Confiabilidad y modo de falla de MLCC (condensadores de chip)

Recientemente me he estado preparando para fabricar un producto que utiliza exclusivamente condensadores MLCC en todos los ámbitos. Integra un convertidor reductor a bordo que los usa, y MLCC también se usa para el desacoplamiento local.

Mis prototipos han consistido en técnicas de reflujo "poco fiables" utilizando una placa caliente. En general, el 10 % de las veces después de hacer esto, encuentro un MLCC en cortocircuito en la placa, que generalmente se encuentra porque cuando se aplica energía, la tapa echa humo.

Sin embargo, en este momento estaba reemplazando una de estas tapas con un soldador y después de reemplazarla, todavía estaba en cortocircuito. Verifiqué que no había ningún otro cortocircuito en la placa (porque al retirar los 3.3V mostraban unos kohmios de resistencia). Parece que la simple operación de soldar la tapa ha hecho que falle.

También reparé recientemente un monitor LCD que tenía un MLCC en cortocircuito en la placa T-con y algunos otros usuarios en un foro popular informaron que este problema es sorprendentemente común. Ahora, en este caso, un monitor se calienta o calienta, pero no tanto como un soldador, entonces, ¿por qué podrían estar fallando?

Planeo ofrecer una garantía de cinco años o quizás más en estas placas, pero solo puedo hacerlo si estoy seguro de que la placa es capaz de sobrevivir en condiciones normales.

Las tapas son 0603 (100n, 10u 6.3V), 0805 (22u 6.3V) y 1206 (10u 35V). Todos son X5R o X7R. Hay algunos límites de 18pF para el cristal, pero nunca los he visto fallar; sin embargo, sospecho que son una tecnología diferente a MLCC.

La marca importa con los condensadores. ¿Conoces la marca de gorras que estás usando? Quién es su proveedor.
@RussellMcMahon Estas no son tapas electrolíticas, pero si importa, en su mayoría son AVX con algunos Multicomp (es decir, barato fabricado en China). Los multicomp son 100n exclusivamente.
¿Flexionas la tabla en absoluto? Los MLCC son muy sensibles a la flexión a menos que especifique los $$$ de "terminación flexible". Incluso las tapas flexibles no son geniales, pero al menos fallan al abrirse.
@markrages En general, no lo hago. Sin embargo, ¿la expansión térmica podría estar causando que se flexionen?
¿Qué tamaño de gorras? 1206 y más grandes tienen más probabilidades de tener un problema de flexión. 0603 y más pequeños tienen muchas menos probabilidades de tener un problema (pero aún podrían tenerlo si está abusando de la placa). Sin embargo, si es 0402, es más probable que piense que acaba de obtener un puente de soldadura.
@ThePhoton Acabo de sacar un 0603 en cortocircuito hace unas horas. Sin embargo, 1206 y 0805 parecen ser los más cortos.
Otro posible problema (aunque nunca lo he visto en el campo) es la falta de coincidencia de CTE entre las tapas y el laminado. Cuando calienta el tablero para que refluya, se expande. Luego coloca la tapa y, a medida que se enfría, la soldadura se establece, pero la placa continúa desexpandiéndose a medida que se enfría más, ejerciendo una fuerza de compresión sobre los capacitores, lo que podría causar que fallen. Si su técnica de reflujo es realmente "dudosa" (especialmente si no precalienta las tapas para que coincidan con el tablero), podría ver que esto se convierta en un problema.
Más preguntas: ¿Está utilizando soldadura sin plomo? ¿Y cuál es el laminado? -- si se acerca o excede la Tg del material de la placa, es más probable que el problema de CTE que mencioné en mi último comentario sea un problema.
@ThePhoton Pasta de soldadura sin plomo, pero soldadura con plomo. Laminado... umm, ¿FR4? No estoy tan al tanto. Tablas baratas de Seeed.
Thomas - Sí, me di cuenta de que no eran electrolíticos. Los capacitores pequeños cuestan menos de 1 centavo cada uno en China> Cuando fabrica algo que vende por casi nada, entonces si no tiene reputación, expectativa de venta repetida o registro de clientes para protegerlo, puede verse tentado a intentar obtener una ganancia en todos los maneras obvias. En la medida en que las máquinas que los fabrican estén automatizadas, puede tener suerte, pero es probable que el proveedor pertenezca a la organización one-sigma. La fabricación china puede ser completamente aceptable, siempre que sepa por qué espera que lo sea.
Si usó una placa caliente para refluir pasta sin plomo, y solo tiene un material genérico "FR-4", es muy posible que haya calentado la placa a su temperatura de transición vítrea, lo que sería aún más probable que causara un problema con contracción térmica diferencial en el enfriamiento. Definitivamente debe especificar al menos "High-Tg FR4" si no es un material específico si está trabajando con soldadura sin plomo. Aún mejor, deshazte de la placa caliente y encuentra una forma más controlada de hacer el reflujo.
Por otro lado, el hecho de que vea el mismo modo de falla para dos procesos de soldadura diferentes (reflujo y soldadura manual) apunta más a que las piezas simplemente están malas al salir del carrete.

Respuestas (4)

Algunos proveedores de gorras fabrican sus propias piezas. Algunos compran gorras de un fabricante más pequeño con los carretes renombrados en la fábrica. Cuidado. Entré en una investigación de fallas de mlcc en 2002 y comencé a inspeccionar tapas en un carrete bajo un microscopio. 3/10 salió del carrete agrietado. Una grieta tarde o temprano conducirá a un cortocircuito. Las grietas no son evidentes incluso bajo un microscopio. Pueden presentarse como un sutil cambio de color si la grieta está debajo de la capa superficial. Algunas grietas pueden ser suficientes para presentar un corto inmediatamente. No todo. El fabricante del proveedor en este caso finalmente identificó una tolva donde las tapas se estaban agrietando.

Los MLCC son muy sensibles al estrés mecánico. Especialmente más grande que 1210 tamaños. Encontré una gran tapa de derivación de energía junto a un conector mecánico pesado una vez. ¡El orificio de montaje más cercano estaba a 2" de distancia! Se estaban agrietando a una tasa de 5/10 durante la instalación de la unidad. Una fracción de ellos se estaba incendiando. El fuego continuaría ardiendo hasta que derritiera el cobre, rompiendo la conexión eléctrica.

Otro efecto de una grieta es una reducción del voltaje máximo de trabajo de la tapa. Puede estar especificado para 200 V. Pero una vez agrietado, puede romperse a 40 V. Las tapas rotas estallaron en llamas en mi laboratorio cuando se probaron, incluso por debajo de su voltaje nominal.

Otra forma de calentar las tapas es exceder su corriente CA máxima. Es fácil pensar en las tapas como dispositivos de disipación de energía cero. Especialmente el mayor Q mlcc. Pero no lo son. Calcule la potencia disipada en mayúsculas y no supere los límites de potencia/corriente CA. Aparece comúnmente en circuitos de potencia y convertidores.

Los MLCC fallan por una variedad de razones, incluido el estrés mecánico (flexión de la placa) y el choque térmico. Son muy sensibles al proceso de fabricación. Escriba "modos de falla del capacitor cerámico" en Google y encontrará todos los datos que necesitará.

En cuanto al problema de CRT que describió, lo más probable es que los capacitores en cuestión se dañen de forma latente durante el ensamblaje, lo que acorta prematuramente su vida útil y provoca fallas prematuras en el campo. El ambiente cálido puede contribuir un poco a la tasa de fallas, pero dudo que una pieza del tamaño adecuado y bien soldada falle únicamente por esto.

El retrabajo de MLCC no debe hacerse con una plancha. Se debe usar una herramienta de retrabajo de aire caliente para calentar uniformemente toda la pieza para que "refluya" en sus almohadillas, luego retírela con pinzas o alguna otra herramienta. El reemplazo es similar: caliente uniformemente la pieza en las almohadillas para que fluya, luego elimine el aire y deje que la soldadura se solidifique. Demasiado calor con una plancha puede dañar la pieza tanto al quitarla como al reemplazarla. Creo que IPC exige la reelaboración con aire caliente para los MLCC, ya que tanto mi empleador actual como el anterior aplicaron estrictamente esta política sobre los bienes transportables.

Hemos adoptado la práctica de apilar 2 MLCC en serie y montarlos en ángulo recto para cualquier tapa de desacoplamiento que se alimenta continuamente. También los montamos en ángulo recto para que las tensiones de singularización que agrietan una tapa no agrieten la otra. Dado que prácticamente siempre fallan en corto, te quedas con 1 de las tapas todavía en el circuito.

Los fabricantes de capacitores MLCC tienen mucha información sobre lo que se debe y no se debe hacer con la soldadura y el montaje. La soldadura manual contribuye en gran medida al mecanismo de falla (25 años de fabricación por contrato). Cuanto más grande sea la tapa, 1206, 2512, 2225, etc., más susceptible al choque térmico y fallas. Si suelda a mano, caliente los componentes con una placa caliente para reducir el Tshock. Muchas grandes corporaciones prohíben la soldadura manual de capacitores MLCC en sus productos. El estrés mecánico, especialmente el despanelizado con un cortador giratorio crea muchos componentes defectuosos, LED y MLCC. La orientación del diseño de la longitud del MLCC debe ser perpendicular a la longitud de flexión potencial de la PCB. Manténgase alejado de cualquier punto de tensión potencial, es decir, orificios de montaje, conectores de E/S, etc. COMPRE Componentes de calidad. Si los centavos y las monedas de cinco centavos hacen o deshacen el producto,

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