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    技術文章

    超聲波如何捕獲電容器缺陷

    大多數MLCC相對便宜,但是當電容器失效時,后果可能是從視頻圖像的微小變化到系統完全故障。因此,他們的測試很重要。

    多層陶瓷片狀電容器(MLCC)通過存儲能量并在需要時釋放能量來工作。它們由具有薄金屬電極和較厚陶瓷電介質或絕緣體的交替層的堆疊組成。由于它們的分層結構,MLCC非常適合通過聲學顯微成像(AMI)工具進行檢查。

    該工具將超聲波脈沖發送到MLCC的表面,并接收并分析零件內部的回波。它以每秒30,000次的速度執行此任務,同時在其表面上方的MLCC上進行掃描。最終結果是MLCC內部的聲學圖像,包括結構缺陷。

    回波僅來自材料界面,即一種材料與另一種材料接觸。在半導體器件中,這可能是模塑料和硅之間的界面,由于兩種材料的聲阻抗(聲速x密度)值差異很大,因此回聲會很強。

    用于檢查IC器件的AMI工具的操作員可能正在處理幾到幾個深度的特征,但是即使是小的低壓MLCC也會具有數百個陶瓷和金屬的交替層。在固體材料之間的界面處,一部分脈沖被反射,一部分通過界面傳輸。如果陶瓷和金屬的聲阻抗彼此非常不同,則在前幾層之后,發射的脈沖可能會完全衰減。但是,MLCC中陶瓷和金屬的聲阻抗略有不同,因此即使有數百層,回波也可以脈沖進入MLCC的底層并從其反射。

    MLCC的電氣故障可能始于在組件制造期間捕獲的空氣夾雜物。夾雜物大致可分為兩種:空隙和分層??障洞嬖谟陔娊橘|中,為球形或幾乎任何其他形狀,但通常比分層更立體。分層通常是電介質和電極之間的扁平氣穴。

    在熱循環的機械和電應力作用下,空隙和分層都會擴大,從而引起介電擊穿。當通過兩個電極層之間的電介質形成導電路徑并變為泄漏路徑或短路時,就會發生故障。

    因此,在將MLCC安裝到板上之前(或者在必要時甚至在安裝之后),在MLCC中查找任何空隙或分層或其他氣隙也是有益的。無論AMI工具是對單個MLCC還是對整個MLCC托盤成像,成像過程都遵循以下順序:

    換能器發出一個脈沖,并通過水柱傳播3mm左右,到達MLCC表面上的精確xy位置。

    水和MLCC表面之間的界面將一部分脈沖反射回換能器,在那里記錄其傳播時間(以納秒為單位),以提供換能器與MLCC之間精確距離的記錄。

    脈沖的另一部分穿過界面并傳播到包含電容器的陶瓷金屬層中,在該處金屬在每個材料界面處都被輕微反射。

    在電容器內,如果脈沖撞擊到充氣空隙或分層的頂表面,則實際上所有脈沖都會反射到換能器上,在那里測量其幅度,到達時間以及其他一些特性。由它制成的像素將是亮白色或亮紅色,這兩種顏色通常用于指示最大幅度的反射。

    如果脈沖沒有撞擊到固體-空氣界面,它將繼續到達電容器的底部,并從那里反射回換能器。通過穿越這么多的最小反射界面(去向和返回),脈沖/回波將失去能量。

    圖1示出了具有較大內部缺陷的MLCC的聲像。向構成整個聲像的數千個xy位置中的每個位置發出一個脈沖,然后將左側顏色圖中的顏色分配給每個位置。綠色像素代表二極電極組,紅色代表周圍的包裝。


    內部分層大的MLCC的聲像
    圖1:內部分層較大(白色)的MLCC的聲像

    左側區域中的純白色表示具有最高振幅的回波。該區域是分層中電極與空氣之間的界面。沒有超聲波脈沖在該區域傳播得更深,因為即使這些空氣的厚度僅為微米的一小部分,這些頻率的超聲波也不會在空氣中傳播。

    圖2中顯示了一盤經過聲學成像的MLCC托盤的一小部分,同時從電容器內的所有深度收集回聲,以制作此圖像。結果是所有氣隙缺陷都是可見的,但是此圖像中沒有信息來確定其評估深度的順序。因此,每個步驟都可以制成聲波橫截面或單獨的圖像。

    MLCC托盤的一部分; 白色特征是缺陷
    圖2:MLCC托盤的一部分;白色特征是缺陷

    六個電容器中的三個具有空氣缺陷。缺陷中的四個是小的空隙,但是第五個是大規模分層,在電容器內合并了未知數量的層。在此圖像中,只有少量缺陷的兩個電容器此時可能在電氣上可行,但第五個電容器幾乎肯定不是。

    托盤中的大量MLCC通過自動AMI工具快速成像。在組裝中使用大量電容器之前,應先去除被標識為具有缺陷的MLCC。

    圖3顯示了在同一MLCC中成像的兩個(六個)級別的聲像。為了從每個深度生成單獨的聲像,設置了一個門,告訴換能器中的回波接收器使用其到達時間表明它們起源于深度A和深度B之間的回波來生成單獨的圖像。

    MLCC中門3和4的成像
    圖3:MLCC中3號和4號門的成像

    在總時間跨度的前六分之一中到達的回波被分配給門1,并顯示為單獨的圖像。接下來的第六個分配給第2個門,依此類推。結果是一個圖像序列,顯示了六個均勻厚度的切片中的電容器內部。如果需要,可以有數百個或更多的切片,并且它們可以具有不同的厚度,范圍從極薄到極薄。當有必要知道組件內特定深度處存在哪些特征時,這是一種非常有用的成像模式。

    該電容器中兩個堆疊中的每個堆疊中的極板是錯開的。如果將澆口4中的兩個板(在底部)推到一起,它們的方向將與澆口3中的板(在頂部)相同。

    總體而言,該電容器具有太多的空隙,無法進行組裝。大多數空隙僅在兩個圖像之一中可見,但是在兩個圖像中都可以看到一些可能靠近或位于兩個板之間邊界的空隙。

    還有一些較暗的特征是位于給定門上方的空隙或分層的聲學陰影。其中兩個用紅色和綠色的點標記。帶有兩個標記的項目必須位于1號門或2號門的上方。

    這是發生的事情:來自換能器的脈沖撞擊門1或門2的特征,并反射到換能器,從而“消耗”了該xy位置的回波。沒有超聲波在該位置傳播得更深,因此,當換能器收集來自門3和4的回波時,在該xy位置沒有任何東西,這仍然是一個暗像素。

    可以使用大約十二種其他AMI工具成像模式來成像MLCC。一種成像模式可根據需要通過MLCC中的許多垂直平面進行非破壞性橫截面。另一種成像模式從三個維度顯示內部特征。

    另一種模式是對MLCC表面的平坦度進行成像,而另一種模式則是對單個超聲頻率進行成像。

    還有一種方法,對于大功率MLCC尤其有用,它可以將能夠阻止超聲的所有內部特征成像為聲影,如圖3所示。詳細操作如圖4所示。


    將內部缺陷成像為陰影
    圖4:將內部缺陷成像為陰影

    該方法僅在脈沖傳播到電容器的底部并返回而沒有遇到可成像的特征時才收集回波(如圖中中心所示)?;夭〞兴p,但會在恰好合適的時間到達分配給它的門。聲學圖像將在此xy位置顯示灰色像素。

    圖4的左側是在淺深度遇到圓形空隙的脈沖的路徑。未被空隙的傾斜側散射的超聲將在換能器的方向上反射。但是,由于距離較小,因此到達時間太早,因此無法收集。但是沒有超聲波會到達空隙正下方的底部。它周圍的區域將從底部反射,并創建一個灰色像素。然后,在聲像中,橢圓形脈沖將為黑色(在正確的時間未接收到任何回波),但被灰色像素包圍。

    右下角的平面分層基本上具有相同的命運。當脈沖撞擊時,超聲波會被反射,但是它到達得太早而無法進入適當的門。像空隙一樣,它變成了灰色場中的黑色聲學陰影。

    因此,整個聲學圖像將顯示出作為黑暗特征(聲學陰影)的空隙和分層。由于空隙和分層在任何深度都是有害的,因此任何表現出暗淡特征的電容器都將被丟棄。由于僅存在缺陷就足以使這種電容器不合格,因此缺陷的深度并不重要。

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