Поперечное сечение керамических конденсаторов

Я пытаюсь сделать анализ неисправностей группы керамических конденсаторов.

Краткое описание приложения:

Керамические конденсаторы емкостью 1220 мкФ в упаковке 1210 расположены параллельно с батареей на 3,6 В. Микроконтроллер периодически активируется (максимум раз в минуту) и потребляет ток (максимальный пик 10-15 мА в течение нескольких миллисекунд). Общее время до перехода в режим сна с крайне низким энергопотреблением составляет 130 мс. Предполагается, что конденсаторы содержат достаточно энергии, чтобы покрыть это, не опускаясь ниже 1,6 В (минимальное напряжение питания для MCU).

Это необходимо, поскольку рабочая температура низкая, а батарея не может доставить. У батареи достаточно времени, чтобы зарядить конденсаторы, пока MCU спит.

Я подозреваю шорты в конденсаторах. Потому что:

• Батарея очень быстро разряжается на некоторых моих печатных платах
• Из того, что я прочитал, керамические конденсаторы, особенно в больших упаковках, чувствительны к механическим воздействиям и могут треснуть, вызывая короткие замыкания.

Чтобы увидеть это для себя, я попытался сделать поперечные сечения, но мне трудно понять, что я вижу.

Как я сделал сечение:

• Использовал дремель, чтобы отрезать угол платы, где размещены конденсаторы
• Отлили отрезаемые печатные платы в эпоксидный клей, чтобы облегчить обработку
• Использовал алмазный дисковый пильный диск, чтобы сделать поперечное сечение примерно посередине конденсаторов (по длине)
• Мокрое шлифование и полировка до 1 микрона, а затем 1 µ притирочной пленки

Я повторил это на двух печатных платах.

Есть 3 конденсатора рядом друг с другом:

Здесь вы можете видеть разницу в цвете между конденсаторами, верхний правый и нижний средний более темный цвет. Но, как видите, не в том же положении.

У меня недостаточно представителей, чтобы добавить все изображения. Я буду комментировать ссылки на все изображения. Был бы признателен, если бы кто-то мог редактировать и добавлять изображения в пост.

Более темные (сверху справа, снизу посередине) выглядят так близко.

Почти то, что я ожидал увидеть керамический конденсатор. По крайней мере, вы можете увидеть какое-то наслоение. Но слои не сплошные, как я ожидал. Может ли это быть повреждение, вызванное шлифовкой и полировкой?

Расстояние между слоями составляет 2 мкм.

Более светлые цвета выглядят так:

Что это?! Например, могут ли сильные токи вызвать плавление слоев таким образом? Или это может быть вызвано моей шлифовкой и полировкой?

Здесь мы видим воздушный пузырь в припое. Но промежуток близко к дну, это может быть повреждение, вызванное механическим напряжением?

Позже я попытался шлифовать и полировать немного дальше в конденсаторы. Это выглядит точно так же. Если бы странная волнистость и / или отслоившиеся слои были вызваны шлифовкой и полировкой, я ожидаю, что характеристики изменились бы. Например, волнистый теперь вместо этого разорвал слои, и наоборот.

Точные используемые конденсаторы: Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

Мне кажется, что шлифовка / полировка была сделана довольно хорошо (с большей осторожностью вы могли бы иметь меньше царапин), и вы смотрите на точное и неповрежденное изображение поперечного сечения конденсатора.

«Темные» изображения более или менее соответствуют тому, что я ожидал увидеть от конденсатора, разрезанного по плоскостям электродов. Металлические электроды в более темной керамической матрице. Для конденсаторов с более низкими значениями я ожидал бы увидеть более толстые параллельные линии, но для линий, которые будут слегка волнистыми и ломаными, это не является большим сюрпризом. Я ожидаю, что это является результатом специальных шагов, которые они предприняли, чтобы получить очень высокую емкость в крошечной упаковке. Возможно, комбинация сеточных электродов, а не плоскостей, и сжатие / формирование керамики после создания слоев, но до окончательного обжига, чтобы сделать слои тоньше.

«Бледные» изображения более или менее соответствуют тому, что я ожидал бы для конденсатора, сеченного параллельно плоскостям электродов. Предполагая, что вы использовали металлографическую шлифовальную машину (выглядит так), ваша плоскость сечения плоская, а электроды - нет. Таким образом, вы получаете контуроподобные элементы, где электрод пересекает плоскость сечения.

Я сомневаюсь, что вы найдете свою утечку на этих изображениях. Другие места, чтобы посмотреть:

• Проверьте таблицы на ожидаемое сопротивление. Это так высоко, как вы думали? Проверьте условия, при которых это указано в таблице, посмотрите, не ухудшит ли ваша среда.
• Проверьте партию новых конденсаторов, чтобы увидеть, какие сопротивления
• Проверьте несколько конденсаторов из гарантийного возврата, чтобы увидеть, изменились ли емкость или сопротивление.
• Измерьте сопротивление на вашей печатной плате перед сборкой (должно быть хорошим и высоким)
• Измерьте сопротивление на готовой плате (возможно, без MCU). Ищите доказательства потока, который не был очищен достаточно хорошо и мог уменьшить сопротивление.

Я предполагаю, что целью этого упражнения является получение конденсаторов, которые в порядке.

Если вы не покупаете десятки миллиардов штук, и у вас не будет такого влияния, чтобы заставить производителя прислушиваться, физический анализ конденсаторов не продвинет вас вперед по пути получения хороших деталей, даже если вы можете понять что не так и как изменить процесс производителя.

Во-первых, определите всех производителей конденсаторов. Тогда купите несколько образцов подходящего конденсатора от каждого. Измерьте их утечку перед пайкой. Припой к платам и замерь их утечки. Определите конкретный номер детали, который можно покупать или не покупать в результате этих испытаний. Затем придерживайтесь хороших номеров деталей.

Предупреждение, измерения утечки трудно выполнить хорошо, подождите достаточно долго, проверьте паразитные токи, такие как входные токи цифрового мультиметра и усилителя, убедитесь, что поверхностные загрязнения не вызывают утечку на плату.

220 мкФ это много для конденсатора SMD. Вы можете получить лучшие результаты, используя менее экстремальное соотношение емкость / объем, даже если это означает использование большего количества деталей. Производители используют разную керамику для разных соотношений C / V, и вы можете обнаружить, что утечка была принесена в жертву для емкости в конкретном соотношении размеров, которое вы купили. Обратите внимание, что обозначения, такие как X7R, Y5U и т. Д., Не идентифицируют керамику, а только спецификацию tempco и допусков. Они не идентифицируют вольтко (очень плохая особенность керамики с высоким отношением C / V), а также не будут определять характеристики утечки.