陶瓷電容耐壓不良失效，原因竟然是它們...
摘要：通過(guò)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(guò)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。
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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)異常。
圖2.NG樣品金相切片照片（ 500X,100X）
圖3.OK樣品金相切片照片（500X,200X）
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。
圖4.失效樣品SEM照片（23X,65X,600X,1000X）
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)。
圖5.玻璃轉(zhuǎn)化溫度曲線
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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)的應(yīng)力源有：工藝過(guò)程電路板流轉(zhuǎn)操作；流轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(guò)短，其內(nèi)部界面應(yīng)力未完全釋放出來(lái)，在陶瓷-環(huán)氧界面存在微裂紋，導(dǎo)致耐壓水平降低。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
