摘 要：面向应用的元器件检测方法是电子系统可靠性保证的重要方法。文中针对多层陶瓷电容器(MLCC)最主要的失效机理——热应力损伤，结合常用的热应力损伤检测方法的归纳总结，重点论述了基于噪声的应力损伤检测方法。
关键词：MLCC；热应力；检测方法
1 引言
多层陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC)又被称为片式叠层电容器、独石电容器等，被广泛用于家电、电脑、手机、军工、航天等电子信息类领域，已经成为世界上用量最大、发展最快的一种片式元件[1]。近年来，国内MLCC的年市场需求量几乎都超过5000亿只。
MLCC起源于20世纪60年代，随着表面贴装技术的广泛应用，采用Ni贱金属内电极(Base Metal Electrode，BME)制备MLCC的工艺在90年代得到飞速发展，于21世纪初形成比较完善的贱金属内电极工艺，使MLCC制作成本下降了70%以上[2]。在小型化方面每两三年就出现一个新的规格，在容量方面则不断追求更薄介质和更高介质层数，使MLCC在近十年来不断推出更大容量的产品。我国MLCC起步较晚，MLCC生产技术和工艺相对落后，国产MLCC多数为低端产品[3]。由于国际上对我国进行知识产权技术封锁，国内自主研发技术还处于相对弱势，而商用MLCC特别是低成本MLCC的市场竞争越来越激烈，利用检测技术来提高MLCC产品的质量已成为一种必要的手段。
典型的MLCC多层介质结构由几百层陶瓷介质和金属电极交互叠加，高容量MLCC甚至可达上千层，由于陶瓷和金属电极的热膨胀系数不同，在热冲击、热循环等作用下，电极-介质接触界面很容易产生热应力，由此造成的损伤称为“热应力损伤”[4]。研究表明仅热冲击这一种热应力造成的失效就占总失效产品的25%左右[5，6]。由此可见，MLCC热应力损伤是一种重要的损伤模式。
因此，通过灵敏热应力损伤检测技术对存在热应力隐性失效的产品进行评估，可以保证MLCC的可靠性，具有重要的实用价值。本文对常见的热应力损伤检测方法进行总结和归纳，重点介绍课题组研究的基于噪声的元器件热应力损伤检测方法。
2 热应力损伤检测方法
MLCC热应力损伤检测方法可以分为直观观察、模拟分析和参数退化表征三类，分别对应着不同的检测方法。下面将对常见的热应力损伤检测方法及优缺点进行介绍。
2.1 直观观察
所谓直观观察，就是利用图像等手段直接对损伤的位置和类型进行监测，常见的方法包括磨片分析法、声波/超声扫描检测法等。
(1) 磨片分析法
磨片分析法是一种典型的破坏性分析方法，也是一种常规的损伤分析和检测方法。磨片分析的过程为：先将被测样品制作成有一定硬度的研磨台，然后将研磨台放在高速旋转的砂纸上研磨，直到看到需要的剖面，再进行抛光，以便观察面清晰，确保观察效果，最后在显微镜下观察样品的内部结构[2，7]。
磨片分析法可以通过剖面及相应的显微镜检测得到MLCC失效部位的成分、形貌等精细结构，从而帮助失效机理的分析[8]。但由于磨片过程中选取拍片的位置对于磨片的结果有较大影响，很容易造成不良品漏判，因此，磨片分析法不能完全保证备件产品的可靠性。
(2)声波/超声检测法
利用声波或超声波可以对MLCC进行无损缺陷探测。常见的声学/超声检测试验包括声学发射试验、激光扫描声学显微镜试验和C型声学扫描显微镜试验等[9]。在所有的声学/超声检测方法中，超声扫描检测是MLCC最重要的一种无损检测方法[2，10]。
超声扫描检测法就是利用超声波的穿透和反射特性来检测样品中的缺陷。超声波在固体、液体、气体中都可以传播，且在同一种物质中超声波直接穿透物质。当物质中存在缺陷时，超声波会在两种不同物质的界面产生反射，从而探测到缺陷的存在。
超声波可以十分有效地探测出MLCC内部的缺陷和形态，如空洞、分层和水平裂纹等，因而可以有效的筛除有缺陷的产品，从而提高批量MLCC的可靠性。超声波检测法也存在其局限性，主要是检测效率较低，不适用于大批量产品的检测分选；其次进行超声无损检测前对设备的调试、MLCC产品排序、MLCC表面的清洁与表面除泡要求很高，否则容易出现误判[7]。
2.2 模拟分析
所谓模拟分析法就是利用模拟的手段对损伤和缺陷进行预测，进而对热应力损伤机制分析、工艺改进和可靠性提高等提供依据的方法。常见的模拟分析方法为有限元分析法，通过有限元分析软件，利用数学方法对材料的热学及力学特性的分布与量级进行较为精确的计算。
MLCC中的温度变化率或温度梯度所产生的热应力超过材料的承受能力时，就会产生裂纹[11-12]。采用有限元分析和实验测量相结合的研究方法可以对MLCC质量进行有效的研究，但是由于MLCC内部温度与时间相关性复杂，导致失效判据难以判定，同时数学模型建立困难，使有限元分析法的推广受到了很大的限制[13]。
2.3 参数退化表征
所谓参数退化表征方法，就是利用器件参数的退化对器件性能进行表征，进而监测器件缺陷的一种方法。随着MLCC介质厚度逐年变薄，漏电流对MLCC的影响越来越大(见图1)。漏电流过大，也就是“漏电”，成为MLCC最重要的一种失效模式。对MLCC的参数监测最主要的就是监测漏电流和绝缘电阻，两者具有倒数关系。利用参数退化对MLCC性能进行表征的方法包括液体检漏法、加速寿命试验和噪声检测等。
(1) 液体检漏法
液体检漏法是一种古老的MLCC无损检测方法，利用对陶瓷表面渗透性非常强的液体(例如甲醇、盐水等)涂覆陶瓷介质表面，液体通过毛细管作用渗透进入MLCC器件，加电后产生很大的漏电流，从而可帮助诊断出MLCC中的缺陷[9]。
液体检漏法只对表面缺陷或者与表面贯通的内部缺陷有效，可以有效的诊断出较为严重的分层和开裂缺陷，目前也作为MLCC的一种常规检测手段。但液体检漏法对陶瓷介质内部较小的缺陷无效，常作为一种辅助检测方法。
(2)加速寿命实验法
在电子元器件中，产品的工作寿命是评估产品可靠性的重要数量特征之一[14]。在传统的寿命实验中，国内外偏重于进行高加速寿命实验(HALT)[15]。HALT的实验条件为2~8倍额定电压和100~175℃之间的高温[16]。HALT使MLCC退化速度加快，通过观测MLCC的漏电流或绝缘电阻的加速失效率推算出预期失效。利用MTTF数据来预测无故障工作时间是HALT的重要特性。
HALT可以快速评价某一批电容在某些失效模式下的时间分布，从而大量缩短试验时间，节省人力、财力和物力，但这种方法具有破坏性，属于破坏性检测方法，仅适用于对批量样品进行总体性能的考察和抽样，高加速得到的试验结果需要与实际工作中遇到的结果相结合进行使用，不能单独作为一种判据。
(3)漏电流和噪声检测方法
所谓漏电流和噪声检测方法就是通过漏电流和噪声的退化来判断MLCC的退化程度，从而对MLCC的损伤进行判定的方法。其中，噪声是指电流噪声，在低频区域可以反应器件缺陷的信息。
这种方法首先由M. Tacano等在2009年提出，他们指出漏电流和噪声检测比高加速寿命试验得到的MTTF方法可以更为快速的给出MLCC的可靠性信息。西安电子科技大学506实验室对MLCC的噪声检测表明，MLCC低频噪声检测比漏电流检测更灵敏，而且具有忠实性和一致性。我课题组研制的电子元器件噪声测试系统可以检测和分析元器件中的各种噪声，并实现采集和处理，从中提取MLCC热应力及其他应力损伤的有用信息。
3 结束语
热应力损伤是MLCC最重要的损伤模式之一。根据国产MLCC的现状，通过检测手段来提高MLCC成品的批量可靠性是一种可行的手段，现有的检测方法各有优缺点，通过合理搭配，可以有效的对含有热应力损伤的MLCC进行剔除，从而提高MLCC的应用可靠性水平。
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