高可靠性MLCC的彎曲裂紋對策概要

圖1：元器件裂紋 (截面圖)

導(dǎo)致MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor、積層陶瓷貼片電容) 發(fā)生裂紋的最主要原因是基板的彎板應(yīng)力。裂紋可能會導(dǎo)致器件短路，也可能會引起異常發(fā)熱和起火等情況，因此在要求高可靠性的應(yīng)用中需要選擇抗彎板應(yīng)力的器件。

為減少基板應(yīng)力導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的可靠性，TDK開發(fā)了5大系列高可靠性MLCC。本指南Vol.1中將介紹樹脂電極的3個(gè)系列。請根據(jù)用途從各系列中選擇產(chǎn)品，以幫助提高產(chǎn)品可靠性。

彎曲裂紋對策用：高可靠性MLCC 5大系列

Vol.1中對1)～3)進(jìn)行介紹。

1)樹脂電極緩和彎板應(yīng)力
樹脂電極產(chǎn)品

2)兼顧高可靠性和低電阻
低電阻型樹脂電極產(chǎn)品

3)通過雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)來降低發(fā)生裂紋時(shí)的短路風(fēng)險(xiǎn)（+樹脂電極）
安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品

4)～5)將在Vol.2中介紹。

4)金屬框架緩和彎板應(yīng)力
MEGACAP (帶金屬框架)

5)兼具大容量、高可靠性、低電阻
低電阻、橫向排列型MEGACAP

彎曲裂紋的主要原因與對可靠性的影響

發(fā)生彎曲裂紋的最大原因在于基板彎板應(yīng)力，產(chǎn)生彎板應(yīng)力的原因有多種情況。
?制造過程中：吸嘴應(yīng)力、不合理焊錫量導(dǎo)致的應(yīng)力、基板的熱膨脹系數(shù)與MLCC的熱膨脹系數(shù)相差較大致的應(yīng)力、PCB分割時(shí)的應(yīng)力、螺絲固定導(dǎo)致的應(yīng)力、過剩基板彎曲導(dǎo)致應(yīng)力等
?使用過程中：掉落沖擊導(dǎo)致的應(yīng)力、振動導(dǎo)致的應(yīng)力等

圖2：對MLCC造成較大應(yīng)力的事例

螺絲附近、PCB邊緣附件的MLCC

熱膨脹系數(shù)較大的基板

基板制造及組裝時(shí)過度的基板彎曲

從陶瓷元件體的性質(zhì)來看，其抗壓縮應(yīng)力較強(qiáng)，但抗拉伸應(yīng)力較弱，因而在焊錫貼裝時(shí)若從基板方向?qū)LCC施加過剩的應(yīng)力，則很可能會導(dǎo)致電容發(fā)生裂紋。此時(shí)，若相對的內(nèi)部電極導(dǎo)通，則會發(fā)生短路模式故障。

此外，即使最初發(fā)生裂紋時(shí)為開路模式，在市場端的使用過程中也有可能演變?yōu)槎搪纺Ｊ健６搪纺Ｊ娇赡芤甬惓０l(fā)熱、起火等情況，因此對策不可或缺。

圖3：彎曲裂紋的主要原因與對可靠性的影響

彎曲裂紋對策較為有效的應(yīng)用

從元件貼裝到整機(jī)組裝工序中導(dǎo)致的細(xì)微裂紋很可能在市場使用過程中擴(kuò)大為器件本體的裂紋。以下的應(yīng)用中需要尤為注意。
?經(jīng)常會受到振動及沖擊的設(shè)備：車載電子設(shè)備、鐵路車輛用設(shè)備及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等
?可能頻繁發(fā)生掉落沖擊的設(shè)備：移動設(shè)備、智能鑰匙等

此外，在潮濕環(huán)境下使用的設(shè)備中，結(jié)露產(chǎn)生的水分會從器件裂紋部位侵入內(nèi)部，因此從開路模式演變成為短路模式的危險(xiǎn)性會更高。

圖4：彎曲裂紋對策較為有效的應(yīng)用

經(jīng)常會受到振動及沖擊的設(shè)備

可能頻繁發(fā)生掉落沖擊的設(shè)備

于多濕環(huán)境下使用的設(shè)備

為降低因基板彎曲所導(dǎo)致的短路發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，請務(wù)必探討選用TDK的高可靠性MLCC 5大系列產(chǎn)品。

1 樹脂電極品可緩和彎板應(yīng)力，降低對器件本體的負(fù)荷
樹脂電極產(chǎn)品

樹脂電極品的端電極結(jié)構(gòu)和普通產(chǎn)品不同。普通端子為銅、鎳、錫3層結(jié)構(gòu)，而樹脂電極品在銅與鎳之間添加了導(dǎo)電性樹脂層，因此為4層結(jié)構(gòu)。該導(dǎo)電性樹脂層可緩解外部應(yīng)力，從而避免發(fā)生裂紋。

圖5：樹脂電極產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

即使基板彎曲至10mm，也不會產(chǎn)生元件體裂紋

緩解應(yīng)力的效果可通過彎板試驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)基板彎曲10mm時(shí)，普通端子會發(fā)生裂紋，而樹脂電極品并沒有發(fā)生裂紋。

圖6：基板彎板測試的結(jié)果

通過剝離樹脂電極來避免發(fā)生元件體裂紋

進(jìn)一步加壓后，普通端子產(chǎn)品中器件本體產(chǎn)生了裂紋，但樹脂電極品中的鎳層和樹脂軟端子層相剝離，未能在器件本體中發(fā)現(xiàn)裂紋，可確認(rèn)其擁抑制器件發(fā)生裂紋的效果。

圖7：元件體裂紋與樹脂電極剝離

在10,000次的掉落試驗(yàn)中未發(fā)生元件體裂紋（*非保證項(xiàng)目）

以移動設(shè)備用途為前提進(jìn)行掉落試驗(yàn)。樹脂電極產(chǎn)品在10,000次的掉落試驗(yàn)后仍未發(fā)生元件體裂紋，可見沖擊得到了緩和。

圖8：掉落試驗(yàn)結(jié)果

【樹脂電極產(chǎn)品的特點(diǎn)】

樹脂電極構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)良好的抗機(jī)械應(yīng)力和熱沖擊特性

擁有可在150°C以內(nèi)使用的X8R/X8L產(chǎn)品

擁有溫度特性和DC偏壓特性穩(wěn)定的C0G品

【主要用途】

電源回路用安全設(shè)計(jì)

工程內(nèi)基板彎曲對策品

因熱沖擊所造成的焊接裂紋對應(yīng)品

移動設(shè)備和智能鑰匙等跌落風(fēng)險(xiǎn)高的產(chǎn)品

【樹脂電極產(chǎn)品】產(chǎn)品信息及樣品購買

一般等級

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車載等級

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2 通過獨(dú)特的端子結(jié)構(gòu)兼顧高可靠性與低電阻
低電阻型樹脂電極產(chǎn)品

樹脂電極品內(nèi)部增加了樹脂層，可吸收部分機(jī)械應(yīng)力。但另一方面樹脂電極品也有會讓ESR等電阻成分上升的缺點(diǎn)。為了改善舊型樹脂電極品的不足，我們優(yōu)化了端子結(jié)構(gòu)使其可以降低電阻，新型樹脂電極品現(xiàn)已開發(fā)成功。低電阻型的端子構(gòu)成成分是銅/樹脂層/鎳/錫，沒有任何改變，但是其樹脂層只印刷在貼裝面一側(cè)。

圖9：革新端子結(jié)構(gòu)的低電阻型產(chǎn)品

只在貼裝面印刷樹脂層來吸收基板應(yīng)力

從彎板應(yīng)力方面說明新型樹脂品的設(shè)計(jì)目的。基板彎曲會給位于基板貼裝面的端子電極下端施加應(yīng)力。通過對部分集中涂裝樹脂層，而非給端子電極整體涂布樹脂層就能緩解機(jī)械應(yīng)力是該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的。

圖10：基板彎曲對MLCC施加的應(yīng)力

端子電極內(nèi)的電流流通圖

新結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)點(diǎn)，將以電流流通端電極時(shí)的差異來說明。在舊型樹脂電極品中，其整個(gè)端子面都覆蓋了樹脂層，所以電流一定會流經(jīng)樹脂層。相較于銅等金屬，樹脂層的電阻更高，所以其電阻成分要比普通端子品更高一點(diǎn)。另一方面，低電阻型樹脂電極產(chǎn)品可使電流不流經(jīng)樹脂層。因此，電阻成分可以控制為與普通端子品相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

圖11：端子電極內(nèi)的電流流通示意圖

降低阻抗/ESR

降低阻抗/ESR的效果可參考上圖:阻抗/ESR頻率特性圖。舊型樹脂電極品（綠色曲線）的電阻值高于普通端子品（黑色曲線），低電阻型樹脂電極品（藍(lán)色曲線）的電阻值和普通端子品的頻率曲線幾乎一樣。另外，若對比諧振點(diǎn)（SRF）的話，低電阻型樹脂電極品的ESR比舊型樹脂電極品降低了約60%，預(yù)計(jì)發(fā)熱量也有相應(yīng)減少（發(fā)熱量和ESR成正比）。而且阻抗及ESR都與普通端子品相同，那么在進(jìn)行替代時(shí)其替代風(fēng)險(xiǎn)也有所降低，有利于樹脂電極品的推廣。

圖12：阻抗/ESR頻率特性、諧振點(diǎn)下的ESR/發(fā)熱量

基板彎曲耐性與舊型樹脂軟端子相同

接下來，是基板彎板測試的結(jié)果。樹脂電極品，不管是舊型品還是新品/低電阻型樹脂電極品，在基板彎曲10mm的情況下也不會產(chǎn)生元件體裂紋。根據(jù)以上結(jié)果，低電阻型樹脂電極品既可以承受基板彎曲，又能實(shí)現(xiàn)低電阻的要求。

圖13：基板彎曲試驗(yàn)結(jié)果

【低電阻型樹脂電極產(chǎn)品的特點(diǎn)】

通過只在基板貼裝面?zhèn)雀采w樹脂層，電流不會流經(jīng)樹脂層，可實(shí)現(xiàn)低電阻。

【主要用途】

電源回路用安全設(shè)計(jì)

工程內(nèi)基板彎曲對策品

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3 雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)可降低電容開裂時(shí)導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn) (+樹脂電極)
安全設(shè)計(jì)品

安全設(shè)計(jì)品，在同一個(gè)器件結(jié)構(gòu)內(nèi)串聯(lián)配置了2個(gè)電容器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨(dú)特。（雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)）

圖14：安全設(shè)計(jì)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (雙串聯(lián)結(jié)構(gòu))

雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

若基板彎曲等導(dǎo)致的裂紋貫穿相對的內(nèi)部電極之間，水汽等會侵入該裂紋，從而使發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)變大。

圖15：普通產(chǎn)品的彎曲裂紋

安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，即使左側(cè)電容器結(jié)構(gòu)部發(fā)生裂紋，因具備雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)右側(cè)的電容器結(jié)構(gòu)完好，可防止短路發(fā)生。

圖16：安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的彎曲裂紋

采用樹脂電極

而且，安全設(shè)計(jì)品還采用了TDK現(xiàn)有的樹脂電極技術(shù)，將導(dǎo)電樹脂層結(jié)合到端電極中，從而具備優(yōu)異的抗機(jī)械應(yīng)力和抗熱沖擊特性。 因此，安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品作為高可靠性MLCC而言是一款非常優(yōu)異的產(chǎn)品。

圖17：安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

替換為安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的示例

電源回路中，為了降低因MLCC裂紋導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)常會將2顆MLCC串聯(lián)貼裝。安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品內(nèi)部的雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，因此可幫助削減MLCC的數(shù)量。

圖18：替換為安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的示例

【安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特點(diǎn)】

通過雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)來降低發(fā)生裂紋時(shí)的短路風(fēng)險(xiǎn)

通過樹脂電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗機(jī)械應(yīng)力/熱沖擊

【主要用途】

電源回路用安全設(shè)計(jì)

需要更為安全設(shè)計(jì)的電路中

審核編輯：彭菁