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在电子设备的硬件设计中，多层陶瓷电容器（MLCC）是极为常见且关键的电子元件。它以其体积小、容量大、等效串联电阻低等优势，广泛应用于各类电路。然而，MLCC 在工作过程中可能会遭遇电应力击穿问题，这不仅影响设备的性能，还可能导致严重的失效。对于硬件工程师而言，深入了解 MLCC 电应力击穿机理，掌握失效分析方法和可靠性设计要点，是确保电子设备稳定运行的关键。

一、陶瓷电容的基本结构

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。

二、MLCC 电应力击穿的基本概念

电介质与击穿现象

MLCC 的核心部分是电介质，它在正常工作电压下起到隔离电荷的作用，使电容器能够储存电荷。但当施加在 MLCC 两端的电压超过其额定值，达到一定程度时，电介质的绝缘性能会被破坏，电流急剧增大，这种现象就是电应力击穿。

对 MLCC 来说，电应力击穿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。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：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。

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，电场分布情况见下左图所示。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。

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。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。

失效分析方法

外观检查

通过显微镜等工具观察击穿的 MLCC 外观，可能会发现表面有烧焦、开裂、鼓包等异常现象。这些外观特征可以为进一步分析提供线索。

电气性能测试

使用专业的测试设备，如 LCR 测试仪，测量击穿后的 MLCC 的电容、损耗角正切、绝缘电阻等参数。与正常元件的参数对比，判断其失效程度和类型。

解剖分析

将击穿的 MLCC 进行解剖，观察内部结构。可以使用聚焦离子束（FIB）、扫描电子显微镜（SEM）等设备，分析电介质层、电极等部位的微观结构变化，确定击穿的起始位置和原因。

MLCC可靠性设计要点

合理选择元件参数

根据电路的工作电压、电流、频率等要求，选择合适额定电压、电容值、温度特性的 MLCC。避免在接近或超过其额定参数的条件下使用。

降额设计

在设计时，使 MLCC 的实际工作电压远低于其额定电压，一般建议降额 50% 以上。这样可以有效降低电应力击穿的风险，提高可靠性。

优化散热设计

确保 MLCC 在工作过程中有良好的散热条件，降低其工作温度。可以通过合理布局电路板、增加散热片等方式实现。

避免电压冲击

在电路启动、关闭或发生瞬态变化时，可能会产生电压冲击。通过添加缓冲电路、滤波电路等措施，减少电压冲击对 MLCC 的影响。

MLCC 电应力击穿是硬件工程师在设计和应用中必须重视的问题。通过深入了解击穿机理，掌握有效的失效分析方法和可靠性设计要点，可以提高电子设备的稳定性和可靠性，减少因元件失效带来的损失。在未来的硬件设计中，不断探索和应用新的技术和方法，将有助于进一步提升 MLCC 的性能和可靠性。