多层陶瓷电容器失效的数值模拟研究

论文摘要

在电子工业中，随着人们对电子产品的性能要求越来越高，而体积要求却越来越小，必然会促使电子产品朝着小型化的方向发展。多层陶瓷电容器（multilayerceramic capacitor，简称MLCC）因其具有体积小、比电容高、绝缘电阻高及漏电流小、寿命长、可靠性高和价格低廉等优点，被广泛应用到信息、军工、移动通讯、电子电器和航天航空等领域。本论文主要针对多层陶瓷电容器在制备过程中产生残余热应力而导致器件失效的问题进行研究，研究工作具有非常重要的科学意义和实用价值。论文主要基于商业有限元软件ABAQUS6.8对器件进行分析，主要内容包括：(1)．编写了参数化设计输入文件，实现了MLCC建模的人机互动。(2)．以镍(Ni)电极和钛酸钡（BT）层合而成的MLCC为研究对象，发展了应力边界条件下的简化有限元模型，并对器件进行了残余应力分析。基于此模型，预测不同厚度介质层的MLCC在生产制备过程中所产生的热应力，并进行相应的失效机理分析。研究结果表明：介电层和电极层的厚度比对残余应力大小具有重要的影响作用，其厚度比存在一个临界值，残余应力在临界值前后的变化趋势相反。(3).为了研究MLCC中心层附近的应力分布情况，建立了MLCC的单层简化模型。数值结果表明：当Ni电极层的厚度小于BT层的厚度时，随着陶瓷层厚度的减小，等效应力急剧增加。而当介电层和电极层的厚度比达到或者超过某一临界值时，其变化趋势不明显，并且维持在最大值附近。数值结果还表明：MLCC在制备过程中存在很大的剪切应力。(4).在单层简化模型的基础上添加了零厚度粘聚力单元，并将该粘聚力单元定义为器件可能的失效路径。基于粘聚力模型分别从等效应力、剪切应力、刚度衰减因子、开裂时间等方面进行分析。研究结果表明：沿厚度方向和沿径向的可能失效路径具有不同的失效模式。在沿厚度方向的失效路径I上，除靠近电极端部单元先开裂外，其它单元几乎是同一时间具有破坏行为。沿宽度方向失效路径I的损伤时间要早于沿径向失效路径II。通过对不同介电层和电极层厚度比(te/td)的器件能量耗散进行分析得出，在BT层的厚度保持不变的情况下，随着Ni电极层厚度的不断增加器件在失效的过程中的能量耗散也越大，越容易失效。(5).研究了界面参数对器件失效的影响，结果表明：随着界面强度的增加失效路径、失效模式均不变，但其开裂时间却提前。而随着界面的名义应力的不断增大器件越来越难破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 多层陶瓷电容器的结构与原理
• 1.1.2 多层陶瓷电容器的发展状况
• 1.1.3 多层陶瓷电容器的发展趋势
• 1.2 选题依据、目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 课题来源
• 1.5 研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 应力边界条件下 MLCC 的简化有限元模型应力分析
• 2.1 引言
• 2.2 MLCC 有限元模型的建立及其参数
• 2.3 MLCC 残余热应力的确定
• 2.4 本章小结
• 第3章 MLCC 的单层有限元简化模型及应力分析
• 3.1 引言
• 3.2 MLCC 的有限元分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 粘聚力单元理论介绍
• 4.1 引言
• 4.2 粘聚力单元的应用
• 4.2.1 使用粘聚力单元连接其它部件
• 4.2.2 使用基于面约束的粘聚力单元和其它部件单元的连接
• 4.2.3 粘聚力单元和周围部件的接触连接
• 4.2.4 在大变形分析中使用粘聚力单元
• 4.3 基于 T- SL（Damage for Traction-Separation Laws）法则的粘聚力单元本构
• 4.4 材料参数的设定
• 4.5 损伤模型
• 4.6 损伤开始
• 4.6.1 最大名义应力准则
• 4.6.2 最大名义应变准则
• 4.6.3 二次名义应力准则
• 4.6.4 二次名义应变准则
• 4.7 损伤演化
• 4.8 失效单元删除
• 4.9 本章小结
• 第5章 MLCC 的粘聚力单元模型及失效分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于 TS-L 的粘聚力单元参数及粘聚力单元 MLCC 的几何模型
• 5.3 数值结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 材料界面参数对器件失效的影响
• 6.1 引言
• 6.2 MLCC 的有限元分析
• 6.2.1 界面单元的弹性模量对器件失效影响
• 6.2.2 界面单元的开始失效名义应力对器件失效影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究课题总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 发表论文
• 参加科研情况
• 致谢