陶瓷電容耐壓不良失效分析

摘要：通過對 NG 樣品、OK 樣品進行了外觀光學檢查、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(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.分析方法簡述(1)通過對 NG 樣品、OK 樣品進行了外觀光學檢查、金相切片分析、SEM/EDS 分析及模擬試驗后，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，此氣隙的存在會嚴重影響電容的耐壓水平。 從測試結(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行使用的。取樣品外封環(huán)氧樹脂進行玻璃轉(zhuǎn)化溫度測試，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，懷疑因為灌膠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。

隨著環(huán)氧樹脂固化冷卻過程體積收縮，產(chǎn)生的內(nèi)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(jié)，此時的形變就很難恢復。然后在外部電場力(耐壓加電測試)的作用下，在間隙路徑上產(chǎn)生了弱點擊穿。

圖 1.樣品外觀典型外觀

對委托方提供的樣品進行金相切片，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，對剖切面進行 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，進行 DSC 熱分析，檢測其 Tg 溫度點。

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)測量的方法的不同，又分為兩種類型：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或時間t為橫坐標，可以測定多種熱力學和動力學參數(shù)，例如比熱容、反應熱、轉(zhuǎn)變熱、相圖、反應速率、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。適用于無機物、有機化合物及藥物分析。

3. 失效模式分析 (1)在電場作用下，陶瓷電容器的擊穿破壞遵循弱點擊穿理論，而局部放電是產(chǎn)生弱點破壞的根源。除因溫度冷熱變化產(chǎn)生熱應力導致開裂外，對于環(huán)氧包封型高壓陶瓷電容，無論是留邊型還是滿銀型電容都存在著電極邊緣電場集中和陶瓷-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(jié)。在電場作用下，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，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：導致空洞產(chǎn)生的主要因素為陶瓷粉料內(nèi)的有機或無機污染、燒結(jié)過程控制不當?shù)?。空洞的產(chǎn)生極易導致漏電，而漏電又導致器件內(nèi)局部發(fā)熱，進一步降低陶瓷介質(zhì)的絕緣性能從而導致漏電增加。該過程循環(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，隨著固化溫度的提高，高壓陶瓷電容的擊穿電壓會越高，因為高溫固化時可以較快并有效地減少殘余應力。隨著整體模塊灌膠后固化的高溫持續(xù)，當達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，此時的形

變就很難恢復，這種氣隙會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(zhuǎn)過程中較大的應力可能造成應力裂紋，導致耐壓降低。常見的應力源有：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，形成了弱點放電的路徑。

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