Теперь, после многих лет усилий производителей и исследователей, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и его сотрудники продемонстрировали неразрушающий подход к обнаружению трещин в керамических конденсаторах до того, как они выйдут из строя.
В ходе исследования метод-прототип привел к отказу от более 90 процентов образцов конденсаторов с видимыми трещинами.
После того, как дальнейшие исследования количественно определят и подтвердят уровни обнаружения, новый метод может помочь предотвратить отказы в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы и дефибрилляторы, а также предотвратить отказы электроники в спутниках и других космических аппаратах. Исследователи говорят, что новый метод может также обнаруживать структурные дефекты в других типах материалов.
Исследователи NIST изобрели эту технику, а исследование уровней обнаружения трещин было проведено с сотрудниками из Университета Мэриленда, Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Государственного университета Колорадо.
Исследование стало результатом работы рабочей группы консорциума Международной инициативы по производству электроники (iNEMI).
Эта группа, в которую входили сотрудники NIST, сосредоточилась на повышении надежности многослойных керамических конденсаторов для критически важной электроники. Группа пришла к выводу, что необходимо разработать неразрушающие методы для обнаружения трещин в конденсаторах до того, как они превратятся в токопроводящие дорожки и вызовут отказы.
Поскольку они могут хранить много энергии для своего размера, многослойные керамические конденсаторы широко используются и имеют годовой рынок в миллиарды долларов.
Но их частота отказов, хотя и низкая, долгое время считалась проблемой в некоторых приложениях. В исследовании НАСА отмечается, что конденсаторы являются электронным компонентом, который, скорее всего, выйдет из строя.
Конденсаторы могут треснуть во время производства, сборки или использования, потому что керамика хрупкая, а устройства подвергаются тепловому и механическому воздействию. Промышленный скрининг, такой как автоматический визуальный осмотр, рентгеновское излучение и акустическая микроскопия, может не обнаружить подповерхностных трещин, особенно вблизи углов под торцевыми крышками конденсаторов, где напряжение может быть самым высоким.
Исследование данных Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов для нескольких миллионов кардиостимуляторов и дефибрилляторов, имплантированных в 1990-2002 гг., Показало, что примерно один из 150 отказал, примерно четверть этих отказов связаны с неисправностями батареи / конденсатора, а 61 человек умер из-за неисправности устройства.
Новый метод обнаружения трещин NIST основан на акустических измерениях на частотах, намного превышающих человеческие. Исследователи ненадолго прикладывают электрическое поле к электродам конденсатора, возбуждая вибрацию с определенной частотой.
Затем они измеряют затухание сигнала с течением времени (называемое звонком). Эти данные анализируются для определения небольших сдвигов частоты в зависимости от величины вибрации.
Эти сдвиги больше при наличии трещин. Этот нелинейный подход — сосредоточение внимания на частотных сдвигах относительно силы сигнала, а не только на частотных сдвигах — особенно полезен, поскольку на него не влияют небольшие изменения размера конденсаторов.
Знакомый пример нелинейных акустических эффектов — это то, как меняется тон скрипки при более сильном натяжении смычка.
Керамика в исследовании NIST очень нелинейна, что означает, что конденсаторы становятся менее жесткими, а их резонансная частота падает, когда они вибрируют сильнее. Новый метод NIST измеряет закономерности того, как этот тон изменяется с течением времени в зависимости от силы вибраций.
Исследователи измерили 41 многослойный керамический конденсатор из титаната бария, каждый размером примерно 2 на 3 миллиметра, до и после нагрева до высоких температур (189 ° C) и закалки в ледяной воде. В результате термообработки в 27 образцах образовались трещины от разрушения поверхности. Результаты нелинейной акустики сильно коррелировали с наличием видимых трещин: измерения на 25 из 27 конденсаторов с видимыми трещинами дали результаты, выходящие за пределы диапазона для конденсаторов без трещин.
В исследовании сделан вывод о том, что нелинейные акустические измерения предлагают многообещающий подход к неразрушающему обнаружению трещин в конденсаторах до того, как произойдет электрический отказ, и что необходимо продолжить работу для количественной оценки уровня обнаружения.
Сотрудники NIST продолжают это исследование в сотрудничестве с производителем конденсаторов.