电容失效分析

陶瓷电容失效分析多层片状陶介电容器由陶瓷介质、端电极、金属电极三种材料构成失效形式为金属电极和陶介之间层错电气表现为受外力如轻轻弯曲板子或用烙铁头碰一下和温度冲击如烙铁焊接时电容时好时坏。多层片状陶介电容器具体不良可分为:1、热击失效2、扭曲破裂失效3、原材失效三个大类热击失效模式热击失效的原理是在制造多层陶瓷电容时使用各种兼容材料会导致内部出现张力的不同热膨胀系数及导热率。当温度转变率过大时就容易出现因热击而破裂的现象这种破裂往往从结构最弱及机械结构最集中时发生一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面处、产生最大机械张力的地方一般在晶体最坚硬的四角而热击则可能造成多种现象第一种是显而易见的形如指甲狀或U-形的裂縫第二种是隐藏在内的微小裂缝第二种裂缝也会由裸露在外的中央部份或陶瓷/端接界面的下部开始并随温度的转变或于组装进行时顺着扭曲而蔓延开来见图4。第一种形如指甲狀或U-形的裂縫和第二种隐藏在内的微小裂缝两者的区别只是后者所受的张力较小而引致的裂缝也较轻微。第一种引起的破裂明显一般可以在金相中测出第二种只有在发展到一定程度后金相才可测。扭曲破裂失效此种不良的可能性很多按大类及表现可以分为两种第一种情况、SMT阶段导致的破裂失效当进行零件的取放尤其是SMT阶段零件取放时取放的定中爪因为磨损、对位不准确倾斜等造成的。由定中爪集中起来的压力会造成很大的压力或切断率继而形成破裂点。这些破裂现象一般为可见的表面裂缝或2至3个电极间的内部破裂表面破裂一般会沿着最强的压力线及陶瓷位移的方向。真空检拾头导致的损坏或破裂﹐一般会在芯片的表面形成一个圆形或半月形的压痕面积﹐并带有不圆滑的边缘。此外﹐这个半月形或圆形的裂缝直经也和吸头相吻合。另一个由吸头所造成的损环﹐因拉力而造成的破裂﹐裂缝会由组件中央的一边伸展到另一边﹐这些裂缝可能会蔓延至组件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能会令电容器的底部破损。第二种、SMT之后生产阶段导致的破裂失效电路板切割﹑测试﹑背面组件和连接器安装﹑及最后组装时若焊锡组件受到扭曲或在焊锡过程后把电路板拉直都有可能造成‘扭曲破裂’这类的损坏。在机械力作用下板材弯曲变形时陶瓷的活动范围受端位及焊点限制破裂就会在陶瓷的端接界面处形成这种破裂会从形成的位置开始从45°角向端接蔓延开来。原材失效多层陶瓷电容器通常具有2大类类足以损害产品可靠性的基本可见内部缺陷电极间失效及结合线破裂燃烧破裂。这些缺陷都会造成电流过量因而损害到组件的可靠性详细说明如下1、电极间失效及结合线破裂主要由陶瓷的高空隙或电介质层与相对电极间存在的空隙引起使电极间是电介质层裂开成为潜伏性的漏电危机2、燃烧破裂的特性与电极垂直且一般源自电极边缘或终端。假如显示出破裂是垂直的话则它们应是由燃烧所引起备注原材失效类中第一种失效因平行电容内部层结构分离程度不易测出第三种垂直结构金相则能保证测出结论由热击所造成的破裂会由表面蔓延至组件内部而过大的机械性张力所引起的损害则可由组件表面或内部形成这些破损均会以近乎45°角的方向蔓延至于原材失效则会带来与内部电极垂直或平行的破裂。另外热击破裂一般由一个端接蔓延至另一个端接﹐由取放机造成的破裂﹐则在端接下面出现多个破裂点﹐而因电路板扭曲而造成的损坏﹐通常则只有一个破裂点。一张图教你分析电解电容失效分析钽电容优点体积小、电容量较大、外形多样、长寿命、高可靠性、工作温度范围宽缺点容量较小、价格贵、耐电压及电流能力较弱应用军事通讯、航天、工业控制、影视设备、通讯仪表1.也属于电解电容的一种使用金属钽做介质不像普通电解电容那样使用电解液钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制本身几乎没有电感但这也限制了它的容量。——我们在大容量但是需要低ESL的场景我们就选用钽电容。2.由于钽电容内部没有电解液很适合在高温下工作。——一些温度范围要求比较宽的场景。3.钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜。介质与组成电容器的一端极结合成一个整体不能单独存在。因此单位体积内具有非常高的工作电场强度所具有的电容量特别大即比容量非常高因此特别适宜于小型化。——集成度比较高的场景用铝电解电容占的面积比较大陶瓷电容容量不够的场景。4.钽电容的性能优异是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能主要应用于滤波、能量贮存与转换记号旁路耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点正确使用会有助于充分发挥其功能其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度以及采取降额使用等措施如果使用不当会影响产品的工作寿命。——例如USB接口输出需要降额后耐压满足5V集成度比较高的场景陶瓷电容不满足高耐压与大容量的情况下我们不得不选择钽电容。陶瓷电容的储能效果不能按照并联的容值去等效达到相同的效果需要的代价也非常大。5.钽电容的容值的温度稳定性比较好。在一些耦合、滤波的场景如果对相位和滤波的频率特性要求比较高的场景同时容量精度要求比较高的场景会选用无极性的钽电容。如高音质要求的音频电路设计。我们需要考虑不同温度情况下的电容的准确性和一致性。陶瓷电容的温度特性显然不够稳定。6.在钽电容器工作过程中具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能保证了其长寿命和可靠性的优势。——铝电解电容由于干涸不能满足寿命的场景。第一、钽电容失效的模式很恐怖轻则烧毁冒烟重则火光四溅。这里不去赘述“钽电容”的失效模式的原理。通过这个失效的现象就知道如果电容失效只是短路造成电路无法工作或者工作不稳定都是小问题大不了退货。但是如果造成了客户场地失火则是需要赔偿对方的人员及财产损失的。那就麻烦大了。这是我们不要去选用钽电容的重要原因。第二、钽电容的成本高看看我们的淘宝就可以知道100uF的钽电容与100uF的陶瓷电容的价格差别大概钽电容的价格是陶瓷电容的10倍。如果电容容量需求在100uF以下的情况下我们现在绝大多数下耐压如果满足的情况下我们一般需用陶瓷电容。再大容量或者再高耐压陶瓷电容的封装大于1206的时候尽量谨慎选择。贴片陶瓷电容最主要的失效模式断裂封装越大越容易失效贴片陶瓷电容器作常见的失效是断裂,这是贴片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的.由于贴片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自于电路板的各种机械应力,而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力.因此,对于贴片陶瓷电容器来说,由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是贴片陶瓷电容器断裂的最主要因素。第三、钽电容未来将耗尽有钱你都买不到。早在2007 年美国国防后勤署(DLA)十多年来已贮存大量钽矿物为履行美国国会的会议决定该组织将耗尽其拥有的最后140000磅钽材料。 从美国国防后勤署购买钽矿石的买主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采矿公司这些代表了将这些钽矿石加工制成电容器级粉末、钽制品磨损件或切削工具的众多公司。从美国国防后勤署购买这些钽矿石的投标人年复一年传统上是一贯的这样当钽矿石供应变的吃紧时因美国国防后勤署供应耗尽一些公司只得抢夺新的矿石供应源。为什么这是一个很重要的发展方向如果失去美国国防后勤署的钽矿石供应估计2007年钽矿石供应市场留下150000磅的缺口2008年缺口为350000磅。这个事件发生的时间不合时宜因为现在的供应能力窘迫。比如第二大硬研矿石卖主澳大利亚的瓜利亚子公司在第四季度已总体削减矿石产量25%即格林布什矿产量的一半以便该公司能完成在澳大利亚的管理事宜。同样情形在巴西冶金/CIF和巴拉那巴拿马Paranapanema两公司2006年的钽矿石产量已下降原因是他们将兴趣转向开采更盈利的金属上。在非洲主要供应源是刚果民主共和国DRC由于联合国的压力仍然没能达到产能极限不过我们已经听到2006年许多投资者试图获取刚果库存钽矿石的报道感觉这是钽矿石缺货的迹象。钽电容器给设计工程师提供了在最小的物理尺寸内尽可能最高的容量容量范围从47μF~1000μF特别有体积的优势所以在集成度高又需要使用大容量低ESR的场景下钽电解电容有其独有优势。大容量低耐压钽电容的替代产品高分子聚合物固体铝电解电容器高分子聚合物固体铝电解电容器与传统的电解电容相比它采用具有高导电度、高稳定性的导电高分子材料作为固态电解质代替了传统铝电解电容器内的电解液它所采用的电解质电导率很高再加上其独特的结构设计大幅改善传统液态铝电解电容器的缺点展现出极为优异的特性。理想的高频低阻抗特性。高分子聚合物固体电解电容器的损耗极低具有理想的高频低阻抗特性所以被广泛应用于退耦、滤波等电路中效果埋想特别是高频滤波效果优秀。通过一个实验可以更加直观和清楚地看出高分子聚合物固体铝电解电容器与普通电解电容之间的高频特性明显差异。在平滑电路输入叠加1MHz峰一峰值电压8V高频干扰信号用1只47uF的高分子聚合物固体电解电容器滤波可使噪声降到仅有峰一峰值电压30mV输出。要达到同样的滤波效果需要并联4只1000uF的普通型液态铝电解电容器或者并联接入3只100UF的钽电解电容器。此外在高频滤波效果更好的情况下高分子聚合物固体铝电解电容器的体积明显小于普通型铝电解电容器。随着工艺不断提升高分子聚合物固体铝电解电容器优势逐步显现。同时价格也需要进一步优化。铝电解电容的失效分析铝电解电容是电容中非常常见的一种。铝电解电容用途广泛滤波作用旁路作用耦合作用冲击波吸收杂音消除移相降压等等。对于铝电解电容常见的电性能测试包括电容量损耗角正切漏电流额定工作电压阻抗等等。在失效分析案件中关于铝电解电容的失效案件不少那么常见的铝电解电容的失效机理有哪些呢1.漏液在正常的使用环境当中经过一段时间密封便可能出现泄漏。通常温度升高、振动或密封的缺陷等都有可能加速密封性能变坏。漏液的结果是电容值下降、等效串联电阻增大以及功率耗散相应增大等。漏液使工作电解液减少丧失了修补阳极氧化膜介质的能力从而丧失了自愈作用。此外由于电解液呈酸性漏出的电解液还会污染和腐蚀电容器周围其他的元器件及印刷电路板。2.介质击穿铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料、工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤在外电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷使填平修复工作无法完善则在阳极氧化膜上会留下微孔甚至可能成为穿透孔使铝电解电容击穿。工艺缺陷如阳极氧化膜不够致密与牢固在后续的铆接工艺不佳时引出箔条上的毛刺刺伤氧化膜这些刺伤部位漏电流很大局部过热使电容器产生热击穿。3.开路当电容器内部的连接性能变差或失效时通常就会发生开路。电性能连接变差的产生可能是腐蚀、振动或机械应力作用的结果。当铝电解电容在高温或潮热的环境中工作时阳极引出箔片可能会由于遭受电化学腐蚀而断裂。阳极引出箔片和阳极箔的接触不良也会使电容器出现间歇开路。4.其他1在工作早期铝电解电容器由于在负荷工作过程中电解液不断修补并增厚阳极氧化膜称为补形效应会导致电容量的下降。2在使用后期由于电解液的损耗较多溶液变稠电阻率增大使电解质的等效串联电阻增大损耗增大。同时溶液黏度增大难以充分接触铝箔表面凹凸不平的氧化膜层这就使电解电容的有效极板面积减小导致电容量下降。此外在低温下工作电解液的黏度也会增大从而导致电解电容损耗增大与电容量下降等后果。参数铝电解电容电容量业界可以做到 0.1uF3F 常见容量范围0.47uF6.8mF工作电压从5V500V。从25℃到高温极限容量增加不超过510对于40℃极限的电容在40℃时低压电容的容量会下降20高压电容则下降有40之多在20℃到40℃温度区间时容量下降最快对于55℃极限的电容在40℃时下降通常不超过10在55℃时不超过20。ESR100kHz/25℃下ESR值一般在几十mΩ2.5 ΩLow ESR型号的一般几十mΩ。 ESR值随着温度的变化而变化一般从25℃到高温极限ESR会下降大约3550而从25℃到低温极限ESR会增大10到100倍。ESL铝电解电容的寄生串联电感值ESL其值较为稳定并不随频率和温度变化对于通用铝电解电容ESL不会超过100nH ,如SMT封装其值在2nH~8nH范围内径向插装:10nH~30nH ;螺旋式 screw-terminal 20nH~50nH ;而轴向插装的结构 其值则可以达到200nH。板上工作频率范围主要为低频滤波不超过几百KHz但是对1 MHz以内仍有一些作用。可靠性薄弱点及其避免铝电解电容的可靠应用主要是关注温度因为铝电容的电解质为液态芯子发热将导致电解液挥发长期下去最终干涸失效当电容应用在脉冲交流电路中时纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命。使用建议在大于75 ℃的高温场合应尽量少用小尺寸的铝电解电容。尽量选用容量较大的规格发挥铝电解电容的优势。适宜用于工频的整流平滑滤波、开关电源输入滤波和低频开关电源的输出滤波等不推荐用于高频开关电源的输出滤波。参数钽电解电容电容量限于固体烧结型工艺结构和材料其CV值电容与电压乘积做不大容量和电压有一定范围一般从0.1uF~1000uF常见的容量范围 1uF 220uF 工 作 电 压 从2V~50V常见耐压范围为6.3V50V 容量的值随着频率的增大而减小由于为固体MnO2电解质其容量温度特性较稳定甚至温度低到-190℃时容量都只有10减小量。ESRESR的温度特性比较稳定。厂家给出100KHz的ESR最大值可以作为设计的参考但是实际值一般比最大值小很多。ESL良好布线情况下一般为2nH左右。板上工作频率范围中低频滤波不超过数MHz主要为几百KHz到数MHz之间。可靠性薄弱点及其避免钽电解电容的可靠应用主要关注电压降额和电压变化速度无法得到足够电压降额同时上下电较快的地方建议用其他电容替代。同时边缘规格的钽电容工艺不够成熟慎用特别是高可靠要求场合上不宜使用。使用建议15V以上直流电压的滤波不建议使用钽电容特别是在上电较快的电源输入口处。低压但上电较快场合建议加缓启动。高温会增加钽电容失效的概率因此高温应用中需要增加电压降额。参数陶瓷电容电容量第一类NPO或COG低容量、稳定性高电性能最稳定基本上不随温度、电压与时间的改变而改变第二类X7R电介质常数较大相同体积的容量要比第一类要大2070倍但温度从-55℃到125℃范围变化时容量变化一般在±10最大可达15到-25第三类Z5U其电介常数较高常用大容量电容器产品但其容量稳定性较X7R差其容量可以做到第二类的5倍然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感稳定性很差当温度从-25℃到85℃变化时容量变化为20到-65。ESRESR为几个mΩ到几百mom之间容量越小ESR越大。ESR随温度变化呈线性X7R介质125℃下ESR为室温的2055℃下则为室温的3倍多。NPO则较稳定变化系数约为X7R的1/3。ESLESL随封装变化一般0603和0805封装的ESL在良好布线情况下为1nH左右1206和1210则为1.2nH左右。板上工作频率范围高频滤波种类较多从数MHz直到数百MHz、1GHz上都可以。可靠性薄弱点及其避免易受温度冲击导致裂纹主要由于在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致不当返修也是温度冲击裂纹的重要原因。 多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力但抵抗弯曲能力比较差任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。使用建议单板布线时不要把陶瓷电容布放在应力区例如单板的边缘、紧固件附近等等最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。除了NPO电容比较稳定外X7R电容和Z5U电容或Y5V容量具有随温度和偏压变化的特性。