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电解电容的失效原因和寿命计算方法 电解电容在LED电源,调光电源等电源适配器中是不可替代的元器件!在这些电源中由于应用环境的原因,成为最脆弱的一环。所以电解电容的寿命基本是电源的寿命。 如果电解电容在质量上没有问题,失效问题的出现就是出现在应用环境中。电解电容设计应用环境主要有:环境温度、散热方式、电压、电流参数等。 对电容器的应用者而言,短路、开路属于“灾难性的失效”,或者说是:“致命的失效”,使其完全完丧失了电容器的功能。其他几类失效模式(即由第二类因素造成的失效),一般归为“劣化失效”, 或者说是“耗尽失效”。 一、电解电容失效模式与因素概述 电解电容正极、负极引出电极和外壳都是是高纯铝,电解电容的介质是在正极表面形成的三氧化二铝膜,真正的负极是电解液,工作时相当一个电解槽,只不过正极表面的阳极氧化层已经形成,不再发生电化学反应,理论上电流为零,由于电极与电解液杂质的存在,会引起微小的漏电流。从现象上看,电解电容常见的失效现象与失效模式有:电解液干涸、压力释放装置动作、短路、开路(无电容量)、漏电流过大等。 二、电解电容的失效机理 耗尽失效 (1)高温环境或发热导致点解电容寿命的终了 通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期电解电容的电解液充盈,电解电容的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期,由于电解液挥发而减少,粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层,这样就使电解电容的极板有效面积减小,即阳极、阴极铝箔容量减少,引起电容量急剧下降。因此,可以认为电解电容的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。 (2)电解电容的ESR产生损耗并转变成热使其发热。 理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不完美。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串连在一起,所以就起了个名字叫做等效串联电阻。 ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。 比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源都使用低ESR的电容器。由于应用条件使电解电容发热的原因是电解电容在工作在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过电解电容,在电解电容的ESR产生损耗并转变成热使其发热。 当电解电容电解液蒸发较多、溶液变稠时,电阻率因粘稠度增大而上升,使工作电解质的等效串联电阻增大,导致电容器损耗明显上升,损耗角增大。例如对于105度工作温度的电解电容器,其最大芯包温度高于125度时,电解液粘稠度骤增,电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串联电阻会产生更大热量,造成电解液的更大挥发。如此循环往复,电解电容容量急剧下降,甚至会造成爆炸。 (3)漏电流增加往往导致电解电容失效。应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加 电解电容压力释放装置(顶部的K或者十,不同的厂家略有区别) 为了防止电解电容中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成电解电容的爆炸。为了消除电解电容的爆炸,电解电容均设置了压力释放装置,这些压力释放装置在电解电容内部的气压达到尚未使电解电容爆炸的危险压力前动作,泄放出气体。随着电解电容的压力释放装置的动作,电解电容即宣告失效。 电解电容温度过高的第二个原因是芯包温度过高。电解电容芯包温度过高的根本原因是电解电容流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在电解电容的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使电解电容内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。 a.瞬时超温 通常电解电容的芯包核心温度每降低10℃,其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心,是电容器内部最热的点。可是,当电容器升温接近其最大允许温度时,对于大多数型号电容器在125℃时,其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven),导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下,瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大,从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能,还要额外注意电解电容的冷却。 b.瞬时过电压的产生 上电过程中,由于滤波电感释放储能到滤波电容器中,导致滤波电容器的过瞬时过电压。 上电过电压示意 电容过电压失效的对应预防措施 电容器在过压状态下容易被击穿,而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。 产品设计时选择承受瞬时过电压性能好的电解电容,20YPower科技在设计调光电源等电源时选择优质的电解电容的同时,设计使用比要求电压还高的电解电容。 电解液干涸是电解电容失效的最主要原因:电解液干涸 1.电解液自然挥发 电解液的挥发速度随温度的升高 电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关,无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性 2.电解液的消耗 漏电流所引起的电化学效应消耗电解液 电解电容的寿命随漏电流增加而减少 漏电流随温度的升高而增加:25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加:耐压为400V的电解电容在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。 电解液干涸的时间就是电解电容寿命的因素之一:温度 a.根据电解电容的电解液的不同,电解电容的最高工作温度可分为: 一般用途:85℃ 一般高温用途:105℃ 特殊高温用途:125℃ 汽车发动机舱:140～150℃ 影响电解电容寿命的的因素(额定寿命小时数) b.按寿命小时数电解电容可以分为: 一般用途(常温,3年以内):5000小时 一般用途(常温,希望比较长的时间):10000小时以上 工业级:更长的寿命小时数 电解液干涸的时间就是电解电容寿命的因素之二:电解液 电解液的多与寡决定电解电容的寿命外,电解液质量也很重要,所以为什么很多电源厂选择3con的电解电容的原因; 所以总的来说,影响电解电容寿命的的因素(应用条件)有以下这几点: ★高温缩短电解电容寿命 ★高纹波电流缩短电解电容寿命 ★工作电压过高缩短电解电容寿命 三、电解电容寿命电容推算方法 在额定电压下,电解电容的寿命可以由以下公式计算。 其中,L和L0分别为:实际环境温度T时的寿命和额定最高温度T0时的寿命。可以看到,电解电容的使用寿命随温度下降每10℃,寿命增加一倍,即所谓10℃法则。因此,无论是使用还是存储,电解电容均应在尽量低的环境温度下为好。例如常见的rubycon YXJ系列电解电容,105℃/10000; 工作温度使用寿命年 廿年科技设计的电源产品,按20年的产品寿命为设计基础,电解电容的周边温度低于65度;同时选用低阻抗(Low Impedance)的电解电容。

​ 转载--- 张飞实战电子 2018-12-28 19:27 陶瓷电容失效分析： 多层片状陶介电容器由陶瓷介质、端电极、金属电极三种材料构成，失效形式为金属电极和陶介之间层错，电气表现为受外力（如轻轻弯曲板子或用烙铁头碰一下）和温度冲击（如烙铁焊接）时电容时好时坏。 多层片状陶介电容器具体不良可分为: 1 热击失效 2 扭曲破裂失效 3 原材失效三个大类 （１）热击失效模式： 热击失效的原理是：在制造多层陶瓷电容时，使用各种兼容材料会导致内部出现张力的不同热膨胀系数及导热率。当温度转变率过大时就容易出现因热击而破裂的现象，这种破裂往往从结构最弱及机械结构最集中时发生，一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面处、产生最大机械张力的地方（一般在晶体最坚硬的四角），而热击则可能造成多种现象： 第一种是显而易见的形如指甲狀或U-形的裂縫 ​ 第二种是隐藏在内的微小裂缝 ​ 第二种裂缝也会由裸露在外的中央部份，或陶瓷/端接界面的下部开始，并随温度的转变，或于组装进行时，顺着扭曲而蔓延开来（见图4）。 ​ 第一种形如指甲狀或U-形的裂縫和第二种隐藏在内的微小裂缝，两者的区别只是后者所受的张力较小，而引致的裂缝也较轻微。第一种引起的破裂明显，一般可以在金相中测出，第二种只有在发展到一定程度后金相才可测。 （２）扭曲破裂失效 此种不良的可能性很多：按大类及表现可以分为两种： 第一种情况、SMT阶段导致的破裂失效 当进行零件的取放尤其是SMT阶段零件取放时，取放的定中爪因为磨损、对位不准确，倾斜等造成的。由定中爪集中起来的压力，会造成很大的压力或切断率，继而形成破裂点。 这些破裂现象一般为可见的表面裂缝，或2至3个电极间的内部破裂；表面破裂一般会沿着最强的压力线及陶瓷位移的方向。 真空检拾头导致的损坏或破裂﹐一般会在芯片的表面形成一个圆形或半月形的压痕面积﹐并带有不圆滑的边缘。此外﹐这个半月形或圆形的裂缝直经也和吸头相吻合。 另一个由吸头所造成的损环﹐因拉力而造成的破裂﹐裂缝会由组件中央的一边伸展到另一边﹐这些裂缝可能会蔓延至组件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能会令电容器的底部破损。 ​ 第二种、SMT之后生产阶段导致的破裂失效 电路板切割﹑测试﹑背面组件和连接器安装﹑及最后组装时，若焊锡组件受到扭曲或在焊锡过程后把电路板拉直，都有可能造成‘扭曲破裂’这类的损坏。 在机械力作用下板材弯曲变形时，陶瓷的活动范围受端位及焊点限制，破裂就会在陶瓷的端接界面处形成，这种破裂会从形成的位置开始，从45°角向端接蔓延开来。 ​ （３）原材失效 多层陶瓷电容器通常具有2大类类足以损害产品可靠性的基本可见内部缺陷： 电极间失效及结合线破裂燃烧破裂。 这些缺陷都会造成电流过量，因而损害到组件的可靠性，详细说明如下： 1、电极间失效及结合线破裂主要由陶瓷的高空隙，或电介质层与相对电极间存在的空隙引起，使电极间是电介质层裂开，成为潜伏性的漏电危机； 2、燃烧破裂的特性与电极垂直，且一般源自电极边缘或终端。假如显示出破裂是垂直的话，则它们应是由燃烧所引起； ​ 备注：原材失效类中第一种失效因平行电容内部层结构分离程度不易测出，第三种垂直结构金相则能保证测出 结论： 由热击所造成的破裂会由表面蔓延至组件内部，而过大的机械性张力所引起的损害，则可由组件表面或内部形成，这些破损均会以近乎45°角的方向蔓延，至于原材失效，则会带来与内部电极垂直或平行的破裂。 另外：热击破裂一般由一个端接蔓延至另一个端接﹐由取放机造成的破裂﹐则在端接下面出现多个破裂点﹐而因电路板扭曲而造成的损坏﹐通常则只有一个破裂点。 一张图教你分析电解电容失效分析 看不清图片，可以点击图片之后，放大后查看： ​ 钽电容： ​ 优点：体积小、电容量较大、外形多样、长寿命、高可靠性、工作温度范围宽 缺点：容量较小、价格贵、耐电压及电流能力较弱 应用：军事通讯、航天、工业控制、影视设备、通讯仪表 1 也属于电解电容的一种，使用金属钽做介质，不像普通电解电容那样使用电解液，钽电容不需像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸绕制，本身几乎没有电感，但这也限制了它的容量。 ——我们在大容量，但是需要低ESL的场景，我们就选用钽电容。 2 由于钽电容内部没有电解液，很适合在高温下工作。 ——一些温度范围要求比较宽的场景。 3 钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。此层氧化膜。介质与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此单位体积内具有非常高的工作电场强度，所具有的电容量特别大，即比容量非常高，因此特别适宜于小型化。 ——集成度比较高的场景，用铝电解电容占的面积比较大，陶瓷电容容量不够的场景。 4 钽电容的性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能，主要应用于滤波、能量贮存与转换，记号旁路，耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点，正确使用会有助于充分发挥其功能，其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度，以及采取降额使用等措施，如果使用不当会影响产品的工作寿命。 ——例如USB接口输出，需要降额后，耐压满足5V，集成度比较高的场景，陶瓷电容不满足高耐压与大容量的情况下，我们不得不选择钽电容。陶瓷电容的储能效果，不能按照并联的容值去等效，达到相同的效果需要的代价也非常大。 5 钽电容的容值的温度稳定性比较好。 在一些耦合、滤波的场景，如果对相位，和滤波的频率特性要求比较高的场景，同时容量精度要求比较高的场景，会选用无极性的钽电容。如高音质要求的音频电路设计。 我们需要考虑不同温度情况下的电容的准确性和一致性。 陶瓷电容的温度特性显然不够稳定。 6 在钽电容器工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。 ——铝电解电容由于干涸不能满足寿命的场景。 第一、钽电容失效的模式很恐怖 ，轻则烧毁冒烟，重则火光四溅。 ​ 这里不去赘述“钽电容”的失效模式的原理。 通过这个失效的现象，就知道：如果电容失效，只是短路造成电路无法工作，或者工作不稳定，都是小问题，大不了退货。但是如果造成了客户场地失火，则是需要赔偿对方的人员及财产损失的。那就麻烦大了。 这是我们不要去选用钽电容的重要原因。 第二、钽电容的成本高 看看我们的淘宝就可以知道100uF的钽电容与100uF的陶瓷电容的价格差别，大概钽电容的价格是陶瓷电容的10倍。 如果电容容量需求在100uF以下的情况下，我们现在绝大多数下，耐压如果满足的情况下，我们一般需用陶瓷电容。 再大容量，或者再高耐压，陶瓷电容的封装大于1206的时候，尽量谨慎选择。 贴片陶瓷电容最主要的失效模式断裂（封装越大越容易失效）：贴片陶瓷电容器作常见的失效是断裂,这是贴片陶瓷电容器自身介质的脆性决定的.由于贴片陶瓷电容器直接焊接在电路板上,直接承受来自于电路板的各种机械应力,而引线式陶瓷电容器则可以通过引脚吸收来自电路板的机械应力.因此,对于贴片陶瓷电容器来说,由于热膨胀系数不同或电路板弯曲所造成的机械应力将是贴片陶瓷电容器断裂的最主要因素。 第三、钽电容未来将耗尽，有钱你都买不到。 早在2007 年，美国国防后勤署(DLA)十多年来已贮存大量钽矿物，为履行美国国会的会议决定，该组织将耗尽其拥有的最后140，000磅钽材料。 从美国国防后勤署购买钽矿石的买主已包括HC Starck、DM Chemi-Met、ABS合金公司、Umicore、Ulba冶金公司和Mitsui采矿公司，这些代表了将这些钽矿石加工制成电容器级粉末、钽制品磨损件或切削工具的众多公司。从美国国防后勤署购买这些钽矿石的投标人年复一年传统上是一贯的，这样当钽矿石供应变的吃紧时，因美国国防后勤署供应耗尽，一些公司只得抢夺新的矿石供应源。 为什么这是一个很重要的发展方向？ 如果失去美国国防后勤署的钽矿石供应，估计2007年钽矿石供应市场留下150，000磅的缺口，2008年缺口为350，000磅。这个事件发生的时间不合时宜，因为现在的供应能力窘迫。比如第二大硬研矿石卖主澳大利亚的瓜利亚子公司在第四季度已总体削减矿石产量25%（即格林布什矿产量的一半），以便该公司能完成在澳大利亚的管理事宜。同样情形，在巴西冶金/CIF和巴拉那巴拿马（Paranapanema）两公司2006年的钽矿石产量已下降，原因是他们将兴趣转向开采更盈利的金属上。在非洲，主要供应源是刚果民主共和国（DRC）由于联合国的压力仍然没能达到产能极限，不过我们已经听到2006年许多投资者试图获取刚果库存钽矿石的报道，感觉这是钽矿石缺货的迹象。 钽电容器给设计工程师提供了在最小的物理尺寸内尽可能最高的容量，容量范围从47μF~1000μF特别有体积的优势，所以在集成度高又需要使用大容量，低ESR的场景下，钽电解电容有其独有优势。 大容量低耐压钽电容的替代产品：高分子聚合物固体铝电解电容器 高分子聚合物固体铝电解电容器与传统的电解电容相比，它采用具有高导电度、高稳定性的导电高分子材料作为固态电解质，代替了传统铝电解电容器内的电解液，它所采用的电解质电导率很高，再加上其独特的结构设计，大幅改善传统液态铝电解电容器的缺点，展现出极为优异的特性。 理想的高频低阻抗特性。高分子聚合物固体电解电容器的损耗极低，具有理想的高频低阻抗特性，所以被广泛应用于退耦、滤波等电路中，效果埋想，特别是高频滤波效果优秀。 通过一个实验可以更加直观和清楚地看出高分子聚合物固体铝电解电容器与普通电解电容之间的高频特性明显差异。在平滑电路输入叠加1MHz（峰一峰值电压8V）高频干扰信号，用1只47uF的高分子聚合物固体电解电容器滤波，可使噪声降到仅有峰一峰值电压30mV输出。要达到同样的滤波效果，需要并联4只1000uF的普通型液态铝电解电容器，或者并联接入3只100UF的钽电解电容器。 此外，在高频滤波效果更好的情况下，高分子聚合物固体铝电解电容器的体积明显小于普通型铝电解电容器。 随着工艺不断提升，高分子聚合物固体铝电解电容器优势逐步显现。同时，价格也需要进一步优化。 铝电解电容的失效分析 铝电解电容是电容中非常常见的一种。铝电解电容用途广泛：滤波作用；旁路作用；耦合作用；冲击波吸收；杂音消除；移相；降压等等。对于铝电解电容，常见的电性能测试包括：电容量，损耗角正切，漏电流，额定工作电压，阻抗等等。在失效分析案件中，关于铝电解电容的失效案件不少，那么常见的铝电解电容的失效机理有哪些呢？ 1 漏液 在正常的使用环境当中，经过一段时间密封便可能出现泄漏。通常，温度升高、振动或密封的缺陷等都有可能加速密封性能变坏。漏液的结果是电容值下降、等效串联电阻增大以及功率耗散相应增大等。漏液使工作电解液减少，丧失了修补阳极氧化膜介质的能力，从而丧失了自愈作用。此外，由于电解液呈酸性，漏出的电解液还会污染和腐蚀电容器周围其他的元器件及印刷电路板。 2 介质击穿 铝电解电容器击穿是由于阳极氧化铝介质膜破裂，导致电解液直接与阳极接触而造成的。氧化铝膜可能因各种材料、工艺或环境条件方面的原因而受到局部损伤，在外电场的作用下工作电解液提供的氧离子可在损伤部位重新形成氧化膜，使阳极氧化膜得以填平修复。但是如果在损伤部位存在杂质离子或其他缺陷，使填平修复工作无法完善，则在阳极氧化膜上会留下微孔，甚至可能成为穿透孔，使铝电解电容击穿。工艺缺陷如阳极氧化膜不够致密与牢固，在后续的铆接工艺不佳时，引出箔条上的毛刺刺伤氧化膜，这些刺伤部位漏电流很大，局部过热使电容器产生热击穿。 3 开路 当电容器内部的连接性能变差或失效时，通常就会发生开路。电性能连接变差的产生可能是腐蚀、振动或机械应力作用的结果。当铝电解电容在高温或潮热的环境中工作时，阳极引出箔片可能会由于遭受电化学腐蚀而断裂。阳极引出箔片和阳极箔的接触不良也会使电容器出现间歇开路。 4 其他 1）在工作早期，铝电解电容器由于在负荷工作过程中电解液不断修补并增厚阳极氧化膜（称为补形效应），会导致电容量的下降。 2）在使用后期，由于电解液的损耗较多，溶液变稠，电阻率增大，使电解质的等效串联电阻增大，损耗增大。同时溶液黏度增大，难以充分接触铝箔表面凹凸不平的氧化膜层，这就使电解电容的有效极板面积减小，导致电容量下降。此外，在低温下工作，电解液的黏度也会增大，从而导致电解电容损耗增大与电容量下降等后果。 参数 铝电解电容 电容量 业界可以做到 0.1uF～3F （常见容量范围 0.47uF～6.8mF），工作电压从5V～500V。 从25℃到高温极限，容量增加不超过5％～10％；对于－40℃极限的电容，在 －40℃时，低压电容的容量会下降20％，高压电容则下降有40％之多；在－20℃到 －40℃温度区间时，容量下降最快；对于－55℃极限的电容，在－40℃时，下降通 常不超过10％；在－55℃时，不超过20％。 ESR 100kHz/25℃下，ESR值一般在几十mΩ～2.5 Ω，Low ESR型号的一般几十mΩ。 ESR值随着温度的变化而变化，一般从25℃到高温极限，ESR会下降大约35％～50％；而从25℃到低温极限，ESR会增大10到100倍。 ESL 铝电解电容的寄生串联电感值ESL，其值较为稳定，并不随频率和温度变化，对于通用铝电解电容，ESL不会超过100nH ,如SMT封装，其值在2nH~8nH范围内；径向插装:10nH~30nH ;螺旋式（ screw-terminal ） ：20nH~50nH ;而轴向插装的结构 ， 其值则可以达到200nH。 板上工作频率范围 主要为低频滤波，不超过几百KHz，但是对1 MHz以内仍有一些作用。 可靠性薄弱点及其避免 铝电解电容的可靠应用主要是关注温度，因为铝电容的电解质为液态，芯子发热将导致电解液挥发，长期下去最终干涸失效，当电容应用在脉冲交流电路中时，纹波电流流经ESR产生的损耗发热将严重影响了器件的使用寿命。 使用建议 在大于75 ℃的高温场合，应尽量少用小尺寸的铝电解电容。尽量选用容量较大的规格，发挥铝电解电容的优势。适宜用于工频的整流平滑滤波、开关电源输入滤波和低频开关电源的输出滤波等，不推荐用于高频开关电源的输出滤波。 参数 钽电解电容 电容量 限于固体烧结型工艺结构和材料，其CV值（电容与电压乘积）做不大，容量和电压有一定范围，一般从0.1uF~1000uF（常见的容量范围 1uF ～220uF ） ； 工 作 电 压 从2V~50V（常见耐压范围为6.3V～50V）； 容量的值随着频率的增大而减小，由于为固体MnO2电解质，其容量温度特性较稳定，甚至温度低到-190℃时，容量都只有10％减小量。 ESR ESR的温度特性比较稳定。厂家给出100KHz的ESR最大值，可以作为设计的参考，但是实际值一般比最大值小很多。 ESL 良好布线情况下一般为2nH左右。 板上工作频率范围 中低频滤波，不超过数MHz，主要为几百KHz到数MHz之间。 可靠性薄弱点 及其避免 钽电解电容的可靠应用主要关注电压降额和电压变化速度，无法得到足够电压降额，同时上下电较快的地方建议用其他电容替代。同时边缘规格的钽电容工艺不够成熟，慎用，特别是高可靠要求场合上不宜使用。 使用建议 15V以上直流电压的滤波不建议使用钽电容，特别是在上电较快的电源输入口处。低压但上电较快场合，建议加缓启动。高温会增加钽电容失效的概率，因此高温应用中需要增加电压降额。 参数 陶瓷电容 电容量 第一类（NPO或COG），低容量、稳定性高；电性能最稳定，基本上不随温度、电压与时间的改变而改变；第二类（X7R），电介质常数较大，相同体积的容量要比第一类要大20～70倍，但温度从-55℃到125℃范围变化时，容量变化一般在±10％，最大可达＋15％到-25％，第三类（Z5U），其电介常数较高，常用大容量电容器产品，但其容量稳定性较X7R差；其容量可以做到第二类的5倍，然而容量、损耗对温度、电压等较为敏感，稳定性很差，当温度从-25℃到85℃变化时，容量变化为＋20％到-65％。 ESR ESR为几个mΩ到几百mom之间，容量越小ESR越大。ESR随温度变化呈线性，X7R介质，125℃下ESR为室温的20％，－55℃下则为室温的3倍多。NPO则较稳定，变化系数约为X7R的1/3。 ESL ESL随封装变化，一般0603和0805封装的ESL在良好布线情况下为1nH左右，1206和1210则为1.2nH左右。 板上工作频率范围 高频滤波，种类较多，从数MHz直到数百MHz、1GHz上都可以。 可靠性薄弱点 及其避免 易受温度冲击导致裂纹，主要由于在焊接特别是波峰焊时承受温度冲击所致，不当返修也是温度冲击裂纹的重要原因。 多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力比较差，任何可能产生弯曲变形的操作都可能导致器件开裂。 使用建议 单板布线时不要把陶瓷电容布放在应力区，例如单板的边缘、紧固件附近等等，最大限度地使多层陶瓷电容器避开在工艺过程中可能产生较大机械应力的区域。除了NPO电容比较稳定外，X7R电容和Z5U电容（或Y5V）容量具有随温度和偏压变化的特性。 ---end--- ​

​ 转载--检测实验室 BCU智能电子制造研究中心 2020-09-29 09:30 Q：MLCC电容是什么结构的呢 ？ A： 多层陶瓷电容器是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片，再在芯片的两端封上金属层（外电极）制成的电容。 ​ MLCC电容特点： 机械强度：硬而脆，这是陶瓷材料的机械强度特点。 热脆性：MLCC内部应力很复杂，所以耐温度冲击的能力很有限。 Q：MLCC电容常见失效模式有哪些 ？ A： ​ Q： 怎么区分 不同原因的缺陷呢？有什么预防措施呢？ 组装缺陷 1、焊接锡量不当 ​ 图1电容焊锡量示意图 ​ 图2焊锡量过多造成电容开裂 当温度发生变化时，过量的焊锡在贴片电容上产生很高的张力，会使电容内部断裂或者电容器脱帽，裂纹一般发生在焊锡少的一侧；焊锡量过少会造成焊接强度不足，电容从PCB板上脱离，造成开路故障。 2、墓碑效应 ​ 图3墓碑效应示意图 在回流焊过程中，贴片元件两端电极受到焊锡融化后的表面张力不平衡会产生转动力矩，将元件一端拉偏形成虚焊，转动力矩较大时元件一端会被拉起，形成墓碑效应。 原因： 本身两端电极尺寸差异较大；锡镀层不均匀；PCB板焊盘大小不等、有污物或水分、氧化以及焊盘有埋孔；锡膏粘度过高，锡粉氧化。 措施： ①焊接之前对PCB板进行清洗烘干，去除表面污物及水分； ②进行焊前检查，确认左右焊盘尺寸相同； ③锡膏放置时间不能过长，焊接前需进行充分的搅拌。 本体缺陷—内在因素 1、陶瓷介质内空洞 ​ 图4陶瓷介质空洞图 原因： ① 介质膜片表面吸附有杂质； ② 电极印刷过程中混入杂质； ③内电极浆料混有杂质或有机物的分散不均匀。 2、电极内部分层 ​ 图5电极内部分层 原因： 多层陶瓷电容器的烧结为多层材料堆叠共烧。瓷膜与内浆在排胶和烧结过程中的收缩率不同，在烧结成瓷过程中，芯片内部产生应力，使MLCC产生再分层。 预防措施： 在MLCC的制作中，采用与瓷粉匹配更好的内浆，可以降低分层开裂的风险。 3、浆料堆积 ​ 图6 浆料堆积缺陷 原因： ① 内浆中的金属颗粒分散不均匀； ② 局部内电极印刷过厚； ③ 内电极浆料质量不佳。 本体缺陷—外在因素 1、机械应力裂纹 ​ ​ 图7MLCC受机械应力开裂示意图 原因： 多层陶瓷电容器的特点是能够承受较大的压应力，但抗弯曲能力比较差。当PCB板发生弯曲变形时，MLCC的陶瓷基体不会随板弯曲，其长边承受的应力大于短边，当应力超过MLCC的瓷体强度时，弯曲裂纹就会出现。电容在受到过强机械应力冲击时，一般会形成45度裂纹和Y型裂纹。 ​ 图8 典型机械裂纹电容 常见应力源： 工艺过程中电路板操作；流转过程中的人、设备、重力等因素；通孔元器件插入；电路测试，单板分割；电路板安装；电路板点位铆接；螺丝安装等。 ​ 图9流转过程受力开裂示意图 措施： ①选择合适的PCB厚度。 ②设计PCBA弯曲量时考虑MLCC能承受的弯曲量。比较重的元器件尽量均匀摆放，减少生产过程中由于重力造成的板弯曲。 ③优化MLCC在PCB板的位置和方向，减小其在电路板上的承受的机械应力，MLCC应尽量与PCB上的分孔和切割线或切槽保持一定的距离，使得MLCC在贴装后分板弯曲时受到的拉伸应力最小。 ​ 图10PCB板应力分布比较 ④MLCC的贴装方向应与开孔、切割线或切槽平行，以确保MLCC在PCB分板弯曲时受到的拉伸应力均匀，防止切割时损坏。 ⑤MLCC尽量不要放置在螺丝孔附近，防止锁螺丝时撞击开裂。在必须放置电容的位置，可以考虑引线式封装的电容器。 ​ 图11合理使用支撑杆示意图 ⑥测试时合理使用支撑架，避免板受力弯曲。 2、热应力裂纹 ​ 图12 典型热应力开裂电容 电容在受到过强热应力冲击时，产生的裂纹无固定形态，可分布在不同的切面，严重时会导致在电容侧面形成水平裂纹。 原因： 热应力裂纹产生和电容本身耐焊接热能力不合格与生产过程中引入热冲击有关。可能的原因包括：烙铁返修不当、SMT炉温不稳定、炉温曲线变化速率过快等。 措施： ①工艺方法应多考虑MLCC的温度特性和尺寸，1210以上的大尺寸MLCC容易造成受热不均匀，产生破坏性应力，不宜采用波峰焊接； ②注意焊接设备的温度曲线设置。参数设置中温度跳跃不能大于150℃，温度变化不能大于2℃/s，预热时间应大于2 min，焊接完毕不能采取辅助降温设备，应自然随炉温冷却。 ③手工焊接前，应增加焊接前的预热工序，手工焊接全过程中禁止烙铁头直接接触电容电极或本体。复焊应在焊点冷却后进行，次数不得超过2次 3、电应力裂纹 ​ 图13 典型电应力开裂电容 过电应力导致产品发生不可逆变化，表现为耐压击穿，严重时导致多层陶瓷电容器开裂、爆炸，甚至燃烧等严重后果。遭受过度电性应力伤害的MLCC，裂纹从内部开始呈爆炸状分散。 措施： ①在器件选型时应注意实际工作电压不能高 于器件的额定工作电压； ②避免浪涌、静电现象对器件的冲击。 Q： 怎么进行 MLCC失效分析呢？ A： 整个过程分为5个大阶段: 外观观察、电性测量分析、无损分析、破环性分析、成分分析，过程中需要进行外观检查、电性测试、内部结构检查、失效点定位、失效原因分析、失效点局部的成分分析，整个 MLCC 的失效分析的流程如图： ​ 图14MLCC失效分析流程图 ​ 图15 超景深数码显微镜立体外观观察 首先使用超景深数码显微镜进行外观立体观察，检查电容表面是否有开裂，多角度检查引脚侧面焊锡爬升情况。电容外观完好，没有外部裂纹，焊锡爬升良好。 ​ 图16X-ray检查 对失效电容进行X射线检查，在电容右侧发现裂纹。 ​ 图17 切片分析超景深数码显微镜观察截面 ​ 图18切片分析SEM观察截面裂纹形貌 对电容进行金相切片处理，可以清楚地看出，电容内部裂纹起源于焊端附近，呈Y字型，这是典型的机械应力裂纹形貌，对照可能的应力源排查，规范操作过程，最终解决电容开裂问题。 参考： 【1】王天午. MLCC电容失效分析总结 . 电声技术, 2018, 042(002):36-40,70. 【2】刘锐, 陈亚兰等. 片式多层陶瓷电容失效模式研究 . 微电子学, 2013(3):449-452. 【3】张伟, 闫迎军. MLCC的装焊质量控制探讨 . 电子工艺技术, 2017(5). ---end--- ​

​ 转载- 电子工程世界 2021-09-30 07:32 电子元器件的主要失效模式包括但不限于开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能失效、电参数漂移、非稳定失效等。对于硬件工程师来讲电子元器件失效是个非常麻烦的事情，比如某个半导体器件外表完好但实际上已经半失效或者全失效会在硬件电路调试上花费大把的时间，有时甚至炸机。 ​ 硬件工程师调试爆炸现场 所以掌握各类电子元器件的实效机理与特性是硬件工程师比不可少的知识。下面分类细叙一下各类电子元器件的失效模式与机理。 电阻器失效模式与机理 失效模式： 各种失效的现象及其表现的形式。 失效机理： 是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。 1、电阻器的主要失效模式与失效机理为 1) 开路：主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落。 2) 阻值漂移超规范：电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。 3) 引线断裂：电阻体焊接工艺缺陷，焊点污染，引线机械应力损伤。 4) 短路：银的迁移，电晕放电。 2、失效模式占失效总比例表 (1) 线绕电阻 失效模式 占失效总比例 开路 90% 阻值漂移 2% 引线断裂 7% 其它 1% (2) 非线绕电阻 失效模式 占失效总比例 开路 49% 阻值漂移 22% 引线断裂 17% 其它 7% 3、失效机理分析 电阻器失效机理是多方面的，工作条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的原因。 ​ (1) 导电材料的结构变化 薄膜电阻器的导电膜层一般用汽相淀积方法获得，在一定程度上存在无定型结构。按热力学观点，无定型结构均有结晶化趋势。在工作条件或环境条件下，导电膜层中的无定型结构均以一定的速度趋向结晶化，也即导电材料内部结构趋于致密化，能常会引起电阻值的下降。结晶化速度随温度升高而加快。 电阻线或电阻膜在制备过程中都会承受机械应力，使其内部结构发生畸变，线径愈小或膜层愈薄，应力影响愈显著。一般可采用热处理方法消除内应力，残余内应力则可能在长时间使用过程中逐步消除，电阻器的阻值则可能因此发生变化。 结晶化过程和内应力清除过程均随时间推移而减缓，但不可能在电阻器使用期间终止。可以认为在电阻器工作期内这两个过程以近似恒定的速度进行。与它们有关的阻值变化约占原阻值的千分之几。 电负荷高温老化：任何情况，电负荷均会加速电阻器老化进程，并且电负荷对加速电阻器老化的作用比升高温度的加速老化后果更显著，原因是电阻体与引线帽接触部分的温升超过了电阻体的平均温升。通常温度每升高10℃，寿命缩短一半。如果过负荷使电阻器温升超过额定负荷时温升50℃，则电阻器的寿命仅为正常情况下寿命的1/32。可通过不到四个月的加速寿命试验，即可考核电阻器在10年期间的工作稳定性。 直流负荷—电解作用：直流负荷作用下，电解作用导致电阻器老化。电解发生在刻槽电阻器槽内，电阻基体所含的碱金属离子在槽间电场中位移，产生离子电流。湿气存在时，电解过程更为剧烈。如果电阻膜是碳膜或金属膜，则主要是电解氧化;如果电阻膜是金属氧化膜，则主要是电解还原。对于高阻薄膜电阻器，电解作用的后果可使阻值增大，沿槽螺旋的一侧可能出现薄膜破坏现象。在潮热环境下进行直流负荷试验，可全面考核电阻器基体材料与膜层的抗氧化或抗还原性能，以及保护层的防潮性能。 ​ ​ ​ (2) 硫化 有一批现场仪表在某化工厂使用一年后，仪表纷纷出现故障。经分析发现仪表中使用的厚膜贴片电阻阻值变大了，甚至变成开路了。把失效的电阻放到显微镜下观察，可以发现电阻电极边缘出现了黑色结晶物质，进一步分析成分发现，黑色物质是硫化银晶体。原来电阻被来自空气中的硫给腐蚀了。 ​ (3) 气体吸附与解吸 膜式电阻器的电阻膜在晶粒边界上，或导电颗粒和黏结剂部分，总可能吸附非常少量的气体，它们构成了晶粒之间的中间层，阻碍了导电颗粒之间的接触，从而明显影响阻值。 合成膜电阻器是在常压下制成，在真空或低气压工作时，将解吸部分附气体，改善了导电颗粒之间的接触，使阻值下降。同样，在真空中制成的热分解碳膜电阻器直接在正常环境条件下工作时，将因气压升高而吸附部分气体，使阻值增大。如果将未刻的半成品预置在常压下适当时间，则会提高电阻器成品的阻值稳定性。 温度和气压是影响气体吸附与解吸的主要环境因素。对于物理吸附，降温可增加平衡吸附量，升温则反之。由于气体吸附与解吸发生在电阻体的表面。所以对膜式电阻器的影响较为显著。阻值变化可达1%~2%。 (4) 氧化 氧化是长期起作用的因素(与吸附不同)，氧化过程是由电阻体表面开始，逐步向内部深入。除了贵金属与合金薄膜电阻外，其他材料的电阻体均会受到空气中氧的影响。氧化的结果是阻值增大。电阻膜层愈薄，氧化影响就更明显。 防止氧化的根本措施是密封(金属、陶瓷、玻璃等无机材料)。采用有机材料(塑料、树脂等)涂覆或灌封，不能完全防止保护层透湿或透气，虽能起到延缓氧化或吸附气体的作用，但也会带来与有机保护层有关的些新的老化因素。 (5) 有机保护层的影响 有机保护层形成过程中，放出缩聚作用的挥发物或溶剂蒸气。热处理过程使部分挥发物扩散到电阻体中，引起阻值上升。此过程虽可持续1~2年，但显著影响阻值的时间约为2~8个月，为了保证成品的阻值稳定性，把产品在库房中搁置一段时间再出厂是比较适宜的。 (6) 机械损伤 电阻的可靠很大程度上取决于电阻器的机械性能。电阻体、引线帽和引出线等均应具有足够的机械强度，基体缺陷、引线帽损坏或引线断裂均可导致电阻器失效。 电解电容失效 失效模式 1、耗尽失效 耗尽失效(1) 通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定(初始值)的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈，铝电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补倍杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期，由于电解液挥发而减少，粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，即阳极、阴极铝箔容量减少，引起电容量急剧下降。因此，可以认为铝电解电容器的容量降低是由于电解液挥发造成。而造成电解液的挥发的最主要的原因就是高温环境或发热。 耗尽失效(2) 由于应用条件使铝电解电容器发热的原因是铝电解电容器在工作在整流滤波(包括开关电源输出的高频整流滤波)、功率电炉的电源旁路时的纹波(或称脉动)电流流过铝电解电容器，在铝电解电容器的ESR产生损耗并转变成热使其发热。 当铝电解电容器电解液蒸发较多、溶液变稠时，电阻率因粘稠度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显上升，损耗角增大。例如对于105度工作温度的电解电容器，其最大芯包温度高于125度时，电解液粘稠度骤增，电解液的ESR增加近十倍。.增大的等效串联电阻会产生更大热量，造成电解液的更大挥发。如此循环往复，铝电解电容器容量急剧下降，甚至会造成爆炸。 耗尽失效(3) 漏电流增加往往导致铝电解电容器失效。 应用电压过高和温度过高都会引起漏电流的增加 2、压力释放装置动作 压力释放装置动作 为了防止铝电解电容器中电解液由于内部高温沸腾的气体或电化学过程而产生的气体而引起内部高气压造成铝电解电容器的爆炸。为了消除铝电解电容器的爆炸，直径8毫米以上的铝电解电容器均设置了压力释放装置，这些压力释放装置在铝电解电容器内部的气压达到尚未使铝电解电容器爆炸的危险压力前动作，泄放出气体。随着铝电解电容器的压力释放装置的动作，铝电解电容器即宣告失效。 铝电解电容器压力释放装置(中间的十字) ​ 电化学过程导致压力释放装置动作 铝电解电容器的漏电流就是电化学过程，前面已经详尽论述，不再赘述。电化学过程将产生气体，这些气体的聚积将造成铝电解电容器的内部气压上升，最终达到压力释放装置动作泄压。 温度过高导致压力释放装置动作 铝电解电容器温度过高可能是环境温度过高，如铝电解电容器附近有发热元件或整个电子装置就出在高温环境; 铝电解电容器温度过高的第二个原因是芯包温度过高。铝电解电容器芯包温度过高的根本原因是铝电解电容器流过过高的纹波电流。过高的纹波电流在铝电解电容器的ESR中产生过度的损耗而产生过度的发热使电解液沸腾产生大量气体使铝电解电容器内部压力及急剧升高时压力释放装置动作。 3、瞬时超温 通常铝电解电容器的芯包核心温度每降低10℃，其寿命将增大到原来的一倍。这个核心大致位于电容器的中心，是电容器内部最热的点。可是，当电容器升温接近其最大允许温度时，对于大多数型号电容器在125℃时，其电解液要受到电容器芯包的排挤(driven)，导致电容器的ESR增大到原来的10倍。在这种作用下，瞬间超温或过电流可以使ESR永久性的增大，从而造成电容器失效。在高温和大纹波电流的应用中特别要警惕瞬时超温发生的可能，还要额外注意铝电解电容器的冷却。 4、瞬时过电压的产生 上电冲击 上电过程中，由于滤波电感释放储能到滤波电容器中，导致滤波电容器的过瞬时过电压。 ​ 上电过电压示意 ​ 电容过电压失效的防范 电容器在过压状态下容易被击穿，而实际应用中的瞬时高电压是经常出现的。 选择承受瞬时过电压性能好的铝电解电容器，RIFA有的铝电解电容器就给出了瞬时过电压值得参数。 ​ 5、电解液干涸是铝电解电容器失效的最主要原因 电解液干涸的原因 电解液自然挥发 电解液的消耗 电解液自然挥发 电解液的挥发速度随温度的升高 电解液的挥发速度与电容器的密封质量有关，无论在高温还是在低温条件下都要有良好的密封性 电解液的消耗 漏电流所引起的电化学效应消耗电解液 铝电解电容器的寿命随漏电流增加而减少 漏电流随温度的升高而增加：25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到十分之一漏电流随施加电压升高而增加：耐压为400V的铝电解电容器在额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下的漏电流的5倍。 6、电解液干涸的时间就是铝电解电容器的寿命 影响铝电解电容器寿命的的因素(温度1) 根据铝电解电容器的电解液的不同，铝电解电容器的最高工作温度可分为： 一般用途：85℃ 一般高温用途：105℃ 特殊高温用途：125℃ 汽车发动机舱：140~150℃ 影响铝电解电容器寿命的的因素(额定寿命小时数) 按寿命小时数铝电解电容器可以分为： 一般用途(常温，3年以内)：1000小时 一般用途(常温，希望比较长的时间)：2000小时以上 工业级：更长的寿命小时数 影响铝电解电容器寿命的的因素(温度2) 温度每升高10℃，寿命小时数减半 影响铝电解电容器寿命的的因素(电解液) 电解液的多与寡决定铝电解电容器的寿命 影响铝电解电容器寿命的的因素(应用条件) 高温缩短铝电解电容器寿命 高纹波电流缩短铝电解电容器寿命 工作电压过高缩短铝电解电容器寿命 7、影响铝电解电容器寿命的参数与应用条件 ​ 工作电压与漏电流的关系 某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与施加电压的关系 ​ 温度与漏电流的关系 某公司生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容器的漏电流与环境温度的关系 ​ 温度、电压、纹波电流共同作用对寿命的影响 以某电子镇流器用铝电解电容器为例。 在不同的电压与温度条件下的铝电解电容器寿命不同 ​ 某电子镇流器用铝电解电容器降额寿命特性 ​ 某电子镇流器用铝电解电容器的过电压寿命特性 ​ 铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系 ​ 电感失效分析 电感器失效模式： 电感量和其他性能的超差、开路、短路 模压绕线片式电感失效机理： 1.磁芯在加工过程中产生的机械应力较大，未得到释放 2.磁芯内有杂质或空洞磁芯材料本身不均匀，影响磁芯的磁场状况，使磁芯的磁导率发生了偏差; 3.由于烧结后产生的烧结裂纹; 4.铜线与铜带浸焊连接时，线圈部分溅到锡液，融化了漆包线的绝缘层，造成短路; 5.铜线纤细，在与铜带连接时，造成假焊，开路失效 1、耐焊性 低频片感经回流焊后感量上升 《 20% 由于回流焊的温度超过了低频片感材料的居里温度，出现退磁现象。片感退磁后，片感材料的磁导率恢复到最大值，感量上升。一般要求的控制范围是片感耐焊接热后，感量上升幅度小于20%。 耐焊性可能造成的问题是有时小批量手工焊时，电路性能全部合格(此时片感未整体加热，感量上升小)。但大批量贴片时，发现有部分电路性能下降。这可能是由于过回流焊后，片感感量会上升，影响了线路的性能。在对片感感量精度要求较严格的地方(如信号接收发射电路)，应加大对片感耐焊性的关注。 检测方法：先测量片感在常温时的感量值，再将片感浸入熔化的焊锡罐里10秒钟左右，取出。待片感彻底冷却后，测量片感新的感量值。感量增大的百分比既为该片感的耐焊性大小 2、可焊性 电镀简介 当达到回流焊的温度时，金属银(Ag)会跟金属锡(Sn)反应形成共熔物，因此不能在片感的银端头上直接镀锡。而是在银端头上先镀镍(2um 左右) ，形成隔绝层，然后再镀锡(4-8um )。 可焊性检测 将待检测的片感的端头用酒精清洗干净，将片感在熔化的焊锡罐中浸入4秒钟左右，取出。如果片感端头的焊锡覆盖率达到90%以上，则可焊性合格。 可焊性不良 1)端头氧化：当片感受高温、潮湿、化学品、氧化性气体(SO2、NO2等)的影响， 或保存时间过长，造成片感端头上的金属Sn氧化成SnO2，片感端头变暗。由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物，导致片感可焊性下降。片感产品保质期：半年。如果片感端头被污染，比如油性物质，溶剂等，也会造成可焊性下降 2)镀镍层太薄，吃银：如果镀镍时，镍层太薄不能起隔离作用。回流焊时，片感端头上的Sn和自身的Ag首先反应，而影响了片感端头上的Sn和焊盘上的焊膏共熔，造成吃银现象，片感的可焊性下降。 判断方法：将片感浸入熔化的焊锡罐中几秒钟，取出。如发现端头出现坑洼情况，甚至出现瓷体外露，则可判断是出现吃银现象的。 3、焊接不良 内应力 如果片感在制作过程中产生了较大的内部应力，且未采取措施消除应力，在回流焊过程中，贴好的片感会因为内应力的影响产生立片，俗称立碑效应。 ​ 判断片感是否存在较大的内应力，可采取一个较简便的方法： 取几百只的片感，放入一般的烤箱或低温炉中，升温至230℃左右，保温，观察炉内情况。如听见噼噼叭叭的响声，甚至有片子跳起来的声音，说明产品有较大的内应力。 元件变形 如果片感产品有弯曲变形，焊接时会有放大效应。 焊接不良、虚焊 ​ 焊接正常 ​ 焊盘设计不当 ​ a.焊盘两端应对称设计，避免大小不一，否则两端的熔融时间和润湿力会不同 b.焊合的长度在0.3mm以上(即片感的金属端头和焊盘的重合长度) c.焊盘余地的长度尽量小，一般不超过0.5mm。 d.焊盘的本身宽度不宜太宽，其合理宽度和MLCI宽度相比，不宜超过0.25mm 贴片不良 当贴片时，由于焊垫的不平或焊膏的滑动，造成片感偏移了θ角。由于焊垫熔融时产生的润湿力，可能形成以上三种情况，其中自行归正为主，但有时会出现拉的更斜，或者单点拉正的情况，片感被拉到一个焊盘上，甚至被拉起来，斜立或直立(立碑现象)。目前带θ角偏移视觉检测的贴片机可减少此类失效的发生 ​ ​ ​ 焊接温度 回流焊机的焊接温度曲线须根据焊料的要求设定，应该尽量保证片感两端的焊料同时熔融，以避免两端产生润湿力的时间不同，导致片感在焊接过程中出现移位。如出现焊接不良，可先确认一下，回流焊机温度是否出现异常，或者焊料有所变更。 电感在急冷、急热或局部加热的情况下易破损，因此焊接时应特别注意焊接温度的控制，同时尽可能缩短焊接接触时间 ​ 回流焊推荐温度曲线 ​ 手工焊推荐温度曲线 4、上机开路 虚焊、焊接接触不良 从线路板上取下片感测试，片感性能是否正常 电流烧穿 如选取的片感，磁珠的额定电流较小，或电路中存在大的冲击电流会造成电流烧穿，片感或磁珠 失效，导致电路开路。从线路板上取下片感测试，片感失效，有时有烧坏的痕迹。如果出现电流烧穿，失效的产品数量会较多，同批次中失效产品一般达到百分级以上。 焊接开路 回流焊时急冷急热，使片感内部产生应力，导致有极少部分的内部存在开路隐患的片感的缺陷变大，造成片感开路。从线路板上取下片感测试，片感失效。如果出现焊接开路，失效的产品数量一般较少，同批次中失效产品一般小于千分级。 5、磁体破损 磁体强度 片感烧结不好或其它原因，造成瓷体强度不够，脆性大，在贴片时，或产品受外力冲击造成瓷体破损 附着力 如果片感端头银层的附着力差，回流焊时，片感急冷急热，热胀冷缩产生应力，以及瓷体受外力冲击，均有可能会造成片感端头和瓷体分离、脱落;或者焊盘太大，回流焊时，焊膏熔融和端头反应时产生的润湿力大于端头附着力，造成端头破坏。 片感过烧或生烧，或者制造过程中，内部产生微裂纹。回流焊时急冷急热，使片感内部产生应力，出现晶裂，或微裂纹扩大，造成瓷体破损。 半导体器件失效分析 半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式(失效模式)，分析造成器件失效的物理和化学过程(失效机理)，寻找器件失效原因，制订纠正和改进措施。加强半导体器件的失效分析，提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。 半导体器件与使用有关的失效十分突出，占全部失效器件的绝大部分。进口器件与国产器件相比，器件固有缺陷引起器件失效的比例明显较低，说明进口器件工艺控制得较好，固有可靠性水平较高。 1、与使用有关的失效 与使用有关的失效原因主要有： 过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当、使用线路设计不当、机械过应力、操作失误等。 ①过电应力损伤。 过电应力引起的烧毁失效占使用中失效器件的绝大部分，它发生在器件测试、筛选、安装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线及电源系统产生的电浪涌、烙铁漏电、仪器或测试台接地不当产生的感应电浪涌等。按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力;按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结触发CMOS电路闩锁后引起电源电流增大而造成的烧毁失效。 ②静电损伤。 严格来说，器件静电损伤也属于过电应力损伤，但是由于静电型过电应力的特殊性以及静电敏感器件的广泛使用，该问题日渐突出。静电型过电应力的特点是：电压较高(几百伏至几万伏)，能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程中，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。从静电对器件损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿、表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。 ③器件选型不当 。 器件选型不当也是经常发现的使用问题引起失效的原因之一，主要是设计人员对器件参数、性能了解不全面、考虑不周，选用的器件在某些方面不能满足所设计的电路要求。 ④操作失误。 操作失误也是器件经常出现的失效原因之一，例如器件的极性接反引起的烧毁失效等。 2、器件固有缺陷引起的失效 与器件固有缺陷有关的失效原因主要有：表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等。在这几种原因中，对器件可靠性影响较大的是表面问题、键合问题和粘片问题引起的失效，它们均带有批次性，且经常重复出现。 (1) 表面问题 从可靠性方面考虑，对器件影响最大的是二氧化硅层内的可动正离子电荷，它会使器件的击穿电压下降，漏电流增大，并且随着加电时间的增加使器件性能逐渐劣化。有这种缺陷的器件用常规的筛选方法不能剔除，对可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅层中的针孔对器件可靠性的影响也较大。有这种缺陷的器件，针孔刚开始时往往还有一层极薄的氧化层，器件性能还是正常的，还可顺利通过老炼、筛选等试验，但长期使用后由于TDDB效应和电浪涌的冲击，针孔就会穿通短路，引起器件失效。 (2) 金属化问题 引起器件失效的常见的金属化问题是台阶断铝、铝腐蚀、金属膜划伤等。对于一次集成电路，台阶断铝、铝腐蚀较为常见：对于二次集成电路来说，内部金属膜电阻在清洗、擦拭时被划伤而引起开路失效也是常见的失效模式之一。 (3) 压焊丝键合问题 常见的压焊丝键合问题引起的失效有以下几类。 ①压焊丝端头或压焊点沾污腐蚀造成压焊点脱落或腐蚀开路。 ②外压焊点下的金层附着不牢或发生金铝合金，造成压焊点脱落。 ③压焊点过压焊，使压焊丝颈部断开造成开路失效。 ④压焊丝弧度不够，与芯片表面夹角太小，容易与硅片棱或与键合丝下的金属化铝线相碰，造成器件失效。 (4) 芯片键合问题 最常见的是芯片粘结的焊料太少、焊料氧化、烧结温度过低等引起的开路现象。芯片键合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在"磁成形"时受到机械应力作用后从底座抬起分离，造成开路失效。 (5) 封装问题 封装问题引起的失效有以下几类。 ①封装不好，管壳漏气，使水汽或腐蚀性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化腐蚀。 ②管壳存在缺陷，使管腿开路、短路失效。 ③内涂料龟裂、折断键合铝丝，造成器件开路或瞬时开路失效。这种失效现象往往发生在器件进行高、低温试验时。 (6) 体内缺陷 半导体器件体内存在缺陷也可引起器件的结特性变差而失效，但这种失效形式并不多见，而经常出现的是体内缺陷引起器件二次击穿耐量和闩锁阈值电压降低而造成烧毁。 免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。如本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请在文末留言告知，我们将在第一时间处理！本文内容为原作者观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。 ​

为了降低能源成本，设备设计人员正在不断寻找优化功率密度的新方法。通常情况下，电源设计人员通过增大开关频率来降低功耗和缩小系统尺寸。由于具有诸多优势如宽输出调节范围、窄开关频率范围以及甚至在空载情况下都能保证零电压开关，LLC 谐振转换器（图 1）应用越来越普遍。但是，功率 MOSFET 出现故障一直是LLC 谐振转换器中存在的一个问题。初级 MOSFET 的不良体二极管性能可能导致一些意想不到的系统或器件故障，如在各种异常条件下发生严重的直通电流、体二极管 dv/dt、击穿 dv/dt，以及栅极氧化层击穿，异常条件诸如启动、负载瞬变，和输出短路。在本博文中，我们将阐述如何避免这些 情况下出现MOSFET 故障。 图 1:  LLC 谐振转换器 LLC  谐振转换器中的运行区域和模式 不同 负载条件下 LLC 谐振转换器的直流增益特性如图 2所示。根据不同的 运行频率和 负载条件可以分为三个区域。谐振 频率 f r1 右侧（蓝色部分）为零电压开关区域， 空载情况下最小次级谐振频率 f r2 的左侧（红色部分）是 零电流开关区域。f r1 与 f r2 之间的区域既可以是 零电压开关区域，也可以是零电流开关区域，视负载条件而定。紫色区域标识感性负载区域， 粉色区域标识容性负载区域。对于开关频率 f s f r2 ，谐振回路的输入 阻抗表示容性负载，而通过谐振电路的电流将基波电压施加到  MOSFET。MOSFET在零电流开关(ZCS)处关断，如图 3 (a)所示。 图 2: LLC 谐振转换器的直流增益特性 在 导通 MOSFET 之前，电流流过其他 MOSFET 的体 二极管。当 MOSFET 开关 导通时，其他 MOSFET 体二极管的反向恢复应力 非常严重。高反向恢复 电流尖峰流过其他 MOSFET 开关 ，原因是它无法流过谐振电路。它形成高体二极管 dv/dt并且其电流和电压尖峰可能 在 体二极管反向恢复期间造成器件故障。因此，转换器应该避免 在容性区域运行。对于 f s f r1 ，谐振回路的输入阻抗是 感性负载。如图 3 (b) 所示，MOSFET在 零电压开关 (ZVS) 处导通。导通 开关损耗被最小化，原因是存在米勒效应并且 MOSFET 输入电容不会因为 米勒效应而增大。此外，体二极管反向恢复电流 是一小部分正弦波，并在开关电流为正时变为 开关电流的一部分。因此， 零电压开关通常优先于零电流开关，原因是因反向恢复电流及其结电容的放电，零电压开关能够避免 较大的开关损耗和应力 。 图 3: LLC 谐振转换器中的工作模式 LLC 谐振转换器中的故障模式 1）启动 在启动期间，由于反向恢复 dv/dt，零电压开关运行可能会丢失并且 MOSFET可能发生故障。 在启动之前谐振电容和输出电容完全放电。这些空电容导致Q2 体二极管进一步导通并且在 Q1 导通前不会完全恢复。反向恢复电流非常 高并且在启动期间足以造成直通问题，如图 4 所示。 图 4:  启动期间 LLC 谐振转换器中的波形 启动期间，推荐用于故障模式的解决方案是： 采用快速恢复 MOSFET 减少谐振电容器 控制高侧和低侧 MOSFET 的驱动信号，从而形成完整的体二极管恢复 2）输出短路 在输出短路 期间，MOSFET 通过极高的电流。当发生输出短路 时，L m 在谐振中被分流。LLC 谐振 转换器可由 C r  和 L r 简化为串联谐振回路，因为 C r 仅与 L r 共振。这种状况通常会导致零电流开关 运行（电容模式）。零电流开关运行最严重的缺陷是 导通时的硬式整流，可能导致 二极管反向恢复应力(dv/dt) 和巨大的电流和电压应力，如图 5 所示。另外，由于体二极管反向恢复期间的高 di/dt 和 dv/dt， 该器件还可能被栅极过压应力破坏。 图 5： 输出短路期间 LLC 谐振转换器中的波形 启动期间，推荐用于故障模式的解决方案是： 采用快速恢复 MOSFET 增大导通电阻以减小反向恢复 di/dt 和 dv/dt、体二极管反向电流(I rm ) 和峰值电压 V gs ，如图 6 所示 增加最小开关频率以防止电容模式 在发生输出短路后尽快减少 V gs 关断延迟 减小过流保护电流 图 6： 反向恢复期间的导通 栅极 电阻效应 图  7.：FRFET (FCH072N60F)和 一般 MOSFET (FCH072N60) 之间的反向恢复特性比较 将一般MOSFET 替换为快速恢复 MOSFET (FRFET ®  MOSFET) 非常简单有效，原因是不需要额外电路或 器件。图 7显示与一般 MOSFET 相比，  FRFET MOSFET 在反向恢复特性方面的改进。与一般 MOSFET (FCH072N60) 相比，FRFET MOSFET (FCH072N60F)的反向恢复电荷减少了90% 。FRFET MOSFET体二极管的耐用性比一般 MOSFET 好得多。此外，在反向恢复期间若高侧 MOSFET 从 FRFET 变为一般 MOSFET，低侧 MOSFET 的峰值栅源极电压从 54 V 降为 26 V。由于改进了这么多特性 ，FRFET MOSFET 在 LLC 谐振半桥转换器中提供更高的可靠性 。 有关更多SuperFET® II MOSFET 如何提供更高可靠性和效率的信息，请访问以下应用指南：  650 V 快速恢复 SuperFET II MOSFET 能够提高谐振拓扑的系统效率和可靠性 。 访问 Fairchild 网页，了解更多有关SuperFET II MOSFET产品的信息。