陶瓷电容短路失效分析

 

引言

 

陶瓷电容漏电短路的问题，因其原因复杂多样，且失效现象随外界环境变化而时有时无，经常困扰工程人员。常见的失效原因有原材料缺陷、热击失效、高压击穿和机械应力失效，本文介绍机械应力导致的贴片陶瓷电容漏电故障的分析方法。

 

一、案例背景

 

委托方反馈，某型号陶瓷电容在客户端出现失效，表现为短路，导致15V电源保护，进而导致产品故障，主要集中在C42、C44电容。

 

待分析样品如下：①拆解下的失效样品2pcs（#1、#2）；②失效PCBA一块（#3）。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

对失效的2pcs失效电容进行外观检查。

 

检查结果显示：拆解下的#1、#2失效样品除表面有助焊剂外未发现明显裂纹及其他损伤。

 

图1. #1失效电容外观形貌

 

图2. #2失效电容外观形貌

 

2. 失效现象复现

为确认失效电容是否表现为短路，对#1~#2失效电容进行电参数测试。

 

电测结果显示：2pcs失效电容都接近表现为短路，说明#1、#2失效电容内部存在明显漏电。

 

 

3. 热点定位

前面分析可知：#1、#2失效电容内部存在漏电现象，为确认电容内部的漏电位置，对#1、#2失效电容进行热点定位分析。

 

分析结果显示：

（1）#1失效电容内部发现异常亮点，亮点主要集中在电容端电极部位，说明电容内部的漏电点集中在端电极；

（2）#2失效电阻的阻值较小，未能定位到一个集中亮点（功率较小），但是在端电极也发现有异常热点。

 

定位结果说明：#1、#2失效电容都存在端电极附近的漏电现象。

 

图3. #1失效样品热点定位形貌

 

图4. #2失效样品热点定位形貌

 

4. 切片分析

为确认#1、#2电容漏电失效的原因，对#1、#2电容进行切片分析。

 

分析结果显示：#1、#2失效电容端电极附近都发现裂纹，这是电容内部漏电失效的原因；失效电容内部的裂纹与电容焊接端呈45°角，属于机械应力裂纹。

 

图5. #1失效电容切片形貌（光学显微镜）

 

图6. #1失效电容切片形貌（SEM）

 

图7. #2失效电容切片形貌（光学显微镜）

 

5. 验证分析

前面分析可知：2pcs失效单体电容内部都发现机械应力裂纹，为验证#3失效PCBA上陶瓷电容是否有机械应力裂纹，选取区域1的C52电容、区域2的C7电容，区域3位置的C50、C41电容进行切片分析。

 

分析结果显示：

（1）区域1位置的C52电容内部发现有明显的裂纹，裂纹形貌与失效电容内部的裂纹基本一致，属于机械应力裂纹；

（2）区域2位置的C7电容、区域3位置的C41电容都未发现明显的裂纹；

（3）区域3位置的C50电容发现裂纹，裂纹同样位于端电极部位，程度比较轻微。

 

验证结果说明：

（1）区域1、区域3位置的电容都发现裂纹，说明失效PCBA上电容受到机械应力影响；

（2）区域3位置的C41电容未发现裂纹、C50电容发现裂纹，而C41电容、C50电容主要的差异在于尺寸封装存在差异，C41电容为0603尺寸，C50电容为1206尺寸，与大尺寸电容更容易受单板弯曲而产生机械应力裂纹相对应。

 

图8. 选取电容示意图

 

图9. #3失效PCBA上C52电容切片形貌

 

图10. #3失效PCBA上C7电容切片形貌

 

图11. #3失效PCBA上C41电容切片形貌

 

图12. #3失效PCBA上C50电容切片形貌

 

三、综合分析

 

该案件主要为电容在PCBA上短路失效，通过外观检查、失效现象复现、热点定位、切片分析、验证分析等工作后发现：

（1）外观检查未发现拆解下的失效电容表面存在明显的破损及裂纹，可排除电容因外力碰撞导致的失效；失效现象复现确认失效电容为短路漏电失效，与委托方提供的信息一致；而通过热点定位分析确认失效电容的漏电点集中在电容端电极附近。

（2）通过切片分析确认失效电容端电极附近存在裂纹，这与定位分析的结果一致，而裂纹与电容焊接端呈45°角，而电容内部产生该形貌裂纹的原因为：当单板弯曲变形时，陶瓷器件不会随着变形，器件会受到压应力或拉应力；当应力超过了陶瓷材料能承受的应力，器件就会出现裂纹，应力形成的裂纹在横截面上显示为“Y”形或者裂纹与焊端成45°角，因此该案件中电容失效的原因为受机械应力导致的。

 

图13. 单板变形应力分布图

 

图14. 应力与裂纹对应关系图

 

（3）通过验证分析确认，失效PCBA上其他位置电容也存在机械应力裂纹，进一步说明PCBA在使用过程中承受了应力。

 

四、结论与建议

 

电容失效的原因为：电容内部因承受了机械应力导致裂纹产生，从而导致电容漏电短路失效。

 

建议排查PCBA生产、存储、运输和使用过程中可能的应力来源。

 

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