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工程師必看！MLCC的焊錫裂紋對(duì)策

時(shí)間：2021-09-23 15:34:11
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[導(dǎo)讀]本文來源于面包板社區(qū)本文介紹MLCC（MultilayerCeramicChipCapacitor，積層貼片陶瓷片式電容器）發(fā)生焊錫裂紋的主要原因和對(duì)策。焊錫裂紋的主要發(fā)生原因MLCC的焊錫裂紋不僅會(huì)在焊錫工序等制造工序中產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)在推出市場(chǎng)后在嚴(yán)酷的使用條件下產(chǎn)生。發(fā)生原因...


本文來源于面包板社區(qū)



本文介紹MLCC（Multilayer Ceramic Chip Capacitor， 積層貼片陶瓷片式電容器）發(fā)生焊錫裂紋的主要原因和對(duì)策。



焊錫裂紋的主要發(fā)生原因


MLCC的焊錫裂紋不僅會(huì)在焊錫工序等制造工序中產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)在推出市場(chǎng)后在嚴(yán)酷的使用條件下產(chǎn)生。發(fā)生原因主要為以下幾項(xiàng)。



(1) 熱沖擊、溫度循環(huán)導(dǎo)致熱疲勞
在高溫/低溫的反復(fù)溫度變化的環(huán)境下，因MLCC與PCB的熱膨脹系數(shù)之差導(dǎo)致熱應(yīng)力施加于焊錫接合部位后發(fā)生。此外，在焊接工序中，也會(huì)因?yàn)闇囟裙芾聿煌晟贫鴮?dǎo)致該情況發(fā)生。



（2）無鉛焊錫
出于環(huán)保目的考慮而使用的無鉛焊錫，其質(zhì)地堅(jiān)硬易碎，與以往的共晶焊錫相比，更容易發(fā)生焊錫裂紋，因此需要特別注意。



圖1：焊錫裂紋的情形（切面）




焊錫裂紋的主要發(fā)生原因


MLCC的焊錫裂紋不僅會(huì)在焊錫工序等制造工序中產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)在推出市場(chǎng)后在嚴(yán)酷的使用條件下產(chǎn)生。發(fā)生原因主要為以下幾項(xiàng)。



(1) 熱沖擊、溫度循環(huán)導(dǎo)致熱疲勞
在高溫/低溫的反復(fù)溫度變化的環(huán)境下，因MLCC與PCB的熱膨脹系數(shù)之差導(dǎo)致熱應(yīng)力施加于焊錫接合部位后發(fā)生。此外，在焊接工序中，也會(huì)因?yàn)闇囟裙芾聿煌晟贫鴮?dǎo)致該情況發(fā)生。



（2）無鉛焊錫
出于環(huán)保目的考慮而使用的無鉛焊錫，其質(zhì)地堅(jiān)硬易碎，與以往的共晶焊錫相比，更容易發(fā)生焊錫裂紋，因此需要特別注意。



圖2：焊錫裂紋的主要發(fā)生原因及其影響




焊錫裂紋對(duì)策中需特別注意的應(yīng)用及基板


焊錫裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)闊釠_擊、溫度循環(huán)導(dǎo)致的熱疲勞以及使用硬脆的無鉛焊錫。



因此，在會(huì)產(chǎn)生急劇加熱（急?。┗蚣眲±鋮s（急冷）等周溫度急劇變化（熱沖擊）的環(huán)境，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等高溫發(fā)熱部位周圍的封裝應(yīng)特別注意。



此外，安裝在室外等溫度反復(fù)變化的環(huán)境下的產(chǎn)品，例如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、基地局等基礎(chǔ)設(shè)施由于其維護(hù)周期長(zhǎng)，因此需要注意焊錫裂紋對(duì)策。



圖3：需要焊錫裂紋對(duì)策的應(yīng)用



1. 由金屬端子"分散"熱沖擊的金屬支架電容


金屬支架電容是一款在端子電極上安裝金屬端子的MLCC，分為單體型(單層)與堆雙層型(雙層：雙重)2類。(圖4)。



圖4：金屬支架電容的結(jié)構(gòu)



對(duì)于耐熱沖擊的接合強(qiáng)度


TDK的金屬支架電容對(duì)于焊錫裂紋擁有極高的抑制效果。圖5為3000次循環(huán)熱沖擊的截面比較圖，從圖中可以看出，一般端子產(chǎn)品相比金屬支架電容，其焊錫更易劣化。特別在2000次循環(huán)以上，其差異更加明顯。



圖5：熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果（一般產(chǎn)品與金屬支架電容的比較）



基板彎曲模擬的比較


通過焊錫接合于基板上的一般產(chǎn)品與金屬支架電容的基板彎曲模擬如圖6所示。因熱沖擊及基板彎曲等產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)集中于焊錫接合部，此時(shí)一般產(chǎn)品極易產(chǎn)生焊錫裂紋，而金屬支架電容的金屬端子會(huì)吸收應(yīng)力，因此減少了焊錫裂紋的產(chǎn)生。



圖6：基板彎曲模擬（一般產(chǎn)品與金屬支架電容的比較）



【金屬支架電容的特點(diǎn)】


  • 通過在外部端子中使用金屬端子，吸收因熱沖擊及基板彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)力。同時(shí)提高耐振動(dòng)性。


  • 2段型產(chǎn)品中可通過并列使用2個(gè)相同容量電容器的電路等來削減封裝面積。


  • 相比鋁電解電容器，ESR、ESL更低。



【主要用途】


  • 車載應(yīng)用（EPS、ABS、EV、HEV、LED燈等）


  • 平滑電路、DC-DC轉(zhuǎn)換器、LED、HID


  • 急劇溫度變化的使用環(huán)境、壓電效應(yīng)對(duì)策



2. 采用耐熱沖擊性優(yōu)異的樹脂電極層，耐摔性強(qiáng)的樹脂電極品


一般MLCC端子電極的Cu底材層均進(jìn)行了鍍Ni及鍍Sn。而樹脂電極品是一款在鍍Cu及鍍Ni層中加入導(dǎo)電性樹脂層的MLCC（圖7）。



圖7：一般端子產(chǎn)品與樹脂電極品端子的不同點(diǎn)



樹脂層吸收熱沖擊導(dǎo)致焊錫接合部膨脹收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力以及基板彎曲應(yīng)力等，抑制焊錫裂紋的產(chǎn)生。



粘合強(qiáng)度下降率約為以往產(chǎn)品的一半


TDK的樹脂電極MLCC的特點(diǎn)在于擁有極其優(yōu)異的耐熱沖擊性。圖8為一般端子產(chǎn)品與樹脂電極品在經(jīng)過熱沖擊后粘合強(qiáng)度試驗(yàn)的接合強(qiáng)度比較圖表。為3000次循環(huán)的熱沖擊(-55 to 125℃/3000cyc.)數(shù)據(jù)。一般產(chǎn)品的粘合強(qiáng)度約下降90%，而導(dǎo)電性樹脂端子型僅下降了約50%。



圖8：粘合強(qiáng)度的下降率（一般端子產(chǎn)品與樹脂電極品的比較）



【樹脂電極品的特點(diǎn)】


  • 改善基板對(duì)于彎曲、掉落沖擊、熱沖擊（熱周期）的抵御能力。


  • 由導(dǎo)電性樹脂吸收外部壓力，保護(hù)焊錫的接合部與原件。



【主要用途】


  • 用于對(duì)需要使用焊接了積層貼片陶瓷片式電容器的基板的模塊進(jìn)行"彎曲裂紋"對(duì)策或預(yù)防


  • 用于安裝于鋁基板上的電氣電路、對(duì)于彎曲需具備強(qiáng)耐久性且焊錫接合部存在問題的SMT


  • PC、智能鑰匙、汽車多媒體、開關(guān)電源、基地局、車載應(yīng)用（ECU、ABS、xEV等）




MLCC的焊錫裂紋對(duì)策總結(jié)


電容器與基板的接合部施加應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生"焊錫裂紋"，從而可能引起元件脫落、開路故障等。



汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙或擁有其他熱源的設(shè)備等暴露于熱沖擊、溫度循環(huán)中的設(shè)備；實(shí)現(xiàn)無維護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施；硬脆的無鉛焊錫的接合需要特別注意。



各產(chǎn)品的特點(diǎn)于表9中進(jìn)行了總結(jié)。



客戶可根據(jù)用途選擇產(chǎn)品,從而提高產(chǎn)品可靠性。



表9：MLCC焊錫裂紋對(duì)策的比較




—END—





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