(中国空间技术研究院,北京 100191)

随着对镍-陶瓷界面特征研究的深入,新抗还原陶瓷介质和镍内电极浆料开发成功,工业领域Ni-Cu电极多层瓷介电容器 (也称Base Metal Electrode Multilayer Ceramic Capacitors,BME MLCC)的技术成熟度已经达到较高水平[1]。BME MLCC拥有单位体积高容量和低成本的优势。现在几乎99%的MLCC都在使用BME技术制造,一些高可靠的模块和混合电路已经用BME MLCC。20世纪90年代开始,美国军方就以商用货架 (Commercial on Shelf,COTS)形式大量选用了BME MLCC产品。近几年,美国、欧洲分别建立了相关宇航标准,如:NASA S-311-P-838[2]、ESCC 3009/041[3]等,规范 BME MLCC生产和质保。2015年,AVX公司部分BME MLCC已在欧空局被正式认证为宇航等级。BME MLCC已经成为高可靠电容器的研究热点[4],我国也需要针对国内生产厂的具体情况,建立BME MLCC的宇航准入机制。

从 “初步评估、详细评估、鉴定检验”思路出发,本文针对BME电容器具有缓慢老化失效特性、较PME电容器介质减薄特性、以及由此带来的长寿命领域使用风险,提出了鉴定范围、结构分析和微观结构生产一致性、长寿命可靠性、环境适应性等宇航鉴定关注点及典型评估、鉴定试验项目,给出了在方案设计中,BME电容器宇航鉴定流程和要求。

1 宇航鉴定思路

航天型号电子系统性能的提升是以元器件性能指标提升为基础的,其质量等级确定和长期稳定供应是宇航用元器件管理必须解决的重要问题。GB/T29074-2012《宇航元器件鉴定要求》是宇航鉴定标准体系的顶层文件,提出了 “初步评估、详细评估、鉴定检验”思路,与传统的 “生产线审查+鉴定检验”的鉴定模式相比,能够在评估过程客观审视元器件指标、要求,形成产品改进意见并闭环处理。随着元器件技术发展的日新月异,高集成度、高性能、高指标的元器件层出不穷,采用国标鉴定,也能够快速将民用技术复用到宇航型号中。

BME MLCC具有典型的MLCC结构,与PME MLCC相比,在叠印、切割、涂端等工艺上有很高的相似性。在宇航鉴定的方案设计中,需要以宇航用PME MLCC的评估试验、鉴定检验要求和试验数据为基础,以国外现有的宇航级BME MLCC应用和研究成果为参照,从材料、结构、失效机理等方面分析,重点针对镍电极电容器可能出现的高温绝缘特性等问题,设计宇航鉴定程序和相关要求。宇航鉴定程序见图1。

图1 BME MLCC宇航鉴定程序Fig.1 Test procedure for space qualification of BME multilayer ceramic capacitors

2 BME MLCC特性及可靠性风险

2.1 结构

BME MLCC结构与传统PME MLCC结构相似,都是由内电极、陶瓷介质、外电极三个主要部分组成,结构示意图见图2,三部分的主要组成材料见表1。实现大容量产品的开发方式一般通过提高材料介电常数、降低介质层厚度来实现。

图2 BME MLCC结构示意图Fig.2 Construction structure of BME MLCC

2.2 特性

BME MLCC在结构、材料、工艺上与 PME MLCC的相似性决定了其特性与传统多层瓷介电容器是类似的,电极、介质材料不同使得在微观结构、电极金属电化学稳定性等方面存在区别。BME MLCC的主要特性如下:

(1)氧空位迁移带来了缓慢老化失效模式

由于在还原气氛烧结,陶瓷介质中不能避免出现氧空位。BME MLCC出现之初,因氧空位问题引起电容器绝缘特性差,未直接大量使用,表现为:高温漏电流相对于PME MLCC明显增加,表现出较差的绝缘性能。近年来,陶瓷材料和烧结工艺的进步有效弥补了BME MLCC在绝缘特性的缺点。因此,需要基于现有的工业技术条件,针对具体产品的绝缘特性,尤其是高温绝缘特性进行评价。

图3 BME MLCC的漏电流与应力时间的关系曲线中,可以看到两种失效模式:突然失效和缓慢失效。突然失效机理是指漏电流随着时间急剧增加,从而引起电容器严重损坏 (雪崩式电击穿或热失控)。缓慢失效机理是指氧空位电迁移后,逐渐降低晶界处势垒高度,引起电容器漏电流逐渐增加,这是BME MLCC主要和独特的失效机理[5]。

图3 BME MLCC突然失效与缓慢失效示意图[5]Fig.3 General view for sudden failure and slow failure of BME MLCC[5]

(2)更理想的微观结构带来了介质减薄可能

为了保证电容器的可靠性,在MIL-PRF-123的3.4.1节给出了宇航级PME MLCC最薄的介质厚度25 μm(额定电压大于 50 V)。但是 BME MLCC的微观结构是不同的。Ni更适合且容易与介质层结合,氧空位的存在有利于介质材料的烧结和致密化,而且烧结温度相对Ag、Pd电极要高。因此,很多BME MLCC有比PME MLCC更理想的微观结构:具有较致密均匀的陶瓷颗粒和较小的晶粒尺寸。对于具有相同的厚度d和施加相同电压V的两个介电层,较小晶粒尺寸的介质层晶粒分得的电压较低,可能具有较好的可靠性。相对于PME MLCC,BME MLCC具备介质减薄的可能性。

(3)电化学稳定性较PME MLCC好

金属镍的电子迁移速度较Pd/Ag小,具有良好的电化学稳定性,出现金属离子迁移形成导电通路的概率低。

2.3 风险分析

BME MLCC相对于PME MLCC在工艺实现上存在困难。Ni在高温下易氧化,需在还原气氛中烧成。而BaTiO3陶瓷在还原气氛中Ti4+会被还原成低价离子而使陶瓷的绝缘性能下降。因此对共烧技术提出了很高要求,如果设备和工艺控制不当,易造成产品质量可靠性问题。

BME MLCC的优势在于能够减薄介质层厚度,但薄的介质层厚度给产品可靠性带来了不确定因素。

在长期可靠性上,BME MLCC烧结的氧空位带来绝缘电阻下降等风险问题[6]。尽管近年来试验数据表明部分国产BME MLCC失效率已可以达到六级,仍需在长寿命可靠性方面进行重点考核。

3 宇航要求与工业要求比较

3.1 宇航元器件特点

宇航用元器件具有高质量、高可靠要求,例如:对真空、辐射等空间环境适应能力,六级以上高失效率等级,15年以上长期工作可靠性要求。

3.2 标准对比

工业标准以汽车电子标准AEC-Q200[7]为例。汽车电子行业对元器件的鉴定注重应力环境,潮湿、振动等条件部分比军用元器件要求高;汽车电子委员会在AEC-Q200[7]中给出了陶瓷电容器的鉴定要求,其鉴定试验要求与MIL-PRF-32535[8]宇航级鉴定要求对比见表2。MIL中各电容器通用规范对比见表3,体现了BME MLCC与PME MLCC鉴定要求的区别。例如:由于没有低电压失效模式,BME MLCC在稳态湿热试验中不再采用1.3 V低电压,而是选取了对其来说严酷的UR电应力[8]。

表2 AEC-Q200与MIL-PRF-32535鉴定对比 (BME MLCC)Tab.2 Qualification test comparisons on AEC-Q200 and MIL-PRF-32535 of BME MLCC

表3 MIL中MLCC通用规范不同点Tab.3 The differences between the general specification of each MLCC in MIL standard

4 BME MLCC宇航鉴定关注点

4.1 鉴定范围和材料结构要求

鉴定范围需综合考虑宇航应用需求,已验证的结构、工艺等,确定宇航鉴定的电容器额定电压、尺寸、容量等范围。根据宇航型号母线电压需求选择合适的额定电压范围,根据电装工艺技术水平选择合适的尺寸范围,根据结构可靠性已知数据选择电容器采用的材料结构范围。在宇航鉴定中,要通过DPA的方法,配合设计准则审查,确认产品能够满足表4规定的结构材料要求。

表4 Ⅱ类瓷BME MLCC材料结构要求 (额定电压100 V)[2]Tab.4 Material and structural requirements of BME MLCC,typeⅡ[2]

另外,由于易被损坏的特点,不推荐使用厚度在0.5 mm以下的电容器;0402以下的电容器由于太小,需要的试验成本较高,同时在相同的流程下,很难保证可靠性,也不推荐使用。

4.2 结构分析和生产一致性

研究表明,微晶结构、瓷质致密性对电容器质量和可靠性均有影响[9]。微观结构与漏电流的产生存在联系。因此宇航鉴定中,需确认微观结构,同时也要确认工艺一致性情况,可以选取BME MLCC与PME MLCC生产中区别较大的工序:烧结、烧端等。表5给出了一些典型的工序控制参数。

表5 典型工序一致性参数Tab.5 Typical process consistency parameters

一般认为,较小晶粒尺寸的介质层晶粒分得的电压较低,较小的晶粒具有较好的可靠性。NASA给出了可靠性与微观结构的关系(公式(1))[2],可用于在生产过程进行初始可靠性计算。规定初始可靠度 (Rt)的下限值,相当于对微观结构提出要求。

4.3 长寿命可靠性

鉴于BME MLCC可能存在的突然失效和缓慢老化失效,寿命评估试验考虑实际使用中可能出现的组合应力条件、两种机理的竞争关系,通过电参数退化或突变评估电容器的寿命特性[10]。宇航电容器在介质厚度方面有严格的要求,在耐电压和可靠性方面的余量极大,应采用适当的加速寿命试验方法,获得产品寿命特征的有效数据。

4.4 环境适应性

需要考虑在热、力、电等应力作用下特性的变化,获得电容器的失效模式、薄弱环节等信息,并通过极限试验摸底确定鉴定和筛选试验的具体条件,表6列出了常见环境应力、试验项目、失效机理等考虑因素。在鉴定中需要予以考虑。

表6 环境试验项目Tab.6 Typical construction comparisons on BME MLCC and PME MLCC

(1)耐纹波电流

20世纪80年代初,Schabauer和Blumkin建立了MLCC的热结构[5],确认PME MLCC无需进行纹波电流试验。陶瓷块内部的电极板越多,产生的热量越容易流出陶瓷块。与相同尺寸、相同额定电压的PME MLCC相比,BME MLCC通常有更多内部电极板和更薄的介质层。因此,BME MLCC具有散热更好的散热结构。MIL-PRF-32535、AEC Q200标准同样未要求BME MLCC的纹波电流试验。不再对BME MLCC进行耐纹波电流的鉴定。

(2)ESD特性

电容器并非静电敏感器件。另外,考虑到宇航型号中BME MLCC大多用于滤波、旁路,没有用作静电保护作用的需求,无需鉴定ESD特性。

(3)温度冲击

考虑环境温度变化对不同热膨胀系数材料引起应力的影响,薄弱环节为端电极应力集中处,且与安装基板有关。需要对电容器的温度冲击特性进行鉴定。

(4)耐焊接热

考虑焊接温度对不同热膨胀系数材料引起应力的影响,薄弱环节为端电极应力集中处。采用耐焊接热试验评估,可采取提高温度、延长加热时间的方法。需要对电容器的耐焊接热特性进行鉴定。

(5)弯曲应力

在未电装的情况下,BME MLCC的独石结构抗机械应力的能力较强,机械应力极限主要考虑电装前后,使用过程可能产生的机械应力。使用操作容易产生电容器弯曲失效。产品受到振动等应力时,对电容器来说同样也可能反映为电路板弯曲带来的应力。需要对电容器耐弯曲应力特性进行鉴定。

5 结论

考虑到BME MLCC的特性、风险和宇航鉴定关注点,为减小风险,按照国标GB/T29074-2012中 “初步评估、详细评估、鉴定检验”的思路,以设计准则审查、结构分析、详细规范审查、重点工序参数一致性分析、过程可靠性验证试验作为初步评估内容,以评估试验、应用验证、PID审查和产品详细规范、应用指南的确认作为详细评估内容。针对本文提到的宇航鉴定关注点,在技术状态确认、生产线能力初步确认、产品性能与可靠性评估等环节反复确认产品标准,客观审视元器件指标、要求,确定最终鉴定项目和应力水平,最终根据鉴定试验结果综合判断BME MLCC的宇航可用性。