工程师必看！MLCC的焊锡裂纹对策

周五, 9 七月 2021 - 16:48

本文介绍MLCC（Multilayer Ceramic Chip Capacitor，积层贴片陶瓷片式电容器）发生焊锡裂纹的主要原因和对策。

焊锡裂纹的主要发生原因

MLCC的焊锡裂纹不仅会在焊锡工序等制造工序中产生，同时也会在推出市场后在严酷的使用条件下产生。发生原因主要为以下几项。

(1) 热冲击、温度循环导致热疲劳 
在高温/低温的反复温度变化的环境下，因MLCC与PCB的热膨胀系数之差导致热应力施加于焊锡接合部位后发生。此外，在焊接工序中，也会因为温度管理不完善而导致该情况发生。

（2）无铅焊锡 
出于环保目的考虑而使用的无铅焊锡，其质地坚硬易碎，与以往的共晶焊锡相比，更容易发生焊锡裂纹，因此需要特别注意。

图1：焊锡裂纹的情形（切面）

焊锡裂纹的主要发生原因

MLCC的焊锡裂纹不仅会在焊锡工序等制造工序中产生，同时也会在推出市场后在严酷的使用条件下产生。发生原因主要为以下几项。

图2：焊锡裂纹的主要发生原因及其影响

焊锡裂纹对策中需特别注意的应用及基板

焊锡裂纹产生的主要原因为热冲击、温度循环导致的热疲劳以及使用硬脆的无铅焊锡。

因此，在会产生急剧加热（急剧）或急剧冷却（急冷）等周温度急剧变化（热冲击）的环境，例如汽车发动机舱等高温发热部位周围的封装应特别注意。

此外，安装在室外等温度反复变化的环境下的产品，例如太阳能发电、风力发电、基地局等基础设施由于其维护周期长，因此需要注意焊锡裂纹对策。

图3：需要焊锡裂纹对策的应用

1. 由金属端子"分散"热冲击的金属支架电容

金属支架电容是一款在端子电极上安装金属端子的MLCC，分为单体型(单层)与堆双层型(双层：双重)2类。(图4)。

图4：金属支架电容的结构

对于耐热冲击的接合强度

TDK的金属支架电容对于焊锡裂纹拥有极高的抑制效果。图5为3000次循环热冲击的截面比较图，从图中可以看出，一般端子产品相比金属支架电容，其焊锡更易劣化。特别在2000次循环以上，其差异更加明显。

图5：热冲击试验结果（一般产品与金属支架电容的比较）

基板弯曲模拟的比较

通过焊锡接合于基板上的一般产品与金属支架电容的基板弯曲模拟如图6所示。因热冲击及基板弯曲等产生的应力会集中于焊锡接合部，此时一般产品极易产生焊锡裂纹，而金属支架电容的金属端子会吸收应力，因此减少了焊锡裂纹的产生。

图6：基板弯曲模拟（一般产品与金属支架电容的比较）

【金属支架电容的特点】

<ul>
<li>通过在外部端子中使用金属端子，吸收因热冲击及基板弯曲所产生的应力。同时提高耐振动性。</li>
<li>2段型产品中可通过并列使用2个相同容量电容器的电路等来削减封装面积。</li>
<li>相比铝电解电容器，ESR、ESL更低。</li>
</ul>

【主要用途】

<ul>
<li>车载应用（EPS、ABS、EV、HEV、LED灯等）</li>
<li>平滑电路、DC-DC转换器、LED、HID</li>
<li>急剧温度变化的使用环境、压电效应对策</li>
</ul>

2. 采用耐热冲击性优异的树脂电极层，耐摔性强的树脂电极品

一般MLCC端子电极的Cu底材层均进行了镀Ni及镀Sn。而树脂电极品是一款在镀Cu及镀Ni层中加入导电性树脂层的MLCC（图7）。

图7：一般端子产品与树脂电极品端子的不同点

树脂层吸收热冲击导致焊锡接合部膨胀收缩而产生的应力以及基板弯曲应力等，抑制焊锡裂纹的产生。

粘合强度下降率约为以往产品的一半

TDK的树脂电极MLCC的特点在于拥有极其优异的耐热冲击性。图8为一般端子产品与树脂电极品在经过热冲击后粘合强度试验的接合强度比较图表。为3000次循环的热冲击(-55 to +125℃/3000cyc.)数据。一般产品的粘合强度约下降90%，而导电性树脂端子型仅下降了约50%。

图8：粘合强度的下降率（一般端子产品与树脂电极品的比较）

【树脂电极品的特点】

<ul>
<li>改善基板对于弯曲、掉落冲击、热冲击（热周期）的抵御能力。</li>
<li>由导电性树脂吸收外部压力，保护焊锡的接合部与原件。</li>
</ul>

【主要用途】

<ul>
<li>用于对需要使用焊接了积层贴片陶瓷片式电容器的基板的模块进行"弯曲裂纹"对策或预防</li>
<li>用于安装于铝基板上的电气电路、对于弯曲需具备强耐久性且焊锡接合部存在问题的SMT</li>
<li>PC、智能钥匙、汽车多媒体、开关电源、基地局、车载应用（ECU、ABS、xEV等）</li>
</ul>

" MLCC的焊锡裂纹对策"总结

电容器与基板的接合部施加应力后会产生"焊锡裂纹"，从而可能引起元件脱落、开路故障等。

汽车发动机舱或拥有其他热源的设备等暴露于热冲击、温度循环中的设备；实现无维护的基础设施；硬脆的无铅焊锡的接合需要特别注意。

各产品的特点于表9中进行了总结。

客户可根据用途选择产品,从而提高产品可靠性。

表9：MLCC焊锡裂纹对策的比较

<img alt="MLCC焊锡裂纹对策的比较" data-entity-type="file" data-entity-uuid="83ae847b-019e-49c4-80fe-e67fe23d898f" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A89%EF%BC%9AMLCC%E7%84%8A%E9%94%A1%E8%A3%82%E7%BA%B9%E5%AF%B9%E7%AD%96%E7%9A%84%E6%AF%94%E8%BE%83.PNG" /> 
文章来源：<a href="https://product.tdk.com.cn/zh/techlibrary/solutionguide/mlcc_solder-cra…;