一种陶瓷贴片电容失效率以及寿命的评估方法

1. 陶瓷电容发展现状与趋势

陶瓷电容自诞生以来，就朝着小尺寸、大容量的趋势发展。近年来，0201和0402封装已成为行业主流，这两种封装的需求量已超过总需求的70%；01005、008004等更小封装产品也相继面世，且需求量逐年增加。在容值方面，100μF、220μF、330μF等大容量产品已在行业内大量使用，日本太阳诱电在19年宣布了可量产1000μF陶瓷电容。陶瓷电容器容值的计算公式如下。式中，C为电容量，εr和ε0分别表示陶瓷介质介电常数和真空介电常数，A表示内电极有效面积，d表示陶瓷介质厚度，N表示内有效内电极层数。

（1）

由公式1可知，为实现小封装和大容量特点，就必须在相同尺寸的电容内堆叠尽可能多的层数（增大N值），且需要降低介质层的厚度（减小d值），目前日系厂家介质厚度已经能实现0.3μm以下。层数的增加以及介质层厚度的减小，都对陶瓷电容原材料和制造工艺提出了巨大的挑战，生产过程中细小的异物或空洞都将造成致命的影响。同样，由于小封装和大容量的发展，陶瓷电容设计的余量越来越小，对用户提出的要求越来越高，在选型时对陶瓷电容失效率和极限寿命的评估也显得十分必要。

2. 浴盆曲线

实践证明大多数设备的故障率是时间的函数，典型故障曲线由于形状呈现出两头高，中间低，所以被称为“浴盆曲线”。浴盆曲线同样适用于表示陶瓷电容的故障率。浴盆曲线中第一阶段为早期失效，如前所述，陶瓷电容早期失效多数在厂家生产过程中的电性能加严筛选阶段被剔除，或发生在客户焊接电容过程中，如生产撞件和单板弯曲应力；第二阶段为偶然失效期，此阶段失效率较低且处于平稳期，此阶段失效常见的原因为零星的电容内部存在无法剔除的细微缺陷，在损耗失效期前提前暴露；第三阶段为损耗失效期，主要由于电容的老化造成，即接近到达了电容的寿命终点，此阶段随着时间的变化故障率呈现出迅速上升趋势[1,2]。对于陶瓷电容，第一阶段失效能够被有效剔除和及时发现，所以重点关注的是第二阶段的失效率，以及进入第三阶段的时间，即极限寿命。

图1 浴盆曲线

3. 陶瓷电容加速寿命换算与失效率计算公式

陶瓷电容一般通过加速试验的方法对寿命进行换算。常见的计算公式是基于Arrhenius加速模型得到，Mogilevsky和Shirn在陶瓷电容加速寿命试验文章中提出的公式为[3,4]：

式中，L1为需要换算条件下的寿命，L2为实际加速试验结果的寿命；V1和V2分别为需换算条件下的电压和实际加速试验条件的电压；T1和T2分别为需换算条件下的温度和实际加速试验条件的温度（开尔文温度）；n为电压加速因子，通常取3~5；Ea为活化能，通常取1.1~1.3eV；KB为玻尔兹曼常数（8.62×10-5eV/K）。失效率可用Fit来进行表示，计算公式如下：

FR=（r/T）×K×109 （Fit）

(3)

公式中，r表示试验过程中电容的失效数量（如果无失效，则式中r×K=0.917）；T表示试验样品数量与试验时间（或换算时间）的乘积；K为60%置信度下的常数，具体取值见下表1。

表1 不同失效数量对应K值

4. 偶发失效期失效率评估方法

为评估陶瓷电容在正常服役条件下偶发失效期的失效率，一般采用大样品量（1000~10000颗）、低加速应力（1~1.5倍额定电压）、长时间（1000~2000h）的试验方案，根据试验结果计算评估实际使用条件下的Fit值。

4.1 试验方法与结果

选取市场上某品牌温度特性：X7S，电压：6.3V，容值：47μF±20%，封装：1216（X7S-6.3V-47μF±20%-1210）的陶瓷电容，数量1000颗，将电容焊接在测试板上，在上限工作温度125℃、1.5倍额定电压9.45V条件下试验2000h。实时监控电容的IR值，当IR下降至一定程度后判定为失效。在此条件下此次试验完成2000h试验后该规格电容失效数量为2颗。

4.2 失效率计算