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电容失效分析(详解/干货)

发布时间:2018-06-21 责任编辑:wenwei

【导读】电子元器件的主要失效模式包括但不限于开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能失效、电参数漂移、非稳定失效等。对于硬件工程师来讲电子元器件失效是个非常麻烦的事情,比如某个半导体器件外表完好但实际上已经半失效或者全失效会在硬件电路调试上花费大把的时间,有时甚至炸机。
 
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
 
(1)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
 
电容失效分析(详解/干货)
 
第二种是隐藏在内的微小裂缝
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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)。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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。
 
(2)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。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
(3)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;
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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
 
看不清图片,可以点击图片之后,放大后查看:
 
电容失效分析(详解/干货)
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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。
 
电容失效分析(详解/干货)
 
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140,000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150,000磅的缺口,2008年缺口为350,000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。
 
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