Untersuchungen an Keramik-Kondensatoren SAET – Treffen 56 ... · MIL-PRF-49470 - Capacitor, Fixed, Ceramic Dielectric, Switch Mode Power Supply (General Purpose and Temperature

Untersuchungen an Keramik-Kondensatoren SAET – Treffen 56

2010-11-24

Lutz BruderreckTechnoLab GmbHAm Borsigturm 46, 13507 [email protected].: 030-4303 3162Fax: 030-4303 3169

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Lutz BruderreckTechnoLab GmbHAm Borsigturm 46 13507 Berlinwww.technolab.de

Klassifizierung

Monolayer (i.A. Scheibe)

Kondensatoren mit keramischem Dielektrikum

moldedcase dipped

Multilayer Chipbauform

Multilayer

CMC – Multilayer in Chipbauform

Allgemein: monolitischer Verbund aus elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Lagen

Begriffe:CMC ceramic multilayer capacitorMLCC multilayer ceramic capacitorMLCCC multilayer ceramic chip capacitorKerkoKeko


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SMD-Chip-Capacitor - Aufbau

Quelle: Vishay /Vitramon

•Decklagen

Dielektrikumslagen

Elektrodenlagen

Anschlussmetallisierung


Gebräuchlichste BauformVielseitige Anpassung :Bauart (SMD, THT)Baugrösseelektrische Parameter (Kapazität, Reststrom, Spannungsfestigkeit,Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik, Kapazitäts-Frequenz-Charakteristik, Kapazitäts-Zeit-Charakteristik, Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik)Montageverfahren (Löten, Kleben, Bonden)Hohe PackungsdichteRobustpreisgünstigTechnologisch erprobtes Volumenbauelement(geschätzte Jahresmenge weltweit etwa 20 Mrd Bauelemente pro Jahr)Trend zur Miniaturisierung




CMC – Untersuchungen

Anforderungen an das Labor können auftreten in den Kategorien:

1) Offensichtliche FehlerOptisch auffällig im Befund der Eingangsinspektion

2) Offensichtliche FehlerAuffällig im technologischen Prozess oder beim Rework, Benetzungsfehler

3) Verdeckte FehlerOptisch unauffällig, auffällig in den elektrischen Parametern unmittelbar nach Verarbeitung

4) Verdeckte Fehler mit Zeitversatz Optisch unauffällig, unauffällig in den elektrischen Parametern unmittelbar nach Verarbeitung, Zunahme des Leckstroms, atypische Drift, katastrophales Versagen


CMC – Untersuchungen

Abgeleitete Fragestellungen:

- Bewertung der Regelkonformität- Abwägen von Versagenseinflüssen Hersteller, Distributor, Verarbeiter, Anwender, Schaltungsentwickler, Service

- Interpretation von Merkmalen (Rissform, Einschlüsse, Benetzungseffekte)

-Präparationsdefekte bei Fremdpräparaten


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Beispiele Fertigungsfehler


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Beispiele Fertigungsfehler: Risse mit Fritte verfüllt


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Beispiele Fertigungsfehler: Lagenversatz


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Beispiele Fertigungsfehler: Verpressfehler


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CMC – Untersuchungen – Kategorie 1 und 2



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Hohlräume in CMCHohlräume sind prozessbedingtBewertungsrelevant sindGrösseFormLagebeziehungen (Porenketten)



Schadensfall Rissbildung, katastrophales VersagenCMC – Biegebruch



Schadensfall Rissbildung, katastrophales VersagenCMC – Thermocrack



Rissbildung, CMC – Durchschlag zwischen Lagen ohne weitere Folgen für den umgebenden Lagenaufbau



CMC – Bauelement zerstört ohne weitere Folgen für das Schaltungsumfeld


CMC – Bauelement zerstört

Thermische Zerstörung der Baugruppe



Keramikvielschichtkondensatoren (CMC) sind Bauelemente, die empfindlich sind gegen mechanische und thermomechanische Spannungen.

Es besteht die Gefahr von Rissen in der Lagenstruktur.Risse können Ursache für Kurzschlüsse werden.Folgen eines Kurzsschlusses hängen ab von der Impedanz der Quelle.Eine thermische Zerstörung der Baugruppe ist nicht auszuschliessen.Im Gegensatz zu Maschinenlötungen besteht bei den Handlötungen die Gefahr von einseitiger Erwärmung (Thermoschock) und Lotanhäufung ( balliges Lot, erhöhte mechanische Spannungen ).Sicherer Nachweis nur über zerstörende Prüfung (Metallographie)Auf den Baugruppen liegen an mehreren Positionen kritische Situationen vor:

Rework im Umfeld von Keramikvielschichtkondensatoren


CMC - Gefahr von Thermocracks (Layoutschwäche, bei neueren Versionsständen häufig behoben

TRXD 11 und 12, Baugruppen Typ983375H98237



TX-Buchse:Beschaltung mit CMC -Gefahr von Thermocracks +mechanische Spannungen durch ungünstige Anordnung zur Schraubverbindung

Amplifier-ModulBaugruppen-Typ6134



CMC an Handlötstellen- Gefahr von Thermocracks

Amplifier-ModulBaugruppen Typ6134



CMC an Handlötstellen- Gefahr von Thermocracks

Amplifier-ModulBaugruppen Typ98275



CMC – RegelwerkeEIA 469D Test Method for Destructive Physical Analysis of High Reliability Ceramic Monolithic Capacitors

ECA EIA-595-A VISUAL AND MECHANICAL INSPECTION MULTILAYER CERAMIC CHIP CAPACITORS

MIL-PRF-123 - Capacitors, Fixed, Ceramic, Dielectric, (Temperature Stable andGeneral Purpose), High Reliability General Specification for

MIL-PRF-49470 - Capacitor, Fixed, Ceramic Dielectric, Switch Mode Power Supply (General Purpose and Temperature Stable), Standard Reliability and High Reliability, General Specification for

MIL-PRF-55681 - Capacitor, Chip, Multiple Layer, Fixed, Ceramic Dielectric, Established and Nonestablished Reliability, General Specification for.

MIL-C-11015Capacitor, Fixed, Ceramic Dielectric (General Purpose)


CMC – Regelwerke60384-1 Fixed Capacitors

60384-21 Class 1 Ceramic Capacitors

60384-22 Class 2 Ceramic Capacitors

60068-2-21 test Ub leaded Components

60068-2-21 test Ue1 SMD Bending Test

60068-2-21 test Ue3 SMD

DIN 45910 Teil 16 -21, 161, 163, 171-173, 181, 201, 211

EIA/IS-47 Contact Termination Finish Standard for Surface Mount Devices

EIA-PDP-100 Registered and Standard Mechanical Outlines for Electronic Parts


CMC – Regelwerke – Anforderungen in der Applikation

MIL-PRF-38534G, PERFORMANCE SPECIFICATION: HYBRID MICROCIRCUITS, GENERAL SPECIFICATION FOR (9 MAR 2009)

JEP 142, “Guideline for Obtaining and Accepting Material for use in Hybrid/MCMProducts

AEC-Q-200 Qualification for Passive Components

CMC – Untersuchungsmethoden1) optische Inspektion im Makro und Mikrobereich an der Baugruppe

2) elektrische Messungen:KapazitätGüte / DämpfungsfaktorReststrom

3) Verhalten während der metallographischen PräparationSchleifhärte, Kantenverhalten

4) optische Inspektion im Makro und Mikrobereich nach der metallographischen Präparation

5) mechanische Untersuchungen: Biegefestigkeit, Bruchfestigkeit, Fraktographie

6) technologische Parameter:- Lötbarkeit- Maßhaltigkeit- Haftfestigkeit von Kleber (z.B. Heissschertest)

CMC – Untersuchungsmethoden

Ziel: Sicheres Erkennen von defekten Keramikkondensatoren

Idealfall: alle während der Lebensdauer ausfallrelevanten Defekte werden mit dem Verfahren schnell und kostengünstig erkannt

Realität: Kompromiss aus der Erkennung der verschiedenen Fehlermerkmale und Beschreibungsgrössen


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Untersuchungen an SMD – Kondensatoren: Testverfahren


Feuchte Wärme druckbehaftet: pressure-cooker-test 121°C und 120kPa mit

gesättigter Feuchte

Feuchte Wärme drucklos: 85°C und 85% relative Feuchte

•Testziel:

Schnelles Sättigen des Keramikgefüges mit Feuchte, Migration entlang von Rissen

wird stimuliert

Nachteil

Breitbandtest auf Baugruppenebene

Wirksamkeit nur bei nach aussen hin offenen Rissen

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•High Temperature Operating Life Test nach MIL-STD-202

•Versuchsmethodik: Kombination aus

•trockene Wärme : 125°C

•Elektrische Last (üblich ist Nennspannung*2,5)

•Testziel:

•Migration entlang von Rissen wird stimuliert durch Materialeffekte nahe der

Curietemperatur

•Dry Migration

•(Ag, Ni bedingt)

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High Temperature Operating Life Test nach MIL-STD-202

Bewertung:

Stromverlauf

Vorteil

Einfache Versuchskammern

Verdeckte Risse im Inneren der Struktur werden stimuliert

Nachteil

Lange Versuchsdauern (bis 1000h)

Nur an Demonstratoren sinnvoll

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Inspektion am metallographischen Präparat


•Fertigungsfehler

•Erkennung von Rissen, Zuordnung der Bruchform:

•Thermoschock

•thermomechanischer Gewaltbruch

• isothermer Gewaltbruch

•Folgefehler bei elektrischem Betrieb

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Metallographische Präparation am Schadensobjekt


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Benchmark MLCC BruchfestigkeitInspektion der Bruchkanten im REM


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Inspektion der Bruchkanten im REM


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Benchmark MLCC Biegefestigkeit


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PRÜFPLANPRÜFPLAN

B

ASubstrate Bending TestReflowlötung

DIN EN 60068-2.21Durchbiegung 6mm

10 Boards a 10 Bauelemente

Substrate Bending TestWellenlötung

DIN EN 60068-2.21Durchbiegung 6mm


Substrate Bending TestReflowlötung

DIN EN 60068-2.21Durchbiegung*)


Substrate Bending TestWellenlötung

DIN EN 60068-2.21Durchbiegung*)


T-Lagerung Messung el. Parameter nach Versuchsende /Schliffuntersuchung

Kapazität Spannung Keramik Bauform470nF 50V X7R 1206 1470nF 50V Z5U 1206 1100nF 50V X7R 1206 2220nF 50V X7R 1206 2100nF 50V X7R 0805 2

8Gesamtzahl der Lose:

LoseBAUELEMENT

Reflow Welle Reflow Welle

120 LP 120 LP 40 LP 40 LP

SUBSTRATEPadlayout 0805Padlayout 1206

2 Kondensatorvarianten6 Kondensatorvarianten

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TDK470n 50VX7R 1206

[R]

TDK470n 50VX7R 1206

[W]

EPCOS470n 50VZ5U 1206

[R]

EPCOS470n 50VZ5U 1206

[W]

TDK220n 50VX7R 1206

[R]

TDK220n 50VX7R 1206

[W]

KEM ET220n 50VX7R 1206

[R]


[W]

M URATA100n 50VX7R 1206

[R]

M URATA100n 50VX7R 1206

[W]


[R]


[W]

TDK100n 50VX7R 0805

[R]

TDK100n 50VX7R 0805

[W]


[R]


[W]

1,01,11,21,31,41,51,61,71,81,92,02,12,22,32,42,52,62,72,82,93,03,13,23,33,43,53,63,73,83,94,0

I-Messg.Ausfall 100% 100% 20% 10% 10% 10% 100%

Q -- -- -- - o - - -- -- - + -- -- + -- --

Klas

se

Dur

chbi

egun

g be

i B

ruch

in m

m

Bauform 1206 Bauform 0805470 nF / 50V 220 nF 100 nF

TDK EPCOS TDK KEMET MURATA KEMET TDK KEMETX7R Z5U X7R X7R X7R X7R X7R X7R

Spannweite der Biegebelastbarkeit

Mittelwert 2,4mm

Untere Bruchgrenze 1,9 mm

Ausfall nach Auslagerung

Relative Bewertung

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Fazit Bewertungsverfahren

•Es gibt nicht „das“ Bewertungsverfahren

•Zweckmässig ist eine Kombination der vorstehend genannten Verfahren

•Bewertung von Lieferanten in benchmarktest unter Einsatz von

Gewichtungsfaktoren

•Kritische Wertung von Zusagen in den Datenblättern (Parameter Biegetest)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !


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