MLCC Предотвращение сбоев при сульфировании. Механизм коррозии. Характеристики отказов. Выбор материала для сульфирования с высоким/низким сопротивлением. Комплексные решения для защиты.

Предотвращение сбоев сульфирования MLCC: механизм коррозии, характеристики отказов, сульфирование с высоким/низким сопротивлением, выбор материалов и комплексные решения по защите

Компания: Dongguan Musen Laidun Electronic Technology Co., Ltd.

Ключевые слова: сульфирование MLCC, коррозионное разрушение конденсаторов, сульфирование концевых электродов, высокоомная разомкнутая цепь, антисернистый MLCC, стандарты защиты конформного покрытия.

Му Сен Введение

В последние годы в электронной промышленности произошло большое количество необъяснимых отказов MLCC: на ранней стадии оборудование работает нормально, но через 3–12 месяцев массового производства интенсивно проявляются затухание емкости, повышенное сопротивление, прерывистый обрыв цепи и полный обрыв цепи. Большинство инженеров сразу же оценивают это как растрескивание, смещенное старение или некачественные поступающие материалы, но повторная замена материала все равно не может решить проблему. Окончательное расследование показало, что 90% таких отказов партий вызваны сернистой коррозией.

Нарушение сульфурации хорошо скрыто, без каких-либо аномальных проявлений или явных электрических колебаний на ранней стадии. Это относится к хронической химической коррозии. Как только сульфирование распространится на внутренние электроды, это приведет к необратимому разрушению компонентов и является заразным. Частота отказов в одной и той же партии и в одной и той же среде будет удваиваться каждый месяц. Бытовая электроника, умный дом, автомобильный интерьер, промышленное контрольное оборудование и наружные фотоэлектрические продукты серьезно пострадают.

Эта статья представляет собой первое в отрасли полное специальное руководство по предотвращению сульфурации MLCC. Он разбирает принцип химической реакции сульфирования, различает различия между сульфированием с высоким и низким сопротивлением, обобщает сценарии с высокой частотой возникновения, разбирает полные методы устранения неполадок и предоставляет полный набор практических мер по выбору материалов, технологии печатных плат, структурной защите и управлению складом, помогая предприятиям полностью устранить дефекты сульфирования при партии.

1. Структура терминального электрода MLCC и основной принцип сульфирования.

1.1 Трехслойная структура концевого электрода MLCC

Внешний концевой электрод обычного MLCC состоит из трех металлических слоев, которые также являются основной мишенью сернистой коррозии:

1. Внутренний слой (нижний): Медь (Cu), непосредственно контактирует с керамическим корпусом и соединяет внутренние никелевые электроды;
2. Средний слой: никель (Ni), барьерный слой для предотвращения проникновения слоя олова и эрозии керамики;
3. Внешний слой: Олово (Sn), сварочный слой для обеспечения хорошей смачиваемости припоем.

90% обычных экономичных MLCC, представленных на рынке, имеют только чистое олово на внешнем слое без защиты из драгоценных металлов, что делает их чрезвычайно уязвимыми для серной эрозии.

1.2 Механизм химической реакции сульфурационной коррозии

Серосодержащие газы воздуха (сероводород, диоксид серы, органическая сера) проникают в наружный оловянный слой концевого электрода, и в условиях высокой температуры, повышенной влажности и смещения происходит электрохимическая коррозия:

1. Шаг 1: Сера реагирует с внешним оловом с образованием сульфида олова (SnS/SnS₂);
2. Шаг 2: Коррозионный слой проникает в барьерный слой никеля и начинает разъедать средний никелевый электрод;
3. Шаг 3: Коррозия достигает нижнего медного электрода и внутренних никелевых электродов;
4. Шаг 4: Электроды постепенно разъедаются и ломаются, контактное сопротивление резко возрастает, и, наконец, происходит выход из строя разомкнутой цепи.

Основная суть: продукты сульфурации непроводят, накапливаются на границе раздела электродов, блокируют передачу тока, что является основной причиной необратимости отказа сульфурации.

2. Два основных типа отказов при сульфировании: низкоомное и высокоомное сульфирование.

2.1 Сульфирование с низким сопротивлением (ранний отказ)

• Характеристики неисправности: Аномально повышенное ESR, незначительное падение емкости, периодический перезапуск оборудования, нестабильное электропитание, отсутствие трещин, почернений или внешних повреждений.
• Место коррозии: разрушает только внешний оловянный электрод, не проникая в барьерный слой никеля.
• Сценарии, вызывающие воздействие: Умеренная серосодержащая среда, нормальная температура, отсутствие постоянного смещения высокого напряжения.
• Заблуждение инженеров: слепая замена материалов с более высоким напряжением, ошибочно приписываемая старению диэлектрика или ослаблению смещения, не может решить основную проблему.

2.2 Высокоомное сульфирование (поздний фатальный отказ)

• Характеристики неисправности: Прямой обрыв конденсатора, сбой в питании цепи, полная авария машины, серо-черные пятна коррозии на части концов устройства, обширное почернение внутри электродов после разборки.
• Место коррозии: Проникает в трехслойные концевые электроды, разъедает внутренние керамические электроды, необратимые необратимые повреждения.
• Стимулирующие сценарии: суперпозиция высокой температуры и высокой влажности + серосодержащий газ + долгосрочное смещение под напряжением, главный виновник списания массового производства.

3. Источники загрязнения серой и сценарии применения высокого риска

3.1 Внешние источники загрязнения окружающей среды

• Воздушная среда: Промышленные отходящие газы, кислотные дожди, прибрежная влага, химическая пыль;
• Географические районы: Южный Китай, юго-западные районы сезона дождей, прибрежные районы соленых брызг + двойные зоны серации, города с тяжелой промышленностью;
• Условия установки: Плохая вентиляция в закрытых шасси, длительное накопление вредных газов.

3.2 Внутренние источники материального загрязнения (наиболее легко упускаются из виду)

Многие предприятия имеют чистую внешнюю среду, но по-прежнему страдают от крупномасштабного сульфирования, основная причина – внутренние вспомогательные материалы:

• Недорогой красный клей, черный клей, герметик, термосиликагель (содержащий большое количество органической серы);
• Низкое качество конформного покрытия, фиксированная пена, резиновые уплотнительные кольца;
• Остатки некачественного флюса, паяльной пасты, чистящего средства;
• Серосодержащие добавки в упаковочных лентах и ​​влагонепроницаемых пакетах.

Внутри закрытого оборудования клей постоянно улетучивает органическую серу, что эквивалентно помещению MLCC непосредственно в «комнату для сульфирования высокой концентрации», что приводит к выходу партии из строя через 3–6 месяцев.

3.3 Шесть отраслей повышенного риска (районы сульфирования)

1. Умный дом: Закрытая пластиковая конструкция корпуса, большое количество герметиков и пенопластов;
2. Автомобильный салон: центральное управление, фары автомобиля, контроллеры домена (высокотемпературный закрытый + резиновые аксессуары);
3. Автоматизация промышленного управления: инверторы, закрытое шасси ПЛК;
4. Наружная безопасность: камеры, оборудование контроля доступа, двойная эрозия от высокой температуры и влажности;
5. Новое хранилище энергии: Battery BMS, модули хранения энергии с длительным включением;
6. Медицинское оборудование: герметичная конструкция полости, крайне плохая вентиляция.

4. Ускоряющее влияние напряжения смещения и температуры на сульфирование.

Скорость коррозии мала в чистой серосодержащей среде, но смещение напряжения + высокая температура экспоненциально ускоряют реакцию сульфирования, поэтому частота отказов цепей под напряжением намного выше, чем пассивных цепей.

4.1 Механизм ускорения напряжения

При наличии разницы напряжений на MLCC на концевом электроде формируется микроэлектрическое поле. Электрическое поле вызывает направленную миграцию ионов серы, ускоряя проникновение в электродный слой. Скорость коррозии в условиях работы под напряжением в 3-8 раз выше, чем в пассивном состоянии.

4.2 Механизм температурного ускорения

• Ниже 40 ℃: медленная реакция сульфурации, цикл отказа 8–15 месяцев;
• 60℃~85℃: реакция резко ускоряется, цикл отказов сокращается до 2–4 месяцев;
• Выше 85℃: сильная коррозия, дефекты разомкнутой цепи появляются через 2–4 недели.

Резюме: Высокая температура + закрытое + серосодержащее + живое = стандартная формула для аварий серообразования при массовом производстве.

5. Стандартный процесс устранения неполадок, связанных с сульфированием (передается непосредственно в отдел качества)

5.1 Предварительное заключение (внешний вид + электрика)

• Резкое падение емкости, стремительный рост ESR, периодический обрыв неисправных конденсаторов;
• Отсутствие сколов, трещин и почернений на внешнем виде, что исключает отказы от напряжений и поломок;
• Дефекты сосредоточены в закрытых зонах, вблизи мест нанесения клея/пены.

5.2 Оценка сечения (металлографический анализ)

• Обычный конец MLCC: серебристо-белый, равномерное наслаивание электродов;
• Сульфированный конец MLCC: Желтовато-коричневый, серо-черный, диффузный слой черный;
• На поперечном сечении видны корродированные пустоты, дефекты и почернения слоев электродов.

5.3 Экологическое отслеживание

• Обнаружение содержания серы во внутреннем коллоиде и пене шасси;
• Сравните соотношение дефектов пассивных и находящихся под напряжением участков на одной и той же печатной плате: высокий уровень дефектов в токоведущих участках подтверждает наличие сульфурации.

6. Четырехуровневые решения защиты (от низкой стоимости до максимальной схемы)

6.1 Уровень 1: Оптимизация процесса (нулевая стоимость, первый выбор)

• Добавьте вентиляционные отверстия и дыхательные клапаны сброса давления в закрытое шасси, чтобы уменьшить накопление вредных газов;
• Запретить MLCC от прямого контакта с силикагелем, пеной и герметиком;
• Оптимизируйте компоновку, держите высоковольтные MLCC под напряжением на расстоянии более 5 мм от источников испарения клея;
• Замените паяльную пасту, флюс и чистящее средство с низким содержанием серы/без серы.

6.2 Уровень 2: Конформное покрытие печатной платы (наиболее экономичное)

Конформное покрытие образует на поверхности электрода плотную защитную пленку, изолирующую ионы серы и влагу, что является наиболее широко используемым методом защиты в промышленности.

• Рекомендуемые материалы: Модифицированный акрил, силиконовое конформное покрытие;
• Толщина покрытия: оптимальная 40–60 мкм;
• Табу: не слишком толстый, предотвращает сдавливание керамического корпуса под воздействием термического напряжения и образование микротрещин.

6.3 Уровень 3: Обновление материала (специальный MLCC против серы)

В сценариях высокого риска замените конструкцию концевого электрода напрямую, чтобы предотвратить серообразование на уровне материала. Делится на три класса:

1. Модернизированная версия (утолщенное никелирование): утолщенный барьерный слой никеля, стойкость к серообразованию увеличена в 2–3 раза, стоимость увеличена на 5–10%;
2. Антисерный электрод среднего диапазона (никель-палладиевый электрод): добавьте слой металлического палладия на внешний слой, изолируйте ионы серы, что подходит для обычных сценариев автомобильного и промышленного контроля;
3. Высококачественный антисерный электрод (золотой электрод): трехслойная защита никель-палладий-золото, высочайшая стойкость к серообразованию, подходит для наружного, прибрежного, долговечного оборудования с высоким содержанием серы.

6.4 Уровень 4: Идеальное решение (двойная защита конструкции + материала)

Обязательный стандарт для продуктов с высокой влажностью, высоким содержанием серы, высокой температуры, закрытых продуктов с длительным сроком хранения:

Вспомогательные материалы, не содержащие серы + защита от серы MLCC + конформное покрытие с полным покрытием + дыхательный клапан шасси, четырехслойная защита, обеспечивающая отсутствие серы в течение 25 лет.

7. Обязательные стандарты отбора для сценариев высокого риска (принудительные)

8. Распространенные заблуждения (высокочастотные ловушки отрасли)

• Заблуждение 1: Сульфация возникает только в недорогих конденсаторах низкого качества → Правда: Высококачественные материалы от Samsung, Murata, Yageo также подвержены серообразованию, единственная разница — это цикл коррозии;
• Заблуждение 2: Серообразование отсутствует, если внешний воздух чистый → Правда: 80% серообразования происходит из-за внутреннего клея, пенопласта и уплотнительных колец;
• Заблуждение 3: Более толстое защитное покрытие означает лучшую защиту → Правда: Слишком толстое покрытие создает напряжение, легко вызывающее скрытые трещины в керамическом корпусе;
• Заблуждение 4: Пассивные схемы не подвергаются серообразованию → Правда: Пассивные схемы медленно корродируют, но в конечном итоге выходят из строя;
• Заблуждение 5: Увеличение номинального напряжения предотвращает серообразование → Правда: Номинальное напряжение решает проблемы поломок и не может противостоять химической коррозии.

Му Сен Заключение

Dongguan Musen Leyton Electronic Technology Co., Ltd. предоставляет полный спектр MLCC, включая утолщенные никелевые антисернистые, никель-палладиевые антисернистые материалы среднего класса и никель-палладий-золотые высококачественные антисульфатные типы, которые могут заменить эквивалентные материалы Murata/Samsung/Yageo. Мы поддерживаем анализ отказов от сульфурации, тестирование образцов и индивидуальные решения по общей защите, предоставляя комплексное обслуживание для устранения дефектов, вызванных сульфурацией, в партиях клиентов.

Предварительная оценка рисков, подбор противосульфационных материалов соответствующих марок и стандартизация внутренних вспомогательных материалов на этапе исследований и разработок продукта являются ключом для всех предприятий к снижению послепродажных дефектов и предотвращению брака партий.