<p>文章来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/2yrQaB2e-3c9hmTAMxv41A">硬件十万个为什么</a></p>
<p><strong>1. MLCC结构简介</strong><br />
片式多层陶瓷电容器的结构主要包括三大部分:陶瓷介质，金属内电极，金属外电极。在其内部，金属电极层与陶瓷介质层交替堆叠；金属内电极一端与外电极相连的话，则另一端必定被埋在陶瓷介质内不与另一侧外电极相连；每两个相邻的金属内电极与其中间的陶瓷介质一起，构成了多个并联平板电容器。这种巧妙的结构设计特别适宜于连续的自动化生产，并能够显著提高单位体积的电容量。但也正是由于这种结构，造成了在MLCC内部的边缘电场发生畸变，同时也使内部的金属电极之间电流分布不均匀。如果在MLCC内部无材料和加工方面的缺陷，则MLCC的击穿容易发生在这些部位上，造成MLCC的失效。片式多层陶瓷电容器原理图、结构示意图和实物切片图如下图所示。</p>
<img alt="片式多层陶瓷电容器原理图、结构示意图和实物切片图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5958d79d-e9d8-45a2-85c9-26c09c18259b" height="633" src="/sites/default/files/inline-images/01_1.PNG" width="380" />
<p><strong>2. MLCC击穿类型</strong><br />
对MLCC来说，主要有两种击穿失效模式：一种是电压击穿，或者称为电击穿；另一种是电流击穿，属于热击穿。这两种击穿规律不同，物理过程也不同，存在着较大的差异。另外还有一些其他类型的击穿，如电应力击穿等，电应力击穿一般发生在介质层很薄、大容量的MLCC中，击穿机理同电压击穿。</p>
<p>本次失效模式为电压击穿，对电压击穿机理详细展开进行分析：</p>
<p>电容器在电场作用下，瞬时发生的击穿为电压击穿。其机理是电容器介质中的自由电子在强电场作用下，碰撞中性分子，使之电离产生正离子和新的自由电子，这种电离过程的急剧进行,形成雪崩式的电子流，导致介质击穿。这类击穿通常发生在环境温度不高的情况下，击穿的发生与施加电压的时间和环境温度无关，主要取决于介质的微观结构，也和介质厚度、电极面积等因素有关。</p>
<p>对于MLCC来说，发生电击穿除了与上述提到的因素有关外，还与其内部电极的边缘电场畸变有更为直接的关系。在MLCC的内部，电场分布情况见图所示。</p>
<img alt="电场分布情况" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a18b003e-b3d1-4149-905e-7704043c60c6" src="/sites/default/files/inline-images/02_114.png" />
<p>在A、B两点的左侧，邻近的两个金属电极平行相对，是典型的平板电容器结构，内部分布着均匀电场E1；在A、B两点的右侧，上面一层是短电极，金属电极层在A点被陶瓷介质阻断，与相邻外电极CD不相连，下面一层金属长电极与外电极在C点紧密连接，这种长短不齐的结构造成了电场畸变，使之在ABCD区域内为非均匀电场。在陶瓷介质中取两个柱形高斯闭合面，详见下图。</p>
<img alt="在陶瓷介质中取两个柱形高斯闭合面" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ddda736a-8717-4d3a-b865-56708711cabb" src="/sites/default/files/inline-images/03_95.png" />
<p>两个柱状高斯闭合面一个是在均匀电场内的长方形柱体，另一个是在非均匀电场但与均匀电场交界的梯形柱体。两个柱体的上下底面均与金属电极平行，下底S4、S5取在金属电极层内，上底S1、S2取在陶瓷介质中并靠近金属电极层。设金属电极层内的电荷密度均为σ。</p>
<p><br />
包围在此闭合高斯面内的自由电荷Q1=σ*S5，它分布在短电极下侧的表面上，按照有介质时的高斯定理：</p>
<p>ΦSD1dS=Q1=σ*S5=D1S1 （1）</p>
<p>式中D1为均匀电场E1中的电位移矢量。</p>
<p>在S2面上有通量，包围在此闭合高斯面内的自由电荷Q2=σ*S4：</p>
<p>ΦSD3dS=Q2=σ*S4 （2）</p>
<p>式中D3为均匀电场E3中的电位移矢量，当S2中的边长b取足够小，则D3可近似为均匀，同时考虑到D3与S2的外法线方向存在夹角θ，则有：</p>
<p>ΦSD3dS=D3S2cosθ=Q2=σ*S4 （3）</p>
<p>如令S4=S5，由于金属电极内的电荷密度σ处处相等，则Q1=Q2，则有：</p>
<p>D1S1= D3S2cosθ （4）</p>
<p>根据电位移矢量公式D=εE，则有：</p>
<p>E1S1= E3S2cosθ→S1/S2= E3*cosθ/E1= E2/E1 （5） </p>
<p>因为b足够小，S2很小，因此S1/S2>>1，可得出E2>>E1。说明在A点的电场强度E2远大于均匀电场E1。上述分析仅针对下电极BC段，其实外电极CD段的E4对E2方向上的电场强度也有贡献，所以A点的实际电场强度比所分析的E2还要强。</p>
<p>过压试验故障品击穿点基本也在该位置，与理论研究吻合。</p>
<img alt="过压试验故障品击穿点" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="20c735de-b744-4d01-afd5-e302256e53b4" src="/sites/default/files/inline-images/04_78.png" />
<p><strong>3. 结论</strong><br />
假设在MLCC内部陶瓷介质均匀、介质层无任何缺陷，电极层完整、厚薄一致和层叠整齐的情况下，可以得出以下结论：对MLCC施加高电压，如果超过了其所承受的能力，MLCC会发生电压击穿。由于MLCC内部存在畸变电场，则A点的场强最高，击穿易发生在AB两点附近。电压击穿的发生与施加电压的时间和环境温度无关，但长时间施加高电压会介质性能退化，导致击穿的发生。</p>
<img alt="退化" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c5d13a32-22f5-4894-b85f-5c47a9c7f629" src="/sites/default/files/inline-images/05_59.png" />
<p>由于MLCC生产工艺多，在流延、印刷、叠层和层压均有可能引入缺陷，如流延介质厚度偏下限会导致介质变窄，则也会出现在其他位置发生电压击穿的情况，详见下图。</p>
<img alt="电压击穿的情况" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2ee47c7c-89e3-4797-89e9-a423e74108ea" src="/sites/default/files/inline-images/06.PNG" />
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