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Untersuchungen an Keramik-Kondensatoren SAET – Treffen 56
2010-11-24
Lutz BruderreckTechnoLab GmbHAm Borsigturm 46, 13507 Berlinwww.technolab.deLutz.Bruderreck@technolab.deTel.: 030-4303 3162Fax: 030-4303 3169
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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
CMC – Multilayer in Chipbauform
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
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CMC – Multilayer in Chipbauform
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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
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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
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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
Beispiele Fertigungsfehler
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Beispiele Fertigungsfehler
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CMC – Untersuchungen – Kategorie 1 und 2
Hohlräume in CMCHohlräume sind prozessbedingtBewertungsrelevant sindGrösseFormLagebeziehungen (Porenketten)
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CMC – Untersuchungen – Kategorie 3 und 4
Schadensfall Rissbildung, katastrophales VersagenCMC – Biegebruch
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CMC – Untersuchungen – Kategorie 3 und 4
Schadensfall Rissbildung, katastrophales VersagenCMC – Thermocrack
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CMC – Untersuchungen – Kategorie 3 und 4
Rissbildung, CMC – Durchschlag zwischen Lagen ohne weitere Folgen für den umgebenden Lagenaufbau
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CMC – Untersuchungen – Kategorie 3 und 4
CMC – Bauelement zerstört ohne weitere Folgen für das Schaltungsumfeld
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CMC – Bauelement zerstört
Thermische Zerstörung der Baugruppe
CMC – Untersuchungen – Kategorie 3 und 4
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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
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CMC - Gefahr von Thermocracks (Layoutschwäche, bei neueren Versionsständen häufig behoben
TRXD 11 und 12, Baugruppen Typ983375H98237
Rework im Umfeld von Keramikvielschichtkondensatoren
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TX-Buchse:Beschaltung mit CMC -Gefahr von Thermocracks +mechanische Spannungen durch ungünstige Anordnung zur Schraubverbindung
Amplifier-ModulBaugruppen-Typ6134
Rework im Umfeld von Keramikvielschichtkondensatoren
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CMC an Handlötstellen- Gefahr von Thermocracks
Amplifier-ModulBaugruppen Typ6134
Rework im Umfeld von Keramikvielschichtkondensatoren
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CMC an Handlötstellen- Gefahr von Thermocracks
Amplifier-ModulBaugruppen Typ98275
Rework im Umfeld von Keramikvielschichtkondensatoren
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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)
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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
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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
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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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Untersuchungen an SMD – Kondensatoren: Testverfahren
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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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Untersuchungen an SMD – Kondensatoren: Testverfahren
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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
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•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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Metallographische Präparation am Schadensobjekt
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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
10 Boards a 10 Bauelemente
Substrate Bending TestReflowlötung
DIN EN 60068-2.21Durchbiegung*)
10 Boards a 10 Bauelemente
Substrate Bending TestWellenlötung
DIN EN 60068-2.21Durchbiegung*)
10 Boards a 10 Bauelemente
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]
KEM ET220n 50VX7R 1206
[W]
M URATA100n 50VX7R 1206
[R]
M URATA100n 50VX7R 1206
[W]
KEM ET100n 50VX7R 1206
[R]
KEM ET100n 50VX7R 1206
[W]
TDK100n 50VX7R 0805
[R]
TDK100n 50VX7R 0805
[W]
KEM ET100n 50VX7R 0805
[R]
KEM ET100n 50VX7R 0805
[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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