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故障原因解析事例

パワーターミナル動作不具合

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対象装置 UNI-WIREシステム パワーターミナル

使用環境

■ 2003年より稼働、約13年使用。
■ 年末年始、夏季休暇以外は24時間連続稼働。
■ 温湿度管理がされていない室内設置で、夏は高温多湿(30℃超、60%超)、冬は低温乾燥の模様。

不具合内容

本装置にDC+24V電源を入力しても、POWERランプが非点灯、かつ、出力信号が出ない。

原因解析

解析前不具合現象再現確認(Before)

焼損している積層セラミックコンデンサ

DC+24V電源を入力したところ、POWERランプは非点灯。
内部の基板を確認したところ、DC+24V電源ラインに搭載されている積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)が焼損していることを確認。

不具合原因特定解析

焼損している積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)と同シリーズの新品積層セラミックコンデンサを仮に取り付け、DC+24V電源を入力したところ、POWERランプは点灯した。
故に、不具合現象の原因は焼損している積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)と判断する。

積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)仕様

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積層セラミックコンデンサ 焼損原因解析

本積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)が焼損した原因を特定する為の、各種検査を実施、かつ、結果を示す。

外観検査

図1 外観捺印面

図1 外観捺印面
外観が黒く変色した状態が認められる。矢印部に、溶融したハンダが付着しているのが認められる。

図2 外観裏面

図2 外観裏面
矢印部に、外観が焼損した痕跡が認められる。

図3 図2の拡大

図3 図2の拡大

図4 外観上面

図4 外観上面
矢印部に、外観が焼損、膨張変形した痕跡が認められる。

図5 外観下面

図5 外観下面
矢印部に、外観が焼損、膨張変形した痕跡が認められる。

静的特性検査

静的特性検査

※容量、tanδ、ESR全てが測定不能状態であった。

I-V特性検査

図6 端子間:電極間

図6 端子間:電極間
短絡特性が認められる。コンデンサとしての機能を果たしていないと判断出来る。
※内部で短絡している為、静的特性検査における各パラメータが測定不能であった、と考えられる。

発熱解析

図7 発熱解析実施箇所のCCD画像 外観裏面

図7 発熱解析実施箇所のCCD画像 外観裏面
バイアス条件 0.27[V]/1[mA] 1[Hz]

図8 発熱解析(CCD画像+熱強度画像)

図8 発熱解析(CCD画像+熱強度画像)
赤枠内に微小発熱が認められる。この部位において、焼損現象が発生したと考えられる。

図9 発熱解析(位相画像)

図9 発熱解析(位相画像)
赤枠内に微小発熱が認められる。この部位において、焼損現象が発生したと考えられる。

※焼損現象、すなわち、短絡した元(火事で言えば火元)が特定出来た。

非破壊内部解析:X線画像検査

図10 X線画像検査 捺印面透視

図10 X線画像検査 捺印面透視
矢印部に、電極との接続部に剥離が認められる。赤枠内に、溶融したハンダが付着した陰影が認められる。

図11 図10の拡大

図11 図10の拡大

図12 X線画像検査 上面透視

図12 X線画像検査 上面透視
矢印部に、外観が膨張変形した陰影が認められる。

破壊内部解析-1(外観パッケージ開封):実体光学顕微鏡検査

実体光学顕微鏡検査 捺印面<実体光学顕微鏡検査 捺印面>

図13 矢印部に、破壊痕が認められる。

図13 矢印部に、破壊痕が認められる。

図14 図13の拡大

図14 図13の拡大

実体光学顕微鏡検査 裏面<実体光学顕微鏡検査 裏面>

図15 矢印部に、樹脂が炭化した痕跡が認められる。

図15 矢印部に、樹脂が炭化した痕跡が認められる。

図16 図15の拡大

図16 図15の拡大

実体光学顕微鏡検査 上面<実体光学顕微鏡検査 上面>

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図17 矢印部に、樹脂が炭化した痕跡が認められる。赤枠内に、破壊痕が認められる。

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図18 図17の拡大

4_3_6_4<実体光学顕微鏡検査 下面>

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図19 矢印部に、破壊痕が認められる。

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図20 図19の拡大

破壊内部解析-2(断面剥離):実体光学顕微鏡検査

図21 断面剥離説明

図21 断面剥離説明
赤矢印方向より、機械的に約0.1mm研磨を実施して、上面より断面検査を行なう。赤枠内は、上記「発熱解析」(図7~9)にて、特定された焼損現象の発生元であり、その発生元に近づく為の断面剥離を行なった。

図22 断面剥離前

図22 断面剥離前

図23 約0.1mm断面剥離後 実体光学顕微鏡検査 上面

図23 約0.1mm断面剥離後 実体光学顕微鏡検査 上面
矢印部に、複数のクラック、及び、破壊痕が認められる。

図24 図23の拡大

図24 図23の拡大

図25 断面剥離説明

図25 断面剥離説明
赤矢印方向より、機械的に約0.5mm研磨を実施して、上面より断面検査を行なう。赤枠内は、4-3-4項発熱解析

図26 約0.5mm断面剥離後 実体光学顕微鏡検査 上面

図26 約0.5mm断面剥離後 実体光学顕微鏡検査 上面
矢印部に、複数のクラック、及び、部材が黒く変色した痕跡が認められる。

図27 図26の拡大

図27 図26の拡大

図28 図27の特殊レンズ付き 実体光学顕微鏡検査 上面

図28 図27の特殊レンズ付き 実体光学顕微鏡検査 上面
複数のクラックが認められる。赤枠内には、積層部分の溶融した痕跡が複数認められる。

図29 図28の拡大

図29 図28の拡大
矢印部に、積層部分の溶融した痕跡が認められる。

考察

原因解析より考えられることを下記に整理する。

  • 1. POWERランプが非点灯、かつ、出力信号が出ない不具合現象の原因は、DC+24V電源ラインに搭載されている積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)の故障と考えられる。
  • 2. 積層セラミックコンデンサ(Type 105シリーズ)の故障内容は、上記「静的特性検査」「I-V特性検査」より内部の短絡による故障と考えられる。
  • 3. 内部の短絡の発生箇所は、上記「発熱解析」より、外観裏面側の上面付近の内部にて発生したと考えられる。
  • 4. 内部の短絡が何故発生したのかは、上記「非破壊内部解析:X線画像検査」「破壊内部解析-1(外観パッケージ開封):実体光学顕微鏡検査」「破壊内部解析-2(断面剥離):実体光学顕微鏡検査」より、内部構造体の焼損、炭化、クラック、破壊痕、積層部分の溶融より、過大な電流が瞬間的に流れたものと推測される。
  • 5. あくまでも推測の域を脱し得ないが、DC+24V電源ラインに、過大なインパルス電流、若しくは、サージ電流が重畳してしまい、まず積層部分の溶融が始まり、溶融により短絡状態が引き起こされ、短絡により焼損、炭化、クラック、破壊に至ったものと推測される。
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