强度，但需要注意以下情况：

1、产品断裂问题不能仅依靠元件厂家来解决，根本解决办法在客户端的控制；

2、三明治结构产品覆盖的产品面较窄，一般为104及以下容值，对于高容产品不要随意提出三明治结构的构想。