Seção transversal de capacitores de cerâmica

Estou tentando fazer uma análise de falhas de um monte de capacitores de cerâmica.

Breve descrição do aplicativo:

10 capacitores de cerâmica de 220 µF pacote 1210 são colocados em paralelo com uma bateria de 3,6 V. Um MCU acorda periodicamente (máximo uma vez por minuto) e consome corrente (pico máximo de 10 a 15 mA por alguns milissegundos). O tempo total antes de voltar ao sono de potência extremamente baixa é de 130 ms. Os capacitores devem reter energia suficiente para cobrir isso sem cair abaixo de 1,6 V (tensão de alimentação mínima para o MCU).

Isso é necessário, pois a temperatura operacional está baixa e a bateria não pode funcionar. A bateria tem tempo suficiente para recarregar os capacitores enquanto o MCU dorme.

Estou suspeitando de curtos nos capacitores. Porque:

• A bateria esgotou-se muito rapidamente em alguns dos meus PCBs
• Pelo que li, capacitores de cerâmica, especialmente em embalagens grandes, são sensíveis ao estresse mecânico e podem rachar, causando curtos

Para ver isso por mim mesmo, tentei fazer seções transversais, mas tenho dificuldade em entender o que estou vendo.

Como eu fiz a seção transversal:

• Utilizou um dremel para cortar o canto da placa de circuito impresso onde os capacitores são colocados
• Moldou as PCBs cortadas em cola epóxi para facilitar o manuseio
• Usou uma lâmina de serra circular de diamante para fazer uma seção transversal aproximadamente no meio dos capacitores (longitudinalmente)
• Moagem e polimento a úmido de até 1 mícron e depois 1 µm de polimento

Repeti isso em dois PCBs.

Existem 3 capacitores próximos um do outro:

Aqui você pode ver uma diferença de cor entre os capacitores, superior direito e inferior central, com cores mais escuras. Mas como você pode ver, não na mesma posição.

Não tenho representante suficiente para adicionar todas as imagens. Vou comentar links para todas as imagens. Gostaria que alguém pudesse editar e adicionar as imagens à postagem.

As de cores mais escuras (em cima, à direita, em baixo, ao meio) ficam assim de perto.

Quase o que eu esperava que fosse um capacitor de cerâmica. Pelo menos você pode ver algum tipo de estratificação. Mas as camadas não são sólidas como eu esperava. Isso pode ser causado pela retificação e polimento?

A distância entre as camadas é de 2 µm.

As de cores mais claras ficam assim:

O que é isso?! Pode, por exemplo, altas correntes fazer com que as camadas se fundam assim? Ou isso também pode ser causado pela minha retificação e polimento?

Aqui podemos ver uma bolha de ar na solda. Mas o espaço próximo ao fundo pode ser um dano causado por estresse mecânico?

Mais tarde, tentei esmerilar e polir um pouco mais nos capacitores. Parece exatamente o mesmo. Se a estranha ondulação e / ou as camadas quebradas foram causadas pela retificação e polimento, espero que as características tenham mudado. Por exemplo, um ondulado agora rompeu as camadas e o contrário.

Os capacitores exatos utilizados são: Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

Parece-me que a retificação / polimento foi feita muito bem (com mais cuidado, você pode ter menos riscos) e está vendo uma imagem precisa e sem danos da seção transversal do capacitor.

As imagens "escuras" são mais ou menos o que eu esperaria ver de um capacitor atravessando os planos dos eletrodos. Eletrodos de metal em uma matriz cerâmica mais escura. Para capacitores de menor valor, esperaria ver linhas paralelas mais grossas, mas que as linhas fiquem ligeiramente onduladas e quebradas não é uma grande surpresa. Espero que isso resulte das medidas especiais que foram tomadas para obter a capacitância muito alta em um pequeno pacote. Possivelmente uma combinação de eletrodos de grade, em vez de planos, e esmagar / formar a cerâmica após a construção das camadas, mas antes da queima final, a fim de tornar as camadas mais finas.

As imagens "pálidas" são mais ou menos o que eu esperaria de um capacitor seccionado paralelamente aos planos dos eletrodos. Supondo que você tenha usado um moedor metalográfico (parecido com ele), seu plano de corte é plano, mas os eletrodos não. Assim, você obtém recursos semelhantes ao contorno onde o eletrodo cruza o plano de seção.

Duvido que você encontre seu vazamento nessas imagens. Outros lugares para procurar:

• Verifique as folhas de dados para a resistência esperada. É tão alto quanto você pensou? Verifique as condições sob as quais ele é fornecido na folha de dados e veja se é provável que seu ambiente a torne pior.
• Verifique um lote de novos capacitores para ver quais são as resistências
• Verifique um monte de capacitores nos retornos da garantia para ver se a capacitância ou resistência mudou.
• Meça as resistências no seu PCB antes da montagem (deve ser bom e alto)
• Meça a resistência em uma PCB concluída (talvez sem MCU). Procure evidências de fluxo que não tenham sido suficientemente limpos e possam reduzir a resistência.

Presumo que o objetivo deste exercício seja fornecer capacitores que estejam OK.

A menos que você esteja comprando zilhões de coisas e, portanto, teria o poder de compra para fazer o fabricante ouvir, fazer análises físicas dos capacitores não o ajudará a conseguir peças boas, mesmo que você possa imaginar descobrir o que há de errado e como alterar o processo do fabricante.

Primeiro, identifique todos os diferentes fabricantes de capacitores. Em seguida, compre algumas amostras de um capacitor adequado de cada uma. Meça o vazamento antes da solda. Solde as placas e remensure seu vazamento. Identifique o número de peça específico que pode ser comprado ou não deve ser comprado como resultado desses testes. Em seguida, mantenha bons números de peça.

Atenção, é difícil fazer medições de vazamento, espere tempo suficiente, verifique correntes parasitas como DMM e correntes de entrada do amplificador, verifique se os contaminantes da superfície não estão causando vazamentos na placa.

220uF é muito para um capacitor SMD. Você pode obter melhores resultados usando uma relação capacitância / volume menos extrema, mesmo que isso signifique usar mais peças. Os fabricantes usam diferentes cerâmicas para diferentes proporções C / V, e você pode achar que o vazamento foi sacrificado por capacidade na proporção específica de tamanho que você comprou. Observe que designações como X7R, Y5U etc. não identificam a cerâmica, apenas as especificações de temperatura e tolerância. Eles não identificam o voltco (uma característica muito ruim da cerâmica com alta relação C / V) e também não identificam nenhuma especificação de vazamento.