Специальный информационный документ о механизме отказа электрода MLCC. Повторяющееся полевое испытание. Схема ступенчатой ​​защиты. Случаи исправления. Стандарты выбора материалов.

Специальный информационный документ по отказу сульфирования электрода MLCC: механизм отказа, повторяющееся полевое испытание, схема ступенчатой ​​защиты, случаи устранения неисправности и стандарты выбора материалов

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

Отказ MLCC, сульфирование терминального электрода, отказ в серосодержащей среде, отказ открытой цепи MLCC, защита от сульфирования MLCC, толстая медная клемма MLCC, испытание на сероводород, отказ конденсатора наружного оборудования, разрыв цепи силового конденсатора промышленного управления

Му Сен Введение

В сценариях с высоким уровнем загрязнения серы, таких как наружные базовые станции, городские уличные фонари, железнодорожный транспорт, промышленное управление химическими заводами, шасси транспортных средств, бытовая техника для кухни и ванной комнаты, а также электростанции для накопления энергии, медленное и непредусмотренное размыкание цепи MLCC становится второй по величине проблемой отказа на местах только после механического взлома. В отличие от явных отказов, таких как пробой, растрескивание и затухание емкости, которые можно обнаружить после включения питания, серообразование MLCC относится к хроническим отказам, вызванным электрохимической коррозией. Электрические характеристики продукции полностью соответствуют стандартам на ранней стадии, а испытания на старение готовых машин не могут заранее выявить скрытые опасности. Массовые простои оборудования часто происходят в период от 6 месяцев до 3 лет после поставки, что приводит к чрезвычайно высоким затратам на доработку и затруднениям в выявлении первопричин.

Данные обзора массовых отказов в отрасли показывают, что 32% всех неисправностей MLCC в бытовом наружном и промышленном оборудовании полностью вызваны сульфурацией. Стандартный MLCC с обычными трехслойными выводами (никель-палладий-олово) не может противостоять эрозии следов сероводородного газа. Даже в закрытых вентилируемых машинных помещениях и в городской дымке следы серосодержащих загрязняющих веществ будут постоянно разъедать серебряный слой клеммных электродов и, в конечном итоге, приводить к полному размыканию цепи. В настоящее время у большинства инженеров по аппаратному обеспечению и инженеров по снабжению есть общие когнитивные слепые пятна: они ошибочно полагают, что антисульфурационные конденсаторы необходимы только на химических заводах, игнорируя сценарии эндогенной серной коррозии, такие как следы серы в атмосфере, сера, улетучиваемая из резиновых аксессуаров, сера, содержащаяся в чернилах для печатных плат, и сера, выделяемая из герметизирующих клейких полосок.

В этом информационном документе особое внимание уделяется аспекту сульфурации MLCC, связанному с единичным отказом. В сочетании с более чем 1000 группами данных ускоренных испытаний на сероводород из сторонних лабораторий и более чем 50 случаями полной массовой доработки машин он разбирает микромеханизм коррозии концевых электродов, различает два основных сценария коррозии эндогенной и экзогенной серы, сопоставляет стандарты IEC 60068-2-43 и JEDEC JESD22-A104, стандарты испытаний на сульфирование, формулирует четырехуровневые стандарты выбора материалов для защита от сульфурации, обеспечивает трехмерную интегрированную схему исправления, охватывающую технологию печатных плат, структурную герметизацию и замену материалов, и соответствует полному процессу анализа отказов от сульфурации и стандартам приемочных испытаний. Это помогает группам исследований и разработок, качества и закупок полностью устранить скрытую опасность хронического разрыва цепи, вызванную сульфурацией MLCC.

1. Структура терминального электрода MLCC и основной механизм отказа сульфирования

1.1 Стандартная структура обычного трехслойного концевого электрода MLCC

Внешние концевые электроды общекоммерческих MLCC имеют единую трехслойную гальваническую структуру. Каждый слой имеет огромные различия в функциях и устойчивости к сере, что также является основным структурным недостатком для разрушения сульфурации:

1. Нижний слой: проводящий слой серебра (Ag): непосредственно прикреплен к керамическому корпусу и отвечает за соединение внутренних ламинированных электродов с оптимальной проводимостью. Он имеет нулевую стойкость к сере и чрезвычайно склонен к химической реакции с ионами серы, выступая в качестве основного слабого слоя сульфурационной коррозии.
2. Средний слой: барьерный слой никеля (Ni): блокирует эрозию при пайке при высокой температуре и проникновение флюса. Толщина обычного слоя никеля составляет всего 2-3 мкм с микропорами и отверстиями, что не позволяет полностью изолировать проникновение сернистого газа.
3. Поверхностный слой: слой оловянного припоя (Sn): обеспечивает пайку поверхностного монтажа и защищает внутренние металлические слои. Слой олова не может блокировать проникновение низкомолекулярного сероводорода.

Основная проблема: Обычный никелевый барьерный слой имеет естественные микропоры. Маломолекулярный сероводород может проникать через поверхностные слои олова и средние слои никеля, напрямую контактируя с нижним серебряным электродом и запуская необратимые химические реакции.

1.2 Уравнение химической реакции сульфирования и процесс микроразрушения

После проникновения сероводорода в электроды при нормальной температуре и давлении без помощи высокого напряжения или высокой температуры происходят спонтанные реакции коррозии:

Основная формула реакции: 4Ag + H₂S + O₂ = 2Ag₂S (сульфид серебра) + 2H₂O.

Сульфид серебра представляет собой черное изолирующее твердое вещество, непроводящее и несамовосстанавливающееся. Весь процесс коррозии разделен на четыре этапа с сильной маскировкой:

1. Стадия 1 (инкубационный период: 1-3 месяца): Ионы серы проникают в микропоры покрытия и вызывают локальную коррозию слоя серебра. Никаких изменений в электрических характеристиках; емкость, импеданс и ток утечки проходят тестирование LCR, и скрытые опасности не могут быть обнаружены при обычном заводском осмотре.
2. Этап 2 (Период разработки: 3–12 месяцев): Изолирующий сульфид серебра постоянно распространяется, эффективная проводящая площадь электродов сжимается, эквивалентный импеданс MLCC медленно растет, пульсации силового контура слегка увеличиваются, а в целом оборудование время от времени случайным образом перезапускается с невоспроизводимыми неисправностями.
3. Стадия 3 (Период вспышки: 1–3 года): Концевые электроды полностью изолированы сульфидом серебра, что приводит к полному размыканию цепи, прерыванию электропитания, сбою питания микросхемы и прямому простою всего оборудования.
4. Стадия 4 (Вторичное повреждение): Аномальное повышение напряжения после разрыва цепи приводит к перенапряжению окружающих параллельных компонентов, что приводит к повреждению цепи компонентов партии.

1.3 Различие визуальных и микропризнаков неисправности (быстрая идентификация неисправности сульфирования)

2. Два основных источника серной коррозии: экзогенная сера + эндогенная сера (полная сортировка по сценариям)

Большинство инженеров обращают внимание только на экзогенную серу во внешней атмосфере и игнорируют эндогенную серу, образующуюся внутри комплектных машин, что является основной причиной того, почему оборудование внутри помещений по-прежнему страдает от серы из-за MLCC.

2.1 Экзогенная серная коррозия: проникновение во внешнюю среду (наружные/промышленные сценарии)

• Загрязнение атмосферы: следы сероводорода и диоксида серы, содержащиеся в городской дымке, промышленных отходах и выхлопах автомобилей.
• Особые условия работы: среды с высокой концентрацией серы, такие как химические заводы, фермы, станции очистки сточных вод и шахты.
• Климатическая среда: горячий и влажный прибрежный воздух ускоряет скорость реакции электрохимической коррозии ионов серы.

2.2 Эндогенная серная коррозия: самогенерируемая сера внутри готовых машин (наиболее легко игнорируется)

• Подложка печатной платы и краска для паяльной маски: Обычный зеленый паяльный резист содержит отвердитель серы, который медленно выделяет сернистый газ при длительной работе при высоких температурах.
• Конструктивные аксессуары: силиконовые уплотнительные кольца, пенопласт, резиновые проволоки и термический силикагель выделяют серу при высокой температуре.
• Расходные материалы для пайки: Остатки серосодержащего флюса постоянно разъедают концевые электроды, если очистка не завершена.
• Периферийные компоненты: Упаковочный клей электролитических конденсаторов и индукторов медленно испаряет серосодержащие органические вещества.

Основной вывод: Герметичное комплексное машинное оборудование без внешнего воздухозаборника все равно будет подвержено серообразованию в открытом контуре MLCC. Эндогенная серная коррозия является причиной до 61% отказов комплексных машин, связанных с сульфированием. Необходимо внедрить единую защиту от серы, и сама по себе герметизация корпуса не может решить проблему.

3. Стандартная схема ускоренных испытаний на сульфирование (непосредственное копирование для входного контроля)

Обычные испытания при высокой и низкой температуре, температурном цикле и старении не могут вызвать отказ от сульфурации. Должны быть приняты специальные ускоренные испытания на сероводород, определяющие универсальные международные стандарты испытаний, которые могут быть непосредственно включены в спецификации входного контроля предприятия.

3.1 Эталон двух основных стандартов испытаний

• IEC 60068-2-43: Общий тест на сероводород для электронных компонентов, 10 ppm H₂S, 40 ℃, относительная влажность 85 %, непрерывно в течение 96 часов.
• JEDEC JESD22-A104: Строгий класс для автомобильного и промышленного контроля, 10 ppm H₂S, непрерывная работа 240 часов; требования: отсутствие разрыва цепи после испытания, изменение импеданса <10 %

3.2 Стандарты квалифицированного суждения (жесткие индикаторы входящей приемки)

1. Электрические характеристики: скорость изменения емкости ≤±5%, отсутствие ослабления сопротивления изоляции, отсутствие отказов разомкнутой цепи.
2. Внешний вид: Нет почернения электрода и следов диффузионной коррозии.
3. Микросрез: на слое серебра электрода не образуется сульфид, нет канала проникающей коррозии в барьерном слое.

3.3 Распространенные недопонимания при тестировании

1. Недоразумение 1: Испытание солевым туманом может заменить испытание на сульфирование → Солевое распыление относится к хлорид-ионной коррозии, механизм которой полностью отличается от серной коррозии и не может выявить стойкость к сере.
2. Недоразумение 2: Длительная высокотемпературная сушка может устранить скрытые опасности серы → Она не может восстановить микропоры покрытия электродов и не может улучшить стойкость к сере.
3. Недоразумение 3: Конформное покрытие может полностью устранить сульфирование → Воздухопроницаемость обычного конформного покрытия не может блокировать низкомолекулярный сероводород, а только задерживает коррозию, а не радикальное отверждение.

4. Четырехуровневая система выбора материалов MLCC с защитой от серы (прямой выбор по сценарию)

Четыре уровня защиты разделены в зависимости от концентрации серы в рабочем состоянии и требований к полному сроку службы машины, без повторной оценки выбора; Доступно прямое сопоставление соответствующих материалов.

5. Трехмерная комплексная схема сульфурационной ректификации (материал + процесс + структура, готовая к внедрению)

5.1 Материальная сторона: замена источника (наиболее радикальное решение первопричины)

1. Отменить обычный MLCC уровня 0 единообразно для всех ключевых силовых контуров и развязывающих конденсаторов основного управления, перейти на модели с улучшенной защитой от серы уровня 2.
2. Используйте цельноникелевую клемму MLCC, не содержащую серебра, непосредственно для тяжелых условий работы с высоким содержанием серы, чтобы исключить коррозию подложки с уровня материала.
3. Запрещается смешивать конденсаторы с выводами разных процессов во избежание дифференцированных отказов, вызванных несоответствием партий.

5.2 Технологическая сторона SMT: сокращение остатков эндогенной серы

1. Внедрить экологически чистый флюс, не содержащий серы, и полностью отказаться от серосодержащих флюсов.
2. Улучшите процесс очистки печатной платы, используйте промывку водой для тщательного удаления остатков флюса с поверхности платы.
3. Регулярно обслуживайте печи оплавления и пайки волной, чтобы избежать вторичного прилипания загрязняющих серы веществ в печах к клеммам компонентов.

5.3 Полная конструкция машины. Сторона: вспомогательная задержка коррозии.

1. Распылите конформное покрытие высокой плотности для наружного оборудования с высокой влажностью, выберите конформный клей с низким содержанием серы для изоляции внешних водяных паров и сернистого газа.
2. Добавьте дышащую водонепроницаемую мембрану к всей конструкции машины, чтобы сбалансировать внутреннее и внешнее давление воздуха, блокируя при этом крупные молекулы вредного газа.
3. Размещайте MLCC подальше от мест с аксессуарами с высоким содержанием серы, такими как силикагель, резина и термопрокладки на печатной плате.

6. Рассмотрение реальных случаев массовых отказов на месте

Случай 1: Массовый простой источника питания уличных фонарей (типичный случай экзогенной серы)

Явление неисправности: после 14 месяцев поставки городских дорожных светодиодных уличных фонарей 30% источников питания не работали, не реагировали после включения питания и сбоя перезапуска.

Процесс анализа: Все MLCC 0603 1 мкФ на входных клеммах питания были разомкнуты; почернение у корней электродов было видно под микроскопом, а ЭДС-тест показал избыток элементов серы. Диоксид серы в наружной атмосфере постоянно разъедал терминальный слой серебра.

Исходная схема: Обычная обычная трехслойная клемма MLCC с напылением только обычного конформного покрытия.

Окончательное исправление: все заменено на толстое никелевое антисульфурное покрытие MLCC 2-го уровня, одновременно переключено на конформное покрытие высокой плотности. Отсутствие отказов для всего оборудования после непрерывной эксплуатации на открытом воздухе в течение 30 месяцев после устранения неисправности.

Случай 2: Случайный перезапуск электропитания в закрытом хранилище энергии (типичный случай эндогенной серы)

Явление неисправности: Полностью закрытый шкаф хранения энергии без внешнего подвода газа, аномальные пульсации мощности и случайный перезапуск оборудования после 8 месяцев эксплуатации.

Местоположение основной причины: Силиконовые термопрокладки внутри шкафа постоянно выделяют серосодержащий газ, концентрация серы накапливается в закрытом пространстве и корродируют концевые электроды MLCC, что соответствует типичному отказу эндогенной серы.

Схема устранения: Модернизация всех основных контуров управления на полностью никелевые антисульфурационные MLCC, не содержащие серебра, замена тепловых аксессуаров с низким содержанием серы внутри шкафа, чтобы полностью исключить скрытую опасность серообразования в закрытых помещениях.

7. Контрольный список стандартов НИОКР и качества по борьбе с серообразованием (непосредственно включен в DVP и входящие спецификации)

Му Сен Заключение

Нарушение сульфурации MLCC носит сильно замаскированный, отстающий характер и склонно к массовым вспышкам. Скрытые опасности не могут быть выявлены на ранней стадии с помощью обычных электрических испытаний, испытаний на старение и температурных циклов. После полного отказа оборудования затраты на доработку, послепродажное обслуживание и потерю бренда намного превышают разницу в цене материалов на сами конденсаторы. Большое количество происшедших в прошлом промышленных аварий доказывает, что структурная герметизация, защитное покрытие и технологическая очистка могут лишь замедлить коррозию и не могут фундаментально решить проблему проникновения микропор покрытия.

Единственный надежный путь решения проблемы сульфирования MLCC - это поэтапный выбор + модернизация исходного материала: подобрать соответствующие терминальные процессы уровня защиты от сульфирования в соответствии с интенсивностью эндогенной серы и экзогенной серы в полной среде обслуживания машины, непосредственно удалить структуру электрода со слоем серебра для сценариев высокого риска, чтобы полностью блокировать возникновение химических реакций сульфирования.

Компания Dongguan Musen Leyton Electronic Technology Co., Ltd. поддерживает два индивидуальных терминальных процесса: антисульфурирование загущенного никеля и антисульфирование полностью никеля без серебра для полной серии MLCC, полностью охватывая все уровни защиты от уровня 1 до уровня 3. Мы можем бесплатно предоставить сторонние отчеты об испытаниях на сероводород и отчеты об анализе микросекций. Между тем, мы предлагаем бесплатный обзор рисков по борьбе с серообразованием в списке спецификаций для клиентов, чтобы одним щелчком мыши проверить скрытые опасности серообразования конденсаторов для всего оборудования, полностью избегая долгосрочных рисков отказа обрыва цепи в полевых условиях.