电容短路失效分析

  • 电容短路失效分析

    1.背景

    客户反映,其所生产的蓝牙耳机AB两种样品上电容器存在短路失效问题,部份电容器出现绝缘电阻下降现象,要求分析原因。样品外观如下午图所示,图中箭头所指位置的电容器失效,且失效电容位置均处于PCBA板最边上。

     

    成都检测中心

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    (上边为A,下边为B

    2.原因分析

     

    原因概述

    推论

    分析方法

    电容器两焊点之间短路

    两焊点之间残留过量的助焊剂

    3D显微镜观察

    SEM测试

    清洗实验+电阻量测

     

    两焊点之间存在较多锡珠

     

    电容器开裂造成短路

    观察电容表面是否存在撞击现象,是否存在裂纹;

    3D显微镜观察

    金相显微镜观察

    切片测试

    SEM+EDS测试

     

    切片观察电容内部的开裂状况;

     

    焊点结构分析,推断电容焊接时是否存在热量超标问题。

     

     

     

    3.失效观察

     

    3D显微镜观察

    对客户所送8pcs失效样品进行3D显微镜观察,结果如上图所示。样品表面均覆盖了三防胶

    其中1#7 #8 #样品外观存在明显裂纹,3 #5 #样品隐约可见裂纹,见图中箭头所示位置。

     

    3D显微镜观察---焊接端表面形貌 

    在样品上选取正常电容器,并与失效电容器样品对比外观形貌。发现1#3#4#6#7#号失效样品焊接端表面粗糙、凹凸不平,且3#4#样品电容上表面存在锡珠残留。建议对电容的来料状况、碰撞情况以及爬锡能力进行调查分析。

     

    3D显微镜观察---锡珠残留

     


    发现3#4#样品电容器附近存在较多锡珠及助焊剂残留,且4#样品残留较多。锡珠残留过多将会增加PCBA板短路风险。通过清洗去除4#样品表面的三防胶,去除锡珠及助焊剂。然后万用表测试电容阻值为16.20Ω,短路现象依然存在,故推断锡珠及助焊剂残留不是造成电容器短路的主要原因。

     

    4.切片分析

     

    4#样品切片分析

    对外观无明显裂纹的4#样品切片观察,如上图所示。4#样品上部两端AB区域有破裂现象,裂纹自电容器表层向内部延伸。其中B区域存在开裂严重,并有内电极开裂状况。推测电容B端可能存在碰撞情况。

     

    8#样品切片分析

    对外观有明显裂纹的8#样品切片观察,如上图所示。经EDS分析得出电容器介质材料为钛酸钡类陶瓷材料,内电极金属材料为镍。

    从图中可见,电容上部区域出现裂纹,内电极镍层出现短路烧熔现象。

     

    5.SEM分析

     

    4#样品切片+SEM分析

    4#样品进行切片+SEM观察,发现PCB一侧焊点IMC层生长过厚,平均厚度超过5 μm ,最厚有8.19 μm。通常焊点IMC厚度建议1~5 μm ,过厚的IMC会导致焊点强度降低。电容器一侧IMC层平均厚度1.6 μm,属于正常范围。

    PCB和电容同时焊接,接受同样的热量,但两侧焊点的IMC厚度存在明显差异,推测为电容器焊锡性能较差导致。焊点IMC过厚,说明焊接时热量过高。过高的热量会提升电容器热应力开裂的风险。

     

    6.SEM+EDS

    分析

     

    4#样品PCB一侧焊点SEM+EDS分析

    PCB一侧焊点进行IMC结构分析:

     1. 焊点富P层偏厚,并出现连续Ni-Sn-P层。 一般在焊接热量过多或者Ni层含P超标情况下,会出现连续Ni-Sn-P层,由于样品Ni层含P量属于正常范围,故推测回流焊温度偏高或者时间偏长;

     2. 连续的Ni-Sn-P层会降低焊点强度,应调整工艺参数,避免产生。

     

    7.结论

     

    结论分析:

    1.客户送来8 pcs失效样品,失效位置均处于PCBA最边上。主板边缘位置可能会存在较高的机械应力风险。实验发现裂纹多存在于电容两端上部区域,其中4#样品有较为严重开裂,怀疑受过外力碰撞。

    2. 电容焊点IMC厚度存在异常,怀疑电容的爬锡能力较差。同时在PCB一侧焊点的IMC层生长过厚,平均厚度超过5μm,并有连续的Ni-Sn-P生成;推测样品回流焊时受到热量过多。过多的热量会提升电容器热应力开裂的风险。同时较厚的IMC以及连续的Ni-Sn-P层会降低焊点强度,应调整工艺予以避免。

    3. 3#4#样品存在明显锡珠及助焊剂残留。去除4#样品三防胶,清洗掉锡珠后发现样品依然存在短路现象,推断锡珠及助焊剂残留不是导致电容器短路的主要原因。但应调整工艺,避免产生较多锡珠残留。

     

    改善建议:

    逐步排除电容在包装运输、元件贴装以及分板切割时可能遭受的机械应力冲击问题。如有必要可进行应力应变测试。

    确认产线回流焊是否存在温度偏高或者时间偏长问题,降低热应力冲击的风险。应调整SMT工艺,改善焊点IMC结构,并同时解决锡珠残留问题,保证产品可靠性。

    建议测试原物料电容器沾锡性能,观察是否存在镀层老化问题。