電容失效分析

發布日期: 2018-09-19

 陶瓷電容失效分析:
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)和溫度衝擊(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:在製造多層陶瓷電容時,使用各種兼容材料會導致內部出現張力的不同熱膨脹係數及導熱率。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麵處、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/端接界麵的下部開始,並隨溫度的轉變,或於組裝進行時,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,兩者的區別隻是後者所受的張力較小,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,第二種隻有在發展到一定程度後金相才可測。

 

(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麵裂縫,或2至3個電極間的內部破裂;表麵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﹐一般會在芯片的表麵形成一個圓形或半月形的壓痕麵積﹐並帶有不圓滑的邊緣。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麵﹐並且其粗糙的裂痕可能會令電容器的底部破損。

 


第二種、SMT之後生產階段導致的破裂失效

 

電路板切割﹑測試﹑背麵組件和連接器安裝﹑及最後組裝時,若焊錫組件受到扭曲或在焊錫過程後把電路板拉直,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,陶瓷的活動範圍受端位及焊點限製,破裂就會在陶瓷的端接界麵處形成,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麵蔓延至組件內部,而過大的機械性張力所引起的損害,則可由組件表麵或內部形成,這些破損均會以近乎45°角的方向蔓延,至於原材失效,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﹐則在端接下麵出現多個破裂點﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則隻有一個破裂點。

 

一張圖教你分析電解電容失效分析

看不清圖片,可以點擊圖片之後,放大後查看:

 

 

 

 

鉭電容:

優點:體積小、電容量較大、外形多樣、長壽命、高可靠性、工作溫度範圍寬

 

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、工業控製、影視設備、通訊儀表

 

1.也屬於電解電容的一種,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製,本身幾乎沒有電感,但這也限製了它的容量。——威尼斯人真人充值在大容量,但是需要低ESL的場景,威尼斯人真人充值就選用鉭電容。

 

2.由於鉭電容內部沒有電解液,很適合在高溫下工作。——一些溫度範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麵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,因此特別適宜於小型化。——集成度比較高的場景,用鋁電解電容占的麵積比較大,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,主要應用於濾波、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,正確使用會有助於充分發揮其功能,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,需要降額後,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,威尼斯人真人充值不得不選擇鉭電容。陶瓷電容的儲能效果,不能按照並聯的容值去等效,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。

威尼斯人真人充值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複其應有的絕緣能力,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。——鋁電解電容由於幹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。

 

這裏不去贅述“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,隻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。

這是威尼斯人真人充值不要去選用鉭電容的重要原因。

 

第二、鉭電容的成本高

看看威尼斯人真人充值的淘寶就可以知道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,威尼斯人真人充值現在絕大多數下,耐壓如果滿足的情況下,威尼斯人真人充值一般需用陶瓷電容。

再大容量,或者再高耐壓,陶瓷電容的封裝大於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.由於貼片陶瓷電容器直接焊接在電路板上,直接承受來自於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,對於貼片陶瓷電容器來說,由於熱膨脹係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,美國國防後勤署(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後140,000磅鉭材料。      從美國國防後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製成電容器級粉末、鉭製品磨損件或切削工具的眾多公司。從美國國防後勤署購買這些鉭礦石的投標人年複一年傳統上是一貫的,這樣當鉭礦石供應變的吃緊時,因美國國防後勤署供應耗盡,一些公司隻得搶奪新的礦石供應源。

 

為什麽這是一個很重要的發展方向?

如果失去美國國防後勤署的鉭礦石供應,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)由於聯合國的壓力仍然沒能達到產能極限,不過威尼斯人真人充值已經聽到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,容量範圍從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,所以被廣泛應用於退耦、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)高頻幹擾信號,用1隻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,需要並聯4隻1000uF的普通型液態鋁電解電容器,或者並聯接入3隻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於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;衝擊波吸收;雜音消除;移相;降壓等等。對於鋁電解電容,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,關於鋁電解電容的失效案件不少,那麽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,由於電解液呈酸性,漏出的電解液還會汙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於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、工藝或環境條件方麵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複。但是如果在損傷部位存在雜質離子或其他缺陷,使填平修複工作無法完善,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,在後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於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,鋁電解電容器由於在負荷工作過程中電解液不斷修補並增厚陽極氧化膜(稱為補形效應),會導致電容量的下降。

2)在使用後期,由於電解液的損耗較多,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麵凹凸不平的氧化膜層,這就使電解電容的有效極板麵積減小,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後果。

 

參數  鋁電解電容
電容量 業界可以做到  0.1uF~3F  (常見容量範圍
   0.47uF~6.8mF),工作電壓從5V~500V。  
   從25℃到高溫極限,容量增加不超過5%~10%;對於-40℃極限的電容,在
   -40℃時,低壓電容的容量會下降20%,高壓電容則下降有40%之多;在-20℃到
   -40℃溫度區間時,容量下降最快;對於-55℃極限的電容,在-40℃時,下降通
   常不超過10%;在-55℃時,不超過20%。
ESR  100kHz/25℃下,ESR值一般在幾十mΩ~2.5  Ω,Low ESR型號的一般幾十mΩ。  ESR值隨著溫度的變化而變化,一般從25℃到高溫
   極限,ESR會下降大約35%~50%;而從25℃到低溫極限,ESR會增大10到100倍。  
ESL  鋁電解電容的寄生串聯電感值ESL,其值較為穩定,並不隨頻率和溫度變化,對於通用鋁電解電容,ESL不會超過100nH  ,如SMT封裝,其值在2nH~8nH範圍內;徑向插裝:10nH~30nH ;螺旋式( screw-terminal ) :20nH~50nH  ;而軸向插裝的結構 , 其值則可以達到200nH。  
板上工作頻率範圍  主要為低頻濾波,不超過幾百KHz,但是對1  MHz以內仍有一些作用。
可靠性薄弱點及其避免  鋁電解電容的可靠應用主要是關注溫度,因為鋁電容的電解質為液態,芯子發熱將導致電解液揮發,長期下去最終幹涸失效,當電容應用在脈衝交流電路中時,紋波電流流經ESR產生的損耗發熱將嚴重影響了器件的使用壽命。
使用建議  在大於75  ℃的高溫場合,應盡量少用小尺寸的鋁電解電容。盡量選用容量較大的規格,發揮鋁電解電容的優勢。適宜用於工頻的整流平滑濾波、開關電源輸入濾波和低頻開關電源的輸出濾波等,不推薦用於高頻開關電源的輸出濾波。


參數  鉭電解電容
電容量 限於固體燒結型工藝結構和材料,其CV值(電容與電壓乘積)做不大,容量和電壓有一定範圍,一般從0.1uF~1000uF(常見的容量範圍 1uF ~220uF ) ; 工 作 電 壓  從2V~50V(常見耐壓範圍為6.3V~50V);    容量的值隨著頻率的增大而減小,由於為固體MnO2電解質,其容量溫度特性較穩定,甚至溫度低到-190℃時,容量都隻有10%減小量。
ESR  ESR的溫度特性比較穩定。廠家給出100KHz的ESR最大值,可以作為設計的參考,但是實際值一般比最大值小很多。
ESL  良好布線情況下一般為2nH左右。
板上工作頻率範圍  中低頻濾波,不超過數MHz,主要為幾百KHz到數MHz之間。
可靠性薄弱點
   及其避免  鉭電解電容的可靠應用主要關注電壓降額和電壓變化速度,無法得到足夠電壓降額,同時上下電較快的地方建議用其他電容替代。同時邊緣規格的鉭電容工藝不夠成熟,慎用,特別是高可靠要求場合上不宜使用。
使用建議  15V以上直流電壓的濾波不建議使用鉭電容,特別是在上電較快的電源輸入口處。低壓但上電較快場合,建議加緩啟動。高溫會增加鉭電容失效的概率,因此高溫應用中需要增加電壓降額。
參數  陶瓷電容
電容量 第一類(NPO或COG),低容量、穩定性高;電性能最穩定,基本上不隨溫度、電壓與時間的改變而改變;第二類(X7R),電介質常數較大,相同體積的容量要比第一類要大20~70倍,但溫度從-55℃到125℃範圍變化時,容量變化一般在±10%,最大可達+15%到-25%,第三類(Z5U),其電介常數較高,常用大容量電容器產品,但其容量穩定性較X7R差;其容量可以做到第二類的5倍,然而容量、損耗對溫度、電壓等較為敏感,穩定性很差,當溫度從-25℃到85℃變化時,容量變化為+20%到-65%。
ESR  ESR為幾個mΩ到幾百mom之間,容量越小ESR越大。ESR隨溫度變化呈線性,X7R介質,125℃下ESR為室溫的20%,-55℃下則為室溫的3倍多。NPO則較穩定,變化係數約為X7R的1/3。
ESL  ESL隨封裝變化,一般0603和0805封裝的ESL在良好布線情況下為1nH左右,1206和1210則為1.2nH左右。  
板上工作頻率範圍  高頻濾波,種類較多,從數MHz直到數百MHz、1GHz上都可以。
可靠性薄弱點
   及其避免  易受溫度衝擊導致裂紋,主要由於在焊接特別是波峰焊時承受溫度衝擊所致,不當返修也是溫度衝擊裂紋的重要原因。  多層陶瓷電容器的特點是能夠承受較大的壓應力,但抵抗彎曲能力比較差,任何可能產生彎曲變形的操作都可能導致器件開裂。
使用建議  單板布線時不要把陶瓷電容布放在應力區,例如單板的邊緣、緊固件附近等等,最大限度地使多層陶瓷電容器避開在工藝過程中可能產生較大機械應力的區域。除了NPO電容比較穩定外,X7R電容和Z5U電容(或Y5V)容量具有隨溫度和偏壓變化的特性。

 


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