Coupe transversale de condensateurs en céramique

J'essaie de faire une analyse de panne d'un tas de condensateurs en céramique.

Brève description de l'application:

10 condensateurs céramiques 220 µF en boîtier 1210 sont placés en parallèle avec une batterie de 3,6 V. Un MCU se réveille périodiquement (maximum une fois par minute) et consomme du courant (pic maximum de 10-15 mA pendant quelques millisecondes). Le temps total avant de revenir à une veille à très basse consommation est de 130 ms. Les condensateurs sont supposés contenir suffisamment d’énergie pour couvrir tout cela sans tomber en dessous de 1,6 V (tension d’alimentation minimale pour le MCU).

Cela est nécessaire car la température de fonctionnement est basse et que la batterie ne peut pas livrer. La batterie a suffisamment de temps pour recharger les condensateurs pendant que la MCU est en veille.

Je soupçonne des courts-circuits dans les condensateurs. Car:

La batterie s'est épuisée très rapidement sur certains de mes PCB
D'après ce que j'ai lu, les condensateurs céramiques, en particulier dans les gros emballages, sont sensibles aux contraintes mécaniques et peuvent se fissurer, provoquant des courts-circuits.

Pour constater cela moi-même, j'ai tenté de faire des coupes, mais j'ai du mal à comprendre ce que je vois.

Comment j'ai fait la coupe transversale:

Utilisé un dremel pour couper le coin du circuit imprimé où les condensateurs sont placés
Moulé les circuits imprimés découpés en colle époxy pour faciliter la manipulation
A utilisé une lame de scie circulaire en diamant pour faire une section transversale approximativement au milieu des condensateurs (dans le sens de la longueur)
Rectification humide et polissage jusqu'à un film de rodage de 1 micron puis de 1 µ

Je l'ai répété sur deux PCB.

Il y a 3 condensateurs l'un à côté de l'autre:

Ici vous pouvez voir une différence de couleur entre les condensateurs, en haut à droite et en bas au centre, une couleur plus sombre. Mais comme vous pouvez le voir, pas dans la même position.

Je n'ai pas assez de rep pour ajouter toutes les images. Je vais commenter les liens vers toutes les images. J'apprécierais que quelqu'un puisse éditer et ajouter les images à l'article.

Les couleurs plus foncées (en haut à droite, en bas au milieu) ressemblent à cela de près. troisième

Presque ce à quoi je m'attendais d'un condensateur en céramique. Au moins, vous pouvez voir une sorte de superposition. Mais les couches ne sont pas solides comme prévu. Cela peut-il être causé par le meulage et le polissage?

La distance entre les couches est de 2 µm.

Les couleurs plus claires ressemblent à ceci: Quatrième cinquième

Qu'est-ce que c'est?! Par exemple, des courants élevés peuvent-ils provoquer la fusion des couches de cette manière? Ou cela peut-il aussi être causé par mon meulage et mon polissage?

Ici, nous pouvons voir une bulle d'air dans la soudure. Mais l'écart près du fond peut-il s'agir de dommages causés par des contraintes mécaniques?

sixième

J'ai ensuite essayé de meuler et de polir un peu plus loin dans les condensateurs. C'est exactement pareil. Si l'étrange ondulation et / ou les couches brisées avaient été causées par le meulage et le polissage, je m'attends à ce que les caractéristiques aient changé. Par exemple, un calque ondulé a maintenant cassé des calques et inversement.

Les condensateurs exacts utilisés sont Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

capacitor analysis

— Filippa
source

"Je soupçonne des courts-circuits dans les condensateurs." devrait être facile à tester avec un multimètre. Aussi, si vous avez fait beaucoup d’efforts pour examiner les bonnets, vous auriez pu utiliser un produit sain connu à titre de comparaison.

— PlasmaHH

surtout si vous suspectez un court-circuit Ω élevé, la faute (si elle est visible du tout) peut ne pas se trouver dans la couche que vous avez sablée. Mais toujours là, vous pouvez mesurer avec un multimètre, il vous suffit d'attendre un moment jusqu'à ce qu'il se stabilise. Ou bien vous appliquez une tension et mesurez le courant de fuite directement si c’est ce qui vous intéresse le plus.

— PlasmaHH

Maintenant, je suis plus curieux d'expliquer l'étrange structure circulaire et semblable à un paysage illustrée dans les images 4 et 5

— Filippa le

+1 pour l'excellente qualité de la structure, du contenu et de la photographie. Une superbe question.

— Wossname

Les motifs ondulés semblent avoir réussi à trancher le bonnet parallèlement aux calques. Vous voyez des vagues parce que les plans sont parfaitement parallèles et que votre processus n'est pas parfaitement aligné sur les plans non plus. Si ces capuchons ont une section carrée, alors c'est un mélange qui va les souder au tableau.

— Olin Lathrop le

Réponses:

Il me semble que le meulage / polissage a été assez bien fait (avec plus de soin, vous pourriez avoir moins de rayures), et vous regardez une image précise et non endommagée de la section transversale du condensateur.

Les images "sombres" sont plus ou moins ce que je m'attendrais à voir avec un condensateur coupé à travers les plans des électrodes. Électrodes métalliques dans une matrice de céramique plus sombre. Pour les condensateurs de valeur inférieure, je m'attendrais à voir des lignes parallèles plus épaisses, mais pour les lignes légèrement ondulées et brisées, la surprise n’est pas énorme. Je suppose que cela découle des mesures spéciales prises pour obtenir la très haute capacité dans un tout petit boîtier. Peut-être une combinaison d'électrodes de grille plutôt que d'avions et écrasement / formation de la céramique après la construction des couches mais avant la cuisson finale afin d'obtenir des couches plus minces.

Les images "pâles" correspondent plus ou moins à ce à quoi je m'attendais pour un condensateur sectionné parallèlement aux plans des électrodes. En supposant que vous ayez utilisé une rectifieuse métallographique (elle y ressemble), votre plan de coupe est plat, mais les électrodes ne le sont pas. Donc, vous obtenez des caractéristiques de contour où l'électrode traverse le plan de coupe.

Je doute que vous trouviez votre fuite dans ces images. Autres endroits à regarder:

Vérifiez les fiches techniques pour la résistance attendue. Est-ce aussi haut que vous pensiez? Vérifiez les conditions dans lesquelles il est donné dans la fiche technique, voyez si votre environnement est susceptible de l’aggraver.
Vérifiez un lot de nouveaux condensateurs pour voir quelles sont les résistances
Vérifiez plusieurs condensateurs de vos déclarations de garantie pour vérifier si la capacité ou la résistance a changé.
Mesurer les résistances sur votre circuit imprimé avant l'assemblage (doit être beau et haut)
Mesurer la résistance sur un circuit imprimé terminé (peut-être sans MCU). Rechercher des traces de flux qui n’a pas été suffisamment nettoyé et qui pourrait réduire la résistance.

— Jack B
source

Oh! Cela explique tout! N'hésitez pas à développer votre réponse avec plus de détails sur le développement et la structure de la Société. Que dites-vous de ces analyses d'échec, par exemple? Étaient-ils simplement extrêmement chanceux de trouver ces défauts en utilisant cette méthode? gideonlabs.com/posts/failure-analysis-mlccs , gideonlabs.com/posts/… , gideonlabs.com/posts/leakage-current-mlcc-pcb

— Filippa Le

Ces analyses montrent un délaminage et des fissures qui me semblent familiers, non pas des MLCC, mais des piezos, qui sont en réalité des matériaux et une construction très similaires. Je ne vois rien de semblable dans vos images, c'est ce que je voulais dire en disant que je ne pensais pas que vous le trouveriez. Les dommages peuvent être assez faibles et localisés, vous ne les verrez donc pas nécessairement dans une seule section. Pour obtenir ces images, ils ont probablement mis tout le condensateur à la terre et ont choisi la meilleure image pour la rédaction.

— Jack B

Je vous conseillerais de retirer certaines limites des conseils d'administration défaillants et de les mesurer et de les comparer à de nouveaux. Ce n'est que si vous êtes certain que le plafond s'est dégradé que je passerais beaucoup de temps à sectionner et examiner. Et si vous vous engagez dans cette voie, vous devrez probablement parcourir de nombreuses sections pour détecter les dégâts. Le second dans votre lien est un très grave échec. Je m'attendrais à ce que la résistance ne soit que de quelques ohms. Cela est probablement visible dans toutes les sections, l’autre moins.

— Jack B

Certains types de défauts peuvent faire l’objet d’une inspection visuelle: si ces condensateurs utilisent une métallisation à l’étain, l’oxyde d’étain est à la fois conducteur et transparent.

— Whit3rd

Je suppose que le but de cet exercice est de trouver des condensateurs acceptables.

Sauf si vous achetez des milliards de choses et que vous avez le pouvoir d'achat pour amener le fabricant à écouter, faire une analyse physique des condensateurs ne vous fera pas avancer sur le chemin de la possibilité d'obtenir de bonnes pièces, même si vous pouvez savoir ce qui ne va pas et comment changer le processus du fabricant.

Tout d’abord, identifiez tous les fabricants de condensateurs. Ensuite, achetez quelques échantillons d’un condensateur approprié de chacun. Mesurer leurs fuites avant de souder. Souder aux planches et réévaluer leurs fuites. Identifiez les numéros de pièces que vous pouvez acheter ou ne pas acheter à la suite de ces tests. Ensuite, respectez les bonnes références.

Attention, il est difficile de bien mesurer les fuites, attendez assez longtemps, vérifiez les courants parasites tels que les courants d'entrée de DMM et d'amplificateur, assurez-vous que les contaminants de surface ne font pas fuir la carte.

220uF est beaucoup pour un condensateur SMD. Vous pouvez obtenir de meilleurs résultats en utilisant un rapport capacité / volume moins extrême, même si cela implique l'utilisation de davantage de pièces. Les fabricants utilisent différentes céramiques pour différents rapports C / V, et vous constaterez peut-être que les fuites ont été sacrifiées pour la capacité dans le rapport de taille particulier que vous avez acheté. Notez que les désignations telles que X7R, Y5U, etc. n'identifient pas la céramique, mais uniquement les spécifications tempco et tolérance. Ils n'identifient pas le voltco (une très mauvaise caractéristique des céramiques à rapport C / V élevé) et n'identifieront aucune spécification de fuite.

— Neil_UK
source

À ce stade, il s’agit davantage d’expérimenter par curiosité et de vouloir comprendre. Il est également amusant d’utiliser un équipement cool que l’on n’utilise pas souvent

— Filippa

@ Filippa, allez-y alors, mais je doute que vous voyiez quelque chose qui explique la différence de fuite. Je suis aussi très intéressé de voir à quoi ils ressemblent à l'intérieur. Je suppose que l’ondulation est due peut-être à l’utilisation de techniques de «pâte feuilletée» pour obtenir des couches très minces? Mais prenez le type de céramique très au sérieux, cela varie car ils essaient de faire entrer plus d’UF dans la même empreinte, et des compromis auront été faits.

— Neil_UK

Mais comme certains condensateurs ont cette étrange ondulation, d'autres non ... On se sent comme si ils avaient été endommagés

— Filippa

En utilisant l’outil de condensateur TDK, on peut s’attendre à ce que la capacité effective à 3,6 V ne dépasse pas 100 uF pour ces dispositifs. product.tdk.com/info/fr/products/capacitor/ceramic/mlcc/…

— Peter Smith le