Investigation of solder beading phenomenon under surface-mounted electrolytic capacitors

Purpose The purpose of this paper is to study the solder beading phenomenon (referring to larger-sized solder balls) of surface-mounted electrolytic capacitors. Solder beading could induce failures by violating the minimal electrical clearance on the printed circuit board (PCB). In modern lead-free reflow soldering, especially in high-reliability industries, such as automotive, aeroplane and aerospace, detecting and preventing such defects is essential in reliable and cost-effective manufacturing. Design/methodology/approach The large size of the involved components may block the view of automatic optical inspection; therefore, X-ray inspection is necessary. To detect the failure mode, X-ray imaging, cross-section grinding, optical microscopy and Fourier transformed infrared spectroscopy were used. High-resolution noncontact profilometry and optical microscopy were used to analyse component designs. The surface mounting process steps were also analysed to reveal their dependence on the issue. Test methods were designed and performed to reveal the behaviour of the solder paste (SP) during the reflow soldering process and to emphasise the component design relevance. Findings It was found that the reduction of SP volume only reduces the failure rate but does not solve the problem. Results show that excessive component placement pressure could induce solder beading. Statistical analysis revealed that differences between distinct components had the highest effect on the solder beading rate. Design aspects of solder beading-prone components were identified and discussed as the primary source of the problem. Practical implications The findings can be applied in surface-mount technology production, where the total failure count and resulting failure costs could be reduced according to the findings. Originality/value This paper shows that component design aspects such as the low distance between the underside of the component and the PCB and blocked proper outgassing of volatile compounds of the SP can be root causes of solder beading under surface-mounted electrolytic capacitors.

Direct Sliding Mode Control for Dynamic Instabilities in DC-Link Voltage of Standalone Photovoltaic Systems with a Small Capacitor

Large electrolytic capacitors used in grid-connected and stand-alone photovoltaic (PV) applications for power decoupling purposes are unreliable because of their short lifetime. Film capacitors can be used instead of electrolytic capacitors if the energy storage requirement of the power conditioning units (PCUs) is reduced, since they offer better reliability and have a longer lifetime. Film capacitors have a lower capacitance than electrolytic capacitors, causing enormous frequency ripples on the DC-link voltage and affecting the standalone photovoltaic system’s dynamic performance. This research provided novel direct sliding mode controllers (DSMCs) for minimizing DC-link capacitor, regulating various components of the PV/BES system that assists to manage the DC-link voltage with a small capacitor. DSMCs were combined with the perturb and observe (P&O) method for DC boost converters to increase the photovoltaic system’s dynamic performance, and regulate the battery’s bidirectional converter (BDC) to overcome the DC-link voltage instabilities caused via a lower DC-link capacitor. The system is intended to power both AC and DC loads in places without grid connection. The system’s functions are divided into four modes, dependent on energy supply and demand, and the battery’s state of charge. The findings illustrate the controllers’ durability and the system’s outstanding performance. The testing was carried out on the MT real-time control platform NI PXIE-1071 utilizing Hardware-In-The-Loop experiments and MATLAB/Simulink.

Statistical Operational Control of Tantalum Electrolytic Capacitors by Using Multifactorial Model

С использованием метода статистического дискретного наблюдения получены результаты анализа качества приварки катодного вывода танталовых конденсаторов с жидким электролитом. Базисными информативными показателями установлены баллы качества, рассчитанные по разработанной методике системного межэтапного анализа качества конденсаторов (см. работы в журнале «Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» за 2018 г.). Проведены верификационные экспериментальные исследования для танталовых конденсаторов с твердым электролитом по разработанному методу системного контроля технологического процесса танталовых электролитических конденсаторов с построением многофакторной модели. В результате исследований установлено наличие отклонения твердоэлектролитических конденсаторов по параметрическому несоответствию тока утечки. Для проведения многофакторного эксперимента выбран процесс изготовления объемно-пористого танталового анодного электрода. Построена регрессионная математическая модель процесса изготовления танталового анода в зависимости от факторов прессования, спекания и электрохимического оксидирования. В сформированной математической модели обнаружено наиболее сильное параметрическое влияние на характеристику «ток утечки» плотности прессования и напряжения оксидирования, а также совокупного фактора плотности прессования и температуры спекания; имеется также незначительное влияние температуры и совокупности факторов температуры и напряжения оксидирования. Разработанный метод системного контроля технологического процесса танталовых электролитических конденсаторов с использованием многофакторной модели позволяет минимизировать отказы танталовых конденсаторов на входном контроле и в аппаратуре заказчика.

Application of the STRESS TEST Method for Quality Control of Electrolytic Capacitors and Capacitors with a Double Electric Layer

В статье рассматривается проблема подтверждения длительной безотказности современного конденсаторостроения в короткие сроки, а именно, оксидно-электролитических алюминиевых конденсаторов, танталовых объемно-пористых конденсаторов и конденсаторов с двойным электрическим слоем. Особое внимание уделяется эксплуатационным параметрам конденсаторов - емкости и эквивалентному последовательному сопротивлению. Проведено исследование длительной безотказности оксидно-электролитических алюминиевых конденсаторов (3000 ч), танталовых объемно-пористых конденсаторов (24 000 ч) и конденсаторов с двойным электрическим слоем (600 ч), получены статистические данные распределения емкости и эквивалентного последовательного сопротивления. Для уменьшения времени испытаний на длительную безотказность был использован ускоренный метод испытаний на надежность стресс-теста. Анализ результатов испытаний конденсаторов на длительную безотказность и методом «Стресс-тест» показал, что применение метода «Стресс-тест» допустимо при испытании объемно-пористых танталовых конденсаторов и оксидно-электролитических алюминиевых конденсаторов, так как прослеживается аналогичный характер изменения электрических параметров, как после проведения испытаний на длительную безотказность. Однако применение метода «Стресс-тест» для конденсаторов с двойным электрическим слоем не представляется возможным в связи с отличной структурой и требует дополнительного подбора режимов проведения испытаний.