MLCC制作过程中分层开裂原因分析

电子工艺技术
336
Electronics Process Technology
2011年11月
图1 未发现电极分层开裂
图2 分层开裂
从表1可以发现，不同的内浆匹配同一瓷粉，出
现分层开裂程度大不相同。
这说明内浆与瓷粉匹配的好与差直接影响到
MLCC的分层开裂程度。
为进一步分析内浆与瓷粉的匹配性能，取上面
综上讨论得出：排胶效果不良导致MLCC分层开 裂，其根本原因是排胶不良的芯片中碳残留相对较 多，导致内电极的TMA收缩提前，加大了内电极与 瓷体收缩的差异，即烧结内应力增大，MLCC就产生 分层开裂。 1.3 回火温度及氧含量
MLCC在还原气氛中烧结，烧结后瓷体会出现氧 缺位，影响MLCC的绝缘性能，需对烧结后的芯片进 行回火补氧缺位，改善绝缘性能。但回火温度的高 低和氧含量的大小需控制在一个最佳的范围，否则 会造成MLCC烧结后的分层开裂。为进一步分析证 实，本文选取Y5V材料芯片，采用不同的回火温度及 氧含量对烧结后的芯片进行回火，芯片出现的分层 开裂情况见表3。
氧化反应会发生；同样在一定的温度下，随着氧分
压的提高氧化反应也会发生。氧化反应发生后，内
电极金属镍氧化后膨胀，在芯片内部产生内应力，
其应力会从芯片薄弱处释放应力，从而导致端角开 裂。图7为烧结倒角后端角开裂图片，图8为产生端 角开裂芯片的内部电极氧化情况。
图7 芯片端角开裂
第32卷第6期
刘新，等：MLCC制作过程中分层开裂原因分析
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比排胶效果好的内浆收缩温度低。排胶效果差导致 内浆收缩温度降低的原因是在空气排胶过程中，内 电极金属镍会出现镍的氧化层，若存在排胶不良， 芯片中会存在碳残留，在烧结过程中碳残留会将内 电极氧化镍层还原。因为金属镍的烧结收缩温度会 比表面有氧化的金属镍烧结收缩温度低，又由于瓷 粉的烧结收缩温度会比内浆的收缩温度高的规律， 我们可以发现排胶质量减少率低的排胶效果差的 芯片其内浆与瓷粉的TMA曲线差异会增大，应力加 剧，MLCC芯片开裂分层就会增多；相反排胶质量减 少率高的排胶效果好的芯片其内浆与瓷粉的TMA曲 线差异会减小，应力减少，MLCC芯片开裂分层就会 减低。
表1 三种不同内浆匹配NP0材料瓷粉试制样品烧结后 分层开裂情况
试验
试验 １ 试验 ２ 试验 ３
内浆种类
内浆 １ 内浆 ２ 内浆 ３
烧成倒角后分层开裂情况
未发现电极分层开裂（如图1所示） 约0.05%分层开裂
约85%分层开裂（如图2所示）
基金项目：国家国际科技合作项目（项目编号：2010DFB33920） 作者简介：刘新（1977- ），男，毕业于西安建筑科技大学，工程师，主要从事MLCC的研发与生产。
参考文献：
[1] 陈长云，李筱瑜，祝忠勇. 高比容MLCC关键制作技术研究[J]. 电子工艺技术，2011，32（4）：229-232. [2] 李筱瑜，唐浩. 卧式砂磨机在MLCC陶瓷浆料分散中的作用[J]. 电子工艺技术，2010，31（01）：49-52. [3] 宋永生，任海东，付振晓，等. 超薄介质大容量镍电极MLCC 用陶瓷材料的研制[J]. 电子工艺技术，2008，29（02）： 95-97. [4] 陈长云，李筱瑜. MLCC内电极厚度对其性能影响的研究[J]. 电 子工艺技术，2011，32（2）：105-107. [5] 卢艺森. Ni电极片式多层陶瓷电容器产生开裂的几种因素分析 [J]. 电子质量2008（09）：35-37. [6] 张韶鸽. 镍电极MLCC内电极浆料与介质烧成收缩匹配性的研 究[J]. 电子质量2010（04）：34-36. 收稿日期：2011-10-17
关键词：MLCC 分层；内浆；瓷粉；TMA；排胶；回火；氧含量 中图分类号：TN604 文献标识码：A 文章编号：1001-3474（2011）06-0335-03
Analysis of Reasons for MLCC Delamination During Manufacturing
LIU Xin, LI Xiao-yu, CHEN Chang-yun
粉介质膜片密度，增大瓷粉介质收缩率，缩小瓷粉
与内浆TMA曲线间的差异；在MLCC电极印刷时，减
小金属电极的质量，减少电极与瓷粉之间的收缩应
力。通过以上措施制作的MLCC分层开裂现象都有明
显改善。
综上讨论：内浆与瓷粉这两者之间TMA曲线的
差异相差越大，烧结过程中产生应力越大，就越易
导致MLCC分层开裂。
图8 端角开裂芯片内部氧化的电极
综上讨论得出：当回火温度和氧含量达到一定
量时，导致内电极金属镍会氧化膨胀，从而产生应
力，导致在MLCC芯片端角的薄弱处产生端角开裂。
2 结论 综合以上试验数据分析，可以得出导致MLCC芯
片分层开裂的主要原因为：（1）制作MLCC内浆与 瓷粉TMA曲线匹配性不佳，烧结时因内浆与瓷粉收 缩率偏差较大，从而产生应力导致MLCC芯片分层和 开裂；（2）MLCC在烧结前存在排胶不良，导致烧 结时内浆与瓷粉的收缩率发生变化，从而产生分层 和开裂 ；（3）烧结回火温度或氧含量过高，导致内 电极金属镍氧化膨胀，在MLCC芯片端角的薄弱处产 生端角开裂。
艺进行排胶，芯片排胶后的质量减少率数据及烧成
后开裂情况见表2。
表2 不同排胶效果芯片烧结后分层开裂情况
排胶时间 试验
t /ｈ
试验 4 12 试验 5 18 试验 6 34 试验 7 48 试验 8 54
排胶后质量
烧结倒角后
减少率/% 4.8～5.4 6.5～7.2 8.0～8.5 9.0～9.5 9.8～10.6
约1.6‰芯片分层、 200
端角裂
100
合格
从表3可以看出，在同一温度下，不同回火氧含量的
工艺中，氧含量大于一定数值时，烧结后的芯片会
出现分层及端角开裂情况；同一氧含量下，不同温
度回火工艺，芯片也会出现分层及端角开裂情况。
根据吉布斯-亥姆霍茨（Gibbs-Helmholtz）公式
可以证实，在一定的氧分压下，随着温度的提高，
1 试验结果与讨论 本试验使用气氛烧结炉、HI-SCOPE KH-2700
型三维显微镜、EXATAR600型热机械分析仪和 L0L0P0L-5型磨片机等分别对MLCC芯片的内浆与瓷
粉的匹配、排胶效果和回火参数等进行试验[5]。 1.1 内浆与瓷粉的匹配性
采用与瓷粉匹配更好的内浆来生产制作MLCC是 每个厂家必须遵循的原则，它是MLCC不分层开裂的 先决条件[6]。本实验选用一种NPO瓷粉，有针对性地 选取三种不同内浆与之匹配，在其他工艺相同条件 下进行同规格容量的试制，试制样品烧结后的结果 见表1。
为近一步分析排胶质量减少率对MLCC分层开裂 的影响，分别取芯片排胶后质量减少率高和芯片排 胶后质量减少率低的内浆做热机械分析，分析结果 如图6所示。
0.00 -4.00 -8.00 -12.00
内浆B
内浆A
－50.00 －50.00
－50.00
－50.00
-16.00 0
－50.00 200 400 600 800 1000 1200 1400
0.00 -4.00 -8.00 -12.00
瓷粉
内浆1
－50.00
内浆3
内浆2
－50.00
Байду номын сангаас
－50.00
－50.00
-16.00 0
－50.00 200 400 600 800 1000 1200 1400
温度θ /℃
图3 三种不同内浆与NP0材料瓷粉TMA曲线
1.2 排胶效果
选取NP0材料MLCC芯片，采用不同空气排胶工
三种不同的内浆分别和这种NPO瓷粉做TMA（热机
械分析）曲线分析，得出曲线结果如图3所示。从
TMA曲线结果再结合试制MLCC的分层开裂程度可以
发现，内浆与瓷粉的TMA曲线越接近，烧结后分层
开裂产生的机率越小，相反内浆与瓷粉的TMA曲线
相差越大，烧结后分层开裂的现象越严重。这主要
是由于内浆与瓷粉在烧结过程中均产生收缩，而收
MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitor ）具有体积 小、内部电感低、介质损耗低、绝缘电阻高和可靠 性优良等特点，被广泛应用在各种电子设备上[1-4]。 如果MLCC本身存在内部缺陷，则会对其可靠性产生 严重影响。MLCC的内部缺陷有: 陶瓷介质内空洞、 烧结裂纹和分层开裂等。因此在MLCC制作过程中， 避免MLCC产生内部缺陷，提高MLCC的可靠性尤为 重要。本文针对MLCC分层开裂的原因进行分析归 类，提出导致MLCC开裂的原因机理。
(Fenghua advanced technology Co.Ltd., Zhaoqing 526020, China)
Abstract: MLCC consists of multi layers of dielectric and metal electrodes sintering together. delamination is one of the main quality defects during the manufacturing, which has a significant effect on the reliability during the application. Classify the reasons of delamination, and find failure reasons are non- matching between ceramic dielectric and inner electrode paste, not well of binder burn out before sintering; high reoxidation temperature or high oxygen content during the sintering.
分层开裂情况 90%分层开裂，100%电极内
部分层 约0.6%分层开裂，10%电极
内部分层（如图4所示） 约0.16%分层开裂，未发现
电极内部分层 约 0.04%分层开裂，未发现
电极内部分层 合格，未发现电极内部分层
（如图5所示）
图4 电极内部分层
图5 未发现电极内部分层
从表2可以看出，排胶后的质量减少率低，排 胶效果差的芯片在烧结倒角后存在较大比例开裂分 层；排胶后的质量减少率高，排胶效果好的芯片在 烧结倒角后未发现开裂分层现象。
温度θ /℃
内浆A —质量减少率为10.2%的内浆； 内浆B —质量减少率为5.3%的内浆
图6 镍金属表面有氧化与无氧化的内电极浆料TMA曲线
从图6中可以发现，内浆A约在920 ℃开始收缩， 内浆B 约在800 ℃就开始收缩，排胶效果差的内浆会
样品长度变化率/% 施加在样品上的恒力F /N
样品长度变化率/% 施加在样品上的恒力F /N
表3 不同温度和氧含量回火后芯片分层开裂情况
回火温度
回火氧含量 烧结倒角后分层
试验 θ/℃ φ （氧）/（×10-6）
开裂情况
试验9 1 000
试验10 试验11 试验12 试验13
1 000 1 000 900 900
约80%芯片分层、 200
端角裂（见图7）
约6‰芯片分层、 100
端角裂
20
合格
电子工艺技术
2011年11月 第32卷第6期
Electronics Process Technology
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MLCC制作过程中分层开裂原因分析
刘新，李筱瑜，陈长云
（广东风华高新科技股份有限公司， 广东 肇庆 526020）
摘 要：MLCC是经过多层材料堆叠共烧后制成的，在其制作过程中，产生分层是比较严重的质量缺陷之 一，严重影响MLCC在使用过程中的可靠性。对MLCC产生分层的原因进行分析归类，总结出MLCC产生分层的 原因为：制作MLCC内浆与瓷粉TMA（热机械分析）曲线匹配性不佳；MLCC在烧结前存在排胶不良；烧结回火 温度或氧含量高。
缩程度的差异取决于这两者之间TMA曲线相差的大
小，它是导致应力大小的直接原因，应力越大就越
易导致分层开裂。
上述的分析结果在制作MLCC过程中也能够得到
论证，MLCC的生产厂家经常采用以下几种方式改善
内浆与瓷粉之间TMA曲线的差异：在内浆中添加瓷
粉小料，延迟内浆收缩，使得内浆与瓷粉的TMA曲
线接近；在使用瓷粉配制浆料制作膜片时，降低瓷
Key words: MLCC; Delamination; Inner electrode paste; Ceramic powder; TMA; Binder burn out; Re-oxidation; Oxygen content.
Document Code: A Article ID: 1001-3474(2011)06-0335-03