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超声波如何捕获电容器缺陷

大多数MLCC相对便宜,但是当电容器失效时,后果可能是从视频图像的微小变化到系统完全故障。因此,他们的测试很重要。

多层陶瓷片状电容器(MLCC)通过存储能量并在需要时释放能量来工作。它们由具有薄金属电极和较厚陶瓷电介质或绝缘体的交替层的堆叠组成。由于它们的分层结构,MLCC非常适合通过声学显微成像(AMI)工具进行检查。

该工具将超声波脉冲发送到MLCC的表面,并接收并分析零件内部的回波。它以每秒30,000次的速度执行此任务,同时在其表面上方的MLCC上进行扫描。最终结果是MLCC内部的声学图像,包括结构缺陷。

回波仅来自材料界面,即一种材料与另一种材料接触。在半导体器件中,这可能是模塑料和硅之间的界面,由于两种材料的声阻抗(声速x密度)值差异很大,因此回声会很强。

用于检查IC器件的AMI工具的操作员可能正在处理几到几个深度的特征,但是即使是小的低压MLCC也会具有数百个陶瓷和金属的交替层。在固体材料之间的界面处,一部分脉冲被反射,一部分通过界面传输。如果陶瓷和金属的声阻抗彼此非常不同,则在前几层之后,发射的脉冲可能会完全衰减。但是,MLCC中陶瓷和金属的声阻抗略有不同,因此即使有数百层,回波也可以脉冲进入MLCC的底层并从其反射。

MLCC的电气故障可能始于在组件制造期间捕获的空气夹杂物。夹杂物大致可分为两种:空隙和分层。空隙存在于电介质中,为球形或几乎任何其他形状,但通常比分层更立体。分层通常是电介质和电极之间的扁平气穴。

在热循环的机械和电应力作用下,空隙和分层都会扩大,从而引起介电击穿。当通过两个电极层之间的电介质形成导电路径并变为泄漏路径或短路时,就会发生故障。

因此,在将MLCC安装到板上之前(或者在必要时甚至在安装之后),在MLCC中查找任何空隙或分层或其他气隙也是有益的。无论AMI工具是对单个MLCC还是对整个MLCC托盘成像,成像过程都遵循以下顺序:

换能器发出一个脉冲,并通过水柱传播3mm左右,到达MLCC表面上的精确xy位置。

水和MLCC表面之间的界面将一部分脉冲反射回换能器,在那里记录其传播时间(以纳秒为单位),以提供换能器与MLCC之间精确距离的记录。

脉冲的另一部分穿过界面并传播到包含电容器的陶瓷金属层中,在该处金属在每个材料界面处都被轻微反射。

在电容器内,如果脉冲撞击到充气空隙或分层的顶表面,则实际上所有脉冲都会反射到换能器上,在那里测量其幅度,到达时间以及其他一些特性。由它制成的像素将是亮白色或亮红色,这两种颜色通常用于指示最大幅度的反射。

如果脉冲没有撞击到固体-空气界面,它将继续到达电容器的底部,并从那里反射回换能器。通过穿越这么多的最小反射界面(去向和返回),脉冲/回波将失去能量。

图1示出了具有较大内部缺陷的MLCC的声像。向构成整个声像的数千个xy位置中的每个位置发出一个脉冲,然后将左侧颜色图中的颜色分配给每个位置。绿色像素代表二极电极组,红色代表周围的包装。


内部分层大的MLCC的声像
图1:内部分层较大(白色)的MLCC的声像

左侧区域中的纯白色表示具有最高振幅的回波。该区域是分层中电极与空气之间的界面。没有超声波脉冲在该区域传播得更深,因为即使这些空气的厚度仅为微米的一小部分,这些频率的超声波也不会在空气中传播。

图2中显示了一盘经过声学成像的MLCC托盘的一小部分,同时从电容器内的所有深度收集回声,以制作此图像。结果是所有气隙缺陷都是可见的,但是此图像中没有信息来确定其评估深度的顺序。因此,每个步骤都可以制成声波横截面或单独的图像。

MLCC托盘的一部分; 白色特征是缺陷
图2:MLCC托盘的一部分;白色特征是缺陷

六个电容器中的三个具有空气缺陷。缺陷中的四个是小的空隙,但是第五个是大规模分层,在电容器内合并了未知数量的层。在此图像中,只有少量缺陷的两个电容器此时可能在电气上可行,但第五个电容器几乎肯定不是。

托盘中的大量MLCC通过自动AMI工具快速成像。在组装中使用大量电容器之前,应先去除被标识为具有缺陷的MLCC。

图3显示了在同一MLCC中成像的两个(六个)级别的声像。为了从每个深度生成单独的声像,设置了一个门,告诉换能器中的回波接收器使用其到达时间表明它们起源于深度A和深度B之间的回波来生成单独的图像。

MLCC中门3和4的成像
图3:MLCC中3号和4号门的成像

在总时间跨度的前六分之一中到达的回波被分配给门1,并显示为单独的图像。接下来的第六个分配给第2个门,依此类推。结果是一个图像序列,显示了六个均匀厚度的切片中的电容器内部。如果需要,可以有数百个或更多的切片,并且它们可以具有不同的厚度,范围从极薄到极薄。当有必要知道组件内特定深度处存在哪些特征时,这是一种非常有用的成像模式。

该电容器中两个堆叠中的每个堆叠中的极板是错开的。如果将浇口4中的两个板(在底部)推到一起,它们的方向将与浇口3中的板(在顶部)相同。

总体而言,该电容器具有太多的空隙,无法进行组装。大多数空隙仅在两个图像之一中可见,但是在两个图像中都可以看到一些可能靠近或位于两个板之间边界的空隙。

还有一些较暗的特征是位于给定门上方的空隙或分层的声学阴影。其中两个用红色和绿色的点标记。带有两个标记的项目必须位于1号门或2号门的上方。

这是发生的事情:来自换能器的脉冲撞击门1或门2的特征,并反射到换能器,从而“消耗”了该xy位置的回波。没有超声波在该位置传播得更深,因此,当换能器收集来自门3和4的回波时,在该xy位置没有任何东西,这仍然是一个暗像素。

可以使用大约十二种其他AMI工具成像模式来成像MLCC。一种成像模式可根据需要通过MLCC中的许多垂直平面进行非破坏性横截面。另一种成像模式从三个维度显示内部特征。

另一种模式是对MLCC表面的平坦度进行成像,而另一种模式则是对单个超声频率进行成像。

还有一种方法,对于大功率MLCC尤其有用,它可以将能够阻止超声的所有内部特征成像为声影,如图3所示。详细操作如图4所示。


将内部缺陷成像为阴影
图4:将内部缺陷成像为阴影

该方法仅在脉冲传播到电容器的底部并返回而没有遇到可成像的特征时才收集回波(如图中中心所示)。回波会有所衰减,但会在恰好合适的时间到达分配给它的门。声学图像将在此xy位置显示灰色像素。

图4的左侧是在浅深度遇到圆形空隙的脉冲的路径。未被空隙的倾斜侧散射的超声将在换能器的方向上反射。但是,由于距离较小,因此到达时间太早,因此无法收集。但是没有超声波会到达空隙正下方的底部。它周围的区域将从底部反射,并创建一个灰色像素。然后,在声像中,椭圆形脉冲将为黑色(在正确的时间未接收到任何回波),但被灰色像素包围。

右下角的平面分层基本上具有相同的命运。当脉冲撞击时,超声波会被反射,但是它到达得太早而无法进入适当的门。像空隙一样,它变成了灰色场中的黑色声学阴影。

因此,整个声学图像将显示出作为黑暗特征(声学阴影)的空隙和分层。由于空隙和分层在任何深度都是有害的,因此任何表现出暗淡特征的电容器都将被丢弃。由于仅存在缺陷就足以使这种电容器不合格,因此缺陷的深度并不重要。

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