印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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有一种"痛"叫做"老化和客户端双失效",MLCC绝缘电阻骤降的真凶竟然是它!

发布时间: 2026-04-28 00:00
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在电子制造领域,有一种"痛"叫做"老化和客户端双失效"...

某条高密度组装的SMT产线上,PCBA在老化测试及客户端使用中接连出现功能失效。初步定位,问题指向板上毫不起眼的0201贴片电容。

按理说,对于这种微小元件引发的失效,常见原因不外乎两类:

  • 器件本身参数超差,如容值衰减、绝缘电阻下降;

  • 焊接工艺缺陷,如虚焊、立碑。

然而,这一次的对手,似乎没那么简单。


1.常规手段"失灵"

收到失效样品后,第一步进行外观检查。

  • 无论是失效单体电容,还是PCBA上怀疑失效的电容,在光学显微镜下均未发现明显的裂纹、刮伤等物理损伤。

失效单体电容外观典型图

失效单体电容外观典型图

失效PCBA怀疑失效电容外观形貌

失效PCBA怀疑失效电容外观形貌

紧接着是无损透视检查(X-ray),这是排查元件内部结构及焊接组装缺陷的重要手段。

  • X-ray影像显示:失效单体电容的内部叠层结构、PCBA上的焊点及走线,均未见明显异常。

无损透视检查典型形貌

无损透视检查典型形貌

PS:没有烧毁痕迹,没有物理断裂,问题到底藏在哪?


2.锁定"漏电"元凶

既然物理表征找不到突破口,下一步转向电参数测试。通过对比失效单体电容、未使用良品电容,以及失效PCBA上的在板电容,异常浮现出来:

  • 绝缘电阻(IR)骤降: 未使用的良品电容绝缘阻抗高达953.7 MΩ,而失效单体电容C618、C734的阻值分别降至28.34 Ω、196.44 Ω,近乎短路;另一颗失效电容C621虽然容值(115.0 nF)和损耗角正切(3.68%)尚在正常范围,但其绝缘电阻也明显劣化至17.57 MΩ。

  • 在板并联异常: 失效PCBA上怀疑失效电容的阻值(PCBA1为47.4 Ω,PCBA2为37.6 Ω)明显低于正常PCBA同位置电容的阻值(123.1 Ω)。由于怀疑失效的电容在电路中为并联关系,阻值降低证实了电路中存在异常漏电通道。

为了精准定位PCBA上到底是哪一颗电容漏电,我们引入了Thermal EMMI(热发射显微镜/热点定位)分析。

  • 通过对怀疑失效的电容逐一上电扫描,在两组失效PCBA上均成功捕捉到了异常热点——且都集中在C653位置。

失效PCBA Thermal EMMI定位形貌

失效PCBA Thermal EMMI定位形貌


3.真相浮出水面

问题锁定到C653后,迎来了最关键的环节——切片分析与SEM形貌观察。我们先对已拆下的失效单体电容(C618、C621)进行剖切,隐藏在内部的致命缺陷暴露无遗:

  • 介质层空洞与破损:在电容端电极附近,发现了明显的介质层空洞。经多次研磨后观察,空洞周围的介质层出现了碎裂和破损形貌。这种空洞如同陶瓷内部的"空鼓",会严重降低局部耐压能力,在电场作用下极易产生局部放电或形成导电通道。

C618电容研磨后SEM形貌

C618电容研磨后SEM形貌

  • 最外层内电极微裂纹:这是导致电容漏电的核心原因。 在失效电容的最外两层内电极之间,发现多处微裂纹,且保护层出现破损。这些裂纹位于相邻内电极之间的介质层中,导致层间绝缘失效,使电容呈现低阻或微短路状态。

  • 端电极工艺缺陷(C621特有):在C621电容左侧端电极发现明显开裂,且端部多出一层异常金属层。经EDS成分分析,该层为Cu层,表明端电极在电镀工艺中存在缺陷。

C621电容研磨后SEM形貌

C621电容研磨后SEM形貌

4.在板验证

失效单体电容的缺陷已经找到,但一个关键问题仍然存在:这些缺陷是电容来料就有的,还是在组装焊接或使用中受外力导致的?

要回答这个问题,必须分析一颗从未被拆卸过、始终留在PCBA上的失效电容——如果它的内部缺陷与拆机件一致,且外观无撞击痕迹,就能排除外力因素,意味着同批次物料本身存在系统性质量风险。

于是,我们直接从PCBA1上切割下C653电容进行验证:

  • 外观检查: 电容表面无撞击痕迹或机械损伤;

PCBA1上C653电容外观形貌

PCBA1上C653电容外观形貌

  • 阻值复测: 切割后阻值42.869 Ω,确认漏电由该电容引起,与EMMI定位一致;

PCBA1上C653电容两端阻值

PCBA1上C653电容两端阻值

  • SEM扫描: 电容上表面无外力撞击导致的形变或裂纹;

PCBA1上C653电容上表面SEM形貌

PCBA1上C653电容上表面SEM形貌

  • 切片分析: 内部异常形貌与失效单体电容高度一致,裂纹位于电容侧面(即电容在PCBA上的安装侧面),而非顶部或底部——这是电容叠层结构的固有薄弱区,而非应力集中区。

PCBA1上C653电容切片形貌

PCBA1上C653电容切片形貌

PS:在板电容与拆机失效单体的缺陷形貌惊人一致,且外观无损伤、裂纹位置不具备外力特征。


根本原因:

这是一起典型的物料固有质量缺陷引发的失效。

电容在出厂时便带有“内伤”,即内电极层间介质不纯、有空洞,且在烧结或切割工艺中产生了微裂纹。随着时间与电应力的累积,这些微观缺陷逐渐恶化,最终在最薄弱的最外层内电极处形成漏电通路,导致电容失效。

改进建议:

建议在关键物料管控中引入破坏性物理分析(DPA,Destructive Physical Analysis):

电容作为PCBA上的关键元器件,在板使用量大、分布密集,一旦存在批次性缺陷,影响面广、排查成本高。通过对元器件进行切片,在显微镜下直接审核内部电极连续性、介质层致密性及端电极工艺质量,可在SMT贴片前完成内部质量确认,避免缺陷物料流入量产环节,造成返工维修、批次召回或客户端失效等更大损失。

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