陶瓷電容耐壓不良失效分析

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

分析，認為造成陶瓷電容耐壓不良原因為二次包封模塊固化過(guò)程中及固化后應力作用造成陶瓷

-環(huán)氧界面存在間隙，導致其耐壓水平降低。

注：

1、NG=過(guò)程不良，應用于生產(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(hù)端耐壓不良。

2.分析方法簡(jiǎn)述(1)通過(guò)對 NG 樣品、OK 樣品進(jìn)行了外觀(guān)光學(xué)檢查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模擬試驗后，發(fā)現 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 )嚴重影響電容的耐壓水平。 從測試結果，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，且碳化嚴重區域基本集中在邊緣封裝較薄區域，而 OK 樣品未見(jiàn)明顯陶瓷-環(huán)氧界面脫殼分離現象。

(2)NG 樣品與 OK 樣品結構成分一致，未見(jiàn)結構明顯異常。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(shù)脂進(jìn)行玻璃轉化溫度測試，發(fā)現未封樣品的外封環(huán)氧樹(shù)脂玻璃轉化溫度較低，懷疑因為灌膠的高溫超過(guò)了陶瓷電容的環(huán)氧樹(shù)脂封體的玻璃轉化溫度，達到了其粘流態(tài)，導致陶瓷基體和環(huán)氧界面脫粘產(chǎn)生氣隙。

隨著(zhù)環(huán)氧樹(shù)脂固化冷卻過(guò)程體積收縮，產(chǎn)生的內應力以殘余應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，此時(shí)的形變就很難恢復。然后在外部電場(chǎng)力(耐壓加電測試)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(guān)典型外觀(guān)

對委托方提供的樣品進(jìn)行金相切片，NG 樣品環(huán)氧樹(shù)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(jiàn)異常。

樣品切片后，對剖切面進(jìn)行 SEM/EDS 分析，NG 樣品環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂材料若干，進(jìn)行 DSC 熱分析，檢測其 Tg 溫度點(diǎn)。

注：DSC熱分析法(Differential Scanning calorimeter)，又稱(chēng)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(xiàn)稱(chēng)DSC曲線(xiàn)。根據測量的方法的不同，又分為兩種類(lèi)型：功率補償型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，以溫度T或時(shí)間t為橫坐標，可以測定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數，例如比熱容、反應熱、轉變熱、相圖、反應速率、結晶速率、高聚物結晶度、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)機物、有機化合物及藥物分析。

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)生熱應力導致開(kāi)裂外，對于環(huán)氧包封型高壓陶瓷電容，無(wú)論是留邊型還是滿(mǎn)銀型電容都存在著(zhù)電極邊緣電場(chǎng)集中和陶瓷-環(huán)氧的結合界面等比較薄弱的環(huán)節。環(huán)氧包封陶瓷電容器由于環(huán)氧樹(shù)脂固化冷卻過(guò)程體積收縮，產(chǎn)生的內應力以殘余應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。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(lèi)陶瓷(SPBT)會(huì )發(fā)生電機械應力，產(chǎn)生電致應變。當環(huán)氧包封層的殘余應力較大時(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)內空洞：導致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內的有機或無(wú)機污染、燒結過(guò)程控制不當等?？斩吹漠a(chǎn)生極易導致漏電，而漏電又導致器件內局部發(fā)熱，進(jìn)一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導致漏電增加。該過(guò)程循環(huán)發(fā)生，不斷惡化，導致其耐壓水平降低。

(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(zhù)固化溫度的提高，高壓陶瓷電容的擊穿電壓會(huì )越高，因為高溫固化時(shí)可以較快并有效地減少殘余應力。隨著(zhù)整體模塊灌膠后固化的高溫持續，當達到或超過(guò)陶瓷電容器外包封層環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃轉化溫度，達到了粘流態(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，這種氣隙會(huì )降低陶瓷電容的耐壓水平。

(4)機械應力裂紋：陶瓷體本身屬于脆性較高的材料，在產(chǎn)生和流轉過(guò)程中較大的應力可能造成應力裂紋，導致耐壓降低。常見(jiàn)的應力源有：工藝過(guò)程電路板流轉操作;流轉過(guò)程中的人、設備、重力等因素;元件接插操作;電路測試;單板分割;電路板安裝;電路板定位鉚接;螺絲安裝等。

4.結論綜合以上測試分析可知，導致樣品失效的原因為：

1).直接原因：陶瓷-環(huán)氧界面存在間隙，導致其耐壓水平降低。

2).間接原因：a.二次包封模塊固化過(guò)程中產(chǎn)生了環(huán)氧材料應力收縮，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(guò)短，其內部界面應力未完全釋放出來(lái)，在陶瓷-環(huán)氧界面存在微裂紋，導致耐壓水平降低。