貼片電容(特別是多層陶瓷電容 - MLCC)容易發(fā)生斷裂或端子脫落,主要是由于其自身的結構?材料特性以及外部應力共同作用的結果?以下是主要原因:
- 陶瓷材料的脆性:
MLCC的核心是陶瓷介質層(通常是鈦酸鋇等)?陶瓷本身是一種非常脆硬的材料,抗彎曲和抗沖擊能力極差?
當電路板受到任何形式的彎曲或扭曲應力時,這種應力會直接傳遞到焊接在板上的電容?陶瓷無法通過塑性變形來吸收這些應力,一旦應力超過其極限強度,就會導致陶瓷體內部產(chǎn)生裂紋,最終斷裂?
- 結構設計(三明治結構):
MLCC是典型的“三明治”結構:內部的陶瓷介質層和電極層交替堆疊,兩端的金屬端子(通常是鍍錫或鍍鎳/錫/銀)通過焊接連接到PCB焊盤上?
當PCB彎曲時,應力最集中的地方通常是電容的兩端(靠近焊點的地方)?因為這里是剛性的陶瓷體與相對較軟的焊料以及PCB材料的交界處,應力在此處無法有效分散?
裂紋通常從電容本體靠近端電極下方的位置(焊點內側)開始萌生,并可能向上延伸穿過陶瓷體導致完全斷裂,或導致端電極與陶瓷體分離(端子脫落)?
- 熱應力(焊接和溫度循環(huán)):
焊接過程(尤其是回流焊): 陶瓷?金屬端電極?焊料?PCB基板具有不同的熱膨脹系數(shù)?在焊接加熱和冷卻過程中,各部分的膨脹和收縮程度不同,會在電容內部和焊點處產(chǎn)生熱應力?如果溫度曲線設置不當(如升溫/降溫速率過快),這種應力會更大,可能導致內部微裂紋的產(chǎn)生?
溫度循環(huán)(使用過程中): 設備在開關機或環(huán)境溫度變化時,會經(jīng)歷溫度循環(huán)?不同材料膨脹收縮的差異導致周期性應力,長期作用會加劇已有的微裂紋或導致新的裂紋產(chǎn)生(熱疲勞)?
- 電路板彎曲/變形:
組裝過程: 這是最常見的原因之一?在PCB組裝?測試?運輸?安裝到機箱等過程中,電路板可能因為操作不當(如用力按壓?掰板)?支撐不均?擰螺絲順序錯誤?與其他部件干涉等而受到彎曲或扭曲?
分板操作: 如果電容位于拼板的邊緣或V-cut/郵票孔附近,在將拼板分離成單板時(手動掰板或使用分板機),產(chǎn)生的機械沖擊和彎曲應力極易導致附近的電容損壞?
測試過程: ICT或FCT測試時,探針下壓過猛或支撐不當可能導致局部板彎?
設備使用: 設備本身在運行中如果存在振動源,或者設備外殼受到外力沖擊(如跌落),也可能導致PCB變形?
- 設計因素:
電容尺寸和位置: 大尺寸(尤其是長寬比較大)的電容對彎曲應力更敏感?位于PCB邊緣?角落?連接器附近?螺絲孔附近或板子分板路徑上的電容風險更高?
電容方向: 電容的長軸方向與預期板彎方向平行時,比垂直方向更容易在兩端產(chǎn)生高應力?
焊盤設計: 焊盤尺寸?形狀設計不合理(如過大或不對稱)可能影響焊點形狀,從而改變應力分布?
PCB布局: 將大電容或多個電容集中放置在板子易彎曲區(qū)域會增加風險?靠近PCB支撐點或應力集中點的電容也易受損?
- 機械沖擊:
設備在生產(chǎn)?運輸或使用過程中遭受的意外跌落?碰撞等直接外力沖擊,會瞬間產(chǎn)生巨大的應力,超過陶瓷的承受能力?
- 焊點應力:
焊料量過多或過少?焊接不良(如虛焊?冷焊)都會導致焊點本身成為應力集中點或無法有效緩沖應力?
總結來說:
貼片電容斷裂/端子脫落的根本原因是脆性的陶瓷體無法承受施加在其上的機械應力(彎曲?扭曲?沖擊)或熱應力(焊接?溫度循環(huán))?這些應力最常集中在電容兩端的端電極附近,導致該區(qū)域的陶瓷開裂或端電極與陶瓷體脫離?電路板在生產(chǎn)組裝和使用過程中的任何彎曲變形是誘發(fā)這類失效的最主要外部因素,特別是對于大尺寸電容和位于應力敏感區(qū)域的電容?
如何避免?
優(yōu)化PCB布局: 避免將大尺寸MLCC放在板邊?角落?分板路徑?螺絲孔附近?連接器旁等高風險區(qū)域?分散布置大電容?使電容長軸垂直于主要彎曲方向(如平行于板邊)?
改進分板工藝: 使用更精密的銑刀分板代替V-cut或沖壓分板,優(yōu)化分板參數(shù)(速度?刀具),避免手動掰板?
規(guī)范操作流程: 在組裝?測試?搬運?安裝過程中,嚴格避免對PCB施加不必要的彎曲力?使用合適的工裝夾具支撐PCB?
優(yōu)化焊接工藝: 遵循推薦的焊接溫度曲線,控制升溫/降溫速率,減少熱沖擊?
選擇合適的電容: 在應力風險高的位置,考慮使用更小尺寸的電容?柔性端電極電容?或者選擇抗彎曲能力更強的鉭電容/聚合物電容(如果電氣性能允許)?
優(yōu)化焊盤設計: 參考元器件規(guī)格書進行焊盤設計?
加強支撐: 在易彎曲區(qū)域增加加強筋或支撐點?
通過理解失效機理并采取針對性的預防措施,可以顯著降低貼片電容發(fā)生斷裂或端子脫落的風險?
