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陶瓷电容内部为何会产生裂纹?| PCBA失效漏电分析

2024-05-30  浏览量:43

 

陶瓷电容内部为何会产生裂纹?| PCBA失效漏电分析

 

MLCC 是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),成一个类似独石的结构体,也被称为独石电容器。

MLCC具有体积小、比容大、寿命长、高频使用时损失率低、可靠性高等优点,在电子设备和电路中扮演着重要的角色。

 

背景

 

某PCBA在待机状态下漏电,初步怀疑是陶瓷电容失效,现分析其失效原因。

 

测试分析

 

1 失效现象复现

 

对NG PCBA#1、#2、#3和OK PCBA进行上电,给正负极之间加载3V电压,测试PCBA在上电后的漏电流。

 

复现结果表明:NG PCBA#1、#3上电后的漏电流比OK PCBA上电后的漏电流偏大,#2无明显差异。NG PCBA稳定后的漏电流分别为33.8uA,25.2uA,161.5uA,OK PCBA稳定后的漏电流为24.7uA。

 

 

2 外观检查

对NG PCBA上怀疑失效的陶瓷电容进行外观检查,检查结果表明:外观无裂纹,刮伤等明显缺陷。

 

 

4 无损透视检查

 

对NG PCBA上怀疑失效的陶瓷电容内部结构无损透视检查,结果表明:陶瓷电容内部致密,无损透视检查未能穿透样品。

 

 

5 电参数测试

 

取下#1~#2失效PCBA怀疑NG电容进行容值、损耗、绝缘电阻进行测试。测试结果表明:#1PCBA、#2PCBA上的电容绝缘阻抗明显比未使用的OK电容偏低,如下表所示。

 

 

6 Thermal EMMI

 

前面分析可知:#1PCBA、#2PCBA怀疑NG电容阻抗明显异常、漏电偏大,因此利用Thermal EMMI 定位对#1、#2电容漏电位置进行准确定位。

定位结果显示:#1、#2电容内部存在异常亮点,亮点位置主要集中在端头部位,如图:

 

 

7 切片分析

 

前面分析可知:#1、#2电容内部存在异常亮点且集中在电容端头部位,因此对#1、#2电容进行定点切片及#4PCBA、OKPCBA上的电容进行切片确认,测试结果如下:

(1)#1~#2电容边沿有裂纹,裂纹延伸到内电极区域,如图8~10;

(2)#3电容边沿与内电极都存在裂纹,如图11;

(3)OK PCBA上电容存在裂纹,裂纹延伸到电容中间部位,如图12。

测试结果表明:电容失效的主要为内部存在机械应力裂纹,裂纹延伸到内电极区域导致绝缘阻抗下降。OK PCBA上电容同样存在裂纹及延伸到电容中间区域,证明OK PCBA也存在漏电,只是存在程度上的差异,OK PCBA存在漏电风险。从在板电容的切片形貌上观察,电容靠近单板一侧的裂纹更严重。

 

 

总结与分析

 

结论:PCBA待机状态下漏电直接原因为陶瓷电容内部存在机械应力裂纹,根本原因是电容受到压力后内部产生裂纹导致的。

 

切片结果显示陶瓷电容内部存在机械应力裂纹,裂纹伸到了内电极区域,导致电容绝缘阻抗下降。

 

电容产生机械应力裂纹的原因为:由于陶瓷电容是由硬而脆的陶瓷材料制成,这种材料对单板变形产生的应力比较敏感,如图13所示,当单板向下弯曲变形时,电容就受到张力,应力集中点位于电容焊端与本体交接处的上部(这个位置往往是应力集中点),裂纹也会出现在这两个部位,当单板向上弯曲变形时,电容受到压力,应力集中点位置电容焊端与本体交接处的下部,裂纹也会出现在这两个部位。

 

单板变形应力分布图

图13 单板变形应力分布图

 

根据上面的分析可知,电容受到额外的应力作用时,裂纹会在应力集中点产生,如图14所示,电容受到向上的应力,底部焊端和焊料的交接处为应力集中点,这个位置就成为薄弱环节,容易产生裂纹。本案中靠近电容靠近单板一侧裂纹更严重,与PCB受到压力时电容产生的裂纹一致,故判断失效电容所在单板在受到了压力,导致电容内部产生了与焊接面成45°角的裂纹,最终导致电容失效。

 

应力与裂纹对应关系图

图14 应力与裂纹对应关系图

 

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简介

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