韩宝妮，文 平，董作典，唐 旭，宋 燕



宇航用微波芯片电容器电极镀层可靠性评价方法研究

韩宝妮，文 平，董作典，唐 旭，宋 燕

（西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100）

微波芯片电容器作为一种新型的电容器，已被广泛应用于宇航，而国军标和行业标准中目前并无适用的评价方法。针对宇航用芯片电容器的应用方式和失效模式，设计了一套宇航用微波芯片电容器镀层可靠性的评价方法，用以评价其可靠性是否满足宇航应用需求。以国产芯片电容器为例对该评价方法进行验证。结果表明，该评价方法可有效评价和验证芯片电容器电极镀层的可靠性。

宇航应用；微波元件；芯片电容器；电极镀层；可靠性；评价方法

随着航天技术的发展，MCM（多芯片模块）电路因其高性能、高密度化、小型化、轻量化等诸多优势被越来越多地应用在航天器中。在模块电路中，作为隔直流耦合交流、滤波、去耦等功能的电容器被大量采用。而微波芯片电容器，作为一种新型的电容器，由于其体积小、质量轻以及与薄膜混合集成电路工艺的完全兼容性，已被广泛应用于MCM电路。

目前，宇航用芯片电容器主要为瓷介电容器，包括单层芯片电容器和多层芯片电容器两种；按照表面电极制造工艺类别划分，可分为薄膜工艺和厚膜印刷工艺。与传统的片式瓷介电容器的结构和应用方式不同，芯片电容器的两个电极为电容器的上下表面；应用时，电容器的下表面通过导电胶粘接或共晶焊接安装在基片上，上表面采用引线键合方式引出。这种应用方式决定了宇航用户在选用芯片电容器时，除了关注电容器的功能性能指标以外，还重点关注电容器表面电极镀层的质量和可靠性。在宇航型号应用实践中，芯片电容器的主要失效模式表现为键合强度不够或键合不上，以及镀层的附着力不够。电容器在环境应力尤其是温度应力条件下，其电极与陶瓷之间的结合强度是否满足要求，是用户重点关注的因素。因此，如何评价微波芯片电容器电极镀层的质量和可靠性是航天质量保证工作者尤为关心的问题。

目前，由于芯片电容器无相对应的国军标总规范或行业标准，而各类瓷介电容器的通用规范如GJB4157A—2011[1]、GJB192B—2011[2]、GJB924A— 2012[3]等均无电极镀层考核相关的试验规定。GJB2438A—2002[4]中附录第C.2.7.5.3.3条“膜层附着力”试验规定：“可采用胶带粘接后观察基片与膜层的起皮或剥落情况的发生”来评价基板上的金属膜层与基板之间的附着力。GJB1941—94[5]中规定了检验金镀层的诸多试验方法，如外观检查、金层厚度测试、结合力、可焊性等。这些试验可有效检验金电镀层的质量，尤其是结合力试验，该试验包括弯曲试验、切割试验以及烘烤试验，可多角度地考核金电镀层与基底材料的结合强度。然而，这些方法仅适合较大尺寸元器件镀金层的检验，且适合基底层为金属或普通陶瓷（Al2O3）的镀金层。对于长度/宽度尺寸一般为0.5~1 mm的芯片电容器，GJB1941—94[5]中规定的结合力试验方法是不具备操作性的。另外，由于宇航用芯片电容器的陶瓷介质材料大多为BT(BaTiO3)系列陶瓷，上述方法并不适用。

笔者根据宇航用微波芯片电容器固有电极结构特点和应用方式，吸取最新型的宇航元器件质保经验，设计了一套宇航用芯片电容器电极镀层可靠性的评价方法，并以国产芯片电容器样品为例对该评价方法进行验证。该评价方法主要适用于薄膜芯片电容器，重点关注芯片电容器薄膜电极的工艺质量。国内外文献中对这类新型电容器的应用可靠性或可靠性评价相关方面鲜有报道。本文提出的芯片电容器镀层可靠性的评价方法是以宇航型号应用需求为牵引，可全面评价宇航新选用的国产或进口芯片电容器的电极镀层的质量和可靠性。

本文首先介绍了芯片电容器的结构，接着阐述了电极镀层可靠性评价试验方法，最后给出了国产芯片电容器的实例验证结果。

1 芯片电容器的结构

宇航用芯片电容器按照结构划分，包括单层和多层两种，其结构示意图如图1和图2所示。单层芯片电容器是以单层陶瓷介质片为基体材料，再在基片上下表面金属化处理形成电极，最后通过切割而制成的，其外电极镀金。多层芯片电容器是由印刷好内部电极的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过高温烧结形成陶瓷芯片，在陶瓷芯片上下两端金属化外电极而成，其内部电极一般为钯银合金，垂直于水平方向，外电极镀金。

图1 单层芯片电容器结构图

图2 多层芯片电容器结构图

2 电极镀层可靠性评价方法

根据芯片电容器固有的结构特点和应用需求，设计了一套芯片电容器电极镀层可靠性的评价方法，试验项目如表1所示。

评价方法共包括4个分组，包括结构分析、装联工艺适应性试验、安装焊接后温度冲击评估试验以及耐焊接热评估试验。下文将对每个分组的试验目的、评价指标、试验要求详细论述。

2.1 结构分析

结构分析是一种常用的宇航元器件评价技术，它通过一系列破坏性和非破坏性检验、分析和试验，获得元器件的设计、工艺和材料等满足评价要求和相关宇航应用要求能力的信息，其目的是为了查明元器件的设计、结构、工艺、材料、固有可靠性状况、潜在危害等[6]。

针对芯片电容器的电极镀层可靠性评价，设计的结构分析试验主要包括两部分内容，即结构可靠性和工艺可靠性。

表1 芯片电容器镀层可靠性评价方法

2.1.1 结构可靠性

结构可靠性主要审查电容器的电极结构是否合理。为确保芯片电容器的可靠应用，要求其薄膜电极与陶瓷材料有很好的结合力，且电极应具有良好的导电性、焊接性和稳定性[7]。因此，外电极一般为复合结构，推荐膜层结构为三层，从里到外依次是过渡层、阻挡层和焊接层（又称导电层）。过渡层金属要求与基底陶瓷相匹配，具有很好的结合力；中间的阻挡层作用是用于进行过渡层与焊接层间的匹配，并有效阻挡焊接时焊料对底层金属的侵蚀；焊接层一般采用电阻率较低、焊接性好、抗氧化、与焊料能无限互溶、阻抗低的金属，一般为金层。

2.1.2 工艺可靠性

工艺可靠性主要考核电容器的薄膜电极的制造工艺是否可靠，具体试验项目又包括外观检查、扫描电子显微镜检查（SEM）以及剖面检查，具体试验方法及要求如下。

a) 外观检查：通过金相显微镜检查芯片电容器的表面电极质量。试验按照GJB548—2005方法2032，无源元件的目检中的K级要求进行[8]。

b) 扫描电子显微镜检查（SEM）：通过电子显微镜进一步检查芯片电容器表面金属化的质量。试验按照GJB548—2005方法2018，扫描电子显微镜（SEM）检查中的要求进行[8]。

c)剖面检查：通过制样镜检对芯片电容器的剖面进行检查。检查时重点关注：1)电极的剖面形貌；2)电极与陶瓷结合界面形貌。同时，通过该试验可检验陶瓷介质层是否存在气孔、分层、裂纹等缺陷，但该条不作为本文的关注点。

2.2 装联工艺适应性试验

实际应用时，芯片电容器的下表面一般采用共晶焊接或导电胶粘接在基板上，上表面采用键合工艺进行安装。为评价芯片电容器的装联工艺适应性能力是否满足宇航应用需求，根据电容器实际安装方式和主要的应用失效模式，设计了键合强度和芯片剪切试验，用于初步评估芯片电容器表面镀层的可键合性和镀层附着力。其中，键合强度试验按照GJB548—2005方法2011：键合强度（破坏性键合拉力试验）的规定进行[8]；芯片剪切强度试验按照GJB548—2005方法2019：芯片剪切强度的规定进行[8]。

需要说明的是，由于该分组试验样品在试验前应首先进行安装，因此，在具体实施时，该分组与第三分组同时进行，其试验结果可与第三、四分组的试验结果进行比对。

2.3 安装后温度冲击评估试验

芯片电容器应用在MCM电路中，根据宇航应用环境要求，可能经历环境温度快速变化的应用工况。在温度应力尤其是快速温变的作用下，陶瓷材料和电极金属材料由于不同的热膨胀系数和热传导系数导致的应力不同，由此可能造成电容器陶瓷和金属化电极之间界面的结合强度发生改变，从而导致镀层附着力下降。

为评价芯片电容器镀层附着力在经历温度环境应力后是否下降，设计了温度冲击评估试验。该试验要求电容器首先进行安装，安装方式覆盖芯片电容器在宇航应用中的常用基板和安装方式。

2.3.1 安装

芯片电容器的安装包括以下几个要素：

a) 基板的选择；根据宇航用户需求，选择两种常用基板：包括陶瓷（Al2O3）和ROGERS基板。

b)电容器下表面的安装方式：包括导电胶粘接和共晶焊接。

c)电容器的上表面安装方式：包括金丝键合和金带键合。

对以上三种要素进行组合，设计的安装方式包括4个分组，详见表2。

表2 安装方式

2.3.2 试验条件及要求

参考ESCC标准中有关元器件极限评估的试验方法，设计的温度冲击评估试验为冲击次数极限评估试验。GJB 2438A—2002中针对混合电路互连工艺鉴定中规定的温度冲击次数为100次[4]，为进一步加严考核芯片电容器镀层耐快速温变环境应力的能力，此次设计的温度冲击试验次数依次为200次和500次。在依次完成200次、500次极限试验时对样品进行外观检查和电性能测试。

试验详细条件如下：

a) 试验初始条件：按照GJB360B—2009方法107进行：极限温度为–65~+150 ℃（该温度为芯片电容器的贮存温度范围），高低温极限温度下的保持时间为30 min，极限温度间转换时间不大于1 min，循环结束后恢复至常温[9]；

b) 试验循环次数：200次，500次；

c) 试验要求：200次、500次试验后分别对电容器进行外观检查，并测试电容器的介质耐电压、绝缘电阻(25 ℃)、电容量以及损耗角正切。

2.3.3 键合强度和芯片剪切

对完成温度冲击评估试验的样品，每种安装分组的样品抽样进行键合强度、芯片剪切强度试验，并与第2分组的试验结果进行对比。

2.3.4 剖面检查

对完成温度冲击评估试验的样品，每种安装方式分组的样品至少抽样1只进行剖面检查。剖面检查时重点关注点同2.3.1节的第c)条。

2.4 耐焊接热评估试验

芯片电容器在采用共晶焊接方式装联时，芯片表面的金属化电极薄膜除了应具有良好的结合性能以外，还应能有效地阻挡焊料对金属电极膜的反浸蚀作用。电容器在焊接时会有许多复杂的反应交替发生，如加热、熔化、结晶、相态变化、化学反应等；若金属电极的耐焊性较差，则在焊接到一定程度时容易出现氧化、吸气现象，或者是导热性过高或过低引起的热胀冷缩严重的情况，导致器件的性能变差[10]。

为评估芯片电容器表面镀层抗安装应力的能力，在宇航共晶焊接工艺条件的基础上，加严设计了耐焊接热评估试验。考虑到宇航共晶焊接温度一般为290~310℃，此次评估试验温度设置为350℃；这样，相比于实际应用焊接温度，评估试验温度具有40~60 ℃的裕量。试验采用次数步进的方式进行，具体要求如下：

试验按照GJB 360B—2009方法210及下述规定进行[9]：

a) 初始测量：按规定测量电容器的初始电容量；

b) 预处理条件：125 ℃条件下保持2 h，恢复时间为24 h；

c) 试验条件：将产品放置在热板上，控制台温度为（350±5）℃；时间（10±1）s；

d) 步进条件：按次数进行，最高5次；

e) 试验后测量：试验后将电容器在室温下恢复后测试电容器的电容量，抽取样品进行键合强度、芯片剪切强度以及剖面检查。

3 验证实例

3.1 验证样品

选取国产芯片电容器，采用本文所述的评价方法对电容器的电极镀层进行可靠性评价。由于相同生产厂的单层芯片电容器和多层芯片电容器的表面电极镀层金属化结构、工艺、生产线一般相同，因此此次评价选取了国产单层芯片电容器为例进行验证。验证样品的外电极金属化结构均为TiW/Ni/Au。

3.2 试验结果

3.2.1 结构分析

对试验样品按照前面要求进行了结构可靠性和工艺可靠性分析，试验结果如下。

a）结构可靠性

对验证样品的电极结构进行分析，电容器的端电极内层为TiW，中间层为Ni，外层为Au，其中TiW层为过渡层，Ni为阻挡层，Au为导电层。经结构分析认为样品的电极结构设计合理。

b）工艺可靠性

① 外观检查

对试验样品进行外观检查，外观检查合格，其典型的外观形貌图见图3。

图3 电容器的外观形貌

② 剖面检查

对试样样品进行剖面检查，试验结果见图4。

图4 剖面检查形貌

③ 扫描电镜（SEM）

对试样进行扫描电镜检查，结果如图5所示。

（a）剖面

(b)电极剖面

图5 芯片电容器的SEM照片

Fig.5 SEM pictures of the chip capacitor

c）结果分析

根据3.2.1 a)节和3.2.1 b)节的试验结果可以看出，单层芯片电容器样品电极镀层结构合理，电极以及电极与陶瓷界面的镀层连续致密，形貌正常，未发现明显缺陷，从结构分析的角度认为该芯片电容器适合宇航应用。

3.2.2 安装后温度冲击评估试验

将电容器样品在两种基材（Al2O3和ROGERS）上分别采用两种安装工艺（导电胶粘接和共晶焊接）安装后，依次经历200次温度冲击和500次温度冲击试验后，电容器的介质耐电压、绝缘电阻（25℃）电容量、以及损耗角正切均满足规范值要求，电容器的损耗角正切值基本无变化，试验前后电容器的电容量变化情况见表3所示。从表3可以看出，试验前后两种样品的电容量变化很小，可以忽略。

表3 温度冲击评估试验前后电容量的变化量

试验前后对样品进行键合强度和芯片剪切强度试验，均符合GJB548—2005相应方法中规定的要求，样品的镀层附着力在经历500次温度冲击评估试验后无退化[7]。

试验后每种安装方式抽取1只样品，进行剖面检查，四种安装方式下的剖面形貌基本一致，200次和500次温度冲击评估试验后，样品电极金属化层以及金属层与介质层的界面形貌正常，无明显缺陷。典型的剖面检查形貌见图6所示。

图6 安装后温度冲击评估试验后样品剖面检查形貌

以上试验结果表明，两种芯片电容器的镀层对快速温变环境具有良好的适应性，可适应多种安装方式装联应用。

3.2.3 耐焊接热评估试验

电容器样品在经过350℃、10 s、5次的耐焊接热试验后，各项电性能指标满足要求，无产品失效。试验完成后，对样品进行键合强度和芯片剪切强度试验，试验结果均满足标准要求；试验前后电容量最大变化率为4.2%（要求≤5%）。试验后对样品进行剖面检查，其电极金属化层以及金属层与介质层的界面形貌正常、镀层完整连续，无明显缺陷。典型的样品剖面检查形貌见图7所示。

图7 耐焊接热评估试验后样品剖面检查形貌

以上试验结果表明：芯片电容器抗安装应力能力满足宇航要求，耐焊接温度能力富有裕量。

4 结论

本文根据宇航用微波芯片电容器的电极结构特点和应用方式，设计了一套宇航用微波芯片电容器电极镀层可靠性的评价方法。该方法借鉴了最新型的宇航元器件评价技术，并充分考虑了宇航应用需求，共包括结构分析、装联工艺适应性、安装后温度冲击评估试验以及耐焊接热评估试验四个分组，可全面评价芯片电容器的镀层工艺和应用可靠性。以国产单层芯片电容器为例，对该评价方法进行验证，结果表明，该评价方法可有效地评价和验证芯片电容器电极镀层的可靠性。

[1] 张玉芹, 蔡明通, 张子山, 等. 高可靠瓷介固定电容器通用规范. GJB 4157A—2011 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2011.

[2] 张玉芹, 张子山, 林小艺, 等.高可靠瓷介固定电容器通用规范. GJB 192B—2011 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2011.

[3] 张玉芹, 张子山, 梁永红, 等. 2类瓷介固定电容器通用规范. GJB 924A—2012 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2012.

[4] 雷剑, 陈裕焜, 冯玲玲, 等. 混合集成电路通用规范. GJB 2438A—2002 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2002.

[5] 余东林, 赵长春, 周志春, 等. 金电镀层规范. GJB 1941—94 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 1994.

[6] 张磊, 龚欣, 李海燕, 等. 宇航用元器件结构分析通用指南. Q/QJA 20041—2012 [S]. 北京: 中国航天标准化研究所印务发行部, 2012.

[7] 岑嘉宝. 钛酸钡基PTC陶瓷溅射金属化的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

[8] 陈裕焜, 贾新章, 张德胜, 等. 微电子器件试验方法和程序. GJB 548B—2005 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2005.

[9] 周钦沅, 张秋, 王静, 等.电子及电气元件试验方法. GJB 360B—2009 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

[10] 吴承建, 陈国良, 强文江. 金属材料学[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2000: 100-101.

（责任编辑：陈渝生）

Research on reliability evaluation methods for electrode coating of microwave chip capacitors for aerospace application

HAN Baoni, WEN Ping, DONG Zuodian, TANG Xu, SONG Yan

(Xi’an Space Radio Technology Research Institute, Xi’an 710100, China)

As a new type of capacitors, the microwave chip capacitor has been widely used in aerospace application. However, there is no any applicable evaluation method in military specifications and professional standards. Aiming at application manner and failure modes of chip capacitors for aerospace application, a whole set of method to evaluate the reliability of electrode coating of the microwave chip capacitor was proposed, which could estimate whether the reliability was qualified for aerospace application. Take the domestic monolayer chip capacitor as an example, the method was verified. The experimental results show that the methods can evaluate and verify the reliability of electrode coating of the microwave chip capacitor effectively.

aerospace application; microwave device; chip capacitors; electrode coating; reliability; evaluation methods

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.016

TM53

A

1001-2028（2018）02-0085-07

2017-10-19

韩宝妮

韩宝妮（1983－），女，陕西乾县人，工程师，从事宇航用微波电子元器件质量保证及可靠性研究工作；文平（1968－），男，四川安岳人，高工，从事宇航用微波电子元器件质量保证及可靠性研究工作。