超声检测多层陶瓷电容_MLCC中的气隙缺陷

【超声检测多层陶瓷电容_MLCC中的气隙缺陷】在许多多层陶瓷电容（MLCC）的组装过程中，电极层和位于其上方的陶瓷生片的底部之间可能会积聚一些空气。这些空气填充的孔隙（气泡/气孔）可能在烧结后仍然存在，并且可能存在于已经投入使用的电容中。
这种气泡/气孔对非常薄的电极几乎没有影响，但是气泡/气孔的存在会使电容的机械强度变弱。电路板安装的应力可能导致最靠近气泡/气孔的陶瓷介电层产生裂纹，回流过程中由于加热和冷却而产生的热应力也会导致裂纹产生。正常使用中的热循环也可能形成裂纹或者使已经存在的裂纹扩大。
这样的裂纹可以保持相对无害，直到其中一个裂纹延伸过介电陶瓷片达到另一个电极，并在两个电极之间形成导电通路，引起短路，使MLCC发生故障。在低压MLCC中，短路会中断电路功能，对系统的影响可大可小。而高压MLCC由于其存储的能量高，因此可能会发生爆炸。
由于固体材料（例如陶瓷）和气体（分层中的空气）之间存在界面，因此可以在MLCC被安装到系统之前，检测其内部是否有气隙缺陷存在。这些界面可以用超声波进行检测，可以是在安装前对大批量的MLCC进行检测或安装后对个别MLCC进行检测。

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图1
这样的检测由声学显微成像(又称超声显微成像)系统进行。本文中显示的图像都是由Nordson SONOSCAN实验室中的C-SAM系统产生的。该系统的传感器在离单个电容或盛有许多电容的托盘上方几毫米处进行扫描时，传感器每秒会发射数以千计的超声波脉冲信号到电容的表面。每个脉冲发射到一个特定x-y坐标位置，脉冲穿过陶瓷层（图1中的白色横框）和电介质层，并且在层之间的每个界面处都被轻微反射（如小的空心红色箭头所示），因此它一路在不断地衰减，但是衰减很小。当脉冲撞击任何一种固体材质与空气之间的界面（比如分层，水平裂纹或气泡/气孔）时，几乎所有脉冲都会被反射回传感器，如图1左侧的大的红色实心箭头所示，没有信号能穿过固体材质和空气之间的界面。而那些没有遇到气隙的脉冲（如图1右侧的蓝色实心箭头所示）继续到达电容的底部，在该处被反射回传感器。

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脉冲信号在单个MLCC或装满MLCC的托盘的某个x-y位置的回声在对应的超声图像中形成一个像素点。尽管超声图像可以被着色，但是原始的图像是单色的：由于分层和其他气隙的回波幅值大，因此它们在超声图像中的像素点呈现白色。而两种固体材质之间的界面（例如，环氧树脂与硅之间的界面）只有一部分的脉冲信号会被反射（幅值较小），在超声图像中它们呈现灰色。而其他部分的脉冲信号会穿过该界面并且行进得更深，而这些信号可能会到达下一个界面再被部分反射。如果在所选择的深度范围内（比如接近电容的整个厚度内）有些位置没有遇到任何界面，就不会产生回声，这些位置在超声图像中的像素点呈现黑色。
每种材质都有其自身的声阻抗，它是密度和声速的函数。来自两个材质界面的回声的幅度大小取决于两种材质的声阻抗值之间的差异，这就不难理解为什么固体-空气的界面会反射几乎所有脉冲。
MLCC中的两种固体材质比较特殊：陶瓷和电极的声阻抗值非常接近。这意味着超声脉冲可以从大型MLCC的表面传播到底部，并从那里被反射回来，虽然有一定的衰减，回声的强度足以被接收和量化。即使有数百个电极层和介电层，也是如此。在超声显微成像中，类似的例子不多。在典型的电子元器件中，脉冲穿过几层材质回声就很弱了，更不要说几十或数百层了。

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图2
图2是一个低压MLCC的C模式超声图像。传感器对电容进行扫描，并收集来自数以千计的x-y位置的内部界面的回波。为了制作该图像，需要在系统中设置一个电子门，它的宽度几乎是整个电容的厚度——这意味着接收器只接受电子门内的回波并用以成像。设置电子门的宽度时需要将电容的表面和底面排除在外。在对其他类型的电子元器件的成像过程中，电子门的宽度通常比这里所提到的小很多。例如，在对倒装芯片进行成像时，电子门只需包括那些来自芯片与底部填充材料之间的界面的回波，或者底部填充材料与基板之间的回波，因为这些界面是经常发生缺陷的地方，而不需要考虑包括其它的回波。
在筛选应用中，由于用户设置的电子门几乎包含了整个MLCC的厚度，因此，我们无法确定右侧的最大的圆形气泡所处的具体深度。但这不影响对于该产品做"通过/失效"的判别：无论其所在深度，该气泡有可能在某个时候扩展成为一个裂纹，从而破坏整个电容的功能。该图像也显示该电容中还存在其它几个异常。明亮的红色或绿色特征可能都是气泡。其它较小的气泡，它们的亮色特征在图像上也显得非常小，即使很小的气泡也会对电容造成损坏。

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图3
图3是对同一个多层陶瓷电容使用不同的成像模式产生的超声图像。超声显微成像系统有大约15种不同的成像模式，大多用于特定的目的。图1中的图像是通过设置电子门包含几乎电容的整个厚度所形成的。但是，图3是用非常不同的方式产生的。
传感器在电容的表面扫描，这点和生成图1所示的图像是一样的。它从相同的数千或数百万个x-y位置收集数据。不同的是电子门的位置。在图3中，接收器仅接受来自电容底面的回波，而不接收来自表面或电容内部任何材质界面的回波。
究竟怎么回事？当每个脉冲都通过表面进入并向下传播时，大多数脉冲没有遇到任何材质界面，尽管它们被沿途穿过的材质衰减。当到达底部时，它们以回波的形式沿相同路径返回。它们到达接收器时，仍然有足够的幅值强度在图像上呈现比较明亮的像素。
一些回波遇到电容和气泡/气孔中空气之间的界面，它们以回波的形式从该深度返回，而无法到达电容的底面。这些回波到达接收器，但为时过早，无法在设定的电子门对应的时间范围内被收集，因此被忽略。几纳秒后，从底面返回的回波到达该电子门。由于气泡/气孔的回波不在这个电子门对应的时间窗口内，因此这些气隙区域在图像中呈现为黑色的像素点。其它一些异常也呈现黑色。图像的清晰度不如图1，这是因为没有完全聚焦，而且到达的超声波，来来往往，可能已经穿过了100多个反射较弱的材料界面。
这种成像模式也可以用于相对较厚的高压MLCC 。任何深度的结构缺陷都会被发现，而且有缺陷的电容将不会投放到重要的需要高压MLCC的应用中。

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图4
图4是另一个在不同位置具有类似缺陷的MLCC的超声图像。图像除了显示缺陷的x-y位置外，还显示其在电容中的深度。图像使用相同的传感器。它首先产生C模式图像确定缺陷所在x-y平面中的位置，然后再使用一种称为Q-BAM的模式--定量B扫描分析模式。此模式会产生穿过样品的非破坏性的横截面图。
该电容一半的C模式图像显示在图4的上半部。这一半的右上角的红色圆形即是缺陷。红色直线对应传感器在产生该横截面图像时所经过的路径。图4的下半部分是电容的Q-BAM横截面图。传感器第一次扫描过红色直线时，它聚焦在电容的最底部，并仅从该深度收集回波。然后，传感器稍微往上移动，并沿该直线扫描回来，收集来自当前较高深度的所有界面的回声。传感器每沿该直线扫描一次后，就向上移动一些，这样持续来回扫描，直到到达样品表面。
该非破坏性横截面图像中的尺寸与电容被实际切开的光学图像中的尺寸相同。这种非破坏性成像模式使用户可以根据需要，沿任意多条直线做截面图。实际切片仍可用于详细分析，但典型的顺序可能是：
1.超声C模式图像以定位异常特征的x-y坐标
2.超声Q-BAM图像显示非破坏性的横截面图
3.对选定平面进行实际切片
4.实际横截面的光学图像
本文介绍的成像模式通常用于对低压和高压MLCC进行成像和分析。在需要时，可以使用大约十多种其它超声成像模式来发现异常。