实例分析陶瓷电容耐压不良失效

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陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器。顾名思义,瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器。根据陶瓷材料的不同,可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类。按结构形式分类,又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。本文将对陶瓷电容器客户端耐压不良的实例进行分析,通过对 NG 样品、OK 样品进行了外观光学检查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模拟试验分析,认为造成陶瓷电容耐压不良原因为二次包封模块固化过程中及固化后应力作用造成陶瓷-环氧界面存在间隙,导致其耐压水平降低。
注:
一、分析方法简述

(1)通过对 NG 样品、OK 样品进行了外观光学检查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模拟试验后,发现 NG 样品均存在明显的陶瓷-环氧界面脱壳,产生了气隙,此气隙的存在会严重影响电容的耐压水平。 从测试结果,可以明显看到在陶瓷-环氧分离界面的裂缝位置存在明显的碳化痕迹,且碳化严重区域基本集中在边缘封装较薄区域,而 OK 样品未见明显陶瓷-环氧界面脱壳分离现象。


(2)NG 样品与 OK 样品结构成分一致,未见结构明显异常。失效的样品是将未封样品经焊接组装灌胶,高温固化后组成单元模块进行使用的。取样品外封环氧树脂进行玻璃转化温度测试,发现未封样品的外封环氧树脂玻璃转化温度较低,怀疑因为灌胶的高温超过了陶瓷电容的环氧树脂封体的玻璃转化温度,达到了其粘流态,导致陶瓷基体和环氧界面脱粘产生气隙。


随着环氧树脂固化冷却过程体积收缩,产生的内应力以残余应力的形式保留在包封层中,并作用于陶瓷-环氧界面,劣化界面的粘结,此时的形变就很难恢复。然后在外部电场力(耐压加电测试)的作用下,在间隙路径上产生了弱点击穿。

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图 1.样品外观典型外观
 对委托方提供的样品进行金相切片,NG 样品环氧树脂封层和陶瓷基材分层明显,两电极间的裂缝通路上有碳化的痕迹,OK 样品未见异常。

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样品切片后,对剖切面进行 SEM/EDS 分析,NG 样品环氧树脂和陶瓷基材分层明显,且有明显的碳化痕迹

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取未封 OK 样品外层环氧树脂材料若干,进行 DSC 热分析,检测其 Tg 温度点。
注:DSC热分析法(Differential Scanning calorimeter),又称差示扫描量热法,是六十年代以后研制出的一种热分析方法。

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它是在程序控制温度下,测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线。根据测量的方法的不同,又分为两种类型:功率补偿型DSC和热流型DSC。它以样品吸热或放热的速率,即热流率dH/dt(单位毫焦/秒)为纵坐标,以温度T或时间t为横坐标,可以测定多种热力学和动力学参数,例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。该法使用温度范围宽(-175~725℃)、分辨率高、试样用量少。适用于无机物、有机化合物及药物分析。

 


二、失效模式分析

(1)在电场作用下,陶瓷电容器的击穿破坏遵循弱点击穿理论,而局部放电是产生弱点破坏的根源。除因温度冷热变化产生热应力导致开裂外,对于环氧包封型高压陶瓷电容,无论是留边型还是满银型电容都存在着电极边缘电场集中和陶瓷-环氧的结合界面等比较薄弱的环节。环氧包封陶瓷电容器由于环氧树脂固化冷却过程体积收缩,产生的内应力以残余应力的形式保留在包封层中,并作用于陶瓷-环氧界面,劣化界面的粘结。在电场作用下,组成高压陶瓷电容瓷体的钙钛矿型钛酸锶铁类陶瓷(SPBT)会发生电机械应力,产生电致应变。当环氧包封层的残余应力较大时,二者联合作用极可能造成包封与陶瓷体之间脱壳,产生气隙,从而降低电压水平。


(2)介质内空洞:导致空洞产生的主要因素为陶瓷粉料内的有机或无机污染、烧结过程控制不当等。空洞的产生极易导致漏电,而漏电又导致器件内局部发热,进一步降低陶瓷介质的绝缘性能从而导致漏电增加。该过程循环发生,不断恶化,导致其耐压水平降低。


(3)包封层环氧材料因素:一般包封层厚度越厚,包封层破坏所需的外力越高。在同样电场力和残余应力的作用下,陶瓷基体和环氧界面的脱粘产生气隙较为困难。另外固化温度的影响,随着固化温度的提高,高压陶瓷电容的击穿电压会越高,因为高温固化时可以较快并有效地减少残余应力。随着整体模块灌胶后固化的高温持续,当达到或超过陶瓷电容器外包封层环氧树脂的玻璃转化温度,达到了粘流态,陶瓷基体和环氧界面的脱粘产生了气隙,此时的形变就很难恢复,这种气隙会降低陶瓷电容的耐压水平。


(4)机械应力裂纹:陶瓷体本身属于脆性较高的材料,在产生和流转过程中较大的应力可能造成应力裂纹,导致耐压降低。常见的应力源有:工艺过程电路板流转操作;流转过程中的人、设备、重力等因素;元件接插操作;电路测试;单板分割;电路板安装;电路板定位铆接;螺丝安装等。


三、结论综合以上测试分析可知,导致样品失效的原因为:
1).直接原因:陶瓷-环氧界面存在间隙,导致其耐压水平降低。
2).间接原因:

a.二次包封模块固化过程中产生了环氧材料应力收缩,致使陶瓷-环氧界面劣化,形成了弱点放电的路径。
b.二次包封模块固化后,样品放置时间过短,其内部界面应力未完全释放出来,在陶瓷-环氧界面存在微裂纹,导致耐压水平降低。

 

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陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器。顾名思义,瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器。根据陶瓷材料的不同,可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类。按结构形式分类,又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。