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      各類型電容失效模式和失效機理原因分析

      2021.06.10   瀏覽:1845   資訊來源:admin

      mlcc陶瓷電容

      多層片狀陶介電容器由陶瓷介質、端電極、金屬電極三種材料構成,失效形式為金屬電極和陶介之間層錯,電氣表現為受外力(如輕輕彎曲板子或用烙鐵頭碰一下)和溫度沖擊(如烙鐵焊接)時電容時好時壞。


      多層片狀陶介電容器具體不良可分為:

      1、熱擊失效

      2、扭曲破裂失效

      3、原材失效三個大類

      (1)熱擊失效模式:

      熱擊失效的原理是:在制造多層陶瓷電容時,使用各種兼容材料會導致內部出現張力的不同熱膨脹系數及導熱率。當溫度轉變率過大時就容易出現因熱擊而破裂的現象,這種破裂往往從結構最弱及機械結構最集中時發生,一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面處、產生最大機械張力的地方(一般在晶體最堅硬的四角),而熱擊則可能造成多種現象: 

      第一種是顯而易見的形如指甲狀或U-形的裂縫


      第二種是隱藏在內的微小裂縫


      第二種裂縫也會由裸露在外的中央部份,或陶瓷/端接界面的下部開始,并隨溫度的轉變,或于組裝進行時,順著扭曲而蔓延開來(見圖4)。


      第一種形如指甲狀或U-形的裂縫和第二種隱藏在內的微小裂縫,兩者的區別只是后者所受的張力較小,而引致的裂縫也較輕微。第一種引起的破裂明顯,一般可以在金相中測出,第二種只有在發展到一定程度后金相才可測。

      (2)扭曲破裂失效

      此種不良的可能性很多:按大類及表現可以分為兩種:

      第一種情況、SMT階段導致的破裂失效

      當進行零件的取放尤其是SMT階段零件取放時,取放的定中爪因為磨損、對位不準確,傾斜等造成的。由定中爪集中起來的壓力,會造成很大的壓力或切斷率,繼而形成破裂點。

      這些破裂現象一般為可見的表面裂縫,或2至3個電極間的內部破裂;表面破裂一般會沿著最強的壓力線及陶瓷位移的方向。


      真空檢拾頭導致的損壞或破裂﹐一般會在芯片的表面形成一個圓形或半月形的壓痕面積﹐并帶有不圓滑的邊緣。此外﹐這個半月形或圓形的裂縫直經也和吸頭相吻合。

      另一個由吸頭所造成的損環﹐因拉力而造成的破裂﹐裂縫會由組件中央的一邊伸展到另一邊﹐這些裂縫可能會蔓延至組件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能會令電容器的底部破損。


      第二種、SMT之后生產階段導致的破裂失效

      電路板切割﹑測試﹑背面組件和連接器安裝﹑及最后組裝時,若焊錫組件受到扭曲或在焊錫過程后把電路板拉直,都有可能造成‘扭曲破裂’這類的損壞。

      在機械力作用下板材彎曲變形時,陶瓷的活動范圍受端位及焊點限制,破裂就會在陶瓷的端接界面處形成,這種破裂會從形成的位置開始,從45°角向端接蔓延開來。


      (3)原材失效

      多層陶瓷電容器通常具有2大類類足以損害產品可靠性的基本可見內部缺陷:

      電極間失效及結合線破裂燃燒破裂。

      這些缺陷都會造成電流過量,因而損害到組件的可靠性,詳細說明如下:

      1、電極間失效及結合線破裂主要由陶瓷的高空隙,或電介質層與相對電極間存在的空隙引起,使電極間是電介質層裂開,成為潛伏性的漏電危機;

      2、燃燒破裂的特性與電極垂直,且一般源自電極邊緣或終端。假如顯示出破裂是垂直的話,則它們應是由燃燒所引起;

      備注:原材失效類中第一種失效因平行電容內部層結構分離程度不易測出,第三種垂直結構金相則能保證測出

      結論:

      由熱擊所造成的破裂會由表面蔓延至組件內部,而過大的機械性張力所引起的損害,則可由組件表面或內部形成,這些破損均會以近乎45°角的方向蔓延,至于原材失效,則會帶來與內部電極垂直或平行的破裂。

      另外:熱擊破裂一般由一個端接蔓延至另一個端接﹐由取放機造成的破裂﹐則在端接下面出現多個破裂點﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則只有一個破裂點。

      一張圖教你分析電解電容失效分析

      看不清圖片,可以點擊圖片之后,放大后查看:


      鉭電容:

      優點:體積小、電容量較大、外形多樣、長壽命、高可靠性、工作溫度范圍寬

      缺點:容量較小、價格貴、耐電壓及電流能力較弱

      應用:軍事通訊、航天、工業控制、影視設備、通訊儀表

      1.也屬于電解電容的一種,使用金屬鉭做介質,不像普通電解電容那樣使用電解液,鉭電容不需像普通電解電容那樣使用鍍了鋁膜的電容紙繞制,本身幾乎沒有電感,但這也限制了它的容量。——我們在大容量,但是需要低ESL的場景,我們就選用鉭電容。

      2.由于鉭電容內部沒有電解液,很適合在高溫下工作。——一些溫度范圍要求比較寬的場景。

      3.鉭電容器的工作介質是在鉭金屬表面生成的一層極薄的五氧化二鉭膜。此層氧化膜。介質與組成電容器的一端極結合成一個整體,不能單獨存在。因此單位體積內具有非常高的工作電場強度,所具有的電容量特別大,即比容量非常高,因此特別適宜于小型化。——集成度比較高的場景,用鋁電解電容占的面積比較大,陶瓷電容容量不夠的場景。

      4.鉭電容的性能優異,是電容器中體積小而又能達到較大電容量的產品,在電源濾波、交流旁路等用途上少有競爭對手。鉭電解電容器具有儲藏電量、進行充放電等性能,主要應用于濾波、能量貯存與轉換,記號旁路,耦合與退耦以及作時間常數元件等。在應用中要注意其性能特點,正確使用會有助于充分發揮其功能,其中諸如考慮產品工作環境及其發熱溫度,以及采取降額使用等措施,如果使用不當會影響產品的工作壽命。——例如USB接口輸出,需要降額后,耐壓滿足5V,集成度比較高的場景,陶瓷電容不滿足高耐壓與大容量的情況下,我們不得不選擇鉭電容。陶瓷電容的儲能效果,不能按照并聯的容值去等效,達到相同的效果需要的代價也非常大。

      5.鉭電容的容值的溫度穩定性比較好。在一些耦合、濾波的場景,如果對相位,和濾波的頻率特性要求比較高的場景,同時容量精度要求比較高的場景,會選用無極性的鉭電容。如高音質要求的音頻電路設計。

      我們需要考慮不同溫度情況下的電容的準確性和一致性。

      陶瓷電容的溫度特性顯然不夠穩定。

      6.在鉭電容器工作過程中,具有自動修補或隔絕氧化膜中的疵點所在的性能,使氧化膜介質隨時得到加固和恢復其應有的絕緣能力,而不致遭到連續的累積性破壞。這種獨特自愈性能,保證了其長壽命和可靠性的優勢。——鋁電解電容由于干涸不能滿足壽命的場景。

      第一、鉭電容失效的模式很恐怖,輕則燒毀冒煙,重則火光四濺。

      這里不去贅述“鉭電容”的失效模式的原理。

      通過這個失效的現象,就知道:如果電容失效,只是短路造成電路無法工作,或者工作不穩定,都是小問題,大不了退貨。但是如果造成了客戶場地失火,則是需要賠償對方的人員及財產損失的。那就麻煩大了。

      這是我們不要去選用鉭電容的重要原因。

      第二、鉭電容的成本高

      看看我們的淘寶就可以知道100uF的鉭電容與100uF的陶瓷電容的價格差別,大概鉭電容的價格是陶瓷電容的10倍。

      如果電容容量需求在100uF以下的情況下,我們現在絕大多數下,耐壓如果滿足的情況下,我們一般需用陶瓷電容。

      再大容量,或者再高耐壓,陶瓷電容的封裝大于1206的時候,盡量謹慎選擇。

      貼片陶瓷電容最主要的失效模式斷裂(封裝越大越容易失效):貼片陶瓷電容器作常見的失效是斷裂,這是貼片陶瓷電容器自身介質的脆性決定的.由于貼片陶瓷電容器直接焊接在電路板上,直接承受來自于電路板的各種機械應力,而引線式陶瓷電容器則可以通過引腳吸收來自電路板的機械應力.因此,對于貼片陶瓷電容器來說,由于熱膨脹系數不同或電路板彎曲所造成的機械應力將是貼片陶瓷電容器斷裂的最主要因素。

      第三、鉭電容未來將耗盡,有錢你都買不到。

      早在2007 年,美國國防后勤署(DLA)十多年來已貯存大量鉭礦物,為履行美國國會的會議決定,該組織將耗盡其擁有的最后140,000磅鉭材料。      從美國國防后勤署購買鉭礦石的買主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采礦公司,這些代表了將這些鉭礦石加工制成電容器級粉末、鉭制品磨損件或切削工具的眾多公司。從美國國防后勤署購買這些鉭礦石的投標人年復一年傳統上是一貫的,這樣當鉭礦石供應變的吃緊時,因美國國防后勤署供應耗盡,一些公司只得搶奪新的礦石供應源。

      為什么這是一個很重要的發展方向?

      如果失去美國國防后勤署的鉭礦石供應,估計2007年鉭礦石供應市場留下150,000磅的缺口,2008年缺口為350,000磅。這個事件發生的時間不合時宜,因為現在的供應能力窘迫。比如第二大硬研礦石賣主澳大利亞的瓜利亞子公司在第四季度已總體削減礦石產量25%(即格林布什礦產量的一半),以便該公司能完成在澳大利亞的管理事宜。同樣情形,在巴西冶金/CIF和巴拉那巴拿馬(Paranapanema)兩公司2006年的鉭礦石產量已下降,原因是他們將興趣轉向開采更盈利的金屬上。在非洲,主要供應源是剛果民主共和國(DRC)由于聯合國的壓力仍然沒能達到產能極限,不過我們已經聽到2006年許多投資者試圖獲取剛果庫存鉭礦石的報道,感覺這是鉭礦石缺貨的跡象。

      鉭電容器給設計工程師提供了在最小的物理尺寸內盡可能最高的容量,容量范圍從47μF~1000μF特別有體積的優勢,所以在集成度高又需要使用大容量,低ESR的場景下,鉭電解電容有其獨有優勢。

      大容量低耐壓鉭電容的替代產品:高分子聚合物固體鋁電解電容器

      高分子聚合物固體鋁電解電容器與傳統的電解電容相比,它采用具有高導電度、高穩定性的導電高分子材料作為固態電解質,代替了傳統鋁電解電容器內的電解液,它所采用的電解質電導率很高,再加上其獨特的結構設計,大幅改善傳統液態鋁電解電容器的缺點,展現出極為優異的特性。

      理想的高頻低阻抗特性。高分子聚合物固體電解電容器的損耗極低,具有理想的高頻低阻抗特性,所以被廣泛應用于退耦、濾波等電路中,效果埋想,特別是高頻濾波效果優秀。

      通過一個實驗可以更加直觀和清楚地看出高分子聚合物固體鋁電解電容器與普通電解電容之間的高頻特性明顯差異。在平滑電路輸入疊加1MHz(峰一峰值電壓8V)高頻干擾信號,用1只47uF的高分子聚合物固體電解電容器濾波,可使噪聲降到僅有峰一峰值電壓30mV輸出。要達到同樣的濾波效果,需要并聯4只1000uF的普通型液態鋁電解電容器,或者并聯接入3只100UF的鉭電解電容器。

      此外,在高頻濾波效果更好的情況下,高分子聚合物固體鋁電解電容器的體積明顯小于普通型鋁電解電容器。

      隨著工藝不斷提升,高分子聚合物固體鋁電解電容器優勢逐步顯現。同時,價格也需要進一步優化。

      鋁電解電容的失效分析

      鋁電解電容是電容中非常常見的一種。鋁電解電容用途廣泛:濾波作用;旁路作用;耦合作用;沖擊波吸收;雜音消除;移相;降壓等等。對于鋁電解電容,常見的電性能測試包括:電容量,損耗角正切,漏電流,額定工作電壓,阻抗等等。在失效分析案件中,關于鋁電解電容的失效案件不少,那么常見的鋁電解電容的失效機理有哪些呢?

      1.漏液

      在正常的使用環境當中,經過一段時間密封便可能出現泄漏。通常,溫度升高、振動或密封的缺陷等都有可能加速密封性能變壞。漏液的結果是電容值下降、等效串聯電阻增大以及功率耗散相應增大等。漏液使工作電解液減少,喪失了修補陽極氧化膜介質的能力,從而喪失了自愈作用。此外,由于電解液呈酸性,漏出的電解液還會污染和腐蝕電容器周圍其他的元器件及印刷電路板。

      2.介質擊穿

      鋁電解電容器擊穿是由于陽極氧化鋁介質膜破裂,導致電解液直接與陽極接觸而造成的。氧化鋁膜可能因各種材料、工藝或環境條件方面的原因而受到局部損傷,在外電場的作用下工作電解液提供的氧離子可在損傷部位重新形成氧化膜,使陽極氧化膜得以填平修復。但是如果在損傷部位存在雜質離子或其他缺陷,使填平修復工作無法完善,則在陽極氧化膜上會留下微孔,甚至可能成為穿透孔,使鋁電解電容擊穿。工藝缺陷如陽極氧化膜不夠致密與牢固,在后續的鉚接工藝不佳時,引出箔條上的毛刺刺傷氧化膜,這些刺傷部位漏電流很大,局部過熱使電容器產生熱擊穿。

      3.開路

      當電容器內部的連接性能變差或失效時,通常就會發生開路。電性能連接變差的產生可能是腐蝕、振動或機械應力作用的結果。當鋁電解電容在高溫或潮熱的環境中工作時,陽極引出箔片可能會由于遭受電化學腐蝕而斷裂。陽極引出箔片和陽極箔的接觸不良也會使電容器出現間歇開路。

      4.其他

      1)在工作早期,鋁電解電容器由于在負荷工作過程中電解液不斷修補并增厚陽極氧化膜(稱為補形效應),會導致電容量的下降。

      2)在使用后期,由于電解液的損耗較多,溶液變稠,電阻率增大,使電解質的等效串聯電阻增大,損耗增大。同時溶液黏度增大,難以充分接觸鋁箔表面凹凸不平的氧化膜層,這就使電解電容的有效極板面積減小,導致電容量下降。此外,在低溫下工作,電解液的黏度也會增大,從而導致電解電容損耗增大與電容量下降等后果。
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