陶瓷電容耐壓不良失效分析

摘要：通過對(duì) NG 樣品、OK 樣品進(jìn)行了外觀光學(xué)檢查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模擬試驗(yàn)

分析，認(rèn)為造成陶瓷電容耐壓不良原因?yàn)槎伟饽K固化過程中及固化后應(yīng)力作用造成陶瓷

-環(huán)氧界面存在間隙，導(dǎo)致其耐壓水平降低。

注：

1、NG=過程不良，應(yīng)用于生產(chǎn)制造管理

2、SEM(scanning electron microscope)：掃描式電子顯微鏡

3、EDS(Energy Dispersive Spectrometer)：X光微區(qū)分析

關(guān)鍵詞：陶瓷電容 電容 耐壓不良 電容失效 電容失效分析 耐壓失效分析

1. 案例背景陶瓷電容器客戶端耐壓不良。

2.分析方法簡(jiǎn)述(1)通過對(duì) NG 樣品、OK 樣品進(jìn)行了外觀光學(xué)檢查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模擬試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn) NG 樣品均存在明顯的陶瓷-環(huán)氧界面脫殼，產(chǎn)生了氣隙，此氣隙的存在會(huì)嚴(yán)重影響電容的耐壓水平。 從測(cè)試結(jié)果，可以明顯看到在陶瓷-環(huán)氧分離界面的裂縫位置存在明顯的碳化痕跡，且碳化嚴(yán)重區(qū)域基本集中在邊緣封裝較薄區(qū)域，而 OK 樣品未見明顯陶瓷-環(huán)氧界面脫殼分離現(xiàn)象。

(2)NG 樣品與 OK 樣品結(jié)構(gòu)成分一致，未見結(jié)構(gòu)明顯異常。失效的樣品是將未封樣品經(jīng)焊接組裝灌膠，高溫固化后組成單元模塊進(jìn)行使用的。取樣品外封環(huán)氧樹脂進(jìn)行玻璃轉(zhuǎn)化溫度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未封樣品的外封環(huán)氧樹脂玻璃轉(zhuǎn)化溫度較低，懷疑因?yàn)楣嗄z的高溫超過了陶瓷電容的環(huán)氧樹脂封體的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，達(dá)到了其粘流態(tài)，導(dǎo)致陶瓷基體和環(huán)氧界面脫粘產(chǎn)生氣隙。

隨著環(huán)氧樹脂固化冷卻過程體積收縮，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以殘余應(yīng)力的形式保留在包封層中，并作用于陶瓷-環(huán)氧界面，劣化界面的粘結(jié)，此時(shí)的形變就很難恢復(fù)。然后在外部電場(chǎng)力(耐壓加電測(cè)試)的作用下，在間隙路徑上產(chǎn)生了弱點(diǎn)擊穿。

圖 1.樣品外觀典型外觀

對(duì)委托方提供的樣品進(jìn)行金相切片，NG 樣品環(huán)氧樹脂封層和陶瓷基材分層明顯，兩電極間的裂縫通路上有碳化的痕跡，OK 樣品未見異常。

樣品切片后，對(duì)剖切面進(jìn)行 SEM/EDS 分析，NG 樣品環(huán)氧樹脂和陶瓷基材分層明顯，且有明顯的碳化痕跡

取未封 OK 樣品外層環(huán)氧樹脂材料若干，進(jìn)行 DSC 熱分析，檢測(cè)其 Tg 溫度點(diǎn)。

注：DSC熱分析法(Differential Scanning calorimeter)，又稱差示掃描量熱法，是六十年代以后研制出的一種熱分析方法。

它是在程序控制溫度下，測(cè)量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系。差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線。根據(jù)測(cè)量的方法的不同，又分為兩種類型：功率補(bǔ)償型DSC和熱流型DSC。它以樣品吸熱或放熱的速率，即熱流率dH/dt(單位毫焦/秒)為縱坐標(biāo)，以溫度T或時(shí)間t為橫坐標(biāo)，可以測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如比熱容、反應(yīng)熱、轉(zhuǎn)變熱、相圖、反應(yīng)速率、結(jié)晶速率、高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。該法使用溫度范圍寬(-175~725℃)、分辨率高、試樣用量少。適用于無(wú)機(jī)物、有機(jī)化合物及藥物分析。

3. 失效模式分析 (1)在電場(chǎng)作用下，陶瓷電容器的擊穿破壞遵循弱點(diǎn)擊穿理論，而局部放電是產(chǎn)生弱點(diǎn)破壞的根源。除因溫度冷熱變化產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致開裂外，對(duì)于環(huán)氧包封型高壓陶瓷電容，無(wú)論是留邊型還是滿銀型電容都存在著電極邊緣電場(chǎng)集中和陶瓷-環(huán)氧的結(jié)合界面等比較薄弱的環(huán)節(jié)。環(huán)氧包封陶瓷電容器由于環(huán)氧樹脂固化冷卻過程體積收縮，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以殘余應(yīng)力的形式保留在包封層中，并作用于陶瓷-環(huán)氧界面，劣化界面的粘結(jié)。在電場(chǎng)作用下，組成高壓陶瓷電容瓷體的鈣鈦礦型鈦酸鍶鐵類陶瓷(SPBT)會(huì)發(fā)生電機(jī)械應(yīng)力，產(chǎn)生電致應(yīng)變。當(dāng)環(huán)氧包封層的殘余應(yīng)力較大時(shí)，二者聯(lián)合作用極可能造成包封與陶瓷體之間脫殼，產(chǎn)生氣隙，從而降低電壓水平。

(2)介質(zhì)內(nèi)空洞：導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染、燒結(jié)過程控制不當(dāng)?shù)??？斩吹漠a(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，而漏電又導(dǎo)致器件內(nèi)局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加。該過程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，導(dǎo)致其耐壓水平降低。

(3)包封層環(huán)氧材料因素：一般包封層厚度越厚，包封層破壞所需的外力越高。在同樣電場(chǎng)力和殘余應(yīng)力的作用下，陶瓷基體和環(huán)氧界面的脫粘產(chǎn)生氣隙較為困難。另外固化溫度的影響，隨著固化溫度的提高，高壓陶瓷電容的擊穿電壓會(huì)越高，因?yàn)楦邷毓袒瘯r(shí)可以較快并有效地減少殘余應(yīng)力。隨著整體模塊灌膠后固化的高溫持續(xù)，當(dāng)達(dá)到或超過陶瓷電容器外包封層環(huán)氧樹脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，達(dá)到了粘流態(tài)，陶瓷基體和環(huán)氧界面的脫粘產(chǎn)生了氣隙，此時(shí)的形

變就很難恢復(fù)，這種氣隙會(huì)降低陶瓷電容的耐壓水平。

(4)機(jī)械應(yīng)力裂紋：陶瓷體本身屬于脆性較高的材料，在產(chǎn)生和流轉(zhuǎn)過程中較大的應(yīng)力可能造成應(yīng)力裂紋，導(dǎo)致耐壓降低。常見的應(yīng)力源有：工藝過程電路板流轉(zhuǎn)操作;流轉(zhuǎn)過程中的人、設(shè)備、重力等因素;元件接插操作;電路測(cè)試;單板分割;電路板安裝;電路板定位鉚接;螺絲安裝等。

4.結(jié)論綜合以上測(cè)試分析可知，導(dǎo)致樣品失效的原因?yàn)椋?/p>

1).直接原因：陶瓷-環(huán)氧界面存在間隙，導(dǎo)致其耐壓水平降低。

2).間接原因：a.二次包封模塊固化過程中產(chǎn)生了環(huán)氧材料應(yīng)力收縮，致使陶瓷-環(huán)氧界面劣化，形成了弱點(diǎn)放電的路徑。

b.二次包封模塊固化后，樣品放置時(shí)間過短，其內(nèi)部界面應(yīng)力未完全釋放出來，在陶瓷-環(huán)氧界面存在微裂紋，導(dǎo)致耐壓水平降低。