引言

 

陶瓷電容漏電短路的問題，因其原因復(fù)雜多樣，且失效現(xiàn)象隨外界環(huán)境變化而時有時無，經(jīng)常困擾工程人員。常見的失效原因有原材料缺陷、熱擊失效、高壓擊穿和機械應(yīng)力失效，本文介紹機械應(yīng)力導(dǎo)致的貼片陶瓷電容漏電故障的分析方法。

 

一、案例背景

 

委托方反饋，某型號陶瓷電容在客戶端出現(xiàn)失效，表現(xiàn)為短路，導(dǎo)致15V電源保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品故障，主要集中在C42、C44電容。

 

待分析樣品如下：①拆解下的失效樣品2pcs（#1、#2）；②失效PCBA一塊（#3）。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

對失效的2pcs失效電容進(jìn)行外觀檢查。

 

檢查結(jié)果顯示：拆解下的#1、#2失效樣品除表面有助焊劑外未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋及其他損傷。

 

圖1. #1失效電容外觀形貌

 

圖2. #2失效電容外觀形貌

 

2. 失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

為確認(rèn)失效電容是否表現(xiàn)為短路，對#1~#2失效電容進(jìn)行電參數(shù)測試。

 

電測結(jié)果顯示：2pcs失效電容都接近表現(xiàn)為短路，說明#1、#2失效電容內(nèi)部存在明顯漏電。

 

 

3. 熱點定位

前面分析可知：#1、#2失效電容內(nèi)部存在漏電現(xiàn)象，為確認(rèn)電容內(nèi)部的漏電位置，對#1、#2失效電容進(jìn)行熱點定位分析。

 

分析結(jié)果顯示：

（1）#1失效電容內(nèi)部發(fā)現(xiàn)異常亮點，亮點主要集中在電容端電極部位，說明電容內(nèi)部的漏電點集中在端電極；

（2）#2失效電阻的阻值較小，未能定位到一個集中亮點（功率較小），但是在端電極也發(fā)現(xiàn)有異常熱點。

 

定位結(jié)果說明：#1、#2失效電容都存在端電極附近的漏電現(xiàn)象。

 

圖3. #1失效樣品熱點定位形貌

 

圖4. #2失效樣品熱點定位形貌

 

4. 切片分析

為確認(rèn)#1、#2電容漏電失效的原因，對#1、#2電容進(jìn)行切片分析。

 

分析結(jié)果顯示：#1、#2失效電容端電極附近都發(fā)現(xiàn)裂紋，這是電容內(nèi)部漏電失效的原因；失效電容內(nèi)部的裂紋與電容焊接端呈45°角，屬于機械應(yīng)力裂紋。

 

圖5. #1失效電容切片形貌（光學(xué)顯微鏡）

 

圖6. #1失效電容切片形貌（SEM）

 

圖7. #2失效電容切片形貌（光學(xué)顯微鏡）

 

5. 驗證分析

前面分析可知：2pcs失效單體電容內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)機械應(yīng)力裂紋，為驗證#3失效PCBA上陶瓷電容是否有機械應(yīng)力裂紋，選取區(qū)域1的C52電容、區(qū)域2的C7電容，區(qū)域3位置的C50、C41電容進(jìn)行切片分析。

 

分析結(jié)果顯示：

（1）區(qū)域1位置的C52電容內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋，裂紋形貌與失效電容內(nèi)部的裂紋基本一致，屬于機械應(yīng)力裂紋；

（2）區(qū)域2位置的C7電容、區(qū)域3位置的C41電容都未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋；

（3）區(qū)域3位置的C50電容發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋同樣位于端電極部位，程度比較輕微。

 

驗證結(jié)果說明：

（1）區(qū)域1、區(qū)域3位置的電容都發(fā)現(xiàn)裂紋，說明失效PCBA上電容受到機械應(yīng)力影響；

（2）區(qū)域3位置的C41電容未發(fā)現(xiàn)裂紋、C50電容發(fā)現(xiàn)裂紋，而C41電容、C50電容主要的差異在于尺寸封裝存在差異，C41電容為0603尺寸，C50電容為1206尺寸，與大尺寸電容更容易受單板彎曲而產(chǎn)生機械應(yīng)力裂紋相對應(yīng)。

 

圖8. 選取電容示意圖

 

圖9. #3失效PCBA上C52電容切片形貌

 

圖10. #3失效PCBA上C7電容切片形貌

 

圖11. #3失效PCBA上C41電容切片形貌

 

圖12. #3失效PCBA上C50電容切片形貌

 

三、綜合分析

 

該案件主要為電容在PCBA上短路失效，通過外觀檢查、失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)、熱點定位、切片分析、驗證分析等工作后發(fā)現(xiàn)：

（1）外觀檢查未發(fā)現(xiàn)拆解下的失效電容表面存在明顯的破損及裂紋，可排除電容因外力碰撞導(dǎo)致的失效；失效現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)確認(rèn)失效電容為短路漏電失效，與委托方提供的信息一致；而通過熱點定位分析確認(rèn)失效電容的漏電點集中在電容端電極附近。

（2）通過切片分析確認(rèn)失效電容端電極附近存在裂紋，這與定位分析的結(jié)果一致，而裂紋與電容焊接端呈45°角，而電容內(nèi)部產(chǎn)生該形貌裂紋的原因為：當(dāng)單板彎曲變形時，陶瓷器件不會隨著變形，器件會受到壓應(yīng)力或拉應(yīng)力；當(dāng)應(yīng)力超過了陶瓷材料能承受的應(yīng)力，器件就會出現(xiàn)裂紋，應(yīng)力形成的裂紋在橫截面上顯示為“Y”形或者裂紋與焊端成45°角，因此該案件中電容失效的原因為受機械應(yīng)力導(dǎo)致的。

 

圖13. 單板變形應(yīng)力分布圖

 

圖14. 應(yīng)力與裂紋對應(yīng)關(guān)系圖

 

（3）通過驗證分析確認(rèn)，失效PCBA上其他位置電容也存在機械應(yīng)力裂紋，進(jìn)一步說明PCBA在使用過程中承受了應(yīng)力。

 

四、結(jié)論與建議

 

電容失效的原因為：電容內(nèi)部因承受了機械應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，從而導(dǎo)致電容漏電短路失效。

 

建議排查PCBA生產(chǎn)、存儲、運輸和使用過程中可能的應(yīng)力來源。

 

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