可靠性设计 | MLCC 电容

Posted 2021-04-19 硬件研发联盟

一、背景

通常电源转换器使用多层陶瓷电容（MLCC），因此要知道设计需要注意的事项，提高设计可靠性。

二、设计需考虑因素

1. 电压特性

多层陶瓷电容(MLCC)的电容量较高，不分极性，等效串联电阻和电感值很低并且能在很宽的频率范围和很广温度范围内保持稳定的电容值，这使得它们既可以用于滤波器也可以作为大容量电容。然而，如果工作电压超过了MLCC的最大电压上限，那么它很容易发生故障。这一电压上限来自于结构原因，MLCC由多层金属层组成，中间由很薄的陶瓷绝缘片隔开，如下图所示；如果任意两层之间发生电弧放电，和电解电容不同，MLCC并没有自我修复机制，因此很快就会损坏。

因此设计的关键是必须保证，即使只是很短的时间，MLCC也不能受到电子过压（electrical over-stress/EOS）。由于大多数制造商在生产阶段，100%会在额定电压下测试电容，因此这 些电容可以额定电压之内正常工作而无需降压，但合理应用只选择在制造商提供的90%的直流额定电压，因为一旦超过了这个电压，EOS将以一个3次幂的速度增长。

MLCC的需注意一点是它们的电容值与直流电压有关。为了达到高的容积率，层与层之间的绝缘介电层非常薄（只有几微米厚），因此对电场压力十分敏感。一个在6.3V时额定为10µF 的0806型MLCC电容，对上升的电压会出现明显的电容下降。这些必须在设计计算时考虑。

2. 工作频率特性

MLCC一般低频交流电压下工作。如果通过电容的信号频率接近它的共振频率的话就必须小心了，因为这可能导致局部发热和过早的出现故障。其内部发热而导致的温度上升必须被控制在20°C以内。

另一种可能出现在MLCC上的共振影响是由压电效应透过陶瓷层产生的噪声。如果声音的共振频率和流过电容的交流波形一致，那么电容开始发出峰鸣声或尖锐的声响。解决方法是使用不同尺寸的，噪声共振频率不同的MLCC。制造商声称，电容发出峰鸣声并不会影响它的可靠性，但是很明显许多客户不希望使用带有噪音的电源。

3. 温度特性

虽然总的来说陶瓷电容的电容值在温度变化时比较稳定，但是具体的稳定性很大程度上是由公差特性决定的。便宜MLCC在温度变化时电容值的变化也很大，在整个温度范围内的变化可以从+22%到-82%。如果电路设计的工作温度是25°C，那么在较低或者较高的环境温度下，电容的表现大不相同，可靠性不高。

比如，一个X7R电容在-55°C 至+125°C 的工作温度下其电容值的变化范围在±15%。

4. PCB 布局

机械故障是导致MLCC故障的主要因素。裂缝使得层与层之间可能产生弧形放电，并导致污染物，湿气或者腐蚀物侵入而发生故障（金属电涂层尤其对硫腐蚀特别敏感，而二氧化硫又是工业领域，火力发电站，汽车尾气，或者从有机衰变过程中产生的副产物非常常见的空气污染物）。之所以会出现裂缝是因为陶瓷材料的结构很脆，很容易受物理应力或者不对称温度的影响而损坏。

和贴片电阻一样，PCB的布局必须注意尽量减少产品受到的应力，因为这会使电容开裂进而失效。MLCC应该平行于PCB上的V-切口边缘、插槽或者贯穿孔安置或者至少相距距离大于MLCC本身的长度。安装这些元件的机器必须注意在将电容放入PCB板上时不能给电容施加过大应力，而同时PCB板本身也应该有良好的支撑，这样不会在焊接过程中或PCB被装入外壳之后发生弯曲。

5. 生产工艺

焊膏量和焊盘布局对于减少电容所受的应力十分重要，因为不平均的焊点对连接点的支持也不一样。好的回流焊接点有焊接倒圆角，它有一个内嵌半月板的凹槽，可达到75%的电容高度。

如果使用的焊膏太少，那么焊点可能不牢固而容易在工作中发生故障。同样的，无铅焊接会导致连接点形成一种镀锡合金，这将改变它的机械强度，如果含锡的比例较低，它会变脆。另一方面如果使用的焊膏太多，那么电容受到的接触应力是不均匀的，当PCB冷却后，陶瓷层上将产生裂缝。在极端情况下，融化了的焊膏的表面张力可能导致电容翘起（墓碑现象）。

手动焊接对于MLCC电容来说风险较高。不仅电容表面很容易被电焊的尖角刮坏，而且由于电容的每个节点是分别被焊接的，这导致焊接时电容温度不均而在其内部产生机械应力，产生裂纹。如果MLCC电容在安装时出现事故，那么必须丢弃。

三、总结

MLCC 电容应用在产品上的可靠性设计需要从其参数性能、PCB布局、生产工艺三部分综合考量。

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