Przekrój kondensatorów ceramicznych

Próbuję dokonać analizy błędów szeregu kondensatorów ceramicznych.

Krótki opis aplikacji:

10 ceramicznych kondensatorów 220 µF 1210 jest umieszczonych równolegle z akumulatorem 3,6 V. MCU budzi się okresowo (maksymalnie raz na minutę) i pobiera prąd (maksymalny szczyt 10-15 mA przez kilka milisekund). Całkowity czas powrotu do trybu uśpienia o bardzo niskiej mocy wynosi 130 ms. Kondensatory mają utrzymywać wystarczającą ilość energii, aby to pokryć, nie spadając poniżej 1,6 V (minimalne napięcie zasilania dla MCU).

Jest to konieczne, ponieważ temperatura robocza jest niska, a akumulator nie może dostarczyć. Akumulator ma wystarczająco dużo czasu na naładowanie kondensatorów, gdy MCU śpi.

Podejrzewam zwarcia w kondensatorach. Dlatego:

• Bateria bardzo szybko się wyczerpała na niektórych moich płytkach drukowanych
• Z tego, co przeczytałem, kondensatory ceramiczne, szczególnie w dużych opakowaniach, są wrażliwe na obciążenia mechaniczne i mogą pękać, powodując zwarcia

Aby zobaczyć to na własne oczy, próbowałem zrobić przekroje, ale trudno mi zrozumieć, co widzę.

Jak zrobiłem przekrój:

• Użyłem narzędzia dremel, aby odciąć róg płytki drukowanej, w której umieszczone są kondensatory
• Formowane odcięte PCB w kleju epoksydowym ułatwiają obsługę
• Użyłem diamentowej piły tarczowej do wykonania przekroju poprzecznego w przybliżeniu pośrodku kondensatorów (wzdłuż)
• Szlifowanie na mokro i polerowanie do 1 mikrona, a następnie 1 µm folii docierającej

Powtórzyłem to na dwóch płytkach drukowanych.

Obok siebie znajdują się 3 kondensatory:

Tutaj widać różnicę kolorów między kondensatorami, górne prawe i dolne środkowe są ciemniejsze. Ale jak widać, nie w tej samej pozycji.

Nie mam wystarczającej liczby przedstawicieli, aby dodać wszystkie obrazy. Skomentuję linki do wszystkich zdjęć. Byłbym wdzięczny, gdyby ktoś mógł edytować i dodawać zdjęcia do postu.

Ciemniejsze kolory (prawy górny, dolny środkowy) wyglądają tak z bliska.

Prawie tak, jak oczekiwałem kondensatora ceramicznego. Przynajmniej widzisz coś w rodzaju warstw. Ale warstwy nie są stałe, jak się spodziewałem. Czy może to być uszkodzenie spowodowane szlifowaniem i polerowaniem?

Odległość między warstwami wynosi 2 µm.

Jaśniejsze kolory wyglądają tak:

Co to jest?! Czy np. Wysokie prądy mogą spowodować stopienie się warstw w ten sposób? Czy może to być również spowodowane moim szlifowaniem i polerowaniem?

Tutaj widzimy pęcherzyk powietrza w lutu. Ale szczelina blisko dna, czy może to być uszkodzenie spowodowane przez obciążenie mechaniczne?

Później próbowałem szlifować i wypolerować nieco dalej kondensatory. Wygląda dokładnie tak samo. Jeśli dziwna falistość i / lub zerwane warstwy zostały spowodowane przez szlifowanie i polerowanie, spodziewam się, że właściwości by się zmieniły. Na przykład falisty odłamał teraz warstwy, i na odwrót.

Dokładnie zastosowane kondensatory to Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

Wydaje mi się, że szlifowanie / polerowanie zostało wykonane całkiem dobrze (przy większej staranności możesz mieć mniej zadrapań) i patrzysz na dokładny i nieuszkodzony obraz przekroju kondensatora.

„Ciemne” obrazy są mniej więcej tym, czego oczekiwałbym od kondensatora przecinającego płaszczyzny elektrod. Elektrody metalowe w ciemniejszej ceramicznej matrycy. W przypadku kondensatorów o niższej wartości spodziewałbym się grubszych równoległych linii, ale to, że linie są lekko faliste i zepsute, nie jest wielką niespodzianką. Oczekuję, że wynika to ze specjalnych kroków, jakie podjęli, aby uzyskać bardzo wysoką pojemność w niewielkim opakowaniu. Być może połączenie elektrod siatkowych zamiast płaszczyzn oraz zgniatania / formowania ceramiki po zbudowaniu warstw, ale przed końcowym wypalaniem w celu uzyskania cieńszych warstw.

„Blade” obrazy są mniej więcej tym, czego oczekiwałbym od kondensatora przekrojonego równolegle do płaszczyzn elektrod. Zakładając, że użyłeś metalograficznej szlifierki (tak to wygląda), to twoja płaszczyzna przekroju jest płaska, ale elektrody nie. Otrzymujesz więc funkcje konturowe, w których elektroda przecina płaszczyznę przekroju.

Wątpię, czy znajdziesz wyciek na tych obrazach. Inne miejsca do zobaczenia:

• Sprawdź arkusze danych pod kątem oczekiwanej rezystancji. Czy jest tak wysoko, jak myślałeś? Sprawdź warunki, w jakich jest on podany w arkuszu danych, sprawdź, czy twoje środowisko może go pogorszyć.
• Sprawdź partię nowych kondensatorów, aby zobaczyć, jakie są rezystancje
• Sprawdź kilka kondensatorów ze zwrotów gwarancyjnych, aby zobaczyć, czy zmieniła się pojemność lub rezystancja.
• Zmierz rezystancje na płytce drukowanej przed montażem (powinno być ładne i wysokie)
• Zmierz rezystancję na ukończonej płytce drukowanej (być może bez MCU). Poszukaj śladów topnika, który nie został wystarczająco dobrze oczyszczony i mógłby zmniejszyć opór.

Zakładam, że celem tego ćwiczenia jest znalezienie kondensatorów, które są OK.

O ile nie kupujesz gazillionów rzeczy, a więc miałbyś siłę nabywczą, aby producent posłuchał, wykonanie fizycznej analizy kondensatorów nie poprowadzi cię dalej drogą do uzyskania dobrych części, nawet jeśli potrafisz zrozumieć dowiedzieć się, co jest nie tak i jak zmienić proces producenta.

Najpierw zidentyfikuj wszystkich różnych producentów kondensatorów. Następnie kup po kilka próbek odpowiedniego kondensatora. Zmierz ich wyciek przed lutowaniem. Przylutuj do płyt i zmień ich wyciek. Zidentyfikuj konkretny numer części, który można zakupić lub którego nie należy kupować w wyniku tych testów. Następnie trzymaj się dobrych numerów części.

Uwaga, pomiary wycieków są trudne do wykonania, poczekaj wystarczająco długo, sprawdź prądy pasożytnicze, takie jak DMM i prądy wejściowe wzmacniacza, upewnij się, że zanieczyszczenia powierzchni nie powodują wycieku płyty.

220uF to dużo jak na kondensator SMD. Możesz uzyskać lepsze wyniki, stosując mniej ekstremalny stosunek pojemności do objętości, nawet jeśli oznacza to użycie większej liczby części. Producenci stosują różne materiały ceramiczne dla różnych współczynników C / V i może się okazać, że wyciek został poświęcony dla wydajności w zakupionym konkretnym stosunku wielkości. Należy zauważyć, że oznaczenia takie jak X7R, Y5U etc czy nie zidentyfikować ceramiczne, tylko TempCo i tolerancji spec. Nie identyfikują voltco (bardzo złej cechy ceramiki o wysokim stosunku C / V), a także nie identyfikują żadnych specyfikacji wycieków.