Sección transversal de condensadores cerámicos

Estoy tratando de hacer un análisis de fallas de un grupo de condensadores de cerámica.

Breve descripción de la aplicación:

10 condensadores cerámicos de 220 µF El paquete 1210 se coloca en paralelo con una batería de 3.6 V. Una MCU se activa periódicamente (máximo una vez por minuto) y consume corriente (pico máximo de 10-15 mA durante unos pocos milisegundos). El tiempo total antes de volver al modo de reposo extremadamente bajo es de 130 ms. Se supone que los condensadores tienen suficiente energía para cubrir esto sin caer por debajo de 1.6 V (voltaje de suministro mínimo para la MCU).

Esto es necesario ya que la temperatura de funcionamiento es baja y la batería no puede funcionar. La batería tiene tiempo suficiente para recargar los condensadores mientras la MCU duerme.

Sospecho que hay cortos en los condensadores. Porque:

• La batería se ha agotado muy rápidamente en algunos de mis PCB
• Por lo que he leído, los condensadores de cerámica, especialmente en paquetes grandes, son sensibles al estrés mecánico y pueden romperse, causando cortocircuitos.

Para ver esto por mí mismo, he intentado hacer secciones transversales, pero me cuesta entender lo que estoy viendo.

Cómo hice la sección transversal:

• Usé un dremel para cortar la esquina de la PCB donde se colocan los condensadores
• Moldeó los PCB cortados en pegamento epoxi para facilitar el manejo
• Usó una hoja de sierra circular de diamante para hacer una sección transversal aproximadamente en el medio de los condensadores (longitudinalmente)
• Pulido y pulido en húmedo hasta 1 micra y luego 1 µ película de pulido

Repetí esto en dos PCB.

Hay 3 condensadores uno al lado del otro:

Aquí puede ver una diferencia de color entre los condensadores, la parte superior derecha y la mitad inferior son de color más oscuro. Pero como puede ver, no en la misma posición.

No tengo suficiente representante para agregar todas las imágenes. Comentaré enlaces a todas las imágenes. Agradecería que alguien pudiera editar y agregar las imágenes a la publicación.

Los colores más oscuros (arriba a la derecha, abajo a la mitad) se ven así de cerca.

Casi como esperaba que se viera un condensador de cerámica. Al menos puedes ver algún tipo de capas. Pero las capas no son sólidas como esperaba. ¿Puede ser esto el daño causado por el pulido y el pulido?

La distancia entre las capas es de 2 µm.

Los colores más claros se ven así:

¡¿Que es esto?! ¿Pueden, por ejemplo, las altas corrientes hacer que las capas se derritan juntas de esta manera? ¿O esto también puede ser causado por mi pulido y pulido?

Aquí podemos ver una burbuja de aire en la soldadura. Pero la brecha cerca del fondo, ¿puede ser un daño causado por el estrés mecánico?

Más tarde intenté lijar y pulir un poco más en los condensadores. Se ve exactamente igual. Si la ondulación extraña y / o las capas rotas hubieran sido causadas por el pulido y el pulido, espero que las características hubieran cambiado. Por ejemplo, uno ondulado ahora tiene capas rotas y viceversa.

Los condensadores exactos utilizados son Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

Me parece que el pulido / pulido se ha hecho bastante bien (con más cuidado podría tener menos arañazos), y está viendo una imagen precisa y sin daños de la sección transversal del condensador.

Las imágenes "oscuras" son más o menos lo que esperaría ver de un condensador cortado a través de los planos de los electrodos. Electrodos metálicos en una matriz cerámica más oscura. Para condensadores de menor valor, esperaría ver líneas paralelas más gruesas, pero para que las líneas estén ligeramente onduladas y rotas no es una gran sorpresa. Espero que esto resulte de los pasos especiales que han tomado para obtener la muy alta capacitancia en un paquete pequeño. Posiblemente una combinación de electrodos de rejilla en lugar de planos, y aplastar / formar la cerámica después de construir las capas pero antes del disparo final para que las capas se adelgacen.

Las imágenes "pálidas" son más o menos lo que esperaría para un condensador seccionado en paralelo a los planos del electrodo. Suponiendo que haya usado una amoladora metalográfica (parece), entonces su plano de sección es plano, pero los electrodos no lo son. Entonces obtienes características de contorno donde el electrodo cruza el plano de sección.

Dudo que encuentres tu fuga en estas imágenes. Otros lugares para buscar:

• Verifique las hojas de datos para la resistencia esperada. ¿Es tan alto como pensabas? Verifique las condiciones bajo las cuales se proporciona en la hoja de datos, vea si es probable que su entorno lo empeore.
• Verifique un lote de condensadores nuevos para ver cuáles son las resistencias
• Revise un montón de condensadores de sus devoluciones de garantía para ver si la capacitancia o resistencia ha cambiado.
• Mida las resistencias en su PCB antes del ensamblaje (debe ser agradable y alto)
• Mida la resistencia en una PCB completa (tal vez sin MCU). Busque evidencia de flujo que no se haya limpiado lo suficientemente bien y que pueda reducir la resistencia.

Supongo que el propósito de este ejercicio es obtener condensadores que estén bien.

A menos que esté comprando miles de millones de cosas, y así tenga el poder de compra para hacer que el fabricante escuche, hacer un análisis físico de los condensadores no lo ayudará a obtener piezas buenas, incluso si puede imaginar averiguar qué está mal y cómo cambiar el proceso del fabricante.

Primero, identifique todos los diferentes fabricantes de condensadores. Luego compre algunas muestras de un condensador adecuado de cada uno. Mida su fuga antes de soldar. Suelde a las tablas y vuelva a medir su fuga. Identifique el número de pieza específico que está bien comprar, o que no debe comprarse, como resultado de estas pruebas. Luego se adhieren a los buenos números de parte.

Advertencia, las mediciones de fugas son difíciles de hacer bien, espere lo suficiente, verifique las corrientes parásitas como el DMM y las corrientes de entrada del amplificador, asegúrese de que los contaminantes de la superficie no provoquen fugas en la placa.

220uF es mucho para un condensador SMD. Puede obtener mejores resultados al usar una relación capacitancia / volumen menos extrema, incluso si eso significa usar más partes. Los fabricantes usan diferentes cerámicas para diferentes relaciones C / V, y es posible que se haya sacrificado la fuga por la capacidad en la relación de tamaño particular que compró. Tenga en cuenta que las designaciones como X7R, etc Y5U no no identificar la única especificación de la cerámica, tempco y la tolerancia. No identifican el voltco (una característica muy mala de las cerámicas de alta relación C / V) y tampoco identificarán ninguna especificación de fuga.