文/圖 品質保證部 黃邦賢

被動元件是指提供相關被動功能配合電子主動元件運作的零組件,當然有被動元件就有主動元件,例如:IC、Diodes、電晶體,差異在於主動元件能自行運算及儲存釋放電力的元件,被動元件則反之,通常配合主動元件的穩壓、濾波、防波、保護等功能,雖然在電路板裝配應用上屬於配角,但在設計上往往是不可或缺的角色。
※補充說明: 電子元件除了主動元件及被動元件外,還包含很多例如連接器開關麥克風USB等功能件,合組成為系統電路板。

被動元件主要分電容 (Capacitor)、電阻(Resistor)、電感 (Inductor),其特性主要如下:

特別要說明是積層陶瓷電容MLCC,由於應用層面廣且輕薄短小,在SMT也是常用元件,由於材料特性過往在旗勝與客戶端間也出現不少異常處理經驗,也是本次重點說明項目。
積層陶瓷電容MLCC顧名思義就是部品內為多層結構堆疊而成,主要分為內電極層、外電極層及陶瓷外表,內電極層功能也就是在於透過導電物層層之間的空間儲存電量的容器,外電極層是與外界的系統連結,通常與PCB、FPC所設計的PAD焊接,陶瓷單純是保護功能。

值得一提就Mektec曾經研究各主要廠牌的設計差異,外電極層多數結構為銅→鎳→錫,例如 Murata、國巨、三星等設計皆如此,但太陽誘電的外電極層則為銀→銅→鎳→錫共4層,其特性為何並未再研究,但近年來電容假貨不斷,或許也是辨別差異的方法之一。
 

MLCC製程說明大致分為粉末→印刷→燒結→電鍍→電測→包裝,其中主要功能及關鍵製程為印刷,當然最重要是前置材料的調配讓電極層且朝向輕薄短小又能具備夠穩定的耐壓條件。
(資料來源:村田製作所)


 電容MLCC型號上的編碼說明如上,多為國際標準制定。

 
 
電容MLCC電性功能依據列表僅呈現電容值,也是購買選用時首要的條件,然而電容在檢測特性上主要表現有3種,容值Cap、D.F.值、絕緣阻抗I.R.值來初步判斷電容的參數是否在規格範圍內,是否存在不良。
量測設備則分Cap, DF選用LCR,絕緣阻抗則選用高阻計測量IR值。(資料來源:村田製作所)
量測容值及DF值參考依據當然依購買型號之標準量測,直接用LCR量測並給予判斷即可,但電容MLCC高介電常數型具有容值老化特性,因此當放置較久的電容量測發現不足時,能在加熱處理之後恢復原本的容值水準(通常可加熱150度60分鐘, 保持常溫24小時再量測),但抽檢量測可將樣品加熱,其餘零件該如何處理,就製程及應用上搭載SMT時會經過Reflow高達260度,而在電性應用時直流或者交流電壓期間衰減也能夠被抑制,所以當發現容值不足規格時並不用擔心,透過以上步驟即可重新判定。

但絕緣阻抗IR的量測則不同,選用設備高阻計,理想的電容的電阻無限大,但是實際電容加壓後會有微小電流流過,其絕緣阻抗IR存在有限值。當給電容施加電壓後,會有充電電流產生,並導致電流呈指數下降阻抗歐姆值則變高,所以為了準確測量漏電流值,依標準在額定電壓會充電1分鐘後測量絕緣阻抗IR。

現今市面上充斥著電容回收料或工廠的失效品販賣,Mektec品保單位對此也提出數據研究,當IR規格50MΩ(50Ω•F)雖然充電1分鐘有部分假貨可通過規格,但正常的耐壓品約可達到200~300MΩ,若有部品量測在100MΩ已經爬升困難則表示該捲或該批次有風險,應該取更多樣品判斷趨勢以及分配。
電性失效往往是從絕緣阻抗IR的量測中發現,是由於電容值Cap與DF值當整體並未嚴重破壞或燒毀,電性功能皆能在規格內,但若內電極層有微量的變化例如微列或電極破壞皆可能產生漏電流,因此絕緣阻抗IR在此時的偵測性就能得知。
內電極層的破壞類似大致可分三大類五種型態:熱應力(Mode1)、機械應力(Mode2,3,4)、電性應力(Mode5)。(資料來源:太陽誘電)
熱應力:通常電容在高溫/低溫的反復溫度變化的環境下因熱膨脹係數之差導致熱應力發生內電擊層與外陶瓷層破裂。
   製程中包含迴流焊(Reflow soldering)、烙鐵維修(Rework)過程的溫度控制不當所引發。
機械應力:則多為外在因素導致本體應力破壞,例如SMT打件、組裝後的板彎、ICT測試、運送取放碰撞等。

  可參考下圖各類型的板彎影響結果: (資料來源:國巨電子)

電性應力:這部分屬於MLCC部品異常居多,內電極層微破裂或斷裂現象,導致漏電流的IR值下降,
 如脈衝、突波和過電壓都可能導致誘發異常,但MLCC部品本身都具備一定的耐壓條件,出廠前皆應該被篩選出。
 若有瑕疵品流入市場則可能以現品的型態販賣,導致產品的可靠性不足,所以盡量避免購買現品商,以原廠購買為主。
 
電容器MLCC是電子組裝常見且泛用性高的零件,近年來電容短缺價格飛漲,但外部的客戶訂單需求來的快又急,要囤積有效期因素及管理成本,找原廠購買又需要等交期,所以不少現貨商也在市場上流通造成品質管理上的困難。
對此,我們也提出MLCC的鑑別方案可供參考:
1. 建立外型尺寸資料庫:就過往經驗村田較圓潤偏黃褐色,其餘偏方正黑色
2. 切片分析:從內電極層數、間距、外電極層數、厚度來比較
3. 原廠的出貨報告:即便現貨商也應該取得原廠來源,屆時可透過管道調查

上述僅是過往經驗及廠商給予的建議,重點還是回到企業誠信,在適當且有效的管理制度中,避免使用到假貨或瑕疵品,導致無法挽回的損失。