塑封电子器件负极端变色原因分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第四十六研究所 作者:丁 丽

  利用X-RAY光电子能谱仪对125°下,通电15kV,96h后负极一端出现白色物质的塑封电容器进行分析。对比分析发现,负极一端白色物质为氧化铝富集所致。造成该现象的原因是,环氧塑封料中含有活性氧化铝,由于固化不完全或吸潮导致环氧塑封料中残留水分,残留的水分与活性氧化铝结合,在电应力的作用下,有向电源负极迁移的趋势;同时,由于温度效应的存在,塑封树脂软化,加速了水分与活性氧化铝向电源负极迁移的速度,形成了氧化铝在负极端富聚现象,使电容器负极端呈现白色。

  分立电子元器件需要经过封装获得很好的固定,通过封装达到与外界绝缘,杜绝灰尘和水汽的侵入,保证器件性能的稳定。同时封装后的电子元器件便于安装使用,便于保管。电子封装分为塑料封装、陶瓷封装、金属封装三种形式,其中塑料封装占集成电路和电子元器件封装的90%以上,塑料封装所用的封装材料包括灌封胶、聚酰亚胺、环氧塑封料等,其中环氧塑封料占塑料封装90% ~97%。

  环氧塑封料中60%~90%(质量比)是填充剂,因此填充剂的种类、含量及性能都直接影响环氧塑封料的性能。填充剂可以有效地增加复合材料的强度、弹性模量和硬度;还影响塑封料的线膨胀系数、体积电阻率、吸湿性等物理性能。填充剂的颗粒大小从几个纳米到几百微米之间不等。环氧塑封料中填充剂的主要作用是降低成本、提高热导率、降低热膨胀系数、增加强度,但填充剂物的不同对环氧塑封料的应力、吸水率、黏度等性能有一定的影响。文献报道,含有氧化铝的填充料,在温度反复变化过程中易产生热应力,并且会延长环氧体系固化时间。

  试验用电容器所使用的塑封料是添加了氧化铝填充料的环氧塑封料,在125℃,通电15kV,96h后,电容器负极变白。且现象普遍存在,虽未失效,但影响外观质量,遂开展电容器负极端变白现象原因分析。

1、试验

  试验用仪器:PHI5000Versa Prode X-射线光电子能谱(XPS)仪。试验样品选取:从变色电容器负极一端切取试验样品,分别从正常颜色区域和白色区域切取试验样品。图1显示电容器正极一端形貌和负极一端形貌,可见明显的白色物质存在。正极一端很坚硬,用刀片手工切无法获得试验样品。

电容器正极形貌和负极形貌

图1 电容器正极形貌和负极形貌

  利用XPS仪对电容器上正常区域和白色区域进行成分对比分析,分析结果显示:电容器负极端白色区域比正常区域主要多出氧化铝。电容器负极端白色区域的XPS如图2(a)所示,电容器负极端正常区域XPS如图2(b)所示。对应成分分析结果如表1、表2所示。

电容器白色区域和正常区域的XPS谱

图2 电容器白色区域和正常区域的XPS谱

表1 电容器负极端白色区域成分检测分析结果

容器负极端白色区域成分检测分析结果

表2 电容器负极端正常区域成分检测分析结果

电容器负极端正常区域成分检测分析结果

2、分析与讨论

  试验电容器使用的环氧塑封料是结晶硅微粉中加入10%的氧化铝,一方面提高了塑封料的导热性能,另一方面降低了成本,但同时延长了环氧体系的固化时间。由于氧化铝成本低,若纯度控制不当,难免混入活性氧化铝。活性氧化铝是γ-Al2O3,又俗称活性矾土,分子式Al2O(3-x)(OH)2x,0 吸附了水分的氧化铝,其存在形式主要以氢氧化物的形式存在,水是弱碱性电解质,在通电的情况下,氧化铝颗粒受极性的作用有向电源负极迁移的趋势。

  氢氧化铝的碱式电离:

Al(OH)3 →Al 3+ +3(OH)-    (1)

  环氧塑封料虽已固化,由于固化不彻底或环氧树脂吸潮,使得环氧树脂中有残存的水分,该部分水分被塑封料中的活性氧化铝吸附,常温下通电,由于固化的塑封料间隙很小,其中颗粒很难移动。但在125℃下,逐渐开始软化的环氧树脂韧性增加,残留或吸附的水分在温度作用下也加速了塑封料软化的进程,同时活性氧化铝中吸附的水分汽化,汽化后的水分升高了局部的压力,作用于具有一定韧性的塑封料上,撑大了活性氧化铝所在区域的空间,降低了活性氧化铝移动的阻力,形同探路者引导本身就有向电源负极运动倾向的活性氧化铝无孔不入地向电源负极运动。随着时间的推移,带有极性的活性氧化铝和汽化的水分持续向负极端迁移,最终迁移到了电源负极端以富集的形式表现出来,既负极端出现白色物质。塑封料中的水分是有限的,随着向负极端迁移,其正极端如同被烘烤一样,塑封料向着继续固化的方向发展,结果是正极端随着试验的继续逐渐变硬,负极端由于水分和氧化铝的汇聚呈现出比正极端软且颜色现白色。

3、结论

  塑封电容器经125℃,15kV,96h通电试验后,负极一端出现的白色物质,主要是氧化铝富集所致。氧化铝富集的形成原因:在电容器塑封过程中由于塑封料固化不彻底或塑封料吸潮导致固化的环氧树脂中残存水分,残存的水分被塑封料中的活性氧化铝吸附,在通电和加热的情况下,氧化铝与吸附的水分反应后带正电向负极方向移动,常温下移动阻力大无法迁移到电源负极,但在125℃热应力作用下,塑封料软化;与此同时,残留的水分汽化撑大了所在区域的移动空间,加速了带极性的氧化铝向负极方向迁移的速度,随着时间的推移,呈现出负极端氧化铝富集现象,表现为负极端颜色呈现白色。

  为防止类似事件的发生建议从以下三个方面开展工作:①提高氧化铝的纯度尽量降低活性氧化铝的残留;② 采取措施避免填料吸潮;③ 适当延长固化时间确保塑封时充分固化。

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